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第25届全国中学生物理竞赛复赛试卷+参考解答与评分标准

第25届全国中学生物理竞赛复赛试卷+参考解答与评分标准
第25届全国中学生物理竞赛复赛试卷+参考解答与评分标准

2008年第25届全国中学生物理竞赛复赛试卷

本卷共八题,满分160分

一、(15分)

1、(5分)蟹状星云脉冲星的辐射脉冲周期是0.033s 。假设它是由均匀分布的物质构成的球体,脉冲周期是它的旋转周期,万有引力是唯一能阻止它离心分解的力,已知万有引力常量

11

3

1

2

6.6710

G m kg s ---=???,由于脉冲星表面的物质未分离,故可估算出此脉冲星密度的下限是

3

k g m -?。

2、(5分)在国际单位制中,库仑定律写成122

q q F k

r

=,式中静电力常量9228.9810k N m C -=???,电荷

量q 1和q 2的单位都是库仑,距离r 的单位是米,作用力F 的单位是牛顿。若把库仑定律写成更简洁的形式

122

q q F r

=

,式中距离r 的单位是米,作用力F 的单位是牛顿。若把库仑定律写成更简洁的形式122

q q F r

=

式中距离r 的单位是米,作用力F 的单位是牛顿,由此式可这义一种电荷量q 的新单位。当用米、千克、秒表示此新单位时,电荷新单位= ;新单位与库仑的关系为1新单位= C 。 3、(5分)电子感应加速器(betatron )的基本原理如下:一个圆环真空室处于

分布在圆柱形体积内的磁场中,磁场方向沿圆柱的轴线,圆柱的轴线过圆环的圆心并与环面垂直。圆中两个同心的实线圆代表圆环的边界,与实线圆同心的虚线圆为电子在加速过程中运行的轨道。已知磁场的磁感应强度B 随时间t 的变化规律为0cos(2/)B B t T π=,其中T 为磁场变化的周期。B 0为大于0的

常量。当B

为正时,磁场的方向垂直于纸面指向纸外。若持续地将初速度为v 0的电子沿虚

线圆的切线方向注入到环内(如图),则电子在该磁场变化的一个周期内可能被加速的时间是从t= 到t= 。

二、(21分)嫦娥1号奔月卫星与长征3号火箭分离后,进入绕地运行的椭圆轨道,近地点离地面高

2

2.0510n H km =?,远地点离地面高4

5.093010f

H

km =?,周期约为16小时,称为16小时轨道(如图

中曲线1所示)。随后,为了使卫星离地越来越远,星载发动机先在远地点点火,使卫星进入新轨道(如图中曲线2所示),以抬高近地点。后来又连续三次在抬高以后的近地点点火,使卫星加速和变轨,抬高远地点,相继进入24小时轨道、48小时轨道和地月转移轨道(分别如图中曲线3、4、5所示)。已知卫星

质量3

2.350

10m k g =?,地球半径36.37810R k m =?,地面重力加速度2

9.81/g m s =,月球半径

3

r km

=?。

1.73810

1、试计算16小时轨道的半长轴a和半短轴b的长度,以及椭圆偏心率e。

2、在16小时轨道的远地点点火时,假设卫星所受推力的方向与卫星速度方向相同,而且点火时间很短,可以认为椭圆轨道长轴方向不变。设推力大小F=490N,要把近地点抬高到600km,问点火时间应持续多长?

3、试根据题给数据计算卫星在16小时轨道的实际运行周期。

4、卫星最后进入绕月圆形轨道,距月面高度H m约为200km,周期T m=127分钟,试据此估算月球质量与地球质量之比值。

三、(22分)足球射到球门横梁上时,因速度方向不同、射在横梁上的位置有别,其落地点也是不同的。已知球门的横梁为圆柱形,设足球以水平方向的速度沿垂直于横梁的方向射到横梁上,球与横梁间的滑动摩擦系数0.70

μ=,球与横梁碰撞时的恢复系数e=0.70。试问足球应射在横梁上什么位置才能使球心落在球门线内(含球门上)?足球射在横梁上的位置用球与横梁的撞击点到横梁轴线的垂线与水平方向(垂直于横梁的轴线)的夹角θ(小于90 )来表示。不计空气及重力的影响。

四、(20分)图示为低温工程中常用的一种气体、蒸气压联合温度计的原理示意图,M 为指针压力表,以V M 表示其中可以容纳气体的容积;B 为测温饱,处在待测温度的环境中,以V B 表示其体积;E 为贮气容器,以V E 表示其体积;F 为阀门。M 、E 、B 由体积可忽略的毛细血管连接。在M 、E 、B 均处在室温T 0=300K

时充以压强5

0 5.210p P a =?的氢气。假设氢的饱和蒸气仍遵从理想气体状态方程。现考察以下各问题:

1、关闭阀门F ,使E 与温度计的其他部分隔断,于是M 、B 构成一简易的气体温度计,用它可测量25K 以上的温度, 这时B 中的氢气始终处在气态,M 处在室温中。试导出B 处的温度T 和压力表显示的压强p 的关系。除题中给出的室温T 0时B 中氢气的压强P 0外,理论上至少还需要测量几个已知温度下的压强才能定量确定T 与p 之间的关系?

2、开启阀门F ,使M 、E 、B 连通,构成一用于测量20~25K 温度区间的低温的蒸气压温度计,此时压力表M 测出的是液态氢的饱和蒸气压。由于饱和蒸气压与温度有灵敏的依赖关系,知道了氢的饱和蒸气压与温度的关系,通过测量氢的饱和蒸气压,就可相当准确地确定这一温区的温度。在设计温度计时,要保证当B 处于温度低于25V T K =时,B 中一定要有液态氢存在,而当温度高于25V T K =时,B 中无液态氢。到达到这一目的,M E V V +与V B 间应满足怎样的关系?已知25V T K =时,液态氢的饱和蒸气压

5

3.310V p Pa =?。

3、已知室温下压强51 1.0410p Pa =?的氢气体积是同质量的液态氢体积的800倍,试论证蒸气压温度计中的液态气不会溢出测温泡B 。

五、(20分)一很长、很细的圆柱形的电子束由速度为v 的匀速运动的低速电子组成,电子在电子束中均匀分布,沿电子束轴线每单位长度包含n 个电子,每个电子的电荷量为(0)e e ->,质量为m 。该电子束从远处沿垂直于平行板电容器极板的方向射向电容器,其前端(即图中的右端)于t=0时刻刚好到达电容器的左极板。电容器的两个极板上各开一个小孔,使电子束可以不受阻碍地穿过电容器。两极板A 、B 之间加上了如图所示的周期性变化的电压A B V (AB A B V V V =-,图中只画出了一个周期的图线),电压的最大值和最小值分别为V 0和-V 0,周期为T 。若以τ表示每个周期中电压处于最大值的时间间隔,则电压处于最小值的时间间隔为T -τ。已知τ的值恰好使在V AB 变化的第一个周期内通过电容器到达电容器右边的所有的电子,能在某一时刻t b 形成均匀分布的一段电子束。设电容器两极板间的距离很小,电子穿过电容

器所需要的时间可以忽略,且2

06m v eV =,不计电子之间的相互作用及重力作用。

1、满足题给条件的τ和t b 的值分别为τ=

T ,t b = T 。

2、试在下图中画出t=2T 那一时刻,在0-2T 时间内通过电容器的电子在电容器右侧空间形成的电流I ,随离开右极板距离x 的变化图线,并在图上标出图线特征点的纵、横坐标(坐标的数字保留到小数点后第二

位)。取x 正向为电流正方向。图中x=0处为电容器的右极板B 的小孔所在的位置,横坐标的单位s =

(本题按画出的图评分,不须给出计算过程)

六、(22分)零电阻是超导体的一个基本特征,但在确认这一事实时受到实验测量精确度的限制。为克

服这

一困难,最著名的实验是长时间监测浸泡在液态氦(温度T=4.2K )中处于超导态的用铅丝做成的单匝线圈(超导转换温度T C =7.19K )中电流的变化。设铅丝粗细均匀,初始时通有I=100A 的电流,电流检测仪器的精度为 1.0I m A ?=,在持续一年的时间内电流检测仪器没有测量到电流的变化。根据这个实验,试估算对超导态铅的电阻率为零的结论认定的上限为多大。设铅中参与导电的电子数密度2038.0010n m =?,已知电子质量319.1110m kg -=?,基本电荷191.6010e C -=?。(采用的估算方法必须利用本题所给出的有关数据)

七、(20分)在地面上方垂直于太阳光的入射方向,放置一半径R=0.10m 、焦距f=0.50m 的薄凸透镜,在薄透镜下方的焦面上放置一黑色薄圆盘(圆盘中心与透镜焦点重合),于是可以在黑色圆盘上形成太阳的像。已知黑色圆盘的半径是太阳像的半径的两倍。圆盘的导热性极好,圆盘与地面之间的距离较大。设太阳向外辐射的能量遵从斯特藩—玻尔兹曼定律:在单位时间内在其单位表面积上向外辐射的能量为

4

W T σ=,式中σ为斯特藩—玻尔兹曼常量,T 为辐射体表面的的绝对温度。对太而言,取其温度35.5010s t C =?

