16全国中学生物理竞赛复赛试题及答案.docx
第 27 届全国中学生物理竞赛复赛试卷本卷共九题，满分 160 分计算题的解容许写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤只写出最终结果的不能得分有数字计算的题答案中必需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试验仪器（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），要求满意： ( a ）每个摆的摆长不小于 0 . 450m ，不大于1.00m ; ( b ）初始时将全部摆球由平衡点沿 x 轴正方向挪动一样的一个小位移 xo ( xo <<0.45m ) ，然后同时释放，经过 40s 后，全部的摆可以同时回到初始状态 2 在上述情形中，从全部的摆球开场摇摆起，到它们的速率首次全部为零所经过的时间为_.二、（ 20 分）间隔 我们为 L 处有一恒星，其质量为 M ，观测觉察其位置呈周期性摇摆，周期为 T ，摇摆范围的最大张角为 假设该星体的周期性摇摆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所满意的方程若 L=10 光年， T =10 年， = 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 （平均日地间隔 ）作为单位，只保存一位有效数字已知 1 毫角秒=角秒，1角秒=度，1AU=1.5×108km,光速 c = 3.0 ×105km/s.三、（ 22 分）如图，一质量匀整分布的刚性螺旋环质量为m，半径为 R ，螺距H =R ，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无视不计一质量也为 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间隔 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、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，离圆心的间隔 为d ( d > R ) ，在导线上通有随时间变更的电流I, t= 0 时刻，粒子速度的方向与导线平行，离导线的间隔 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 随时间的变更规律不考虑变更的磁场产生的感生电场及重力的影响长直导线电流产生的磁感应强度表示式中的比例系数 k 已知五、（20分）如图所示，两个固定的匀整带电球面，所带电荷量分别为+Q和-Q (Q >0) ，半径分别为R和R/2，小球面与大球面内切于C点，两球面球心O和O的连线MN沿竖直方在MN与两球面的交点B、0和C 处各开有足够小的孔因小孔损失的电荷量无视不计，有一质量为m，带电荷为q(q>0的质点自MN线上离B点间隔 为R的A点竖直上抛。设静电力常量为k，重力加度为g. 1要使质点从 A 点上抛后可以到达B点，所需的最小初动能为多少？ 2要使质点从A点上抛后可以到达O点，在不同条件下所需的最小初动能各为多少？六、（ 20 分）由单位长度电阻为r的导线组成如图所示的正方形网络系列n=1时，正方形网络边长为L,n= 2时，小正方形网络的边长为L/3；n=3 时，最小正方形网络的边长为L/9当 n=1、2、3 时，各网络上A、B两点间的电阻分别为多少？七、（15分）地球上的能量从源头上说来自太阳辐射到达地面的太阳辐射（假定不计大气对太阳辐射的汲取）一局部被地球外表反射到太空，其余局部被地球汲取被汲取的局部最终转换成为地球热辐射（红外波段的电磁波）热辐射在向外传播过程中，其中一局部会被温室气体反射回地面，地球以此方式保持了总能量平衡。作为一个简洁的志向模型，假定地球外表的温度到处一样，且太阳和地球的辐射都遵从斯忒蕃一玻尔兹曼定律：单位面积的辐射功率 J与外表的热力学温度 T 的四次方成正比，即 J=T4 ,其中是一个常量已知太阳外表温度Ts=5.78×103 K ，太阳半径 Rs=6.69×105 km ,地球到太阳的平均间隔 d=1.50×108 km 假设温室气体在大气层中集中形成一个匀整的薄层，并设它对热辐射能量的反射率为=0.38 . 1假设地球外表对太阳辐射的平均反射率=0.30 ，试问考虑了温室气体对热辐射的反射作用后，地球外表的温度是多少？ 2假设地球外表一局部被冰雪覆盖，覆盖局部对太阳辐射的反射率为1=0.85 ，其余局部的反射率处2=0.25 间冰雪被盖面占总面积多少时地球外表温度为 273K .八、（20分）正午时太阳的入射光与程度面的夹角=450 有一座房子朝南的墙上有一个直径 W =10cm 的圆窗，窗口中心距地面的高度为 H 试设计一套采光装置，使得正午时刻太阳光能进人窗口，并要求进入的光为充溢窗口、垂直墙面、且光强是进人采光装置前 2 倍的平行光可供选用的光学器件如下：一个平面镜，两个凸透镜，两个凹透镜；平面镜的反射率为 80 % ，透镜的透射率为 70 % ，无视透镜外表对光的反射要求从这些器件中选用最少的器件组成采光装置试画出你所设计的采光装置中所选器件的位置及该装置的光路图，并求出所选器件的最小尺寸和透镜焦距应满意的条件.九、（ 16 分）已知粒子 1 和粒子 2 的静止质量都是 m0 ，粒子 1 静止，粒子 2 以速度v0与粒子 1 发生弹性碰撞1.若碰撞是斜碰，考虑相对论效试论证：碰后两粒子速度方向的夹角是锐角、直角还是钝角若不考虑相对论效应结果又如何？2.若碰撞是正碰，考虑相对论效应，试求碰后两粒子的速度.
