第届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案

第26届全国中学生物理竞赛复赛试卷一、填空（问答）题（每题5

分，共25分）有人设想了一种静电场：电场的方向都垂直于纸面并指向纸里，电场强 度的大小自左向右逐渐增大，如图所示。这种分布的静电场是否可能存在试述理由。

X X X XX

2?海尔-波普彗星轨道是长轴非常大的椭圆，近日点到太阳中心的距离为天文单位（ 1

天文单位等于地日间的平均距离），则其近日点速率的上限与地球公转（轨道可视为圆周） 速率之比约为（保留 2位有效数字）__________________ 。用测电笔接触市电相线，即使赤脚站 在地上也不会触电，原因是 ________________________________

__________________________________________________ ;另一方面，即使穿绝缘性能良好的电 工鞋操作，测电笔仍会发亮，原因是 _________________________________

4. ________________ 在图示的复杂网络中，所有电源的电动势 均为吕，所有电阻器的电阻值均为 R ）,所有电容 器的电容均为C 0,则图示电容器 A 极板上的电荷 量为 ________ 。

5?如图，给静止在水平粗糙地面上的木块一 初速度，使之开始运动。一学生利用角动量定理 来考察此木块以后的运动过程：“把参考点设于如 图所示的地面上一点 Q 此时摩擦力f 的力矩为0,

从而地面木块的角动量将守恒，这样木块将不减速而作匀速运动。”请指出上述推理的错误,

二、（20分）图示正方形轻质刚性水平桌面由四条完全相同的轻质细桌腿 1、2、3、4支撑于桌角A 、B 、C D 处，桌腿竖直立在水平粗糙刚性地面上。 已知桌腿受力后将产生弹性微小形变。现于桌面中心点

Q 至角A 的连线QA 上

QP

某点P 施加一竖直向下的力 F ,令

C ,求桌面对桌腿1的压力F i 。三、 QA

（15 分）

1 ?一质量为m 的小球与一劲度系数为 k 的弹簧相连组成一体系， 置于光滑水平桌面上， 弹簧的另一端与固定墙面相连，小球做一维自由振动。试问在一沿此弹簧长度方向以速度 u

作匀速运动的参考系里观察，此体系的机械能是否守恒，并说明理由。

2.

若不考虑太阳和其他星体的作用， 则地球-月球系统可

看成孤立系统。若把地球和月

并给出正确的解释： ___________________________________________________ X X X XX

X X X XX

x X XXX

X X X XX

球都看作是质量均匀分布的球体，它们的质量分别为M和m月心-地心间的距离为R万有引力恒量为G学生甲以地心为参考系，利用牛顿第二定律和万有引力定律，得到月球相对

于地心参考系的加速度为a m G M2;学生乙以月心为参考系，同样利用牛顿第二定律和

R2

万有引力定律，得到地球相对于月心参考系的加速度为a e G』2。这二位学生求出的地-

R

月间的相对加速度明显矛盾，请指出其中的错误，并分别以地心参考系（以地心速度作平动

的参考系）和月心参考系（以月心速度作平动的参考系）求出正确结果。四、（20分）火箭通过高速喷射燃气产生推力。设温度T、压强p i的炽热高压气体在燃烧室内源源不断生成，

并通过管道由狭窄的喷气口排入气压P2的环境。假设燃气可视为理想气体，其摩尔质量为

口，每摩尔燃气的内能为U=C V T（c v是常量，T为燃气的绝对温度）。在快速流动过程中，对管道内任意处的两个非常靠近的横截面间的气体，可以认为它与周围没有热交换，但其内部则达到平衡状态，且有均匀的压强p、温度T和密度p，它们的数值随着流动而不断变化，

c R

并满足绝热方程pV^厂C （恒量），式中R为普适气体常量，求喷气口处气体的温度与相对火箭的喷射速率。五、（20分）内半径为R的直立圆柱器皿内盛水银，绕圆柱轴线匀速旋转（水银不溢，皿底不露），稳定后的液面为旋转抛物面。若取坐标原点在抛物面的最低

