第十六届全国中学生物理竞赛预赛试卷及参考解答

第十六届全国中学生物理竞赛预赛试卷及参考解答全卷共九题，总分为140分。一、（10分）1．到1998年底为止，获得诺贝尔物理学奖的华人共有_______人，他们的姓名是_____________________________________________________________________________________。2．1998年6月3日，美国发射的航天飞机“发现者”号搭载了一台磁谱仪，其中一个关键部件是由中国科学院电工研究所设计制造的直径1200mm、高800mm、中心磁感强度为0.1340T的永久磁体。用这个α磁谱仪期望探测到宇宙中可能存在的_____________。3．到1998年底为止，人类到达过的地球以外的星球有_______________，由地球上发射的探测器到达过的地球以外的星球有__________________。二、（15分）一质量为M的平顶小车，以速度0v沿水平的光滑轨道作匀速直线运动。现将一质量为m的小物块无初速地放置在车顶前缘。已知物块和车顶之间的动摩擦系数为。1.若要求物块不会从车顶后缘掉下，则该车顶最少要多长？2.若车顶长度符合1问中的要求，整个过程中摩擦力共做了多少功？三、（15分）如图预16-3所示，两个截面相同的圆柱形容器，右边容器高为H，上端封闭，左边容器上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的活塞。两容器由装有阀门的极细管道相连通，容器、活塞和细管都是绝热的。开始时，阀门关闭，左边容器中装有热力学温度为0T的单原子理想气体，平衡时活塞到容器底的距离为H，右边容器内为真空。现将阀门缓慢打开，活塞便缓慢下降，直至系统达到平衡。求此时左边容器中活塞的高度和缸内气体的温度。提示：一摩尔单原子理想气体的内能为32RT，其中R为摩尔气体常量，T为气体的热力学温度。四、（20分）位于竖直平面内的矩形平面导线框abcd。ab长为1l，是水平的，bc长为2l，线框的质量为m，电阻为R.。其下方有一匀强磁场区域，该区域的上、下边界'PP和'QQ均与ab平行，两边界间的距离为H，2Hl，磁场的磁感应强度为B，方向与线框平面垂直，如图预16-4所示。令线框的dc边从离磁场区域上边界'PP的距离为h处自由下落，已知在线框的dc边进入磁场后，ab边到达边界'PP之前的某一时刻线1999年框的速度已达到这一阶段的最大值。问从线框开始下落到dc边刚刚到达磁场区域下边界'QQ的过程中，磁场作用于线框的安培力做的总功为多少？五、（15分）一平凸透镜焦距为f，其平面上镀了银，现在其凸面一侧距它2f处，垂直于主轴放置一高为H的物，其下端在透镜的主轴上（如图预16-5）。1.用作图法画出物经镀银透镜所成的像，并标明该像是虚、是实。2.用计算法求出此像的位置和大小。六、（15分）如图预16-4-1所示，电阻121kRR，电动势6VE，两个相同的二极管D串联在电路中，二极管D的DDIU特性曲线如图预16-6-2所示。试求：1.通过二极管D的电流。2.电阻1R消耗的功率。七、（15分）将一根长为100多厘米的均匀弦线，沿水平的x轴放置，拉紧并使两端固定。现对离固定的右端25cm处（取该处为原点O，如图预16-7-1所示）的弦上一点施加一个沿垂直于弦线方向（即y轴方向）的扰动，其位移随时间的变化规律如图预16-7-2所示。该扰动将沿弦线传播而形成波（孤立的脉冲波）。已知该波在弦线中的传播速度为2.5cm/s，且波在传播和反射过程中都没有能量损失。1.试在图预16-7-1中准确地画出自O点沿弦向右传播的波在2.5st时的波形图。2.该波向右传播到固定点时将发生反射，反射波向左传播，反射点总是固定不动的。这可看成是向右传播的波和向左传播的波相叠加，使反射点的位移始终为零。