第30届全国中学生物理竞赛复赛模拟试卷及答案(大连理工)

1第30届全国中学生物理竞赛复赛模拟试卷（全国中学生物理竞赛委员会及大连理工大学物理系）本卷共八题，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、填空题．（本题共4小题，共25分）1．图1所示的电阻丝网络，每一小段电阻同为r，两个端点A、B间等效电阻R1=。若在图1网络中再引入3段斜电阻丝，每一段电阻也为r，如图2所示，此时A、B间等效电阻R2=。2．右图为开尔文滴水起电机示意图。从三通管左右两管口形成的水滴分别穿过铝筒A1、A2后滴进铝杯B1、B2，当滴了一段时间后，原均不带电的两铝杯间会有几千伏的电势差。试分析其原理。图中铝筒A1用导线与铝杯B2相连；铝筒A2用导线与B1相连。3．受迫振动的稳定状态由下式给出)cos(tAx，2222204)(hA，220arctan。其中mHh，而)cos(tH为胁迫力，m2，其中dtdx是阻尼力。有一偏车轮的汽车上有两个弹簧测力计，其中一条的固有振动角频率为102727.39s，另外一条的固有振动角频率为1'05454.78s，在汽车运行的过程中，司机看到两条弹簧的振动幅度之比为7。设为小量，计算中可以略去，已知汽车轮子的直径为1m，则汽车的运行速度为。4．核潜艇中238U核的半衰期为9105.4年，衰变中有0.7%的概率成为234U核，同时放出一个高能光子，这些光子中的93%被潜艇钢板吸收。1981年，前苏联编号U137的核潜艇透射到艇外的高能光子被距核源（处理为点状）1.5m处的探测仪测得。仪器正入射面积为22cm2，效率为0.25%（每400个入射光子可产生一个脉冲讯号），每小时测得125个讯号。据上所述，可知238U核的平均寿命=年（693.02ln），该核潜艇中238U的质量m=kg（保留两位有效数字）。得分阅卷复核://hfwq.cersp.net2二、（20分）如图所示，一内半径为R的圆筒（图中2R为其内直径）位于水平地面上。筒内放一矩形物。矩形物中的A、B是两根长度相等、质量皆为m的细圆棍，它们平行地固连在一质量可以忽略不计的，长为Rl3的矩形薄片的两端。初始时矩形物位于水平位置且处于静止状态，A、B皆与圆筒内表面接触，已知A、B与圆筒内表面间的静摩擦系数都等于1。现令圆筒绕其中心轴线非常缓慢地转动，使A逐渐升高。1．矩形物转过多大角度后，它开始与圆筒之间不再能保持相对静止？答：（只要求写出数值，不要求写出推导过程）2．如果矩形物与圆筒之间刚不能保持相对静止时，立即令圆筒停止转动。令表示A的中点和B的中点的连线与整直线之间的夹角，求此后等于多少度时，B相对于圆筒开始滑动。（要求写出必要的推导过程。最后用计算器对方程式进行数值求解，最终结果要求保留三位数字）得分阅卷复核://hfwq.cersp.net3三、（17分）斯泰瓦—托尔曼（Stewart-Tolman）效应1917年，斯泰瓦和托尔曼发现，一绕在圆柱上的闭合线圈，当该圆柱以一定角加速度绕轴旋转时，线圈中会有电流流过。设有许多匝线圈，每匝线圈的半径为r，每匝线圈均用电阻为R的细金属导线绕成，线圈均匀地绕在一很长的玻璃圆柱上，圆柱的内部为真空。每匝线圈的位置用粘胶固定在圆柱上，单位长度的线圈匝数为n，包含每匝线圈的平面与圆柱的轴垂直。从某一时刻开始，圆柱以角加速度绕其轴旋转。经过足够长时间后，求圆柱中心处的磁场的磁感应强度B。设电子的电量e和质量m为已知。得分阅卷复核://hfwq.cersp.net4四、（20分）一男孩通过交替蹲下和站起的方式来荡秋千。