物理考试与交通运输

一、内容概述

自行车、汽车、列车、飞机、轮船等是大家都熟悉的交通工具,这些交通工具为人们的出行提供了很大的便利.近几年的物理考试中常结合这些交通运输工具的使用编制试题.这类考试题涉及比较多的有功、能量、功率、效率、压强等重要知识点,还会涉及浮力、速度、参照物、摩擦、惯性、噪声、电路、电磁波、光的反射等知识.主要分布在综合题、选择题、填空题和计算题等题型中,也有在实验探究题和作图题中.我们在中考中要取得理想的物理考试成绩,就必须熟悉这类考试题的设计意图,掌握这类试题的解题方法.

二、典型试题

例1诞生于19世纪后10年的汽车,曾经是速度和效率的象征.进入21世纪,伴随着汽车的普及,现实中的交通事故、交通堵塞、能源紧张、环境污染等问题开始困扰着我们,回归传统和自然的呼声越来越高,“骑上你的自行车”成为倡导“国际无车日”(9月22日)活动的宣传用语.“国际无车日”活动并不是拒绝汽车,而是唤起民众对自身生活方式的反思,如何走出既有速度和效率又能减少拥堵和污染这个两难的境地,一种新的交通工具――电动自行车应运而生了.

(1)电动自行车运用了许多物理知识,观察图1所示电动自行车的结构图,填写下表.

(2)运用科学的物理术语,说明电动自行车和汽车的能量转化,并指出“国际无车日”的积极意义.

(3)下表是某品牌电动自行车的部分技术参数.从物理学的角度看,表中有一个物理量的名称与单位不一致,请你指出并改正.

(4)若电动自行车的效率为80%,行驶过程中所受阻力为车重的0.06倍.求车以4m/s的速度在平直公路上匀速行驶时的工作电流(g取10N/kg).

解析电动自行车作为一种交通工具,它具有自行车的结构简单、使用简便等特点,其中的大部分设计与自行车相同.其尾灯有采用自行车一样的角反射器的,也有采用自发光电灯的.从图片看,本题的尾灯采用的是前一种.车座的设计与自行车相同,其马鞍状的设计更有利于增大其对人体压力的受力面积,以减小其对人体臀部的压强.其轮胎外表面设计成凹凸不平状,有助于增大轮胎与地面的摩擦.所以本题第一小题的表格中应分别填入“多组互成直角的平面镜”、“减小压强”和“增大摩擦”.

电动自行车主要由直流电动机带动车轮转动,其行驶时主要是将电能转化为机械能.汽车主要由能量转化效率较低的汽油机(或柴油机)等热机提供动力,因此汽车行驶过程中主要是内能转化为机械能,且热机的工作会产生有害的废气和噪声,会对环境造成污染.倡导“国际无车日”活动,有助于提高人们保护环境和节约能源的意识.因此第2小题可以这样回答:“电动自行车:电能转化为机械能汽车:内能转化为机械能国际无车日有利于减少环境污染,有助于提高人们的环保意识等”.

轮胎能够承受的最大压强的单位是帕斯卡,其符号为Pa,而表中的压强单位误写为P,应该改正.即将2×105P改为2×105Pa.

车的工作电流可以通过确定电动机工作时的电功率来求解.解答如下:

因自行车匀速行驶,故

F=f=0.06×80kg×10N/kg=48N,

因P电=UI,P车=Fv,η=P车/P电,

故UI×80%=Fv,得

I=■=■=5A.

点拨物理问题的解答要特别注意物理术语和物理公式的正确运用.本题解答中要防止出现“减小压力”、“电能转化为动能”等不正确的说法.

例2地铁可以缓解城市公交运输压力,某学校综合实践活动小组的同学们收集到地铁机车和公交汽车在某段运行区间内的相关数据如下:

(1)甲、乙两地铁站相距1.8km,地铁运行需要多长时间?消耗多少电能?

(2)公交汽车每千米消耗燃油0.3kg,行驶1.8km路程所消耗的燃油完全燃烧放出多少热量?公交汽车的效率是多少?

(3)根据题中获得的信息,从物理学角度谈一谈地铁作为交通工具的优点.(写出两条即可)

解析地铁是现代城市交通中的一种新的交通工具.地铁列车的动力来自于地铁电力机车,即其中的电动机.本题表格提供的信息中,地铁电力机车功率106W和平均速度60km/h是第(1)小题解题的主要依据.由速度公式v=s/t可以求得地铁列车通过相距1.8km的甲、乙两地铁站之间所需要的时间t,

t=s/v=1.8km/60km/h=0.03h=108s.

