第17届全国中学生物理竞赛预赛试题及答案

第十七届全国中学生物理竞赛预赛试题全卷共八题，总分为140分。一、（10分）1．（5分）1978年在湖北省随县发掘了一座战国早期（距今大约2400多年前）曾国国君的墓葬——曾侯乙墓，出土的众多墓葬品中被称为中国古代文明辉煌的象征的是一组青铜铸造的编钟乐器（共64件），敲击每个编钟时，能发出音域宽广、频率准确的不同音调。与铸造的普通圆钟不同，圆钟的横截面呈圆形，每个编钟的横截面均呈杏仁状。图预17-1-1为圆钟截面的，图预17-1-2为编钟的截面，分别敲击两个钟的A、B、C和D、E、F三个部位，则圆钟可发出________个基频的音调，编钟可发出________个基频的音调。2.（5分）我国在1999年11月20日用新型运载火箭成功地发射了一艘实验航天飞行器，它被命名为___________号，它的目的是为____________________作准备。2000年二、（15分）一半径为1.00mR的水平光滑圆桌面，圆心为O，有一竖直的立柱固定在桌面上的圆心附近，立柱与桌面的交线是一条凸的平滑的封闭曲线C，如图预17-2所示。一根不可伸长的柔软的细轻绳，一端固定在封闭曲线上的某一点，另一端系一质量为27.510kgm－的小物块。将小物块放在桌面上并把绳拉直，再给小物块一个方向与绳垂直、大小为04.0m/sv的初速度。物块在桌面上运动时，绳将缠绕在立柱上。已知当绳的张力为02.0NT时，绳即断开，在绳断开前物块始终在桌面上运动．1．问绳刚要断开时，绳的伸直部分的长度为多少?2．若绳刚要断开时，桌面圆心O到绳的伸直部分与封闭曲线的接触点的连线正好与绳的伸直部分垂直，问物块的落地点到桌面圆心O的水平距离为多少？已知桌面高度0.80mH．物块在桌面上运动时未与立柱相碰．取重力加速度大小为210m/s．三、（15分）有一水平放置的平行平面玻璃板H，厚3.0cm，折射率1.5n。在其下表面下2.0cm处有一小物S；在玻璃扳上方有一薄凸透镜L，其焦距30cmf，透镜的主轴与玻璃板面垂直；S位于透镜的主轴上，如图预17-3所示。若透镜上方的观察者顺着主轴方向观察到S的像就在S处，问透镜与玻璃板上表面的距离为多少?四、（20分）某些非电磁量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电磁量来测量的。一平板电容器的两个极扳竖直放置在光滑的水平平台上，极板的面积为S，极板间的距离为d。极板1固定不动，与周围绝缘；极板2接地，且可在水平平台上滑动并始终与极板1保持平行。极板2的两个侧边与劲度系数为k、自然长度为L的两个完全相同的弹簧相连，两弹簧的另一端固定．图预17-4-1是这一装置的俯视图．先将电容器充电至电压U后即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀的向左的待测压强p；使两极板之间的距离发生微小的变化，如图预17-4-2所示。测得此时电容器的电压改变量为U。设作用在电容器极板2上的静电作用力不致引起弹簧的可测量到的形变，试求待测压强p。五、（20分）如图预17-5-1所示，在正方形导线回路所围的区域1234AAAA内分布有方向垂直于回路平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间以恒定的变化率增大，回路中的感应电流为1.0mAI．已知12AA、34AA两边的电阻皆为零；41AA边的电阻13.0kR，23AA边的电阻27.0kR。1．试求12AA两点间的电压12U、23AA两点间的电压23U、34AA两点间的电压34U、41AA两点间的电压41U。2．若一内阻可视为无限大的电压表V位于正方形导线回路所在的平面内，其正负端与连线位置分别如图预17-5-2、图预17-5-3和图预17-5-4所示，求三种情况下电压表的读数1U、2U、3U。