由此观点出发，试在图预16-7-1中准确地画出12.5st时的波形图。3.在图预16-7-1中准确地画出10.5st时的波形图。八、（15分）1997年8月26日在日本举行的国际天文学会上，德国MaxPlanck学会的一个研究组宣了他们的研究成果：银河系的中心可能存在一个在黑洞。他们的根据是用口径为3.5m的天文望远镜对猎户座中位于银河系中心附近的星体进行近六年的观测所得到的数据，他们发现，距离银河系中心约60亿公里的星体正以2000km/s的速度围绕银河系中心旋转。根据上面的数据，试在经典力学的范围内（见提示2），通过计算确认，如果银河系中心确实存在黑洞的话，其最大半径是多少。（引力常数203126.6710kmkgsG－－－）提示：1.黑洞是一种密度极大的天体，其表面的引力是如此之强，以至于包括光在内的所有物质都不了其引力作用。2．计算中可以采用拉普拉斯经典黑洞模型，在这种模型中，在黑洞表面上的所有物质，即使初速度等于光速c也逃脱不了其引力的作用。九、（20分）一个大容器中装有互不相溶的两种液体，它们的密度分别为1和2（12）。现让一长为L、密度为121()2的均匀木棍，竖直地放在上面的液体内，其下端离两液体分界面的距离为34L，由静止开始下落。试计算木棍到达最低处所需的时间。假定由于木棍运动而产生的液体阻力可以忽略不计，且两液体都足够深，保证木棍始终都在液体内部运动，未露出液面，也未与容器相碰。参考解答一、参考解答1.五，杨振宁、李政道、丁肇中、朱棣文、崔琦2.反物质3.月球，月球、火星二、参考解答1.物块放到小车上以后，由于摩擦力的作用，当以地面为参考系时，物块将从静止开始加速运动，而小车将做减速运动，若物块到达小车顶后缘时的速度恰好等于小车此时的速度，则物块就刚好不脱落。令v表示此时的速度，在这个过程中，若以物块和小车为系统，因为水平方向未受外力，所以此方向上动量守恒，即0()MvmMv（1）从能量来看，在上述过程中，物块动能的增量等于摩擦力对物块所做的功，即2112mvmgs（2）其中1s为物块移动的距离。小车动能的增量等于摩擦力对小车所做的功，即22021122Mvmvmgs（3）其中2s为小车移动的距离。用l表示车顶的最小长度，则21lss（4）由以上四式，可解得202()MvlgmM（5）即车顶的长度至少应为202()MvlgmM。2．由功能关系可知，摩擦力所做的功等于系统动量的增量，即22011()22WmMvMv（6）由（1）、（6）式可得202()mMvWmM（7）三、参考解答设容器的截面积为A，封闭在容器中的气体为摩尔，阀门打开前，气体的压强为0p。由理想气体状态方程有00pAHRT（1）打开阀门后，气体通过细管进入右边容器，活塞缓慢向下移动，气体作用于活塞的压强仍为0p。活塞对气体的压强也是0p。设达到平衡时活塞的高度为x，气体的温度为T，则有0()pHxART（2）根据热力学第一定律，活塞对气体所做的功等于气体内能的增量，即003()()2pHxARTT（3）由（1）、（2）、（3）式解得25xH（4）075TT（5）四、参考解答设线框的dc边刚到达磁场区域上边界'PP时的速度为1v，则有2112mvmgh（1）dc边进入磁场后，按题意线框虽然受安培力阻力作用，但依然加速下落．设dc边下落到离'PP的距离为1h时，速度达到最大值，以0v表示这个最大速度，这时线框中的感应电动势为10BlvE线框中的电流10BlvIRRE作用于线框的安培力为22101BlFBlIRv（2）速度达到最大的条件是安培力Fmg由此得0221mgRvBl（3）在dc边向下运动距离1h的过程中，重力做功1GWmgh，安培力做功FW，由动能定理得22011122FGWWmvmv将（1）、（3）式代入得安培力做的功32214412FmgRWmghmghBl（4）线框速度达到0v后，做匀速运动．