这段时间内电力机车消耗的电能

W=Pt=106W×108s=1.08×108J.

第(2)小题首先由“公交汽车每千米消耗燃油0.3kg”和“行驶1.8km路程”这两个数据求得需要消耗的燃油的质量数m,

m=0.3kg/km×1.8km=0.54kg.

这些燃料完全燃烧放出的热量

Q=mq=0.54kg×4×107J/kg=2.16×107J.

利用表格中的公交汽车的牵引力3000N和1.8km路程通过公式W=Fs求得汽车所做的功,公交汽车的效率η=W/Q=3000N×1.8×103m/2.16×107J=25%.

第(3)小题的解答,可以从表格提供的信息直接比较就得到其中的一条.地铁列车行驶速度大,可以节省乘坐时间;另一条可以在两种交通工具的效率、运输每一个人消耗的能量大小和对环境的影响大小这些方面去寻找.通过计算可以求得电力机车的效率η′,η′=W′/W=F ′s/Pt=5×104N×1800m/1.08×108J=83.3%,显然地铁列车的能量转化效率较公交汽车高.所以可以从以下几点中选择几点回答:①速度快(或节省运行时间);②能量转化效率高;③乘客人均消耗能量较少(或节能);④无废气污染(或环保)等.

点拨功率、功、效率是物理学的重要概念,是物理考试要重点考查的内容.通过对表中提供的信息的分析比较,获得解题所需条件,这需要我们有较强的对信息的提炼处理能力.

例3小轿车的仪表盘上,有一个显示汽车车门关闭状况的指示灯.只要四个车门中有一个没关闭(此时装在车门上的电路开关处于断开),指示灯就发光提醒.图2四个电路中,能体现该装置工作原理的是().

解析在电路中,开关的作用是控制电路的通断和改变电路元件之间的连接.闭合状态的开关等同于一段无电阻的导线.本题的A电路中,无论开关是否闭合,灯都会有电流通过,且只要有一个车门关闭(对应的开关闭合),就将导致电路中的限流电阻被短路,就会使电灯中有较大的电流通过而使灯的发光更亮;B电路中所有车门都开着时,灯才会有电流通过而发光,只要有一个车门关闭,灯就会被短路而熄灭;C电路中只要有一个车门未关闭,灯都是和定值电阻串联通电而发光,且当四个车门都关闭时,定值电阻才被短路,而使灯中有较大的电流通过而发光更亮.显然,A、B、C各图所表示的电路都与题述的要求不符.D电路中,只要有一个车门未关闭,灯都是和定值电阻串联通电而发光,当四个车门都关闭(四只开关都闭合)时,灯才会被短路而熄灭,符合题述要求,所以本题应该选D.

点拨电路中,开关的闭合使得与开关并联的用电器被短路,使得用电器因无电流通过而停止工作,这是开关控制用电器的一种方式,需要特别关注.

例4阅读短文,回答问题.

汽车防冻液

汽车在行驶时,发动机的温度会升得很高.为了确保安全,可用水循环进行冷却.实际上,水中往往还要加入不易挥发的防冻液(原液),加入防冻液后的混合液冬天不容易凝固,长时间开车也不容易沸腾.

有关资料表明,防冻液与水按不同的比例混合,混合液的凝固点、沸点不同,具体数值参见下表(表中防冻液含量是指防冻液在混合液中所占体积的百分比).

在给汽车水箱中加防冻液时,宜使混合液的凝固点比本地常年最低气温低10～15℃.考虑到混合液比热容的减小会影响散热效果,因此,混合液中防冻液的含量不宜过高.

(1)汽车发动机用水来冷却,这是因为水的较大.

(2)在混合液中,如果防冻液含量由30%逐渐增大到90%,则混合液凝固点的变化情况是.

A.逐渐升高B.逐渐降低

C.先升高后降低D.先降低后升高

(3)若某地常年最低气温为-15℃,对该地区汽车来说,在下列不同防冻液含量的混合液中,宜选.

A.30%B.40%C.60%D.90%

(4)请在图4中作出混合液沸点与防冻液含量的关系图像.由图像可以推知,防冻液的含量达到75%时,混合液的沸点大约是

℃.