六、（20分）绝热容器A经一阀门与另一容积比A的容积大得很多的绝热容器B相连。开始时阀门关闭，两容器中盛有同种理想气体，温度均为30℃，B中气体的压强为A中的2倍。现将阀门缓慢打开，直至压强相等时关闭。问此时容器A中气体的温度为多少？假设在打开到关闭阀门的过程中处在A中的气体与处在B中的气体之间无热交换．已知每摩尔该气体的内能为52URT，式中R为普适气体恒量，T是热力学温度．七、（20分）当质量为m的质点距离—个质量为M、半径为R的质量均匀分布的致密天体中心的距离为r(r≥R)时，其引力势能为P/EGMmr，其中11226.6710NmkgG－－为万有引力常量．设致密天体是中子星，其半径10kmR，质量1.5MM⊙（3012.010kgM⊙＝，为太阳的质量)．1．1Kg的物质从无限远处被吸引到中子星的表面时所释放的引力势能为多少?2．在氢核聚变反应中，若参加核反应的原料的质量为m，则反应中的质量亏损为0.0072m，问1kg的原料通过核聚变提供的能量与第1问中所释放的引力势能之比是多少?3．天文学家认为：脉冲星是旋转的中子星，中子星的电磁辐射是连续的，沿其磁轴方向最强，磁轴与中子星的自转轴方向有一夹角（如图预17-7所示），在地球上的接收器所接收到的一连串周期出现的脉冲是脉冲星的电磁辐射。试由上述看法估算地球上接收到的两个脉冲之间的时间间隔的下限．八、（20分）如图预17-8所示，在水平桌面上放有长木板C，C上右端是固定挡板P，在C上左端和中点处各放有小物块A和B，A、B的尺寸以及P的厚度皆可忽略不计，A、B之间和B、P之间的距离皆为L。设木板C与桌面之间无摩擦，A、C之间和B、C之间的静摩擦因数及滑动摩擦因数均为；A、B、C（连同挡板P）的质量相同．开始时，B和C静止，A以某一初速度向右运动．试问下列情况是否能发生？要求定量求出能发生这些情况时物块A的初速度0v应满足的条件，或定量说明不能发生的理由．（1）物块A与B发生碰撞；（2）物块A与B发生碰撞（设为弹性碰撞）后，物块B与挡板P发生碰撞；（3）物块B与挡板P发生碰撞（设为弹性碰撞）后，物块B与A在木板C上再发生碰撞；（4）物块A从木板C上掉下来；（5）物块B从木板C上掉下来．第十七届全国中学生物理竞赛预赛题参考解答一、参考解答1.1，22.神舟，载人飞行二、参考解答1．因桌面是光滑的，轻绳是不可伸长的和柔软的，且在断开前绳都是被拉紧的，故在绳断开前，物块在沿桌面运动的过程中，其速度始终与绳垂直，绳的张力对物块不做功，物块速度的大小保持不变。设在绳刚要断开时绳的伸直部分的长度为x，若此时物块速度的大小为xv，则有0xvv（1）绳对物块的拉力仅改变物块速度的方向，是作用于物块的向心力，故有2200xmvmvTxx（2）由此得200mvxT（3）代入数据得0.60mx（4）2.设在绳刚要断开时，物块位于桌面上的P点，BP是绳的伸直部分，物块速度0v的方向如图预解17-2所示．由题意可知，OBBP．因物块离开桌面时的速度仍为0v，物块离开桌面后便做初速度为0v的平抛运动，设平抛运动经历的时间为t，则有212Hgt（5）物块做平抛运动的水平射程为10svt（6）由几何关系，物块落地地点与桌面圆心O的水平距离s为22221ssRxx（7）解（5）、（6）、（7）式，得222202HsvRxxg(8)代人数据得2.5ms三、参考解答物体S通过平行玻璃板及透镜成三次像才能被观察到。设透镜的主轴与玻璃板下表面和上表面的交点分别为A和B，S作为物，通过玻璃板H的下表面折射成像于点1S处，由图预解17-3，根据折射定律，有sinsinninr式中1.0n是空气的折射率，对傍轴光线，i、r很小，sintanii，sintanrr，则1ADADnSASA式中SA为物距，1SA为像距，有1SAnSA（1）将1S作为物，再通过玻璃板H的上表面折射成像于点2S处，这时物距为11SBSAAB．