如图所示的是在摆动过程中男孩的质心轨迹。当男孩处于站立姿势时，设秋千转轴到男孩质心的距离为ur；而当男孩处于下蹲姿势时，秋千转轴到男孩质心的距离为dr。设比值072.12101udrr，即男孩站立与下蹲两种姿势时质心相对于秋千转轴到男孩质心的平均距离只变化大约7%。为了使问题简化，假定秋千质量可以忽略，秋千的摆幅很小，男孩的质量总是集中在其质心上；同时还假定男孩每次从下蹲到站立或者站立到下蹲的过程（即A到B，E到F）与秋千摆动本身相比进行得足够快，因此可以认为从下蹲到站立或者站立到下蹲是瞬间完成的。与此类似，另外两个下蹲过程（从C到D，从G到H）也被假定是瞬间过程。需要求解的问题是：男孩要将秋千摆动幅度增加一倍，或者说最大角速度增加一倍（即摆动幅度为初始幅度的两倍，或最大角速度为原来的两倍），需要进行多少次（可以用分数表示）摆动才行。得分阅卷复核://hfwq.cersp.net5五、（20分）关于齐明点的讨论1．半径为R的透明球体，折射率为n，P为主轴上一点，位于球心左方nR处，如图所示。求证：从P点向右发出的任一条光线（不限于近轴光线）经球面折射后，将聚焦于一点，并求出该点Q的位置。P、Q称为齐明点。2．齐明点概念常用于显微镜的物镜中，以增大显微镜入射光的孔径角。设某显微镜的接物镜（接物镜前方有光射入）是折射率为n1=1.5，半径为R1=3mm的半球，其平底面与物同浸在折射率与物镜材料相同的油中，物即位于一个齐明点上。试设计物镜组第二个月牙形透镜（在接物镜后）的两球面的半径R2和R3及其构形（可作图说明），使其物、像也是齐明点。已知该透镜材料的折射率为n2=1.6，透镜前球面与第一个透镜后球面的间距为d1=2.0mm，透镜中央厚度为d2=1.5mm，并估算从第二个透镜出射的光的孔径角和经两个透镜成像后的放大率k。得分阅卷复核://hfwq.cersp.net6六、（18分）木星的卫食远在科学家能精确测量光速之前，丹麦天文学家欧罗梅尔（O.Romer）就研究了木星卫星的星食时间。他通过观测木星的卫星绕木星运动的周期来确定光的速率。图1表示地球E绕太阳S的运动轨道和木星的一个卫星M绕木星J的运动轨道。他观测木星的卫星M相继两次从木星的太阳阴影中出现的时间间隔。卫星处在行星的太阳阴影中，称为卫星食，简称卫食。从一系列的卫食的观测可以精确地求出卫食周期，而该周期T的观察值大小依赖与地球在以连线SJ作为一根坐标轴的参照系中的相对位置。卫星绕木星转动一周的平均周期为T0=42小时28分16秒，周期的最大观测值为T0+15秒。设观测者（在地球上）处在k位置时，看到卫星M从木星的阴影中出现。当他处在1k位置时，看到卫星下一次从木星阴影中出现，其中k=1，2，3，…从以上的观测结果中他得到卫星绕木星公转的表观周期T（tk）依赖于观测时刻tk。他认为这种表现周期因观测时间而发生的变化，是观测过程中地球相对于木星的距离d发生变化造成的。请你从以上材料推断估算光速，并计算相对误差大小。得分阅卷复核://hfwq.cersp.net7七、（20分）如图所示的圆柱形容器，其截面积221070.1mS，器壁绝热，圆筒内有两个以弹簧相连接的绝热活塞，弹簧的劲度系数为141050.1mNk，筒中部有一带孔的固定隔板，筒壁上有开口，与大气相通。整个装置的结构及尺寸如图。容器左、右端气室中分别盛有同种的理想气体，左室中有一电加热器。