。大气对太阳能的吸收率为0.40α=。又设黑色圆盘对射到其上的太阳能全部吸收,同

时圆盘也按斯特藩—玻尔兹曼定律向外辐射能量。如果不考虑空气的对流,也不考虑杂散光的影响,试问薄圆盘到达稳定状态时可能达到的最高温度为多少摄氏度?

八、(20分)质子数与中子数互换的核互为镜像核,例如3He 是3H 的镜像核,同样3H 是3He 的镜像核。已知3H 和3He 原子的质量分别是3 3.016050H

m u =和3

3.016029H e

m u =,中子和质子质量分别是

1.008665n m u =和 1.007825p m u =,2

931.51u M eV c

=

,式中c 为光速,静电力常量2

1.44k M eV fm e

=

?,

式中e 为电子的电荷量。

1、试计算3H 和3He 的结合能之差为多少MeV 。

2、已知核子间相互作用的“核力”与电荷几乎没有关系,又知质子和中子的半径近似相等,试说明上面所求的结合能差主要是由什么原因造成的。并由此结合能之差来估计核子半径r N 。

3、实验表明,核子可以被近似地看成是半径r N 恒定的球体;核子数A 较大的原子核可以近似地被看成是半径为R 的球体。根据这两点,试用一个简单模型找出R 与A 的关系式;利用本题第2问所求得的r N 的估计值求出此关系式中的系数;用所求得的关系式计算208Pb 核的半径p b R 。

第25届全国中学生物理竞赛复赛理论试题参考解答

一、答案

1. 14103.1?

2. 3

11

2

2

kg m

s

-?? 51.0610

-?(答5

1.0510-?也给)

3.

34

T T

二、参考解答:

1. 椭圆半长轴a 等于近地点和远地点之间距离的一半,亦即近地点与远地点矢径长度(皆指卫星到地心的距离)n r 与f r 的算术平均值,即有 (

)()()()n f n f n f

111

2

2

2

a r r H R H R

H H R =+=++

+=++???? (1)

代入数据得

43.194610a =?km (2) 椭圆半短轴b 等于近地点与远地点矢径长度的几何平均值,即有

b = (3)

代入数据得

4

1.94210k m

b =? (4) 椭圆的偏心率

a

b a e 2

2-= (5)

代入数据即得

0.7941e = (6)

2. 当卫星在16小时轨道上运行时,以n v 和f v 分别表示它在近地点和远地点的速度,根据能量守恒,卫星在近地点和远地点能量相等,有

2

2

n f n

f

1122

G M m G M m m m r r -

=

-

v v (7)

式中M 是地球质量,G 是万有引力常量. 因卫星在近地点和远地点的速度都与卫星到地心的连线垂直,根

据角动量守恒,有

n n f

f m r m r

=v v (8) 注意到

g R

GM =2

(9)

由(7)、(8)、(9)式可得

n =

v (10)

n f n f

r r =

=

v v (11)

当卫星沿16小时轨道运行时,根据题给的数据有

n n r R H =+ f f r R H =+ 由(11)式并代入有关数据得

f 1.198=v km/s (12)

依题意,在远地点星载发动机点火,对卫星作短时间加速,加速度的方向与卫星速度方向相同,加速后长轴方向没有改变,故加速结束时,卫星的速度与新轨道的长轴垂直,卫星所在处将是新轨道的远地点.

所以新轨道远地点高度4f f 5.093010H H '==?km ,但新轨道近地点高度2n

6.0010H '=?km .由(11)式,可求得卫星在新轨道远地点处的速度为

f

1.230'=v km/s (13) 卫星动量的增加量等于卫星所受推力F 的冲量,设发动机点火时间为?t ,有

()f

f m F t '-=?v v (14) 由(12)、(13)、(14)式并代入有关数据得

?t=21.510s ? (约2.5分) (15) 这比运行周期小得多.

3. 当卫星沿椭圆轨道运行时,以r 表示它所在处矢径的大小,v 表示其速度的大小,θ表示矢径与速

度的夹角,则卫星的角动量的大小

s i n 2L r m

m θσ==v (16 ) 其中

1sin 2

r σθ=

v (17)

是卫星矢径在单位时间内扫过的面积,即卫星的面积速度.由于角动量是守恒的,故σ是恒量.利用远地点处的角动量,得

f f 12

r σ=

v (18)

又因为卫星运行一周扫过的椭圆的面积为

πS a b = (19) 所以卫星沿轨道运动的周期

σ

S

T = (20)

由(18)、(19)、(20) 式得

f f

2πab T r =v (21)

代入有关数据得

4

5.678

10T =?s (约15小时46分) (22)

注:本小题有多种解法.例如,由开普勒第三定律,绕地球运行的两亇卫星的周期T 与T 0之比的平方等于它们的轨道半长轴a 与a 0之比的立方,即

23

00T a T a ????

= ? ?????

若0a 是卫星绕地球沿圆轨道运动的轨道半径,则有

2

02

002πG M m

m a a T ??= ???

2

2

203

2

4πT a

G M

gR

=

=

从而得

T =

代入有关数据便可求得(22)式.

4. 在绕月圆形轨道上,根据万有引力定律和牛顿定律有

2

m m 2

m

m

2π(

G M m m r r T = (23)

这里m m r r H =+是卫星绕月轨道半径,m

M 是月球质量. 由(23)式和(9)式,可得

23

m m 2

2m

4πr M M gR T

= (24)

代入有关数据得

m 0.0124M M

= (25)

三、参考解答:

足球射到球门横梁上的情况如图所示(图所在的平面垂

直于横梁轴线).图中B 表示横梁的横截面,O 1为横梁的轴线;

11O O '为过横梁轴线并垂直于轴线的水平线;A 表示足球,O 2为其球心;O 点为足球与横梁的碰撞点,碰撞点O 的位置由直线O 1OO 2与水平

线

11O O '的夹角θ 表示.设足球射到横梁上时球心速度的大小为v 0,方向垂直于横梁沿水平方向,与横梁碰撞后

球心速度的大小为v ,方向用它与水平方向的夹角?表示(如图).以碰撞点O 为原点作直角坐标系Oxy ,y 轴与O 2OO 1重合.以α0表示碰前速度的方向与y 轴的夹角,以α表示碰后速度的方向与y 轴(负方向)的夹角,足球被横梁反弹后落在何处取决于反弹后的速度方向,即角α的大小.

以F x 表示横梁作用于足球的力在x 方向的分量的大小,F y 表示横梁作用于足球的力在y 方向的分量的大小,?t 表示横梁与足球相互作用的时间,m 表示足球的质量,有

x 0x

x F t m m ?=-v

v (1) y y

0y F t m

m ?=+v v (2)

式中0x v 、0y v 、x v 和y v 分别是碰前和碰后球心速度在坐标系Oxy 中的分量的大小.根据摩擦定律有 x y F F μ= (3) 由(1)、(2)、(3)式得 0x x y 0y

μ-=+v v v v (4)

根据恢复系数的定义有

y 0y e =v v (5) 因

0x 00y tan α=

v v (6)

x y

tan α=v v (7)

由(4)、(5)、(6)、(7)各式得

??? ?

?

+-=e e 11tan 1

tan 0μαα (8) 由图可知

αθ?+= (9) 若足球被球门横梁反弹后落在球门线内,则应有

90?≥

(10) 在临界情况下,若足球被反弹后刚好落在球门线上,这时90?=

.由(9)式得

()tan 90tan θα-=

(11)

因足球是沿水平方向射到横梁上的,故θα=0,有

??? ?

?

+-=

e e 11tan 1

tan 1μθθ

(12) 这就是足球反弹后落在球门线上时入射点位置θ所满足的方程.解(12)式得

tan 2

θ= (13)

代入有关数据得

tan 1.6θ= (14)

58θ=

(15) 现要求球落在球门线内,故要求

58θ≥

(16)

四、参考解答:

1. 当阀门F 关闭时,设封闭在M 和B 中的氢气的摩尔数为n 1,当B 处的温度为T 时,压力表显示的压强为 p ,由理想气体状态方程,可知B 和M 中氢气的摩尔数分别为 RT pV n B B 1=

(1)

M M 1RT pV n = (2)

式中R 为普适气体恒量.因

1M 1B 1n n n =+ (3) 解(1)、(2)、(3)式得 1M B B 0

11n R V T V p

V T =- (4)

1M

B

B 0

p T n R V

p V V T =

-

(5)

(4)式表明,T

1与

p

1成线性关系,式中的系数与仪器结构有关.在理论上至少要测得两个已知温度下的压强,

T

1对

p

1的图线,就可求出系数. 由于题中己给出室温T 0时的压强p 0,故至少还要测定另一己知温度下的

压强,才能定量确定T 与p 之间的关系式.

