专题03 功能关系（北京专用）-【好题汇编】2025年高考物理一模试题分类汇编

专题03 功能关系综合应用题 1．（2025·北京西城·一模）如图所示，一个质量为m的小球，用轻绳悬挂于O点，初始时刻小球静止于P点。第一次小球在水平拉力F1的作用下，从P点缓慢地移动到Q点，此时轻绳与竖直方向夹角为θ；第二次小球在水平恒力F2的作用下，从P点开始运动恰好能到达Q点。不计空气阻力，重力加速度为g。下列说法正确的是（　　） A．第二次水平恒力的大小为 B．第二次到达Q点时绳的拉力比第一次小 C．第二次水平力做的功比第一次多 D．两个过程中绳的拉力均逐渐增大 2．（2025·北京延庆·一模）如图所示，水平传送带以v＝2m/s的速率匀速运行，上方漏斗每秒将40kg的煤粉竖直放到传送带上，然后一起随传送带匀速运动，该过程传送带与传送轮之间不打滑。如果要使传送带保持原来的速率匀速运行，则电动机应增加的输出功率为（　　） A．80W B．160W C．320W D．640W 3．（2025·北京延庆·一模）如图所示，轻质弹簧上端固定，下端系一物体。物体在A处时，弹簧处于原长状态。现用手托住物体使它从A处缓慢下降，到达B处时，手和物体自然分开。此过程中，手的支持力对物体所做的功的绝对值为W。不考虑空气阻力。关于此过程，下列说法正确的有（　　） A．物体重力势能减小量一定等于W B．弹簧弹性势能增加量一定小于W C．物体与弹簧组成的系统机械能增加量为W D．不施加手的作用，将物体从A处由静止释放，则物体到达B处时的动能为W 4．（2025·北京延庆·一模）汽车研发机构在某款微型汽车的车轮上安装了小型发电机，将减速时的部分动能转化并储存在蓄电池中，以达到节能的目的。某次测试中，微型汽车以额定功率行驶一段距离后关闭发动机，测出了微型汽车的动能Ek与位移x关系图像如图所示，其中①是关闭储能装置时的关系图线，②是开启储能装置时的关系图线。已知微型汽车的质量为1000kg，为便于讨论，设其运动过程中所受阻力恒定。根据图像所给的信息可求出（　　） A．汽车行驶过程中所受阻力为1000N B．汽车的额定功率为120kW C．汽车加速运动的时间为22.5s D．汽车开启储能装置后向蓄电池提供的电能为5×105J 5．（2025·北京石景山·一模）蹦极运动中，长弹性绳一端固定，另一端绑在游客身上，游客从几十米高处跳下，经过一段时间绳子绷直。将蹦极过程简化为游客沿竖直方向的运动。从绳恰好伸直到游客第一次下降至最低点的过程中，若不计空气阻力，下列分析正确的是（　　） A．绳对游客拉力的冲量大小等于重力对游客的冲量大小 B．绳对游客的拉力始终做负功，游客的动能一直减小 C．游客的加速度一直变大 D．游客的动能最大时，绳对游客的拉力等于游客所受的重力 6．（2025·北京朝阳·一模）物体a、b质量分别为ma和mb，且ma<mb，它们的初动能相同。若a和b分别只受到恒定阻力Fa和Fb的作用，经过相同的时间停下来，它们的位移分别为xa和xb。下列说法正确的是（　　） A．Fa>Fb，xa<xb B．Fa>Fb，xa>xb C．Fa<Fb，xa>xb D．Fa<Fb，xa<xb 7．（2025·北京大兴·一模）在2024年的巴黎奥运会中，我国小将全红婵力压群芳，取得了女子10米跳台比赛的冠军。假设全红婵的质量为m = 50 kg，其体型可等效为长度l = 1 m、底面积S = 0.06 m2的圆柱体，不计空气阻力，当她起跳到达最高点时，她的重心离跳台表面的高度为0.8 m。 (1)求全红婵起跳瞬间的速度大小； (2)全红婵落水后将受到水的浮力。若以落水点为坐标原点，竖直向下为正方向建立x轴，请在答题纸给出的坐标上画出她所受浮力F的大小随落水深度x变化的函数关系图像（已知物体在水中所受浮力为F = ρgV，V为物体所排开的水的体积）； (3)若全红婵从跳台自由下落，忽略空气阻力和她入水后受到的水的阻力，为了确保她的安全，求水池中水的深度h至少应等于多少？（水的密度ρ = 1.0 × 103 kg/m3，g = 10 m/s2）。 8．（2025·北京丰台·一模）如图所示，冰车静止在冰面上，小孩与冰车的总质量。大人用恒定拉力，使冰车开始沿水平冰面移动，拉力方向与水平面的夹角为。已知冰车与冰面间的动摩擦因数，重力加速度，，。求。 (1)小孩与冰车受到的支持力的大小。 (2)小孩与冰车的加速度的大小。 (3)拉力作用时间，冰车位移的大小。 (4)拉力作用时间内，合外力做的功。 9．（2025·北京丰台·一模）“能量回收”装置可使电动车在减速或下坡过程中把机械能转化为电能。质量m=2×103kg的电动车以Ek0=1×105J的初动能沿平直斜坡向下运动。第一次关闭电动机，电动车自由滑行，动能位移关系如图线①所示；第二次关闭电动机的同时，开启电磁制动的“能量回收”装置。电动车动能位移关系如图线②所示，行驶200m的过程中，回收了E电=1.088×105J的电能。求： (1)图线①所对应的过程，电动车所受合力F合的大小； (2)图线②所对应的过程中，电动车行驶到150m处受到的电磁制动力F及其功率P； (3)图线②所对应的全过程，机械能转化为电能的效率η。 10．（2025·北京顺义·一模）如图所示，竖直面内的光滑轨道ABCD，AB段为曲面，BC段水平，CD段是半径的半圆形轨道，BC段与CD段在C点相切。在A点由静止释放一质量为的小球，小球沿轨道运动至D点后，沿水平方向飞出，最终落到水平轨道BC段上的E点，A点距水平面的高度，重力加速度g取，求： (1)小球运动到B点时的速度大小； (2)小球运动到D点时轨道对小球的弹力大小； (3)C、E两点的距离x。 11．（2025·北京延庆·一模）国家的高质量发展离不开可靠的能源保障。 (1)风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其基本外形如图1所示。风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。已知风力发电机的输出电功率P与最大接收功率Pm成正比。2023年11月10日，全新一代总容量18兆瓦的海上直驱风电机组下线，该机组的单台风力发电机在风速v1=15m/s时能够输出的电功率P1=2.7×104kW。我国某海域全年平均风速不低于v2=10m/s，若每年总时长按6000小时做估算。该风力发电机在该地区的年最低发电量大约是多少千瓦时？（需要的物理量可以自行设定） (2)近年来，我国光伏产业创新发展迅速，某种新型光伏材料的光电转化效率可达32%。设想用该材料制成的太阳能面板给某型号纯电动客车供电。若该型号纯电动客车在水平路面上以v=72km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I=80A，输入电压U=400V。试求此状态下能够直接驱动该电动客车的太阳能电池板的最小面积是多大？结合计算结果，简述你对该设想的思考。（已知太阳辐射的总功率P0=4×1026W，太阳到地球的距离r=1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，计算结果保留三位有效数字。） (3)利用地下密闭盐穴存储“空气能”是最为经济、最为安全的空气储存方式。如图2所示，某盐穴压缩空气储能电站在用电低谷时用电网富余的电能带动空气压缩机给地下900多米深处的巨大盐穴打气，同时利用换热系统将这些压缩空气的热量存至储热介质中；在用电高峰阶段，让高压气体喷入管道并吸收储热介质中的热量，最后设法用这些高能空气驱动外界发电机组发电，控制调整后将电能返送回电网，保证电网的稳定和安全。该“盐穴空气储能电站”完成一次压缩的时间为8小时，而发电过程可以持续5小时，发电量可达30万千瓦时。若电动机及压缩机组的机械转化效率为90%，被压缩的气体向外界传导的热量占消耗电能的80%，压缩结束时盐穴内被封闭的空气增加的内能为5万千瓦时。试求该压缩空气储能站的电能转换效率η。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题03 功能关系综合应用题 1．（2025·北京西城·一模）如图所示，一个质量为m的小球，用轻绳悬挂于O点，初始时刻小球静止于P点。第一次小球在水平拉力F1的作用下，从P点缓慢地移动到Q点，此时轻绳与竖直方向夹角为θ；第二次小球在水平恒力F2的作用下，从P点开始运动恰好能到达Q点。不计空气阻力，重力加速度为g。下列说法正确的是（　　） A．第二次水平恒力的大小为 B．第二次到达Q点时绳的拉力比第一次小 C．第二次水平力做的功比第一次多 D．两个过程中绳的拉力均逐渐增大 【答案】B 【详解】AB．第一次小球缓慢移动，小球处于平衡状态，解得 绳中张力 随着的逐渐增大，力F、T逐渐增大，当时，有， 在第二次运动过程中，根据动能定理有 解得 故第一个过程中，拉力F在逐渐变大，且最大值一定大于F′，选项B正确，A错误； C．