2 点，纵坐标轴z与圆柱器皿的轴线重合，横坐标轴r与z轴垂直，则液面的方程为Z ——r2,

2g

式中3为旋转角速度，g为重力加速度（当代已使用大面积的此类旋转水银液面作反射式天文望远镜）。观察者的眼睛位于抛物面最低点正上方某处，保持位置不变，然后使容器停转，待液面静止后，发现与稳定旋转时相比，看到的眼睛的像的大小、正倒都无变化。求人眼位置至稳定旋转水银面最低点的距离。

六、（20分）两惯性系S'与S初始时刻完全重合，前者相对后者沿z轴正向以速度v

高速运动。作为光源的自由质点静止于S'系中，以恒定功率P向四周辐射（各向同性）光

子。在S系中观察，辐射偏向于光源前部（即所谓的前灯效应）。

1?在S系中观察，S'系中向前的那一半辐射将集中于光源前部以x轴为轴线的圆锥内。求该圆锥的半顶角a。已知相对论速度变换关系为

U x V

U x 2

1 U x V/ c

式中u x 与U x '分别为S 与S'系中测得的速度 x 分量，c 为光速。

2?求S 系中测得的单位时间内光源辐射的全部光子的总动量与总能量。七、 （20分）

设想光子能量为E 的单色光垂直入射到质量为

M 以速度V 沿光入射方向运动的理想反射镜

（无吸收）上，试用光子与镜子碰撞的观点确定反射光的光子能量 E'。可取以下近似:

三亍

V

1，其中c 为光速。

Mc c

.若在上述问题中单色光的强度为 ①，试求反射光的强度 ①’（可以近似认为光子

撞击镜子后，镜子的速度仍为

V 。光的强度定义为单位时间内通过垂直于光传播方向单

位面积的光子的能量。八、（20分）惰性气体分子为单原子分子，在自由原子情形下，其 电子电荷分布是球对称的。负电荷中心与原子核重合。

但如两个原子接近， 则彼此能因静 电作

用产生极化（正负电荷中心不重合），从而导致有相互作用力，这称为范德瓦尔斯相互 作用。下面我们采用一种简化模型来研究此问题。

当负电中心与原子核不重合时， 若以x 表示负电中心相对正电荷（原子核）

的位移，当 x 为正时，负电中心在正电荷的右侧， 当x 为负时，负电中心在正电荷的左侧，

如图1所示。

这时，原子核的正电荷对荷外负电荷的作用力

f 相当于一个劲度系数为 k 的弹簧的弹性力，

即f =— kx ，力的方向指向原子核，核外负电荷的质量全部集中在负电中心，此原子可用一 弹簧振子来模拟。

今有两个相同的惰性气体原子，它们的原子核固定，相距为 为q ,核外负电荷的质量为 m 因原子间的静电 相互作用，负电中心相对各自原子核的位移分别 为x i 和X 2,且| x i |和| X 2|都远小于 R 如图2所 示。此时每个原子的负电荷除受到自己核的正电 荷作用外，还受到另一原子的正、负电荷的作用。

众所周知，孤立谐振子的能量 E =mV /2+kx 2/2是守恒的，式中v 为质量m 的振子运动的速度, x 为振子相对平衡位置的位移。量子力学证明，在绝对零度时，谐振子的能量为 为零点振动能，

h/2 , h 为普朗克常量， .k/m 为振子的固有角频率。试计算在

绝对零度时上述两个有范德瓦尔斯相互作用的惰性气体原子构成的体系的能量， 与两个相距

足够远的（可视为孤立的、没有范德瓦尔斯相互作用的）

惰性气体原子的能量差， 并从结果

判定范德瓦尔斯相互作用是吸引还是排斥。可利用当

|x |<<1时的近似式

（1 + x ）1/2- 1+X /2- X 2/8 , （1 + x ）-1 - 1 — x +x 2。第

26届全国中学生物理竞赛复赛

试

卷

参考解答与评分标准

一、填空（问答）题?每小题5分，共25分.按各小题的答案和评分标准评分 ? 1.答案与评分标淮：

这种分布的静电场不可能存在 .因为静电场是保守场，电荷沿任意闭合路径一周电场力 做的功等于0，但在这种电场中，电荷可以沿某一闭合路径移动一周而电场力做功不为 0.（ 5