2. 若蒸气压温度计测量上限温度v T 时有氢气液化,则当B 处的温度v T T ≤时,B 、M 和E 中气态氢的总摩尔数应小于充入氢气的摩尔数.由理想气体状态方程可知充入氢气的总摩尔数 ()0B M E

20

p V V V n R T ++

=

(6)

假定液态氢上方的气态氢仍可视为理想气体,则B 中气态氢的摩尔数为 v B 2B v

p V n RT =

(7)

在(7)式中,已忽略了B 中液态氢所占的微小体积.由于蒸气压温度计的其它都分仍处在室温中,其中氢气的摩尔数为

()νM E 2M 2

E

p V V n n R T ++= (8)

根据要求有

2B 2M 2E 2n n n n ++≤ (9) 解(6)、(7)、(8)、(9)各式得 ()B v

v 0v

00v E M V T p p T p T p V V --≥+ (10)

代入有关数据得

M E B 18V V V +≥ (11)

五、答案与评分标准:

1.

59.0221

22=-

=+(3分) 2 (2分)

2.如图(15分.代表电流的每一线段3分,其中线段端点的横坐标占1分,线段的长度占1分,线段的纵坐标占1分)

六、参考解答:

如果电流有衰减,意味着线圈有电阻,设其电阻为R ,则在一年时间t 内电流通过线圈因发热而损失的能量为

Rt I E 2=? (1) 以ρ 表示铅的电阻率,S 表示铅丝的横截面积,l 表示铅丝的长度,则有 S

l R ρ

= (2)

电流是铅丝中导电电子定向运动形成的,设导电电子的平均速率为v ,根据电流的定义有 I S ne =v (3)

所谓在持续一年的时间内没有观测到电流的变化,并不等于电流一定没有变化,但这变化不会超过电流检测仪器的精度?I ,即电流变化的上限为mA 0.1=?I .由于导电电子的数密度n 是不变的,电流的变小是电子平均速率变小的结果,一年内平均速率由v 变为 v -?v ,对应的电流变化

I neS ?=?v (4) 导电电子平均速率的变小,使导电电子的平均动能减少,铅丝中所有导电电子减少的平均动能为 ()2

211

22k E lSn m m ??

?=--?????

v v v

l S n m ≈?v v (5)

由于?I<

k lm I I E ne S

??=

(6)

铅丝中所有导电电子减少的平均动能就是一年内因发热而损失的能量,即

E E k ?=? (7)

由(1)、(2)、(6)、(7)式解得

2

Δm I ne It

ρ= (8)

式中

7

365243600s =3.15

10s t =??? (9) 在(8)式中代入有关数据得

261.410Ωm ρ-=?? (10) 所以电阻率为0的结论在这一实验中只能认定到

m Ω10

4.126

??≤-ρ (11)

七、参考解答:

按照斯特藩-玻尔兹曼定律,在单位时间内太阳表面单位面积向外发射的能量为 4

s s W T σ=

(1)

其中σ为斯特藩-玻尔兹曼常量,T s 为太阳表面的绝对温度.若太阳的半径为R s ,则单位时间内整个太阳表面向外辐射的能量为

2

s s s

4πP R W = (2) 单位时间内通过以太阳为中心的任意一个球面的能量都是s P .设太阳到地球的距离为r se ,考虑到地球周围大气的吸收,地面附近半径为R 的透镜接收到的太阳辐射的能量为 ()

2s 2

se

π14πP P R r

α

=- (3)

薄凸透镜将把这些能量会聚到置于其后焦面上的薄圆盘上,并被薄圆盘全部吸收.

另一方面,因为薄圆盘也向外辐射能量.设圆盘的半径为D R ,温度为D T ,注意到簿圆盘有两亇表面,故圆盘在单位时间内辐射的能量为

24

D D D 2πP R T σ=?? (4)

显然,当

D P P = (5)

即圆盘单位时间内接收到的能量与单位时间内辐射的能量相等时,圆盘达到稳定状态,其温度达到最高.由(1)、(2)、(3)、(4)、(5)各式得

()1

2

2

4

s D s 22se D

12R R T T r R α??=-????

(6)

依题意,薄圆盘半径为太阳的像的半径s R '的2倍,即D 2s R R '=.由透镜成像公式知

s s se

R R f

r '=

(7)

于是有

s D se

2R R f r = (8)

把(8)式代入(6)式得

()1

2

4

D s 218R T T f α??=-??

?

? (9) 代入已知数据,注意到s s (273.15)T t =+K , T D =1.4×103K (10)

即有

3o

D D 273.15 1.110C t T =-=? (11)

八、参考解答:

1.根据爱因斯坦质能关系,3H 和3He 的结合能差为 ()3

32

n p H

He B m m m m c ?=--+ (1)

代入数据,可得

763.0=?B MeV (2)

2.3He 的两个质子之间有库仑排斥能,而3H 没有.所以3H 与3He 的结合能差主要来自它们的库仑能差.依题意,质子的半径为N r ,则3He 核中两个质子间的库仑排斥能为 2

C N

2e

E k

r = (3)

若这个库仑能等于上述结合能差,C E B =?,则有

2

N 2Δke

r B

= (4)

代入数据,可得

N 0.944r =fm

(5) 3.粗略地说,原子核中每个核子占据的空间体积是 3

N (2)r .根据这个简单的模型,核子数为A 的原子

核的体积近似为

33

N N (2)8V A r Ar == (6)

另一方面,当A 较大时,有 3

43

V R π=

(7)

由(6)式和(7)式可得R 和A 的关系为

1/3

1/3

1/3

N 06πR r A

r A

??== ?

??

(8)

其中系数

1/3

0N 6πr r ??= ?

??

(9)

把(5)式代入(9)式得

17.10=r fm (10) 由(8)式和(10)式可以算出Pb 208的半径

Pb 6.93fm R = (11)

第届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案

第届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案 TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-

第23届全国中学生物理竞赛复赛试卷 一、(23分)有一竖直放置、两端封闭的长玻璃管,管内为真空,管内有一小球自某处自由下落(初速度为零),落到玻璃管底部时与底部发生弹性碰撞.以后小球将在玻璃管内不停地上下跳动。现用支架固定一照相机,用以拍摄小球在空间的位置。每隔一相等的确定的时间间隔T 拍摄一张照片,照相机的曝光时间极短,可忽略不计。从所拍到的照片发现,每张照片上小球都处于同一位置。求小球开始下落处离玻璃管底部距离(用H 表示)的可能值以及与各H 值相应的照片中小球位置离玻璃管底部距离的可能值。 二、(25分)如图所示,一根质量可以忽略的细杆,长为2l ,两端和中心处分别固连着质量为m 的小球B 、D 和C ,开始时静止在光滑的水平桌面上。桌面上另有一质量为M 的小球A ,以一给定速度0v 沿垂直于杆DB 的方间与右端小球B 作弹性碰撞。求刚碰后小球A,B,C,D 的速度,并详细讨论以后可能发生的运动情况。 三、(23分)有一带活塞的气缸,如图1所示。缸内盛有一定质量的气体。缸内还有一可随轴转动的叶片,转轴伸到气缸外,外界可使轴和叶片一起转动,叶片和轴以及气缸壁和活塞都是 绝热的,它们的热容量都不计。轴穿过气缸处不漏气。 如果叶片和轴不转动,而令活塞缓慢移动,则在这 种过程中,由实验测得,气体的压强p 和体积V 遵从以下的过程方程式 图1 其中a ,k 均为常量, a >1(其值已知)。可以由上式导出,在此过程中外界对气体做的功为 式中2V 和1V ,分别表示末态和初态的体积。 如果保持活塞固定不动,而使叶片以角速度ω做匀角速转动,已知在这种过程中,气体的压强的改变量p ?和经过的时间t ?遵从以 图2 下的关系式 式中V 为气体的体积,L 表示气体对叶片阻力的力矩的大小。 上面并没有说气体是理想气体,现要求你不用理想气体的状态方程和理想气体的内能只与温度有关的知识,求出图2中气体原来所处的状态A 与另一已知状态B 之间的内能之差(结果要用状态A 、B 的压强A p 、B p 和体积A V 、B V 及常量a 表示) 四、(25分)图1所示的电路具有把输人的交变电压变成直流电压并加以升压、输出的功能,称为整流倍压电路。图中1D 和2D 是理想的、点接触型二极管(不考虑二极管的电容),1C 和2C 是理想电容器,它们的电容都为C ,初始时都不带电,G 点接地。现在A 、G 间接上一交变电源,其电压A u ,随时间t 变化的图线如图2所示.试

