2017年10套高中物理竞赛模拟题附答案

物理竞赛模拟（一）一、（15分）在竖直平面内将一半圆形光滑导轨固定在A、B两点，导轨直径2AR，AB与竖直方向间的夹角为o60，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，其两端系于A、B两点，如图所示，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，'CO与半径OB的夹角为。重力加速度为g。试分别对下述良好总情形，求导轨对圆环的作用力大小；1.o90；2.o30。θC'CADB60O二、（15分）如图，在水平地面上有一质量为M、长度为L的小车。车内两端靠近底部处分别固定两个轻弹簧，两弹簧位于同一直线上，其原长分别为1l和2l，劲度系数分别为1k和2k；两弹簧的另一端前分别放着一个质量为1m、2m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至弹簧2达到最大压缩量时，小车移动了距离3l。试求开始时弹簧1的长度l和后来弹簧2所达到最大压缩量2l。m2m1k2k1L三、（20分）某空间A绕地球作圆周运动，轨道半径为66.7310Arm。一人造地球卫星B在同一轨道平面内作圆周运动，轨道半径为32BArr，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）前去回收卫星。为零节省燃料，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式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内，且其近地点和远地点都分别位于空间站和卫星的圆轨道上，如图所示。转移轨道地球AB已知地球半径66.3810eRm，地球表面重力加速度29.80/gms。试求：1．飞船离开空间站A进入椭圆转移轨道所必须的速率增量Av，若飞船在远地点恰与卫星B相遇，为了实现无相对运动的捕获，飞船所需的速率增量Bv。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时间，空间站A至少需绕地球转过的角度。忽略飞船在变轨过程中所用的短暂时间及在此相应时间内绕地球转过的角度。四、（15分）摩尔质量为的某种理想气体，从左向右流过一内壁光滑的长直水平绝热导管，导管内横截面的面积为S。1摩尔绝对温度为T的该气体的内能为52RT，式中R为普适气体常量。1．将一加热装置固定放置在管的中部，以恒定功率W给气体加热，如图1所示。假设该装置对气流的阻力可忽略。当气流稳定后，在加热装置附近的状态不均匀，但随着与加热装置距离的增加而逐渐趋于均匀。在加热装置左边均匀稳流区域中，气体的压强为0p，温度为0T，向右流动的速度为0v。已知加热装置右边均匀稳流趋于中气体的压强为1p，试求该区域气体的温度1T。图1加热装置p0，T0p1v02．现将管中的即热装置换成一多孔塞，如图2所示。在气流稳定后，多孔塞左边气体的温度和压强分别0T和0p，向右流动的速度为0v；多孔塞右边气体的压强为2p（20pp）。假设气体在经过多孔塞的过程中与多孔塞没有任何形式的能量交换，求多孔塞右边气体的流速2v。图2p0，T0p1v0五、（15分）如图，一个三棱镜ABC的顶角小于o90。假设光线在纸面内以任意入射角入射到AB面上的D点，经一次折射后，有入射到AC面上，且都能在AC面上发生全反射，已知光线在AC面上发生全反射的临界角为o(45)，AC边足够长。试在下列两种情形下分别求三棱镜顶角的取值范围：1.如果光线仅从AB面上法线的下方入射；2.如果光线仅从AB面上法线的上方入射。αDCBA六、（20分）一电荷量为q的电荷产生的电场在距离它为r处的电场强度的大小为eEk2qr，式中ek为常量；一条长直导线中通有电流i时，它所产生的磁场在与导线相距为r（远小于长直导线的长度）处的磁感应强度的大小为2miBkr，式中mk也为常量。上述两常量比值为平方根emkk可用如图所示的实验装置，荣国低频（约几百Hz）的电场和磁场来测定。图中A、B表示水平放置的、电容为1C的平行板电容器的极板，极板为正方形，边长为1a（极板间距为1a）。极板B固定，极板A悬挂在天平臂一端的挂钩上。M、N为两根水平放置的平行长直金属细杆，长度均为2a，两杆间的距离为h2()ha。杆N固定，杆M悬挂于天平臂的另一端挂钩上。2C为一个一直电容器的电容，K是电键。交流电源的电压u与时间t的关系为0cos2uUft，其中f表示交流电的频率。各部分通过导线如图连接。已知在电键K打开时，天平已调节平衡，接通电源后，天平将失去平衡，通过调节交流电源的频率，可使天平重新达到平衡（注意：由于天平具有惯性，实际上是交流电的平均效果使天平平衡）。试求emkk的表达式。图中的双线可视为刚性绝缘杆，单实线为导线，曲线表示柔软无质量的导线。不考虑电场、磁场的边缘效应，不考虑导线磁场对M和N的影响。hC2Na2Ma1C1BAKu~七、（20分）两个劲度系数均为k的相同的轻质金属弹簧，上端固定在水平绝缘弹簧杆上，竖直下垂，下端与一质量为m的匀质刚性金属连接，金属杆的长度为l，杆长与两端弹簧的间距相等。将金属杆置于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面向内。杆、弹簧和交流电源u构成一闭合电路，金属杆和弹簧的电阻可忽略；且回路电流的磁场远弱于外磁场B，如图1所示，在图2中，一自感和一电容并联后接到同样的交流电源u上。若在图1和图2所示的两回路中，在任何时刻，通过电源的电流都一样，试将图2中电容C和自感L用图1中的装置的已知参量表示。