分）

2.答案与评分标淮:

R,原子核正电荷的电荷量

h w /2，称

.（5 分）

3. 答案与评分标淮：

测电笔内阻很大，通过与之串联的人体上的电流（或加在人体上的电压）在安全范围内; （2分）

市电为交流电，而电工鞋相当于一电容器，串联在电路中仍允许交流电通过. （3分）

4. 答案与评分标淮：

2E o C o. （5 分）

5. 答案与评分标淮：

该学生未考虑竖直方向木块所受的支持力和重力的力矩?仅根据摩擦力的力矩为零便推

出木块的角动量应守恒，这样推理本身就不正确?事实上，此时支持力合力的作用线在重力

作用线的右侧，支持力与重力的合力矩不为0，木块的角动量不守恒，与木块作减速运动不

矛盾.（5分）

参考解答:

设桌面对四条腿的作用力皆为压力，分别为F1、F2、F3、F4.因轻质刚性的桌面处

在平衡状态，可推得

F i F2 F3 F4 F . （1）

由于对称性，

F2 F4 . ⑵考察对桌面对角线BD的力矩，由力矩平衡条件可得

F3 cF F1 . ⑶根据题意，0 c 1, c=0对应于力F的作用点在0点，c=1对应于F作用点在A点?设桌腿的劲度系数为k ,在力F的作用下，腿1的形变为Fjk，腿2和4的形变均为

F2 . k ,

的形变为F3. k .依题意，桌面上四个角在同一平面上，因此满足

F i F3 2F2 .

⑵、⑶、（4）式，可得

4

c -时, 2 F3 0. F3 0,表示腿3无形变; F3 0 ,表示腿3受到桌面的作用力为拉

F i

2c 1 F

,

4

1 2c F

,

4

力，这是不可能的，故应视

F 3 0 .此时(2)式(3)式仍成立.由(3)式，可得

F 1 cF .

⑺

综合以上讨论得

2c 1匸

1 (8)

F 1

4

F 0 c

2

F 1

cF ,

-c 1 . 2

(9)

评分标准：本题20分.

(1) 式1分，(2)式1分，(3)式2分，(4)式7分，得到由(8)式表示的结果得4分，得 到由(9)式表示的结果得5分.

参考解答：

1. 否.原因是墙壁对于该体系而言是外界，

墙壁对弹簧有作用力， 在运动参考系里此力

的作用点有位移，因而要对体系做功，从而会改变这一体系的机械能.

2. 因地球受月球的引力作用， 月球受地球的引力作用， 它们相对惯性系都有加速度， 故

它们都不是惯性参考系.

相对非惯性参考系，牛顿第二定律不成立.如果要在非惯性参考系

中应用牛顿第二定律，必须引入相应的惯性力；而这两位学生又都未引入惯性力， 所以他们

得到的结果原则上都是错误的.

以地心为参考系来求月球的加速度

.地心系是非惯性系，设地球相对惯性系的加速度的

大小为a e ,则由万有引力定律和牛顿第二定律有

加速度的方向指向月球?相对地心参考系，月球受到惯性力作用，其大小

m

ma e

,

方向指向地球，与月球受到的万有引力的方向相同?若月球相对地心系的加速度为

a m ，则

由(1)、(2)、(3)三式，得

加速度的方向指向地球.

以月心为参考系来求地球的加速度

?月心系也是非惯性系，设月球相对惯性系的加速度

的大小为a m ，则由万有引力定律和牛顿第二定律有

Mm R 2

Ma 。,

(1)

―Mm

G V

m ma m .

a m

G

M

R 2

Mm

加速度的方向指向地球?相对月心参考系，地球受到惯性力作用，惯性力的大小

f|M

Ma m

方向指向月球，与地球受到的万有引力的方向相同?若地球相对月心系的加速度为 a e ，则

(8)

加速度的方向指向月球.（4）式与（8）式表明，地球相对月心系的加速度 a e 与月球相对地心

系的加速度a m 大小相等（方向相反），与运动的相对性一致.