2020年第27届全国中学生物理竞赛复赛试卷及答案 精品

第 27 届全国中学生物理竞赛复赛试卷 本卷共九题,满分 160 分.计算题的解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤.只写出最后结果的不能得分.有数字计算的题.答案中必须明确写出数值和单位.填空题把答案填在题中的横线上,只要给出结果,不需写出求解的过程. 一、( 15 分)蛇形摆是一个用于演示单摆周期与摆长关系的实验仪器(见图).若干个摆球位于同一高度并等间距地排成一条直线,它们 的悬挂点在不同的高度上,摆长依次减小.设重 力加速度 g = 9 . 80 m/ s2 , 1 .试设计一个包含十个单摆的蛇形摆(即求 出每个摆的摆长),要求满足: ( a )每个摆的 摆长不小于 0 . 450m ,不大于1.00m ; ( b ) 初始时将所有摆球由平衡点沿 x 轴正方向移动 相同的一个小位移 xo ( xo <<0.45m ) ,然后同 时释放,经过 40s 后,所有的摆能够同时回到初 始状态. 2 .在上述情形中,从所有的摆球开始摆动起,到它们的速率首次全部为零所经过的时间为________________________________________. 二、( 20 分)距离我们为 L 处有一恒星,其质量为 M ,观测发现其位置呈周期性摆动,周期为 T ,摆动范围的最大张角为△θ.假设该星体的周期性摆动是由于有一颗围绕它作圆周运动的行星引起的,试给出这颗行星的质量m所满足的方程. 若 L=10 光年, T =10 年,△θ = 3 毫角秒, M = Ms (Ms为太阳质量),则此行星的质量和它运动的轨道半径r各为多少?分别用太阳质量 Ms 和国际单位 AU (平均日地距离) 作为单位,只保留一位有效数字.已知 1 毫角秒=1 1000角秒,1角秒= 1 3600 度,1AU=1.5×108km, 光速 c = 3.0 ×105km/s.

第35届全国中学生物理竞赛决赛试题(word版)

第35届全国中学生物理竞赛决赛理论考试试题(上海交大) 1、(35分) 如图,半径为R 、质量为M 的半球静置于光滑水平桌面上,在半球顶点上有一质量为m 、半径为r 的匀质小 球。某时刻,小球收到微扰由静止开始沿半球表面运动。在运动过 程中,小球相对半球的位置由角位置θ描述,θ为两球心连线与竖直线的夹角。己知小球绕其对称轴的转动惯量为225 mr ,小球与半球间的动摩擦因数为μ,假定最大静摩擦力等于滑动摩擦力。重力加 速度大小为g 。 (1)(15分)小球开始运动后在一段时间内做纯滚动,求在此过程中,当小球的角位置为θ1时,半球运动的速度大小1()M V θ和加速度大小1()M a θ; (2)(15分)当小球纯滚动到角位置θ2时开始相对于半球滑动,求θ2所满足的方程(用半球速度大小2()M V θ和加速度大小2()M a θ以及题给条件表示); (3)(5分)当小球刚好运动到角位置θ3时脱离半球,求此时小球质心相对于半球运动速度的大小3()m v θ 2、(35分) 平行板电容器极板1和2的面积均为S ,水平固定放置,它们之间的距离为 d ,接入如图所示的电路中,电源的电动势记为U 。不带电的导体薄平板3(厚 度忽略不计)的质量为m 、尺寸与电容器极板相同。平板3平放在极板2的 正上方,且与极板2有良好的电接触。整个系统置于真空室内,真空的介电 常量为0ε。合电键K 后,平板3与极板1和2相继碰撞,上下往复运动。假设导体板间的电场均可视为匀强电场;导线电阻和电源内阻足够小,充放电时间可忽略不计;平板3与极板1或2碰撞后立即在极短时间内达到静电干衡;所有碰撞都是完全非弹性的。重力加速度大小为g 。 (1)(17分)电源电动势U 至少为多大? (2)(18分)求平板3运动的周期(用U 和题给条件表示)。 已知积分公式 ( 2ax b C =+++,其中a >0,C 为积分常数。

第24届全国中学生物理竞赛复赛试题及详解(WORD版)

第24届全国中学生物理竞赛复赛试卷 (本题共七大题,满分160分) 一、(20分)如图所示,一块长为m L 00.1=的光滑平板PQ 固定在轻质弹簧上端,弹簧的下端与地面固定连接。平板被限制在两条竖直光滑的平行导轨之间(图中未画出竖直导轨),从而只能地竖直方向运动。平板与弹簧构成的振动系统的振动周期s T 00.2=。一小球B 放在光滑的水平台面上,台面的右侧边缘正好在平板P 端的正上方,到P 端的距离为m h 80.9=。平板静止在其平衡位置。水球B 与平板PQ 的质量相等。现给小球一水平向右的速度0μ,使它从水平台面抛出。已知小球B 与平板发生弹性碰撞,碰撞时间极短,且碰撞过程中重力可以忽略不计。要使小球与平板PQ 发生一次碰撞而且只发生一次碰撞,0μ的值应在什么范围内?取2 /8.9s m g = 二、(25分)图中所示为用三角形刚性细杆AB 、BC 、CD 连成的平面连杆结构图。AB 和CD 杆可分别绕过A 、D 的垂直于纸面的固定轴转动,A 、D 两点位于同一水平线上。BC 杆的两端分别与AB 杆和CD 杆相连,可绕连接处转动(类似铰链)。当AB 杆绕A 轴以恒定的角速度ω转到图中所示的位置时,AB 杆处于竖直位置。BC 杆与CD 杆都与水平方向成45°角,已知AB 杆的长度为l ,BC 杆和CD 杆的长度由图给定。求此时C 点加速度c a 的大小和方向(用与CD 杆之间的夹角表示) 三、(20分)如图所示,一容器左侧装有活门1K ,右侧装有活塞B ,一厚度可以忽略的隔板M 将容器隔成a 、b 两室,M 上装有活门2K 。容器、隔板、活塞及活门都是绝热的。隔板和活塞可用销钉固定,拔掉销钉即可在容器内左右平移,移动时不受摩擦作用且不漏气。整个容器置于压强为P 0、温度为T 0的大气中。

历届全国初中物理竞赛热与能

最近十年初中应用物理知识竞赛题分类解析专题13--热和能 一、选择题 典例3(2011上海第25界初中物理竞赛)当物体中存在温度 差时,热量会从温度高的地方向温度低的地方传递。对于一 长度为L 、横截面积为S 的均匀金属棒,当两端的温度差稳 定为△T 时,△t 时间内从高温端向低温端传递的热量△Q 满足关系式: t L T kS Q ??=?.;其中k 为棒的导热系数。如图所示,长度分别为L 1、L 2,导热系数分别为k 1、k 2,的两个横截面积相等的细棒在D 处紧密对接,两金属棒各自另一端分别与温度为400开、300开的恒定热源良好接触。若L 1∶L 2=1∶2,k 1∶k 2=3∶2,则在稳定状态下,D 处的温度为 ( ) A .375开 B .360开 C .350开 D .325开 解析:设在稳定状态下,D 处的温度为T ,则对于长度为L 1的细棒,()11 400-k S T Q t L ?=?,对于长度为L 2的细棒,()22 300k S T Q t L -?=?,联立解得T=375K ,选项A 正确。 .答案:A

【点评】此题考查热传递及其相关知识。 典例4.(2011上海第25界初中物理竞赛复赛)将一功率为P=500瓦的加热器置于装有水的碗中,经过分钟后,碗中水温从T 1=85℃上升到T 2=90℃,之后将加热器关掉分钟,发现水温下降℃。试估算碗中所装水的质量。 解答:加热器在2分钟内所供应的总热量,等于水温升高所吸收的热量,加上散失到周围环境的热量,即Pt=cm (T 2-T 1)+Q 若水温变化不大,则散失到周围环境的热量与时间成正比。因此加热器关掉1分钟,从热水散失的热量等于Q/2,此热量等于热水温度下降℃所放出的热量,即Q/2=cm△T 从以上两式可以解得Pt=cm (T 2-T 1+2△T) m= ()212Pt c T T T -+?=()35001204.210 5.0+2 1.0????kg=。 【点评】此题考查热量、能量守恒定律及其相关知识。 【竞赛实战训练】 1.(2009全国初中应用物理知识竞赛题)炎热无风的夏天,小宇走在被晒得发烫的柏油路上,看见前面的路面已被一辆洒水车洒水淋湿了。他认为走在淋湿了的路面上一定比走在干燥的路面上感到凉爽,于是赶快走过去,结果在洒过水的路面上,他却感到更加闷热了。你认为产生这种感觉的主要原因是( ) A .洒水车中的水经过曝晒后,内能增大,温度很高