同样根据折射定律可得像距12SBSBn（2）将2S作为物，通过透镜L成像，设透镜与H上表面的距离为x，则物距2uxSB．根据题意知最后所成像的像距()vxSAAB，代入透镜成像公式，有2111fxSBxSAAB（3）由（1）、（2）、（3）式代入数据可求得1.0cmx（4）即L应置于距玻璃板H上表面1.0cm处。四、参考解答因电容器充电后与电源断开，极板上的电量保持不变，故两板之间的电压U应与其电容C成反比；而平板电容器的电容C又与极板间的距离d成反比；故平板电容器的两板之间的电压与距离d成正比，即UAd（1）式中A为比例系数。极板2受压强作用而向左移动，并使弹簧变形。设达到平衡时，极板2向左移动的距离为d，电容器的电压减少了U，则有()UUAdd（2）由（1）与（2）式得UdUd（3）极板2移动后，连接极板2的弹簧偏离其原来位置角，弹簧伸长了L，如图预解17-4所示，弹簧的弹力在垂直于极板的方向上的分量与加在极板2上的压力平衡，即有2sinpSkL（4）因为是小角，由几何关系知sinLddL（5）解（3）、（4）、（5）式得3322kdUpULS（6）五、参考解答1.设回路中的总感应电动势为E，根据楞次定律可知，电路中的电流沿逆时针方向，按欧姆定律有12()10VIRRE（1）由对称性可知，正方形回路每条边上的感应电动势相等，设为1E，等效电路如图预解17-5-1所示。有1/42.5VEE（2）根据含源电路欧姆定律，并代入数值得1212.5VUE（3）23214.5VUIRE（4）3412.5VUE（5）41110.5VUIRE（6）2.三种情况下的等效电路分别如图预解17-5-2、17-5-3、17-5-4。对图预解17-5-2中的1141AVAA回路，因磁通量变化率为零，回路中的总电动势为零，这表明连接41AA、两端的电压表支路亦为含源电路，电压表的读数等于由正端（＋）到负端（一）流过电压表的电流VI乘以电压表的内阻VR，因VR阻值为无限大，VI趋近于零（但VVIR为有限值），故得VV1110IRIRIRU解得113.0VUIR（7）同理，如图预解17-5-3所示，回路1241AVAA的总电动势为E，故有VV112IRIRIRUE（8）解得21UIRE（9）代入数据得27.0VU（10）如图预解17-5-4所示，回路1341AVAA的总电动势为零，而34AA边中的电阻又为零，故有VV30UIR（11）六、参考解答设气体的摩尔质量为，容器A的体积为V，阀门打开前，其中气体的质量为M。压强为p，温度为T。由MpVRT得pVMRT（1）因为容器B很大，所以在题中所述的过程中，容器B中气体的压强和温度皆可视为不变。根据题意，打开阀门又关闭后，A中气体的压强变为2p，若其温度为T，质量为M，则有2pVMRT（2）进入容器A中的气体的质量为21pVMMMRTT（3）设这些气体处在容器B中时所占的体积为V，则2MVRTp（4）因为B中气体的压强和温度皆可视为不变，为把这些气体压入容器A，容器B中其他气体对这些气体做的功为2WpV（5）由（3）、（4）、（5）式得21TWpVT（6）容器A中气体内能的变化为2.5()MURTT（7）因为与外界没有热交换，根据热力学第一定律有WU（8）由（2）、（6）、（7）和（8）式得2122.51TTTT（9）结果为353.5KT七、参考解答1.根据能量守恒定律，质量为m的物质从无限远处被吸引到中子星的表面时所释放的引力势能1E应等于对应始末位置的引力势能的改变，故有10GMmEGMRmmR（1）代入有关数据得16112.010JkgEm－（2）2.在氢核聚变反应中，每千克质量的核反应原料提供的能量为220.0072Ecm（3）所求能量比为21/1/31EmEm（4）3．根据题意，可知接收到的两个脉冲之间的时间