评分标准：本题15分. 第1小问5分.

第2小问10分.指出不正确并说明理由，占

四、 参考解答：

于火箭燃烧室出口处与喷气口各取截面

A 1与A 2，它们的面积分

别为S 1和S 2，由题意，S 1 S 2，以其间管道内的气体为研究对象,

内部一切物理量分布只依赖于位置，与时间无关.由此可知，尽管 的质量与能量不变.

先按绝热近似求喷气口的气体温度 T 2 .质量守恒给出

1 V 1

2 V 2 ,

即A 2B 2气体可视为由A 1B 1气体绝热移动所得.事实上，因气流稳恒，

A 1

B 1气体流出喷口

时将再现A 2B 2气体状态.对质量 m

2

V 2的气体，利用理想气体的状态方程

如图所示?设经过很短时间 t ，这部分气体流至截面

B 1与B 2之间，A 1B 1间、A 2B 2间的

微小体积分别为 V 1、 V 2，两处气体密度为

1

2，流速为

V 1、V 2 .气流达到稳恒时,

R 2

有

由（5）、（6）、（7）

Mm

Ma e ?

a e

2分；⑴至（8）式，每式1分.

B 1A 2间气体更换，但总

(1)

RT 和绝热过程方程

可得

C R

P i V i C v

C R

P2 V2 C/

P

2

P i

C

V

R

T

再通过能量守恒求气体的喷射速率V2 ?由⑴式及V Sv t，可得

再利用⑴、（3）式，知v1

1S1V12S2V2 ,

c

2S2

S2

V2

p 5 R

P

2V2，因S2S1 ,

P2

1 S1S1P i

V i V2 ?

⑵

⑶

⑷

P i，故

⑹

整个体系经t时间的总能量（包括宏观流动机械能与微观热运动内能）增量E为A2B2部分与A i B i部分的能量差.由于重力势能变化可忽略，在理想气体近似下并考虑到（6）式，有

E 体系移动过程中，外界做的总功为根据能量守恒定律，绝热过程满足

得

V2

其中利用了（2）、（4）两式.

评分标准：本题20分.

12m T

2 T i .

—mV 2 -C V

2

W P i V i P2V2 ?

E W ,

R

2 C V RT i

1

P2 C/ R

P i

⑺

(8)

(9)

(10)

（2）式1分，（3）式2分，⑷式3分，（6）式1分，（7）式6分，（8）式4分，（9）式1分, （10）式 2 分.

五、

参考解答：

旋转抛物面对平行于对称轴的光线严格聚焦，此抛物凹面镜的焦距为

由(1)式，旋转抛物面方程可表示为

2

r

4f

停转后液面水平静止.由液体不可压缩性，知液面上升.以下求抛物液面最低点上升的高度.

抛物液面最低点以上的水银，在半径R、高R24f的圆柱形

中占据体积为M的部分，即附图中左图阴影部分绕轴线旋转所得的回转

体；其余体积为V的部分无水银.体M在高度z处的水平截面为圆环，

利用抛物面方程，得z处圆环面积

2 2 2

S M z n R r n R 4fz .

将体V倒置，得附图中右图阴影部分绕轴线旋转所得的回转体，相应抛物面方程变为

z R2 12 r

⑷4f

其高度z处的水平截面为圆面，面积为

S z n2n R24fz5M z.

由此可知

19R2

M V -n R⑹

24f

即停转后抛物液面最低点上升

M R2

h2⑺

n8f

因抛物镜在其轴线附近的一块小面积可视为凹球面镜，抛物镜的焦点就是球面镜的焦点，故可用球面镜的公式来处理问题?两次观察所见到的眼睛的像分别经凹面镜与平面镜反

射而成，而先后看到的像的大小、正倒无变化，这就要求两像对眼睛所张的视角相同. 设眼长为y。.凹面镜成像时，物距u即所求距离，像距v与像长y分别为

fu

V百，

(8)

y - y o - y。. (9)

u f u

平面镜成像时，由于抛物液面最低点上升，物距为

⑶

(10)

再利用相对论速度变换关系，得

像距v 与像长y 分别为

v -u

v y y 0

u

两像视角相同要求

1 2厂f

此处利用了 (8) — (12)诸式.