全国中学生物理竞赛决赛试题及答案

第27届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案 一、(25分)填空题 1.一个粗细均匀的细圆环形橡皮圈,其质量为M,劲度系数为k,无形变时半径为R。现将它用力抛向空中,忽略重力的影响,设稳定时其形状仍然保持为圆形,且在平动的同时以角速度ω绕通过圆心垂直于圆面的轴线匀速旋转,这时它的半径应为。 2.鸽哨的频率是f。如果鸽子飞行的最大速度是u,由于多普勒效应,观察者可能观测到的频率范围是从到。(设声速为V。) 3.如图所示,在一个质量为M、内部横截面积为A 的竖直放置的绝热气缸中,用活塞封闭了一定量温 度度为 T的理想气体。活塞也是绝热的,活塞质量 以及活塞和气缸之间的摩擦力都可忽略不计。已知 大气压强为 p,重力加速度为g,现将活塞缓慢上提,当活塞到达气 缸开口处时,气缸刚好离开地面。已知理想气体在缓慢变化的绝热过程中pVγ保持不变,其中p是气体的压强,V是气体的体积,γ是一常数。根据以上所述,可求得活塞到达气缸开口处时气体的温度为。

4.(本题答案保留两位有效数字)在电子显微镜中,电子束取代了光束被用来“照射”被观测物。要想分辨101.010m -?(即原子尺度)的结构,则电子的物质波波长不能大于此尺度。据此推测电子的速度至少需被加速到 。如果要想进一步分辨121.010m -?尺度的结构,则电子的速度至少需被加速到 ,且为使电子达到这一速度,所需的加速电压为 。 已知电子的静止质量 319.110kg e m -=?,电子的电量 191.610C e -=-?,普朗克常量346.710J s h -=??,光速813.010m s c -=??。

二、(20分)图示为一利用传输带输送货物的装置,物块(视为质点)自平台经斜面滑到一以恒定速度v运动的水平长传输带上,再由传输带输送到远处目的地,已知斜面高 2.0m h=,水平边长 4.0m L=,传输带宽 2.0m d=,传输带的运动速度 3.0m/s v=。物块与斜面间的摩擦系数 10.30 μ=。物块自斜面顶端下滑的初速度为零。沿斜面下滑的速度方向与传输带运动方向垂直。设斜面与传输带接触处为非常小的一段圆弧,使得物块通过斜面与传输带交界处时其速度的大小不变,重力加速度2 10m/s g=。 1.为使物块滑到传输带上后不会从传输边缘脱离,物块与传输带之 间的摩擦系数 2 μ至少为多少? 2.假设传输带由一带有稳速装置的直流电机驱动,与电机连接的电源的电动势200V E=,内阻可忽略;电机的内阻10 R=Ω,传输带空载(无 输送货物)时工作电流 02.0A I=,求当货物的平均流量(单位时间内输送货物的质量),稳定在640kg/s 9 η=时,电机的平均工作电流等于多少?假设除了货物与传输带之间的摩擦损耗和电机的内阻热损耗外,其它部分的能量损耗与传输带上的货物量无关。

第30届全国中学生物理竞赛复赛试题及参考答案

第30届全国中学生物理竞赛复赛考试试题 一、(15分)一半径为R 、内侧光滑的半球面固定在地面上,开口水平且朝上. 一小滑块在半球面内侧最高点处获得沿球面的水平速度,其大小为0v (00≠v ). 求滑块在整个运动过程中可能达到的最大速率. 重力加速度大小为g . 二、(20分)一长为2l 的轻质刚性细杆位于水平的光滑桌面上,杆的两端分别固定一质量为m 的小物块D 和一质量为m α(α为常数)的小物块B ,杆可绕通过小物块B 所在端的竖直固定转轴无摩擦地转动. 一质量为m 的小环C 套在细杆上(C 与杆密接),可沿杆滑动,环C 与杆之间的摩擦可忽略. 一轻质弹簧原长为l ,劲度系数为k ,两端分别与小环C 和物块B 相连. 一质量为m 的小滑块A 在桌面上以垂直于杆的速度飞向物块D ,并与之发生完全弹性正碰,碰撞时间极短. 碰撞 时滑块C 恰好静止在距轴为r (r >l )处. 1. 若碰前滑块A 的速度为0v ,求碰撞过程中轴受到的作用力的冲量; 2. 若碰后物块D 、C 和杆刚好做匀速转动,求碰前滑块A 的速度0v 应满足的条件.

三、(25分)一质量为m 、长为L 的匀质细杆,可绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内自由转动. 杆在水平状态由静止开始下摆, 1. 令m L λ= 表示细杆质量线密度. 当杆以角速度ω绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内转动时,其转动动能可表示为 k E k L αβγλω= 式中,k 为待定的没有单位的纯常数. 已知在同一单位制下,两物理量当且仅当其数值和单位都相等时才相等. 由此求出α、β和γ的值. 2. 已知系统的动能等于系统的质量全部集中在质心时随质心一起运动的动能和系统在质心系(随质心平动的参考系)中的动能之和,求常数k 的值. 3. 试求当杆摆至与水平方向成θ角时在杆上距O 点为r 处的横截面两侧部分的相互作用力. 重力加速度大小为g . 提示:如果)(t X 是t 的函数,而))((t X Y 是)(t X 的函数,则))((t X Y 对t 的导数为 d (())d d d d d Y X t Y X t X t = 例如,函数cos ()t θ对自变量t 的导数为 dcos ()dcos d d d d t t t θθθθ= 四、(20分)图中所示的静电机由一个半径为R 、与环境绝缘的开口(朝上)金属球壳形的容器和一个带电液滴产生器G 组成. 质量为m 、带电量为 q 的球形液滴从G 缓慢地自由掉下(所谓缓慢,意指在G 和容器口之间总 是只有一滴液滴). 液滴开始下落时相对于地面的高度为h . 设液滴很小,容器足够大,容器在达到最高电势之前进入容器的液体尚未充满容器. 忽略G 的电荷对正在下落的液滴的影响.重力加速度大小为g . 若容器初始电势为零,求容器可达到的最高电势max V .

第24届全国中学生物理竞赛复赛试题(WORD版)

第24届全国中学生物理竞赛复赛试卷 (本题共七大题,满分160分) 一、(20分)如图所示,一块长为m L 00.1=的光滑平板PQ 固定在轻质弹簧上端,弹簧的下端与地面固定连接。平板被限制在两条竖直光滑的平行导轨之间(图中未画出竖直导轨),从而只能地竖直方向运动。平板与弹簧构成的振动系统的振动周期s T 00.2=。一小球B 放在光滑的水平台面上,台面的右侧边缘正好在平板P 端的正上方,到P 端的距离为m h 80.9=。平板静止在其平衡位置。水球B 与平板PQ 的质量相等。现给小球一水平向右的速度0μ,使它从水平台面抛出。已知小球B 与平板发生弹性碰撞,碰撞时间极短,且碰撞过程中重力可以忽略不计。要使小球与平板PQ 发生一次碰撞而且只发生一次碰撞,0μ的值应在什么范围内?取2 /8.9s m g = 二、(25分)图中所示为用三角形刚性细杆AB 、BC 、CD 连成的平面连杆结构图。AB 和CD 杆可分别绕过A 、D 的垂直于纸面的固定轴转动,A 、D 两点位于同一水平线上。BC 杆的两端分别与AB 杆和CD 杆相连,可绕连接处转动(类似铰链)。当AB 杆绕A 轴以恒定的角速度ω转到图中所示的位置时,AB 杆处于竖直位置。BC 杆与CD 杆都与水平方向成45°角,已知AB 杆的长度为l ,BC 杆和CD 杆的长度由图给定。求此时C 点加速度c a 的大小和方向(用与CD 杆之间的夹角表示) 三、(20分)如图所示,一容器左侧装有活门1K ,右侧装有活塞B ,一厚度可以忽略的隔板M 将容器隔成a 、b 两室,M 上装有活门2K 。容器、隔板、活塞及活门都是绝热的。隔板和活塞可用销钉固定,拔掉销钉即可在容器内左右平移,移动时不受摩擦作用且不漏气。整个容器置于压强为P 0、温度为T 0的大气中。

第28届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案

第28届全国中学生物理竞赛决赛试题 一、(15分)在竖直面将一半圆形光滑导轨固定在A 、B 两点,导轨直径AB =2R ,AB 与竖直方向间的夹角为60°,在导轨上套一质量为m 的光滑小圆环,一劲度系数为k 的轻而细的光滑弹性绳穿过圆环,其两端系与A 、B 两点,如 图28决—1所示。当圆环位于A 点正下方C 点时,弹性绳刚好为原长。现将圆环从C 点无初速度释放,圆环在时刻t 运动到C'点,C'O 与半径OB 的夹角为θ,重力加速度为g .试求分别对下述两种情形,求导轨对圆环的作用力的大小:(1) θ=90°(2)θ=30° 二、(15分)如图28决—2所示,在水平地面上有一质量为M 、长度为L 的小车,车两端靠近底部处分别固定两个弹簧,两弹簧位于同一直线上,其原长分别为l 1和 l 2,劲度系数分别为k 1和k 2;两弹簧的另一端分别放着 一质量为m 1、m 2的小球,弹簧与小球都不相连。开始时,小球1压缩弹簧1并保持整个系统处于静止状态,小球2被锁定在车底板上,小球2与小车右端的距离等于弹簧2的原长。现无初速释放小球1,当弹簧1的长度等于其原长时,立即解除对小球2的锁定;小球1与小球2碰撞后合为一体,碰撞时间极短。已知所有解除都是光滑的;从释放小球1到弹簧2达到最大压缩量时,小车移动力距离l 3.试求开始时弹簧1的长度l 和后来弹簧2所达到的最大压缩量Δl 2 . 图28决—2