第一次小球缓慢上升，可认为速度为零；第二次在水平恒力F′作用下，从P点开始运动并恰好能到达Q点，此过程中，小球恰能到达Q点，说明vQ=0，即两次拉力做功都等于小球重力势能的增加量，选项C错误； D．在第二次运动过程中，根据平行四边形定则可知，重力与水平拉力的合力为，恒定不变，方向与竖直方向成角，整个过程中小球先加速后减速，当小球运动至轻绳与竖直方向成角时，速度最大，根据牛顿第二定律和向心力公式 可得 可知此时轻绳中的拉力亦最大，即第二种情况下轻绳的拉力先增加后减小，选项D错误。 故选B。 2．（2025·北京延庆·一模）如图所示，水平传送带以v＝2m/s的速率匀速运行，上方漏斗每秒将40kg的煤粉竖直放到传送带上，然后一起随传送带匀速运动，该过程传送带与传送轮之间不打滑。如果要使传送带保持原来的速率匀速运行，则电动机应增加的输出功率为（　　） A．80W B．160W C．320W D．640W 【答案】B 【详解】由功能关系，电动机增加的功率用于使单位时间内落在传送带上的煤粉获得的动能以及煤粉相对传送带滑动过程中产生的热量，所以 传送带做匀速运动，而煤粉相对地面做匀加速运动过程中的平均速度为传送带速度的一半，所以煤粉相对传送带的位移大小等于相对地面的位移大小，结合动能定理，故 代入题中数据，联立解得 故选B。 3．（2025·北京延庆·一模）如图所示，轻质弹簧上端固定，下端系一物体。物体在A处时，弹簧处于原长状态。现用手托住物体使它从A处缓慢下降，到达B处时，手和物体自然分开。此过程中，手的支持力对物体所做的功的绝对值为W。不考虑空气阻力。关于此过程，下列说法正确的有（　　） A．物体重力势能减小量一定等于W B．弹簧弹性势能增加量一定小于W C．物体与弹簧组成的系统机械能增加量为W D．不施加手的作用，将物体从A处由静止释放，则物体到达B处时的动能为W 【答案】D 【详解】A．重物在向下运动的过程中，克服弹簧拉力做功W弹，根据动能定理可得 则物体重力势能减小量为 故A错误； B．手和物体自然分开时，手对物体的支持力为零，弹簧弹力和重力平衡，即 克服弹簧弹力做功为 解得 则 弹簧弹性势能增加量等于克服弹簧弹力做的功，弹簧弹性势能增加量一定等于W，故B错误； C．由于手对物体做功为-W，根据功能原理可知，物体与弹簧组成的系统机械能增加量为-W，故C错误； D．若将物体从A处由静止释放，则物体到达B处时动能最大，重物从静止下落到B的过程中，根据动能定理，有 解得物体到达B处时的动能为 故D正确。 故选D。 4．（2025·北京延庆·一模）汽车研发机构在某款微型汽车的车轮上安装了小型发电机，将减速时的部分动能转化并储存在蓄电池中，以达到节能的目的。某次测试中，微型汽车以额定功率行驶一段距离后关闭发动机，测出了微型汽车的动能Ek与位移x关系图像如图所示，其中①是关闭储能装置时的关系图线，②是开启储能装置时的关系图线。已知微型汽车的质量为1000kg，为便于讨论，设其运动过程中所受阻力恒定。根据图像所给的信息可求出（　　） A．汽车行驶过程中所受阻力为1000N B．汽车的额定功率为120kW C．汽车加速运动的时间为22.5s D．汽车开启储能装置后向蓄电池提供的电能为5×105J 【答案】D 【详解】A．对于图线①，根据动能定理得：-fx=0-Ek 得到阻力为： 选项A错误； B．设汽车匀速运动的速度为v，则有 汽车的额定功率为：P=Fv=fv=2000×40W=80kW 故B错误。 C．对于加速运动过程，根据动能定理得：Pt-fs=Ek2-Ek1 得到 故C错误。 D．根据功能关系得到：汽车开启储能装置后向蓄电池提供的电能为：E=Ek-fs＇=8×105J-2000×1.5×102J=5×105J 故D正确。 故选D。 5．（2025·北京石景山·一模）蹦极运动中，长弹性绳一端固定，另一端绑在游客身上，游客从几十米高处跳下，经过一段时间绳子绷直。将蹦极过程简化为游客沿竖直方向的运动。从绳恰好伸直到游客第一次下降至最低点的过程中，若不计空气阻力，下列分析正确的是（　　） A．绳对游客拉力的冲量大小等于重力对游客的冲量大小 B．绳对游客的拉力始终做负功，游客的动能一直减小 C．游客的加速度一直变大 D．游客的动能最大时，绳对游客的拉力等于游客所受的重力 【答案】D 【详解】BCD．