评分标准：本题20分.

(1) 式1分，⑺式4分, 分，(15)式2分.

R 2 8?，

(11)

y o -

(12)

(13)

2u R 2

4f

(14)

(14)式可解得所求距离

R u

2

(15)

(8)、(9)式各 2 分，(10) 、(11)、(12)式各 1 分，(13)

六、 参考解答：

1?先求两惯性系中光子速度方向的变换关系?根据光速不变原理，两系中光速的大小 x 和x 轴的夹角，则光速的

都是c .以和分别表示光子速度方向在 量为

S 和S 系中与 u x ccos , (1)

u x

CCOS

cos

cos v c 1 vcos c

S 系中光源各向同性辐射， 表明有一半辐射分布于 0

n 2的方向角范围内,

中，此范围对应0

.由上式求得

v arccos

—. c

v

cos—

2 c arccos—

1 - cos—

c 2

可以看出，光源的速度v越大，圆锥的顶角越小.

2

P t m0c ，

式中m o为t时间内质点减少的质量. S系中，质点以速度v匀速运动，由于辐射，其动质量减少m，故动量与能量亦减少.转化为光子的总动量为p mv ,即

m°v

转化为光子的总能量为 E me2，即

2

m o e

S系中光源静止，测得的辐射时

间

t为本征时，在S系中膨胀为

t

1 v2e2

由以上各式可得在S系中单位时间内辐射的全部光子的总动量与总能量分别为vP

-2，

c

(10)

七、

参考解答：

1?光子与反射镜碰撞过程中的动量和能量守恒定律表现为(8)

(9)

评分标准: 第1小问第2小问

本题20分.

7分.(3)式4分,

13 分.(5)、(6)

⑷式3分.

、(7)式各2分，(8)式3分, (9) 、(10)式各2 分.

E c MV E . c MV ,

E MV2 2 E MV2. 2 .

其中V为碰撞后反射镜的速度.从上两式消去V，得

4E

1 V c、1 V c

2 4E Mc2

2E

1 V c

(1)

⑵

⑶

(8)

V

1

当V

1时，一1

1 V c ，可得

c

1 V c

E E 1 2V c .

2.考察时刻t 位于垂直于光传播方向的截面 A 左侧的长为光在1s 时间内所传 播的距离c 1S 、底面积为单位面积柱体内的光子，如图

1所示?经过1s 时间，

它们全部通过所考察的截面?若单位体积中的光子数为 n ，根据光强的定义，入射

光的强度

① ncE

(6)

若A 处固定一反射镜，则柱体的底面 S ?处的光子在时刻t 到达位于A 处的反射镜便立

即被反射，以光速 c 向左移动；当柱体的底面 S 在t+1s 到达A 处被反射镜反射时，这柱体 的底面S 2已到达A 左边距离A 为c 1s 处，所有反射光的光子仍分布在长为 c 1s 、截面积

为单位面积的柱体内，所以反射光的强度与入射光的强度相等.

如果反射镜不固定，而是以恒定的速度

V 向右移动，则在时

刻t+1s 柱体的底面 S 到达A 处时，反射镜已移到 A 右边距离为 V 1s 的N 处，这时底面 S 2移到A 左侧离A 的距离为c 1s 处， 如图2中a 所示.设再经过时间 t , S 1与镜面相遇，但这时镜面 己来到N 处，因为在 t 时间内，镜面又移过了一段距离 V t ,

即在时刻t 1s

t ,底面S 才到达反射镜被反射.亦即原在

S

处的光子须多行进 c At 的距离才能被反射?因此

c eV c V

nc n c 2

nc —

注意到V c 有

c V

c V

c V

n

c V

n cE .

(9)

2

c V

(10)

故有

n 根据光强度的定义，反射光的强度

由(4)、(8)、(9)各式得

c t 1s t V

而这时，底面S 又向左移了一段距离 c t .这样反射光的光子将分布在长为 c 1s 2c t 的

柱体内?因反射不改变光子总数，设

n 为反射光单位体积中的光子数，有

2 2k c

q X 1X 2 R 3

因此体系总能量可近似表为

4V

(11)

评分标准：本题20分.