(5)长时间使用后,汽车水箱中的混合液会减少.与原来相比,混合液的沸点

(选填“升高”“降低”或“不变”),其原因是.

解析水是一种在人们生活和生产活动中都有重要应用的物质.水的比热容较其他物质大,因此同样质量的水和其他物质升高同样温度,水可以吸收更多的热量,这就是汽车发动机用水来冷却的原因.

从表格中列出的数据可以看出,防冻液的含量由30%逐渐增大到90%,则混合液凝固点由-17℃下降到-49℃然后又上升到-28℃.由于题述“在给汽车水箱中加防冻液时,宜使混合液的凝固点比本地常年最低气温低10~15℃,”且“考虑到混合液比热容的减小会影响散热效果”.因此,混合液中防冻液的含量不宜过高.所以虽然防冻液的含量为40%和90%这两种情况下混合液凝固点都是-28℃,都符合题目对混合液的凝固点的要求.但考虑到混合液中防冻液含量越高,比热容就减小,会影响散热效果,所以应该选择防冻液含量为40%的B选项.

长时间的使用,由于混合液中水的蒸发会造成混合液中水的含量减少,防冻液的含量会增大,由表格中的数据比较可知,混合液的沸点会升高.第四小题通过描点的方法表示混合液沸点与防冻液含量的关系图像;并可以确定防冻液的含量达到75%时,混合液的沸点大约是120℃.本题的答案如下:

(1)比热容(2)D(3)B(4)描点作图,见图5120(5)升高水由于汽化而减少,防冻液的含量增大

点拨本题以大家容易理解的汽车的防冻液作为命题的素材,主要考查了通过阅读获取信息的能力、对信息进行综合、比较分析的能力和通过在直角坐标系中描点来描述数据.形象地表现信息的能力,同时也考查了大家对比热容、沸点、凝固点、蒸发等知识点的认识水平.中考试题的设计越来越重视科学探究能力的考查,需要我们在平时的学习中重视科学探究过程.

例52009年1月1日9时整,江西首条湖底隧道开通.这条隧道西起阳明东路京九线隧道,东至国威路和上海北路交叉口,全长1965m,双向6车道,其中湖底暗埋段550m.在湖底隧道口有一交通标志牌如图6所示,交通标志牌上数字的含义是什么?在遵守交通规则的前提下,一辆小车通过湖底暗埋段至少需要多少时间?

解析题中公路交通标志牌的含义是汽车经过湖底隧道最大车速限定为40km/h.因此小车经过湖底暗埋段至少需要的时间应该用这个限定的最大车速和湖底暗埋段550m这两个数据来计算.解答如下:

限速40km/h,

t=s/v=0.55km/40km/h=0.01375h=49.5s.

点拨一些公路交通的标志牌和汽车上的速度计、里程表也常出现在物理考试题中,作为提供解题所需信息.这就需要我们平时对马路周围的一些交通标志牌的含义和汽车上的一些仪表的读数方法予以关注.

例62008年底大陆与台湾实现了直接通邮、通商、通航,两岸的交流更加便捷、高效.

(1)从图可知,台北位于上海的方向.

(2)飞机从上海起飞,经新航路可以直飞台北,减少了经香港绕行的麻烦.上海与台北直线距离约为700km,如果飞机以500km/h的平均速度从上海直飞台北,约需要h.

解析从图7中可以看出,台北位于上海的正南方.从上海直飞台北需要的时间约为t=s/t=700km/500km/h=1.4h.

点拨作为当代人们主要的空中交通工具的飞机,在物理考试题中常会结合惯性、机械运动和流体压强等知识点出现.

例7车载GPS导航仪是通过与导航卫星互相传递信息,确定汽车的准确位置,并在电子地图上显示出来(如图8),为汽车驾驶员导航.下列说法正确的是().

A.导航仪与导航卫星是通过电磁波传递信息

B.导航仪上的移动电话是通过电流传递信息

C.导航卫星发射的电磁波不能在真空中传播

D.导航卫星发射的电磁波比光的传播速度慢

解析卫星通讯是通过电磁波实现卫星之间和卫星与地面之间信息传递的.全球卫星定位系统即GPS就是卫星通信的一种应用.电磁波可以在空气等介质中传播,也能够在真空中传播,其传播速度与光的传播速度相同.移动电话也是利用电磁波(微波)完成信息传递的.所以本题应该选择A.