根据题意可知，绳子伸直前，游客做自由落体运动，设绳恰好伸直时游客速度为，绳伸直后，开始绳子的拉力小于重力，游客继续做加速运动，游客的动能增大，随着绳子拉力的增大，游客的加速度减小，当绳子拉力等于重力时，加速度减小到0，游客速度最大，动能最大，之后游客开始减速下降，速度减小，动能减小，随着绳子拉力的增大，游客的加速度增大，绳子的拉力一直向上，下降过程中，绳对游客的拉力始终做负功，故BC错误，D正确； A．由上述分析可知，从绳恰好伸直到游客第一次下降至最低点的过程中，游客受绳子的拉力和重力作用，速度由减小到0，由动量定理可知，绳对游客拉力的冲量大小大于重力对游客的冲量大小，故A错误。 故选D。 6．（2025·北京朝阳·一模）物体a、b质量分别为ma和mb，且ma<mb，它们的初动能相同。若a和b分别只受到恒定阻力Fa和Fb的作用，经过相同的时间停下来，它们的位移分别为xa和xb。下列说法正确的是（　　） A．Fa>Fb，xa<xb B．Fa>Fb，xa>xb C．Fa<Fb，xa>xb D．Fa<Fb，xa<xb 【答案】C 【详解】设物体a、b的初动能为，则有 又ma<mb 可知 由题知，经相同的时间停下来，则有 可知 根据动能定理有 可得 可得 故选C。 7．（2025·北京大兴·一模）在2024年的巴黎奥运会中，我国小将全红婵力压群芳，取得了女子10米跳台比赛的冠军。假设全红婵的质量为m = 50 kg，其体型可等效为长度l = 1 m、底面积S = 0.06 m2的圆柱体，不计空气阻力，当她起跳到达最高点时，她的重心离跳台表面的高度为0.8 m。 (1)求全红婵起跳瞬间的速度大小； (2)全红婵落水后将受到水的浮力。若以落水点为坐标原点，竖直向下为正方向建立x轴，请在答题纸给出的坐标上画出她所受浮力F的大小随落水深度x变化的函数关系图像（已知物体在水中所受浮力为F = ρgV，V为物体所排开的水的体积）； (3)若全红婵从跳台自由下落，忽略空气阻力和她入水后受到的水的阻力，为了确保她的安全，求水池中水的深度h至少应等于多少？（水的密度ρ = 1.0 × 103 kg/m3，g = 10 m/s2）。 【答案】(1) (2) (3)53 m 【详解】（1）设全红婵起跳瞬间的速度大小v0，则 解得 （2）向上为正，由浮力概念可得， 图像如图 （3）为保证安全，则运动员到达水底时速度恰减为零，则由能量关系 其中 可得 8．（2025·北京丰台·一模）如图所示，冰车静止在冰面上，小孩与冰车的总质量。大人用恒定拉力，使冰车开始沿水平冰面移动，拉力方向与水平面的夹角为。已知冰车与冰面间的动摩擦因数，重力加速度，，。求。 (1)小孩与冰车受到的支持力的大小。 (2)小孩与冰车的加速度的大小。 (3)拉力作用时间，冰车位移的大小。 (4)拉力作用时间内，合外力做的功。 【答案】(1) (2) (3) (4) 【详解】（1）对小孩与冰车，竖直方向有 代入题中数据，解得 （2）对小孩与冰车，由牛顿第二定律有 其中摩擦力 联立以上，解得加速度大小 （3）拉力作用时间，冰车位移 （4）拉力作用时间内，合外力做的功 9．（2025·北京丰台·一模）“能量回收”装置可使电动车在减速或下坡过程中把机械能转化为电能。质量m=2×103kg的电动车以Ek0=1×105J的初动能沿平直斜坡向下运动。第一次关闭电动机，电动车自由滑行，动能位移关系如图线①所示；第二次关闭电动机的同时，开启电磁制动的“能量回收”装置。电动车动能位移关系如图线②所示，行驶200m的过程中，回收了E电=1.088×105J的电能。求： (1)图线①所对应的过程，电动车所受合力F合的大小； (2)图线②所对应的过程中，电动车行驶到150m处受到的电磁制动力F及其功率P； (3)图线②所对应的全过程，机械能转化为电能的效率η。 【答案】(1)500N (2)500N，-4000W (3)80% 【详解】（1）根据动能定理可得 （2）在x=150m处，电动车处于平衡状态，故此时由于发电产生的制动力为 此时电动车的速度为8m/s，所以功率为 （3）根据图线可知，回收的机械能为 所以回收效率为 10．（2025·北京顺义·一模）如图所示，竖直面内的光滑轨道ABCD，AB段为曲面，BC段水平，CD段是半径的半圆形轨道，BC段与CD段在C点相切。