图1klukB~图2CLu~八、（20分）朱棣文等三位科学家因成功实现中性原子的磁光俘获而获得了1997年Nobel物理学奖。对以下问题的研究有助于理解磁光俘获的机理（注意：本问题所涉及的原子的物理特性参数，实际上都是在对大量原子或同一原子的多次同类过程进行平均的意义上加以理解的）。1.已知处于基态的某静止原子对频率为0v的光子发生共振吸收，并跃迁到它的第一激发态（见图1）。然而，由于热运动，原子都处于运动中，假设某原子以速率0v运动，现用一束激光迎头射向该原子，问恰能使该原子发生共振吸收的激光频率v为多少？经过共振吸收，该原子的速率改变了多少？（20hvmc，m是原子质量，346.6310/hJs）2.原子的共振吸收是瞬时的，但跃迁到激发态的原子一般不会立即回到基态，而会再激发态滞留一段时间，这段时间被称为该能级的平均寿命，已知所考查原子的第一激发态的平均寿命为。若该原子能对迎头射来的激光连接发生共振吸收，且原子一旦回到基态，便立即发生共振吸收，如此不断重复，试求该原子在连接两次刚要发生共振吸收时刻之间的平均加速度。注意：原子从激发态回到基态向各个方向发出光子的机会均等，由于碰撞频率极高，因而由此引起原子动量改变的平均效果为零。3.设所考查的原子以初速度0v沿Z轴正向运动，一激光束沿Z轴负向迎头射向该原子，使它发生共振吸收。在激光频率保持不变的条件下，为了使该原子能通过一次接着一次的共振吸收而减速至零，必须相应地改变原子能级，为此可让该原子通过以非均匀磁场()Bz，实现原子的磁光俘获，如图3所示，由于处于磁场中的原子与该磁场会发生互相作用，从而改变原子的激发态能量（见图2），当磁感应强度为B时，原来能量为E的能级将变为EE，其中EB，是已知常量，试求磁感应强度B随z变化的关系式。4.设质量为261.010mkg的锂原子初速度301.210/vms，静止时的共振吸收频率为1404.510Hzv，第一激发态的平均寿命85.310s，为使所考察的原子按3中所描述的过程速度减至零，原子通过的磁场区域应有多长？v0B=0B≠0v0+ΔEh图2图1基态第一激发态激光L图3z物理竞赛模拟（一）答案一、参考解答：1.设弹性绳在时刻t的伸长量为L，弹性绳的张力为T，小圆环的高度为H。当090时，小圆环受到导轨的正压力为N、竖直向下重力mg和弹性绳的沿'CA和'CB两个方向的张力，见图1，根据几何关系有0004cos452(cos30sin30)LRR(2231)0R（1）这说明绳是张紧的。oo2sin(4530)HR（2）根据牛顿定律，这时有2oo2cos45cos30mvNTmgR（3）式中，v是小圆环此刻运动速度的大小，小圆环在下降过程中机械能守恒221122mgHmvkL（4）根据胡克定律有TkL（5）331(16235256)2NmgkR（6）1.60.15mgkR2.当o30时，弹性绳的伸长量为oooo2(cos15sin15)2(cos30sin30)LRR(631)0.280RR（7）图1O60°90°TTBACC'mgvN弹性绳处于松弛状态，0T，小圆环受力如图2所示，根据牛顿定律有2ocos30mvNmgR（8）整个过程机械能守恒，有212mgHmv（9）由几何关系得oo2sin15sin45HR（10）由（8）、（9）、（10）式得3311.62Nmgmg（11）30°图2O60°TBACC'mgN评分标准：本题15分第一问8分，（1）（2）式各1分，（3）式2分，（4）（5）式各1分，（6）式2分；第二问7分，（7）式1分，（8）式2分，（9）（10）式各1分，（11）式2分。二、参考答案：以地面为参考系，取水平向左为x正方向，由题意1ll。在小球1从释放至运动到与小球2刚好接触的过程中，小球1、2与小车作为一个整体，总能量与总动量守恒，故1020()0mvMmV（1）222102011111()()222mvMmVkll（2）式中，0v和0V分别表示在小球1、2刚好接触时小球1和小车的运动速率。考虑从小球1和2相碰至两个小球合为一体时的碰撞过程，由于碰撞时间极短，弹簧2还没有来得及被压缩，可忽略弹簧2的弹力，此过程中，小球1和2作为一个整体动量守恒。故201012()mVmvmmv（3）式中，v表示在碰后的瞬间小球1和2的共同速率。当弹簧2大盗贼最大压缩时，小球1、2与小车三者相对静止，由动量守恒与系统总动量为零可知，这是小车相对地面的速度为零。从小球1和2刚好合为一体时至弹簧2达到最大压缩的过程中，系统动量守恒，故22201222111()222MVmmvkl（4）联立（1）至（4）式得11212212()()()kMmlllkMmmm（5）考虑从小球1释放至弹簧2达到最大压缩的全过程。小球、弹簧及小车作为一个整体，所受到的合外力为零，系统质心的位置在整个过程中应当保持不变，即1231112122()[()()]()0MmmlmllLllmml（6）联立（5）和（6）式得121231111221()1MmmllLlmllkMmmkMm（7）1212312121212121()()MmmllLlmlmmkMmmmmkMm（8）评分标准：本题15分（1）（2）（3）（4）式各2分，（6）式3分，（7）（8）式各2分三、1.设空间站A和卫星B的速度大小分别为0Av和0Bv，则由牛顿引力定律得202AAAmvGmMrr（1）2''eGmMmgR（2）式中，m和M分别是飞船和地球的质量，'m和g分别是地球表面上的某一物体的质量和重力加速度，由（1）与（2）式得0AeAgvRr（3）同理有0BeBgvRr（4）飞船进入椭圆转移轨道后，其机械能为2GmMEa（5）式中，2a是椭圆轨道的长轴，由集合关系有2ABarr（6）设飞船在近地点和远地点处的速度大小分别为Av和Bv，则2122AAGmMGmMmvra（7）由（1