例8武汉等地生产的混合动力汽车启动时,内燃机并不工作,蓄电池通过某种方式向车轮输送能量;当需要高速行驶或蓄电池储存电能过低时,内燃机启动,既可以向车轮输送能量,也可以同时给蓄电池充电;当车辆需要全力加速时,内燃机和蓄电池还可以同时向车轮输送能量.

(1)根据以上描述,请你说出一种混合动力汽车不同于普通汽车的优点.

.

(2)下表是某台混合动力汽车所用的镍氢蓄电池组的部分参数(其中容量即为电荷量),试求该蓄电池组最多可储存多少电能?

(3)测试人员驾驶该车在平直公路上匀速行驶0.5h,观察仪表盘,发现这段时间内汽车内燃机消耗燃油4.475kg,车速50km/h,蓄电池组储存的电能由最大值的60%增加到80%.从汽车使用技术手册中,测试人员发现该车使用的燃油的热值为4.0×107J/kg,汽车行驶时所受阻力f和车速v的关系如图9所示.试计算该汽车内燃机的效率(不计内燃机外机械传动及充电过程中的能量损失).

解析混合动力汽车由于在行驶过程中大部分时间依靠蓄电池通过某种方式向车轮输送能量,不需要其中的内燃机工作,所以可以减少因内燃机工作对环境的影响,比较符合环保的要求.

电池的容量100Ah可以理解为该电池组充满电后,可以以300V电压、lA电流连续工作1h.

根据电池的容量100Ah和电压300V可以确定该电池组最多可以存储的电能为

W=UIt=300V×100Ah=300V×100A×1h=300V×100A×3600s=1.08×108J.

内燃机工作时,不仅有内能转化为汽车行驶所需的机械能,而且还可以将一部分能量转化为电能储存在电池中.这部分电能为

W1=W(80%-60%)

=1.08×108J×20%=2.16×107J.

由图像知这段时间内汽车受到的阻力为2000N,克服阻力所做的功(也就是转化成有用的机械能)为

W2=F阻×s=F阻×v

=2000N×50×103m/h×0.5h=5×107J.

这段时间内内燃机消耗的燃料完全燃烧放出的热量为

Q=mq=4.475kg×4.0×107J/kg=1.79×108J.

该汽车内燃机的效率为η=(W1+W2)/Q

=(2.16×107J+5×107J)/1.79×108J=40%.

点拨目前的汽车主要还是依靠消耗汽油、柴油的内燃机提供动力,使用新型能源的汽车像电动汽车、太阳能汽车等已出现在人们的面前.物理考试也常会关注到这些新型汽车.

三、对应练习

1.上海自主研发了一种氢燃料汽车,它使用氢气代替汽油.在一次测试中,汽车在水平路面受到2400N的水平牵引力,5min内匀速直线行驶了9000m.求:

(1)汽车受到水平方向的阻力是多少?

(2)汽车牵引力所做的功和功率是多少?

2.近年来,为了控制噪声污染,改善居民的生活环境,有些城市采取了城区禁止汽车鸣笛、道路两边种花植树、高架桥两侧安装隔声板等措施.图10所示的标志中,表示“禁止鸣笛”的是().

3.2008年12月,中国海军编队从海南省三亚市出发,到印度洋索马里海域进行护航.

(1)索马里海域高温高湿,蔬菜容易腐烂.请你说出一种蔬菜保鲜的方法:

.

(2)如果商船需要帮助,商船可利用通讯设备发射波与军舰取得联系.

(3)参加护航的“武汉号”是我军编队中一艘现代化的军舰,军舰满载时重7.5×107N,则满载时军舰排开海水的体积为多少立方米?(海水的密度ρ=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)(计算结果保留两位小数)

参考答案

1.(1)汽车做匀速直线运动,它受到的是平衡力,

f=F=2400N.

(2)W=Fs=2400N×9000m=2.16×107J,

P=■=■=7.2×104W.

2.C

3.(1)低温保存(或低氧保存、充氦保存、真空保存)

(2)电磁(或无线电、微)

(3)根据二力平衡

F浮=G=7.5×107N,

根据阿基米德原理

F浮=G排=ρ液V排g,

所以V排=F浮/ρ液g=7.5×107N/1.0×103kg/m3

×10N/kg=7.5×103m3.

军舰排开海水的体积为7.5×103m3.