在A点由静止释放一质量为的小球，小球沿轨道运动至D点后，沿水平方向飞出，最终落到水平轨道BC段上的E点，A点距水平面的高度，重力加速度g取，求： (1)小球运动到B点时的速度大小； (2)小球运动到D点时轨道对小球的弹力大小； (3)C、E两点的距离x。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）根据题意，小球从到的过程中，由机械能守恒定律有 解得 （2）根据题意，小球从到的过程中，由机械能守恒定律有 解得 在点，由牛顿第二定律有 解得 （3）小球从点飞出后做平抛运动，飞行时间为 C、E两点的距离 11．（2025·北京延庆·一模）国家的高质量发展离不开可靠的能源保障。 (1)风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其基本外形如图1所示。风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。已知风力发电机的输出电功率P与最大接收功率Pm成正比。2023年11月10日，全新一代总容量18兆瓦的海上直驱风电机组下线，该机组的单台风力发电机在风速v1=15m/s时能够输出的电功率P1=2.7×104kW。我国某海域全年平均风速不低于v2=10m/s，若每年总时长按6000小时做估算。该风力发电机在该地区的年最低发电量大约是多少千瓦时？（需要的物理量可以自行设定） (2)近年来，我国光伏产业创新发展迅速，某种新型光伏材料的光电转化效率可达32%。设想用该材料制成的太阳能面板给某型号纯电动客车供电。若该型号纯电动客车在水平路面上以v=72km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I=80A，输入电压U=400V。试求此状态下能够直接驱动该电动客车的太阳能电池板的最小面积是多大？结合计算结果，简述你对该设想的思考。（已知太阳辐射的总功率P0=4×1026W，太阳到地球的距离r=1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，计算结果保留三位有效数字。） (3)利用地下密闭盐穴存储“空气能”是最为经济、最为安全的空气储存方式。如图2所示，某盐穴压缩空气储能电站在用电低谷时用电网富余的电能带动空气压缩机给地下900多米深处的巨大盐穴打气，同时利用换热系统将这些压缩空气的热量存至储热介质中；在用电高峰阶段，让高压气体喷入管道并吸收储热介质中的热量，最后设法用这些高能空气驱动外界发电机组发电，控制调整后将电能返送回电网，保证电网的稳定和安全。该“盐穴空气储能电站”完成一次压缩的时间为8小时，而发电过程可以持续5小时，发电量可达30万千瓦时。若电动机及压缩机组的机械转化效率为90%，被压缩的气体向外界传导的热量占消耗电能的80%，压缩结束时盐穴内被封闭的空气增加的内能为5万千瓦时。试求该压缩空气储能站的电能转换效率η。 【答案】(1)4.8×107kW·h (2)101m2，见解析 (3)60% 【详解】（1）当风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大，令此时风轮机叶片旋转扫过的面积为S，则单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量 风力发电机的最大功率 解得 由于风力发电机的输出电功率P与最大接收功率Pm成正比，则风力发电机的输出功率为 则最低年发电量约为 （2）驱动电机的输出功率 当阳光垂直于电池板入射时，所需板面积最小，设其为S，距离太阳中心为r的球面面积 设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为，则有 根据题意有 所以电池板的最小面积 我的思考：电池板的面积远远大于电动客车的车顶面积，所以用太阳能电池板直接驱动汽车是困难的。但可以利用太阳能给具备储能功能的电池充电，待容纳的电量足够时就可以驱动汽车对外做功。 （3）设用电低谷阶段电站消耗的总电能为，压缩机组对气体做功 气体向外界传递的热量 根据热力学第一定律可知，气体增加的内能 其中等于5千瓦时，解得等于50万千瓦时。根据题意可知，当完成一次压缩时的发电量等于30万千瓦时，则该电站输入、输出电能转化效率 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$