第1小问9分.(1) 、(2)式各2分，(4)或⑸式5分. 第2小问11分.(8)式5分，(9)式3分，(10)或(11)式3 分. 八、 参考解答：

两个相距R 的惰性气体原子组成体系的能量包括以下几部分：

每个原子的负电中心振动

的动能，每个原子的负电中心因受各自原子核“弹性力”作用的弹性势能，一个原子的正、 负电荷与另一原子的正、负电荷的静电相互作用能.以v 1和v 2分别表示两个原子的负电中心

1 2

1 2 1 2 1 2

E mv 1

2 1

mv 2 2 2

kx 1 2 1 kx 2 U 2 2

(1)

式中

U 为静电相互作用能

2

1

1

1 1

U k c q

⑵

R R x-i x 2 R X | R x 2

k c 为静电力常量 因 R x 1 x 2

R X 2

R 1 X 2 ，利用 1 X

R

1 X X 2，可将⑵式化为

1 2 1 2

1 2 1 . 2

E mv 1 kx 1 mv 2 — kx 2 2

2 2

2k c q 2

x~|X 2

R 3 注意到a 2 b 2

a

2

b

a 2

b

｛注意、到a b

2

和2ab

1 2 1 ,2&q 2

2

E - m u 1 — k C3 y 1

2 2 R

2 2

a b a b

2

2

1 2k C q 2

2

mu 2

k

C3

y 2.

2

2 R

振动速度，X 1和X 2分别表示两个原子的负电中心相对各自原子核的位移，则体系的能量

X

1

X 2

式中,

，可将(4)式改写为

(16)

利用 1 x 12 1 x/2 X 2/8，可得

k C q 4

2k 32m 12R 「

E 0 ,表明范德瓦尔斯相互作用为相互吸引.

评分标准：本题20分.

(1)式1分，(2)式3分，⑷式3分，(10)、(11)式各4分，(12)式2分，(16)式2分, 末句说明占1分.

U 1 V 1 72 . 2 , ⑹

U 2

V 1 V2.、2

,

⑺

X 1

X 2 2

,

(8)

y 2 X

X 2 . < 2 .

(9)

(5)式表明体系的能量相当于两个独立谐振子的能量和，而这两个振子的固有角频率分别为

在绝对零度，零点能为

E o

k 2k c q 2 R 3

k 2k c q 2 R 3

两个孤立惰性气体原子在绝对零度的能量分别表示为

E 10 和 E 20 ,有

(10)

(11)

(12)

E 10 E 20

(13)

式中

(14)

为孤立振子的固有角频率. 由此得绝对零度时,

量与两个孤立惰性气体原子能量和的差为

所考察的两个惰性气体原子组成的体系的能

E o

E 10 E 20

(15)

o

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

第28届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案(word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76.1年。1986年它过近日点P0时，与太阳S的距离r0=0.590AU，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=72.0°.已知：1AU=1.50×1011m，引力常量G=6.67×10-11m3?kg-1?s-2，太阳质量m S=1.99×1030kg.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，与地面间的静摩擦因数为μA， B、D两点与光滑竖直墙面接触，杆A B和CD接触处的静摩擦因数为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θ，求CD杆与墙面的夹角α应满足的条件（用α及已知量满足的方程式表示）。 （2）若μA=1.00，μC=0.866，θ=60.0°，求系统平衡时α的取值范围（用数值计算求出）。

三、（25分）人造卫星绕星球运行的过程中，为了保持其对称轴稳定在规定指向，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旋转。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是所谓的“YO—YO”消旋法，其原理如图。 设卫星是一半径为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）处，另一端各拴有一质量为m/2的小球。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，接触小球与卫星的联系，于是卫星停止转动。已知此时绳与圆筒的相切点刚好在Q、Q'处。试求： （1）当卫星角速度减至ω时绳拉直部分的长度l； （2）绳的总长度L； （3）卫星从ω0到停转所经历的时间t. m /2

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。

第24届全国物理竞赛复赛试题及答案

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

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25届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案