三、(20分)某空间站A 绕地球作圆周运动,轨道半径为 r A =6.73×106m.一人造地球卫星B 在同一轨道平面作圆周运 动,轨道半径为r B =3r A /2,A 和B 均沿逆时针方向运行。现从空间站上发射一飞船(对空间站无反冲)前去回收该卫星, 为了节省燃料,除了短暂的加速或减速变轨过程外,飞船在往返过程中均采用同样形状的逆时针椭圆转移轨道,作无动力飞行。往返两过程的椭圆轨道均位于空间站和卫星的圆轨道平面,且近地点和远地点都分别位于空间站和卫星的轨道上,如图28决—3所示。已知地球半径为R e =6.38×106m ,地球表面重力加速度为g =9.80m/s 2.试求: (1)飞船离开空间站A 进入椭圆转移轨道所必须的速度增量Δv A ,若飞船在远地点恰好与卫星B 相遇,为了实现无相对运动的捕获,飞船所需的速度增量Δv B . (2)按上述方式回收卫星,飞船从发射到返回空间站至少需要的时间,空间站 A 至少需要绕地球转过的角度。 图28决—3

第28届全国中学生物理竞赛复赛试题及参考答案(WORD精校版)

第28届全国中学生物理竞赛复赛试题 一、(20分)如图所示,哈雷彗星 绕太阳S沿椭圆轨道逆时针方 向运动,其周期T为年,1986 年它过近日点P0时与太阳S的 距离r0=,AU是天文单位,它等 于地球与太阳的平均距离,经过一段时间,彗星到达轨道上的P 点,SP与SP0的夹角θP=°。已知:1AU=×1011m,引力常量G=×10-11Nm2/kg2,太阳质量m S=×1030kg,试求P到太阳S的距离r P及彗星过P点时速度的大小及方向(用速度方向与SP0的夹角表示)。 二、(20分)质量均匀分布的刚性杆AB、 CD如图放置,A点与水平地面接触,与 地面间的静摩擦系数为μA,B、D两点与 光滑竖直墙面接触,杆AB和CD接触处 的静摩擦系数为μC,两杆的质量均为m, 长度均为l。 1、已知系统平衡时AB杆与墙面夹角为θ,求CD杆与墙面夹角α应该满足的条件(用α及已知量满足的方程式表示)。 2、若μA=,μC=,θ=°。求系统平衡时α的取值范围(用数值计算

求出)。 三、(25分)在人造卫星绕星球运行的过程中,为了保持其对称转轴稳定在规定指向,一种最简单的办法就是让卫星在其运行过程中同时绕自身的对称轴转,但有时为了改变卫星的指向,又要求减慢或者消除卫星的旋转,减慢或者消除卫星旋转的一种方法就是所谓消旋法,其原理如图所示。 一半径为R,质量为M的薄壁圆筒,, 其横截面如图所示,图中O是圆筒的对 称轴,两条足够长的不可伸长的结实的 长度相等的轻绳的一端分别固定在圆筒 表面上的Q、Q′(位于圆筒直径两端) m的小球, 处,另一端各拴有一个质量为 2 正常情况下,绳绕在圆筒外表面上,两小球用插销分别锁定在圆筒表面上的P0、P0′处,与卫星形成一体,绕卫星的对称轴旋转,卫星自转的角速度为ω0。若要使卫星减慢或者停止旋转(消旋),可瞬间撤去插销释放小球,让小球从圆筒表面甩开,在甩开的整个过程中,从绳与圆筒表面相切点到小球的那段绳都是拉直的。当卫星转速逐渐减小到零时,立即使绳与卫星脱离,解除小球与卫星的联系,于是卫星转动停止。已知此时绳与圆筒的相切点刚好在Q、Q′处。

2016全国初中物理竞赛复赛试题(含答案)

2016全国初中物理竞赛复赛试题(含答案) 初中物理是义务教育的基础学科,一般从初二开始开设这门课程,教学时间为两年。一般也是中考的必考科目。随着新高考/新中考改革,学生的综合能力越来越重要,录取方式也越来越多,三位一体录取方式十分看重学生的课外奖项获取。万朋教育小编为初中生们整理了2016年全国初中物理竞赛试卷和答案,希望对您有所帮助。 第29届全国中学生物理竞赛复赛试卷 本卷共8题,满分160分。 一、(17分)设有一湖水足够深的咸水湖,湖面宽阔而平静,初始时将一体积很小的匀质正立方体物块在湖面上由静止开始释放,释放时物块的下底面和湖水表面恰好相接触。已知湖水密度为ρ;物块边长为b ,密度为'ρ,且ρρ<'。在只考虑物块受重力和液体浮力作用的情况下,求物块从初始位置出发往返一次所需的时间。 解: 由于湖面足够宽阔而物块体积很小,所以湖面的绝对高度在物块运动过程中始终保持不变,因此,可选湖面为坐标原点并以竖直向下方向为正方向 建立坐标系,以下简称x 系. 设物块下底面的坐标为x ,在物块未完全浸没入湖水时,其所受到的浮力为 2b f b x g ρ= ( x b ≤) (1) 式中 g 为重力加速度.物块的重力为 3 g f b g ρ'= (2) 设物块的加速度为a ,根据牛顿第二定律有

3 g b b a f f ρ'=- (3) 将(1)和(2)式代入(3)式得 g a x b b ρρρρ'?? =- - ?'? ? (4) 将x 系坐标原点向下移动/b ρρ' 而建立新坐标系,简称X 系. 新旧坐标的关 系为 X x b ρρ ' =- (5) 把(5)式代入(4)式得 g a X b ρρ=-' (6) (6)式表示物块的运动是简谐振动. 若0X =,则0a =,对应于物块的平衡位置. 由(5)式可知,当物块处于平衡位置时,物块下底面在x 系中的坐标为 0x b ρρ ' = (7) 物块运动方程在 X 系中可写为 ()()cos X t A t ω?=+ (8) 利用参考圆可将其振动速度表示为 ()()sin V t A t ωω?=-+ (9) 式中ω为振动的圆频率 'g b ρωρ= (10) 在(8)和(9)式中 A 和?分别是振幅和初相位,由初始条件决定. 在物块刚被释 放时,即0t =时刻有x =0,由(5)式得

第34届全国中学生物理竞赛决赛试题

第34届全国中学生物理竞赛决赛理论考试试题(2017) 一、(35分)如图,质量分别为 、 的小球 、 放置在光滑绝缘水平面上,两球之间用一原长为 , 劲度系数为 .的绝缘轻弹簧连接. (1) 时,弹簧处于原长,小球 有一沿两球连线向右的初速度 ,小球 静止.若运动过程中弹簧始终处于弹性形变范围内,求两球在任一时刻 的速度. (2)若让两小球带等量同号电荷,系统平衡时弹簧长度为 ,记静电力常量为 .求小球所带电荷量和两球与弹簧构成的系统做微振动的频率(极化电荷的影响可忽略). 二、(35分)双星系统是一类重要的天文观测对象.假设某两星体均可视为质点,其质量分别为 和 ,一 起围绕它们的质心做圆周运动,构成一双星系统,观 测到该系统的转动周期为 .在某一时刻, 星突然 发生爆炸而失去质量 .假设爆炸是瞬时的、相对 于 星是各向同性的,因而爆炸后 星的残余体 星的瞬间速度与爆炸前瞬间 星 的速度相同,且爆炸过程和抛射物质 都对 星没 有影响.已知引力常量为 ,不考虑相对论效应. (1)求爆炸前 星和 星之间的距离 ; (2)若爆炸后 星和 星仍然做周期运动,求该运动的周期 ; (3)若爆炸后 星和 星最终能永远分开,求 和 三者应满足的条件. 三、(35分)熟练的荡秋千的人能够通过在秋千板上适时站起和蹲下使秋千越荡越高.一质量 为 的人荡一架底板和摆杆均为刚性的秋千, 底板和摆杆的质量均可忽略,假定人的质量集 中在其质心.人在秋千上每次完全站起时起质 心距悬点 的距离为 ,完全蹲下时此距离变为 .实际上,人在秋千上站起和蹲下过程都是在一段时间内完成的.作为一个简单的模型,假设人在第一个最高点 点从完全站立的姿 势迅速完全下蹲,然后荡至最低点 , 与 的高度差为 ;随后他在 点迅速完全站l 0 a b 爆炸前瞬间 爆炸后瞬间