已知：大气压强Pap501000.1；电加热器未加热强两室气体均处于平衡态，温度均为T0=300K，压强均为p0；活塞的位置如图所示，l0=0.100m；如果通过加热器对左室气体不断地徐徐加热，弹簧长度的最大改变量mlm21040.7；理想气体的绝热过程遵循的规律为apV恒量；筒内气体的摩尔内能与温度的关系为1aRTUm，式中T为气体的热力学温度，R为摩尔气体常量。求当左气室吸热为Q=1000J时，左、右两室气体的温度和压强。设活塞与筒壁的摩擦可忽略不计，且不漏气。计算过程各量均取三位有效数字。得分阅卷复核://hfwq.cersp.net8八、（20分）氢原子模型的拓展1．在经典的氢原子模型中，电子围绕原子核做圆周运动，电子的向心力来自于核电场的作用。可是，经典的电磁理论表明电子做加速运动会发射电磁波，其发射功率可表示为（拉莫尔公式）：22306eaPc，其中a为电子的加速度，c为真空光速，112010854.841mFk,电子电荷量绝对值e=1.60210-19C。若不考虑相对论效应，试估计在经典模型中氢原子的寿命。（实验测得氢原子的结合能是13.6HEeV，电子的静止质量3109.10910mkg）2．带点粒子加速后发射的电磁波也有重要的应用价值。当代科学研究中应用广泛的同步辐射即是由以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射，电子存储环是同步辐射光源装置的核心，存储环中的电子束团通过偏转磁铁等装置产生高性能的同步辐射光。上海光源是近年来建成的第三代同步辐射光源，它的部分工作参数如下：环内电子能量3.50EGeV，电子束团流强300ImA，周长L=432m，单元数（装有偏转磁铁的弯道数量）N=20，偏转磁铁磁场的磁感应强度B=1.27T。使计算该设备平均每个光口的辐射总功率P0。（在电子接近光速时，若动量不变，牛顿第二定律仍然成立，但拉莫尔公式不再适用，相应的公式变化为224306eaPc，其中20Emc，E为电子总能量，20mc为电子的静止能量。）得分阅卷复核://hfwq.cersp.net9第30届全国中学生物理竞赛复赛模拟试卷参考解答与评分标准（全国中学生物理竞赛委员会及大连理工大学物理系）一、参考解答：1．r209153，r322．本装置的几何结构尽管十分对称，但由于空气中离子分布及宇宙射线等因素的不确定性，使铝筒A1、A2的电势会略有不同。譬如，A1的电势比A2高，由于静电感应，使A1上方的水滴带负电，A2上方的水滴带正电，带电水滴分别滴入下方的铝杯后，使B1杯带负电，由于B1与A2用导线相连，又使A2电势进一步降低，同理A1电势则进一步升高，这又使A1上方的水滴带更多的负电，A2上方的水滴带更多的正电，如此下去，使铝杯B2的电势越来越高，B1的电势越来越低，最终可使两铝杯间产生几千伏的电势差。当然，由于各种因素的不确定性，下次实验开始时，可能A2的电势比A1高，最终使B1的电势比B2的电势高几千伏。但A1、A2因偶然因素造成的电势差因上述正反馈效应而得到放大却是不变的。【点评】物理系统的对称性因某种原因受到破坏，这种现象称为对称破缺。对称破缺在物理学的许多分支及其他许多学科里已成为一个重要的概念。本题是这方面的一个例子。3．50km/h722'022021AA由题目给出的条件得到汽车的胁迫力的角频率为177.27s，而车轮转动的频率为Hzf42.42，这样汽车的速度为skmsmrfrv/50/885.1324．91049.6；30评分标准：本题25分．第1小问7分．第一空2分，第二空5分第2小问7分．第3小问5分．第4小问6分．第一空3分，第二空3分二、参考解答：1．90°2．当矩形物处于竖直位置即00时