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 113126.6710G 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3kg m -?。 2、（522C -?，电荷量q 1洁的形式F q =C 。 3、（5强度B 当B 。 二、（21圆轨道，高 5 31 f H =1所示）使卫星以后的近地点点火，使卫星加速和变轨，抬高远地点，相继进入24小时轨道、转移轨道（分别如图中曲线3、4、5所示）。已知卫星质量32.35010m k g =?，地球半径 36.37810R km =?，地面重力加速度29.81/g m s =，月球半径31.73810r km =?。 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0.70μ=，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50 5.210p Pa =?的氢气。假设氢的饱和蒸气仍遵从理想气体状态方125K 示的压强p 2时压力表M 在设25V T K =25K 时，3、的800五、（20个电子，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。两极板图所示的周期性变化的电压AB 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206mv 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，

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

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

第届全国中学生物理竞赛复赛试卷及答案

2010年全国中学生物理竞赛复赛试卷（第二十七届）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=×108km,光速 c = ×105km/s. 三、（ 22 分）如图，一质量均匀分布的刚性螺旋环质量为m，半径为 R ，螺距H =πR ，可绕竖直的对称轴OO′，无摩擦地转动，连接螺旋环与转轴的两支撑杆的质量可忽略不计．一质量也为m 的小球穿在螺旋环上并可沿螺旋环无摩擦地滑动,首先扶住小球 使其静止于螺旋环上的某一点 A ，这时螺旋环也处于静止状 态．然后放开小球，让小球沿螺旋环下滑，螺旋环便绕转轴OO′，转动．求当小球下滑到离其初始位置沿竖直方向的距离为 h 时，螺旋环转动的角速度和小球对螺旋环作用力的大小． 四、（ 12 分）如图所示，一质量为m、电荷量为 q ( q > 0 ）的粒子作角速度为ω、半径为 R 的匀速圆周运动.一长直细导线位于圆周所在的平面内，离圆心的距离为d ( d > R ) ，在导线上通有随时间变化的电流I, t= 0 时刻，粒子速度的方向与导线平行，离导线的距离为d+ R .若粒子做圆周运动的向心力等于电流 i ,的磁场对粒子的作用力，试求出电流 i 随时间的变化规律．不考虑

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．

全国物理竞赛复赛试题解答

第十三届全国物理竞赛复赛试题解答 一、在各段电路上，感应电流的大小和方向如图复解13 - 1所示电流的分布，已考虑到电路的对称性，根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律，对半径为α的圆电路，可得 π2a k = 21r 1I + 1r 1 I ' 对等边三角形三个边组成的电路，可得 332a k / 4 = 22r 2I + 22r 2I ' 对由弦AB 和弧AB 构成的回路，可得 （π2a -332a / 4）k / 3 = 1r 1I - 2r 2I 考虑到，流进B 点的电流之和等于流出B 点电流之和， 有 1I + 2I =1I ' + 2I ' 由含源电路欧姆定律可得 A U - B U = π2a k /3 - 1I 1r 由以上各式及题给出的 2r = 21r / 3可解得 A U - B U = - 32a k / 32 二、解法一：1、分析和等效处理 根据棱镜玻璃的折射率，棱镜斜面上的全反射临界角为c α= arcsin ( 1 / n ) ≈ο42 注意到物长为4mm ，由光路可估算，进入棱镜的近轴光线在斜面上的入射角大多 在ο 45左右，大于临界角，发 生全反射。所以对这些光线而 言，棱镜斜面可看成是反射镜。本题光路可按反射镜成像 的考虑方法，把光路“拉直”如图复解13 – 2 - 1所示。现在，问题转化为正立物体经过 一块垂直于光轴、厚度为6cm 的平玻璃板及其后的会聚透镜、发散透镜成像的问题。 2、求像的位置；厚平玻璃板将使物的近轴光线产生一个向右侧移动一定距离的像，它成为光学系统后面部分光路的物，故可称为侧移的物。利用沿光轴的光线和与光轴成α角的光线来讨论就可求出这个移动的距离。 图复解13 - 1 11I 图复解13 - 2 - 2 图复解13 - 2 - 1

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