第13届全国中学生物理竞赛复赛试题及解答

第十三届全国中学生物理竞赛复赛试题 1.如图所示,有一由匀质细导线弯成的半径为α的圆线和一内接等边三角形的电阻丝组成的电路(电路中各段的电阻值见图)。在圆线圈平面内有垂直纸面向里的均匀磁场,磁感应强度B随时间t均匀减小,其变化率的大小 为一已知常量k。已知2r 1=3r 2 。求:图中AB两点的电势差U A -U B 。 2.长度为4毫米的物体AB由图所示的光学系统成像,光学系统又一个直角棱镜、一个汇聚透镜和一个发散透镜组成,各有关参数和几何尺寸均标示于图上,求:像的位置;像的大小,并作图说明是实像还是虚像,是正立还是倒立的。 3.如图所示,四个质量均为m的质点,用同样长度且不可伸长的轻绳连接成菱形ABCD,静止放在水平光滑的桌面上。若突然给质点A一个历时极短CA 方向的冲击,当冲击结束的时刻,质点A的速度为V,其他质点也获得一定 的速度,∠BAD=2α(α<π/4)。求此质点系统受冲击后所具有的总动量和总能量。

4.在一个半径为R的导体球外,有一个半径为r的细圆环,圆环的圆心与导体球心的连线长为a(a>R),且与环面垂直,如图所示。已知环上均匀带电,总电量为q,试问: 1.当导体球接地时,球上感应电荷总电量是多少? 2.当导体球不接地而所带总电量为零时,它的电势如何? 3.当导体球的电势为V O 时,球球上总电荷又是多少? 4.情况3与情况1相比,圆环受导体球的作用力改变量的大小和方向如何? 5.情况2与情况1相比,圆环受导体球的作用力改变量的大小和方向如何? 〔注〕已知:装置不变时,不同的静电平衡 带电状态可以叠加,叠加后仍为静电平衡状 态。 5、有一个用伸缩性极小且不漏气的布料制作的气球(布的质量可忽略不计), 直径为d=2.0米,球内充有压强P 1.005×105帕的气体,该布料所能承受 的最大不被撕破力为f m =8.5×103牛/米(即对于一块展平的一米宽的布料,沿布面而垂直于布料宽度方向所施加的力超过8.5×103牛时,布料将被撕 破)。开始时,气球被置于地面上,该处的大气压强为P ao =1.000×103帕, 温度T =293开,假设空气的压强和温度均随高度而线性地变化,压强的变 化为α p =-9.0帕/米,温度的变化为α T =-3.0×10-3开/米,问该气球上升到 多高时将撕破?假设气球上升很缓慢,可以为球内温度随时与周围空气的温度保持一致,在考虑气球破裂时,可忽略气球周围各处和底部之间空气压强的差别。 6.有七个外形完全一样的电阻,已知其中6个的阻值相同,另一个的阻值不同,请按照下面提供的器材和操作限制,将那个限值不同的电阻找出,并指出它的阻值是偏大还是偏小,同时要求画出所用电路图,并对每步判断的根据予以论证。 提供的器材有:1电池;2一个仅能用来判断电流方向的电流表(量程足够),它的零刻度在刻度盘的中央,而且已知当指针向右偏时电流是由哪个接线柱流入电流表的;3导线若干 操作限值:全部过程中电流表的使用不得超过三次。

第29届全国高中物理竞赛复赛试题及答案

一、 由于湖面足够宽阔而物块体积很小,所以湖面的绝对高度在物块运动过程中始终保持不变,因此,可选湖面为坐标原点并以竖直向下方向为正方向建立坐标系,以下简称x 系. 设物块下底面的坐标为x ,在物块未完全浸没入湖水时,其所受到的浮力为 2b f b x g ρ= (x b ≤) (1) 式中g 为重力加速度.物块的重力为 3g f b g ρ'= (2) 设物块的加速度为a ,根据牛顿第二定律有 3g b b a f f ρ'=- (3) 将(1)和(2)式代入(3)式得 g a x b b ρρρρ'??=-- ?'?? (4) 将x 系坐标原点向下移动/b ρρ' 而建立新坐标系,简称X 系. 新旧坐标的关系为 X x b ρρ'=- (5) 把(5)式代入(4)式得 g a X b ρρ=-' (6) (6)式表示物块的运动是简谐振动. 若0X =,则0a =,对应于物块的平衡位置. 由(5)式可知,当物块处于平衡位置时,物块下底面在x 系中的坐标为 0x b ρρ '= (7) 物块运动方程在X 系中可写为

()()cos X t A t ω?=+ (8) 利用参考圆可将其振动速度表示为 ()()sin V t A t ωω?=-+ (9) 式中ω为振动的圆频率 ω= (10) 在(8)和(9)式中A 和?分别是振幅和初相位,由初始条件决定. 在物块刚被释放时,即0t =时刻有x =0,由(5)式得 (0)X b ρρ '=- (11) (0)0V = (12) 由(8)至(12)式可求得 A b ρρ '= (13) ?=π (14) 将(10)、(13)和(14)式分别代人(8)和(9)式得 ()()cos X t b t ρωρ '=+π (15) ()()V t t ω=+π (16) 由(15)式可知,物块再次返回到初始位置时恰好完成一个振动周期;但物块的运动始终由(15)表示是有条件的,那就是在运动过程中物块始终没有完全浸没在湖水中. 若物块从某时刻起全部浸没在湖水中,则湖水作用于物块的浮力变成恒力,物块此后的运动将不再是简谐振动,物块再次返回到初始位置所需的时间也就不再全由振动的周期决定. 为此,必须研究物块可能完全浸没在湖水中的情况. 显然,在x 系中看,物块下底面坐标为b 时,物块刚好被完全浸没;由(5)式知在X 系中这一临界坐标值为 b 1X X b ρρ'??==- ?? ? (17)即物块刚好完全浸没在湖水中时,其下底面在平衡位置以下b X 处. 注意到在 振动过程中,物块下底面离平衡位置的最大距离等于振动的振蝠A ,下面分两种情况讨论: I .b A X ≤. 由(13)和(17)两式得 ρρ'≥2 (18) 在这种情况下,物块在运动过程中至多刚好全部浸没在湖水中. 因而,物块从初始位置起,经一个振动周期,再次返回至初始位置. 由(10)式得振动周期 22T ωπ= = (19)物块从初始位置出发往返一次所需的时间

2019年全国初中应用物理竞赛复赛试题(word原版)

2019年全国初中应用物理竞赛复赛试题 注意事项: 1.请在密封钱内填写所在地区、学校、姓名和考号. 2.用蓝色或黑色钢笔、圆珠笔书写 3.本试卷共有六个大题,满分为100分. 电机来发电。该发种电机铭牌部分数据如下表所示,根据表中的数据求: (1)在允许的连续运行时间内,发电机以额定 功率输出,能够提供的电能是多少度? (2)己知汽油的热值是q=4.6xl07J/kg ,密度是 0.71 x 103kg/m 3,设该汽油机的效 率为35%,则该 汽油发电机油箱的容积至少需要多大? (3)汽油发电机将内能转化为电能的效率是多 少? 二、(16分)长期以来,我国北方地区域镇居民的冬季来暖计量一般都按住宅面积收费,导致用户节能意识差,造成严重的资源浪费。作为建筑节能的一项基本措施,近几年部分地区试点以热量表作为计量收费的依据和于段, 经测算可节能约20%---30%。 如图2所示,一个完整的热量表由以下三 个部分组成:一只被体流量计,用以测量经热 交换的热水流量;一对用铅电阻制作的温度传 感器,分别测量供暖进水和回水温度;一低功 耗的单芯片计算机,根据与其相连的流量计和 温度传感器提供的流量和温度数据,利用热力 学公式可计算出用户从热交换系统获得的热 量,通过液晶显示器将测量数据和计算结果显 示出来。 以下是某用户家中的热量表的部分参数,已知水的比热容取4.2xl03J/(kg·C),天然气的燃烧值约为 8X 10 7J/m 3。 (1)试通过以上数据计算该型号热量表能测量的最大供热功率是多少? (2)在一次要查看热量表记录情况时,通过逐次点按热量表上的信息显示按钮,液晶显示器逐项循环显示出了下列数据: 根据这些数据推算,求此次查看时该用户家平均每小时从暖气中得到的热量约为多少J?到此次查看时为止,该用户从这套供暖系统得到的总能量相当于完全燃烧了多少m 3的天然气?