当dc边匀速向下运动的距离为221hlh时，ab边到达磁场的边界'PP，整个线框进入磁场．在线框dc边向下移动2h的过程中，重力做功GW，安培力做功FW，但线框速度未变化，由动能定理0FGWW221()FGWWmghmglh（5）整个线框进入磁场后，直至dc边到达磁场区的下边界'QQ，作用于整个线框的安培力为零，安培力做的功也为零，线框只在重力作用下做加速运动。所以，整个过程中安培力做的总功3222441()2FFmgR（6）〔编注：此题命题有不严密之处。由微分方程221ddBlvmgmRtv的解221221BlmRtBlmglRv－可知，只有当t时，v才能趋向极限速度0221mgRvBl（即线框下落无穷长的距离，速度才能趋向0v）。原题说ab边未进入磁场即达到最大速度是不确切的。〕五、参考解答1.用作图法求得物AP，的像''AP及所用各条光线的光路如图预解16-5所示。说明：平凸薄透镜平面上镀银后构成一个由会聚透镜L和与它密接的平面镜M的组合LM，如图预解16-5所示．图中O为L的光心，'AOF为主轴，F和'F为L的两个焦点，AP为物，作图时利用了下列三条特征光线：（1）由P射向O的入射光线，它通过O后方向不变，沿原方向射向平面镜M，然后被M反射，反射光线与主轴的夹角等于入射角，均为。反射线射入透镜时通过光心O，故由透镜射出时方向与上述反射线相同，即图中的'OP．（2）由P发出已通过L左方焦点F的入射光线PFR，它经过L折射后的出射线与主轴平行，垂直射向平面镜M，然后被M反射，反射光线平行于L的主轴，并向左射入L，经L折射后的出射线通过焦点F，即为图中的RFP．（3）由P发出的平行于主轴的入射光线PQ，它经过L折射后的出射线将射向L的焦点'F，即沿图中的'QF方向射向平面镜，然后被M反射，反射线指向与'F对称的F点，即沿QF方向。此反射线经L折射后的出射线可用下法画出：通过O作平行于QF的辅助线'SOS，'SOS通过光心，其方向保持不变，与焦面相交于T点，由于入射平行光线经透镜后相交于焦面上的同一点，故QF经L折射后的出射线也通过T点，图中的QT即为QF经L折射后的出射光线。上列三条出射光线的交点'P即为LM组合所成的P点的像，对应的'A即A的像点．由图可判明，像''AP是倒立实像，只要采取此三条光线中任意两条即可得''AP，即为正确的解答。2.按陆续成像计算物AP经LM组合所成像的伙置、大小。物AP经透镜L成的像为第一像，取12uf，由成像公式可得像距12vf，即像在平向镜后距离2f处，像的大小'H与原物相同，'HH。第一像作为物经反射镜M成的像为第二像。第一像在反射镜M后2f处，对M来说是虚物，成实像于M前2f处。像的大小H也与原物相同，HHH。第二像作为物，而经透镜L而成的像为第三像，这时因为光线由L右方入射，且物（第二像）位于L左方，故为虚物，取物32uf，由透镜公式33111uvf可得像距333203fuvfuf上述结果表明，第三像，即本题所求的像的位置在透镜左方距离23f处，像的大小H可由3313vHHu求得，即1133HHH像高为物高的13。六、参考解答解法一：设二极管D两端的管压为DU，流过二极管的电流为DI。则有DDD1222UUIRRE（1）代入数据解得DU与DI的关系为3DD(1.50.2510)VUI（2）这是一在图预解16-6中横轴上截距为1.5，纵轴上截距为6、斜率为－4的直线方程（称为二极管的负载线）因管压DU与流过二极管电流DI还受二极管D的DI～DU特性曲线的限制，因而二极管就工作在负载线与DI～DU特性曲线的相交点P上（如图预解16-6）．由此得二极管两端的管压和电流分别为D1VU,D2mAI（3）电阻1R上的电压D124VUUE其功率211116mWUPR（4）解法二：设两个二极管用一个等效二极管D代替，当流过等效二极管的电流为DI时，等效二极管的管压为DD2