第21届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答

第21届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答 一、开始时U 形管右管中空气的体积和压强分别为 V 2 = HA (1) p 2= p 1 经过2小时,U 形管右管中空气的体积和压强分别为 A H H V )(2?-=' (2) 2 2 22 V V p p '=' (3) 渗透室下部连同U 形管左管水面以上部分气体的总体积和压强分别为 HA V V ?+='11 (4) H g p p Δ22 1ρ+'= (5) 式中ρ 为水的密度,g 为重力加速度.由理想气体状态方程nRT pV =可知,经过2小时,薄膜下部增加的空气的摩尔数 RT V p RT V p n 1111 - ''= ? (6) 在2个小时内,通过薄膜渗透过去的分子数 A nN N ?= (7) 式中N A 为阿伏伽德罗常量. 渗透室上部空气的摩尔数减少,压强下降.下降了?p V ΔnRT p = ? (8) 经过2小时渗透室上部分中空气的压强为 p p p ?-='00 (9) 测试过程的平均压强差 [])(2 1 10 10p p ()p p p '-'+-=? (10) 根据定义,由以上各式和有关数据,可求得该薄膜材料在0℃时对空气的透气系数 11111s m Pa 104.2---?=?= tS p Nd k (11) 评分标准: 本题20分.(1)、(2)、(3)、(4)、(5)式各1分,(6)式3分,(7)、(8)、(9)、(10) 式各2分,(11) 式4分. 二、如图,卫星绕地球运动的轨道为一椭圆,地心位于轨道椭圆的一个焦点O 处,设待测量星体位于C 处.根据题意,当一个卫星运动到轨道的近地点A 时,另一个卫星恰好到达远地点B 处,只要位于A 点的卫星用角度测量仪测出AO 和AC 的夹角α1,位于B 点的卫星用角度测量仪测出BO 和BC 的夹角α2,就可以计算出此时星体C 与地心的距离OC . 因卫星椭圆轨道长轴的长度

第29届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案(word版)

29届全国中学生物理竞赛决赛试题 panxinw 整理 一、(15分) 如图,竖直的光滑墙面上有A 和B 两个钉子,二者处于同一水平高度,间距为l ,有一原长为l 、劲度系数为k 的轻橡皮筋,一端由A 钉固定,另一端系有一质量为m=g kl 4的小 球,其中g 为重力加速度.钉子和小球都可视为质点,小球和任何物体碰 撞都是完全非弹性碰撞而且不发生粘连.现将小球水平向右拉伸到与A 钉 距离为2l 的C 点,B 钉恰好处于橡皮筋下面并始终与之光滑接触.初始时刻小球获得大小为20gl v 、方向竖直向下的速度,试确定此后小球沿 竖直方向的速度为零的时刻.

二、(20分) 如图所示,三个质量均为m的小球固定于由刚性轻质杆构成的丁字形架的三个顶点A、B和C处.AD ⊥BC,且AD=BD=CD=a,小球可视为质点,整个杆球体系置于水平桌面上,三个小球和桌面接触,轻质杆架 悬空.桌面和三小球之间的静摩擦和滑动摩擦因数均为μ,在AD杆上距A点a/4 1.试论证在上述推力作用下,杆球体系处于由静止转变为运动的临界状态时, 三球所受桌面的摩擦力都达到最大静摩擦力; 2.如果在AD杆上有一转轴,随推力由零逐渐增加,整个装置将从静止开始绕 该转轴转动.问转轴在AD杆上什么位置时,推动该体系所需的推力最小,并求出 该推力的大小.

三、(20分) 不光滑水平地面上有一质量为m的刚性柱体,两者之间的摩擦因数记为μ.柱体正视图如图所示,正视图下部为一高度为h的矩形,上部为一半径为R的半圆形.柱体上表面静置一质量同为m的均匀柔软的链条,链条两端距地面的高度均为h/2,链条和柱体表面始终光滑接触.初始时,链条受到微小扰动而沿柱体右侧面下滑.试求在链条开始下滑直至其右端接触地面之前的过程中,当题中所给参数满足什么关系时, 1.柱体能在地面上滑动; 2.柱体能向一侧倾倒; 3.在前两条件满足的情形下,柱体滑动先于倾倒发生.

第十九届全国中学生物理竞赛复赛试题(含答案)

第十九届全国中学生物理竞赛复赛试题 一、(20分)某甲设计了1个如图复19-1所示的“自动喷泉”装置,其中A 、B 、C 为3个容器,D 、E 、F 为3根细管,管栓K 是关闭的.A 、B 、C 及细管D 、E 中均 盛有水,容器水面的高度差分别为1h 和1h 如图所示.A 、B 、C 的截 面半 径为12cm ,D 的半径为0.2cm .甲向同伴乙说:“我若拧开管栓K ,会有水从细管口喷出.”乙认为不可能.理由是:“低处的水自动走向高外,能量从哪儿来?”甲当即拧开K ,果然见到有水喷出,乙哑口无言,但不明白自己的错误所在.甲又进一步演示.在拧开管栓K 前,先将喷管D 的上端加长到足够长,然后拧开K ,管中水面即上升,最后水面静止于某个高度处. (1).论证拧开K 后水柱上升的原因. (2).当D 管上端足够长时,求拧开K 后D 中静止水面与A 中水面的高度差. (3).论证水柱上升所需能量的来源. 二、 (18 分) 在图复19-2中,半径为R 的圆柱形区域内有匀强磁场,磁场方向垂直纸面指向纸外, 磁感应强度B 随时间均匀变化,变化率/B t K ??=(K 为一正值常量),圆柱形区外空间没有磁场,沿图中AC 弦的方向画一直线,并向外延长,弦AC 与半径OA 的夹角/4απ=.直线上有一任意点,设该点与A 点的距离为x ,求从A 沿直线到该点的电动势的大小. 三、(18分)如图复19-3所示,在水平光滑绝缘的桌面上,有三个带正电的质点1、2、3,位于边长为l 的等边三角形的三个顶点处。C 为三角形的中心,三个质点的质量皆为m ,带电量皆为q 。质点 1、3之 间和2、3之间用绝缘的轻而细的刚性杆相连,在3的连接处为无摩擦的铰链。已知开始时三个质点的速度为零,在此后运动过程中,当质点3运动到C 处时,其速度大小为多少? 四、(18分)有人设计了下述装置用以测量线圈的自感系数.在图复19-4-1中,E 为电压可调的直流电源。K 为开关,L 为待测线圈的自感系数,L r 为线圈的直流电阻,D 为理想二极管,r 为用电阻丝做成的电阻器的电阻,A 为电流表。将图复19-4-1中a 、b 之间的电阻线装进图复19-4-2所示的试管1内,图复19-4-2中其它装置见图下说明.其中注射器筒5和试管1组成的密闭容器内装有

29届全国中学生物理竞赛决赛试题

29届全国中学生物理竞赛决赛试题 一、(15分) 如图,竖直的光滑墙面上有A 和B 两个钉子,二者处于同一水平高度,间距为l ,有一原长为l 、劲度系数为k 的轻橡皮筋,一端由A 钉固定,另一端系有一质量为m= g kl 4的小 球,其中g 为重力加速度.钉子和小球都可视为质点,小球和任何物体碰撞都是完全非弹性碰撞而且不发生粘连.现将小球水平向右拉伸到与A 钉距离为2l 的C 点,B 钉恰好处于橡皮筋下面并始终与之光滑接触.初始时刻小球获得大小为2 0gl v 、方向竖直向下的速度,试确定此后小球沿竖直方向的速度为零的时刻.

二、(20分) 如图所示,三个质量均为m的小球固定于由刚性轻质杆构成的丁字形架的三个顶点A、B和C处.AD ⊥BC,且AD=BD=CD=a,小球可视为质点,整个杆球体系置于水平桌面上,三个小球和桌面接触,轻质杆架 悬空.桌面和三小球之间的静摩擦和滑动摩擦因数均为μ,在AD杆上距A点a/4 1.试论证在上述推力作用下,杆球体系处于由静止转变为运动的临界状态时, 三球所受桌面的摩擦力都达到最大静摩擦力; 2.如果在AD杆上有一转轴,随推力由零逐渐增加,整个装置将从静止开始绕 该转轴转动.问转轴在AD杆上什么位置时,推动该体系所需的推力最小,并求出 该推力的大小.

三、(20分) 不光滑水平地面上有一质量为m的刚性柱体,两者之间的摩擦因数记为μ.柱体正视图如图所示,正视图下部为一高度为h的矩形,上部为一半径为R的半圆形.柱体上表面静置一质量同为m的均匀柔软的链条,链条两端距地面的高度均为h/2,链条和柱体表面始终光滑接触.初始时,链条受到微小扰动而沿柱体右侧面下滑.试求在链条开始下滑直至其右端接触地面之前的过程中,当题中所给参数满足什么关系时, 1.柱体能在地面上滑动; 2.柱体能向一侧倾倒; 3.在前两条件满足的情形下,柱体滑动先于倾倒发生.

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