第22届全国中学生物理竞赛复赛题及解答.pdf
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1、最新资料推荐一、 图中第第 2222 届全国中学生物理竞赛复赛题届全国中学生物理竞赛复赛题的AOB是游乐场中的滑道模型, 它位于竖直平面内,由两个半径都是R的 1/4 圆周连接而成, 它们的圆心O1、O2与两圆弧的连接点O在同一竖直线上O2B沿水池的水A面一小滑块可由弧AO的任意点从静止开始下滑1若小滑块从开始下滑到脱离滑道过程中,在两个圆弧上滑过的弧长相等,则小滑块开始下滑时应在圆弧OO2O1AO上的何处?(用该处到O1的连线与竖直线的夹角表示) B2凡能在O点脱离滑道的小滑块,其落水点到O2的距离如何?二、如图所示,O 为半径等于 R 的原来不带电的导体球的球心,O1、O2、O3为位于球内
2、的三个半径皆为r 的球形空腔的球心, 它们与O 共面,已知OO1OO2OO3O2为O1P1PRRO2OO3rP2R在 OO1、OO2的连线上距 O1、2r的P1、 P2点处分别放置带电量为q1和q2的线度很小的导体 (视2为点电荷) ,在 O3处放置一带电量为 q3的点电荷,设法使 q1、q2和q3固定不动 在导体球外的 P 点放一个电量为 Q 的点电荷, P 点与 O1、 O2、 O3共面, 位于O3O的延长线上,到 O 的距离OP 2R1求 q3的电势能2将带有电量 q1、q2的小导体释放,当重新达到静电平衡时,各表面上的电荷分布有何变化? 此时 q3的电势能为多少?三、 (22 分) 如
3、图所示, 水平放置的横截面积为S 的带有活塞的圆筒形绝热容器中盛有 1mol 的理想气体 其内能U CT,C 为已知常量,T 为热力学温度器壁和活塞之间不漏气且存在摩擦,最大静摩擦力与滑动摩擦力相等且皆为 F图中 r 为电阻丝,通电时可对气体缓慢加热起始时,气体压强与外界大气压强p0相等,气体的温度为T0现开始对r 通电,已知当活塞运动时克服摩擦力做功所产生热量的一半被容器中的气体吸收 若用 Q 表示气体从电阻丝吸收的热量,T 表示气体的温度,试以 T 为纵坐标,Q 为横坐标,画出在 Q 不断增加的过- 1 - / 19rp0最新资料推荐程中 T 和 Q 的关系图线 并在图中用题给的已知量及普
4、适气体常量R 标出反映图线特征的各量(不要求写出推导过程) 四、 (23 分)封闭的车厢中有一点光源 S,在距光源 l 处有一半径为 r 的圆孔,其圆心为 O1,光源一直在发光,并通过圆孔射出 车厢以高速 v 沿固定在水平地面上的 x 轴正方向匀速运动,如图所示某一时刻,点光源 S 恰位于 x 轴的原点 O 的正上方,取此时刻作为车厢参考系与地面参考系的时间零点在地面参考系中坐标为xA处放一半径为 R(R r)的不透光的圆形挡板,板面与圆孔所在的平面都与x 轴垂直板的圆心O2、S、O1都等高,起始时刻经圆孔射出的光束会有部分从挡板周围射到挡板后面的大屏幕(图中未画出)上由于车厢在运动,将会出现
5、挡板将光束完全遮住,即没有光射到屏上的情况不考虑光的衍射试求:1车厢参考系中(所测出的)刚出现这种情况的时刻2地面参考系中(所测出的)刚出现这种情况的时刻五、 (25 分)一个用绝缘材料制成的扁平薄圆环,其内、外半径分别为 a1、a2,厚度可以忽略两个表面都带有电荷,电荷面密度随离开环心距离 r 变化的规律均为(r) a2a1a0OSlvrO1xARO20r2,0为已知常量 薄圆环绕通过环心垂直环面的轴以大小不变的角加速度减速转动,t = 0 时刻的角速度为0将一半径为 a0(a0vA、vB七、 (25 分)如图所示,在一个劲度系数为 k 的轻质弹簧两端分vB- 2 - / 19xOkAOAv
6、AI(krlB最新资料推荐别拴着一个质量为 m 的小球 A 和质量为 2m 的小球 BA 用细线拴住悬挂起来,系统处于静止状态,此时弹簧长度为l现将细线烧断,并以此时为计时零点,取一相对地面静止的、竖直向下为正方向的坐标轴Ox, 原点 O 与此时 A 球的位置重合如图 试求任意时刻两球的坐标第 22 届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答一、1如图所示,设滑块出发点为P1,离开点为P2,按题意要求O1P1、O2P2与竖直方向的夹角相等,设其为,若离开滑道时的速度为 v,A则滑块在P2处脱离滑道的条件是O1 (1)P1OP2mv2 mg cosR由机械能守恒O2(2)B12mgR(1cos) mv2
7、2(1)、(2)联立解得cos44或arccos36 5255(3)2设滑块刚能在 O 点离开滑道的条件是2mv0 mgR(4)v0为滑块到达 O 点的速度,由此得v0Rg(5)设到达 O 点的速度为 v0的滑块在滑道 OA 上的出发点到O1的连线与竖直的夹角为0, 由机械能守恒,有mgR(1cos0) 12mv02(6)由(5) 、 (6)两式解得03(7)若滑块到达 O 点时的速度v v0,则对 OB 滑道来说,因 O 点可能提供的最大向心力为mg,故滑块将沿半径比 R 大的圆周的水平切线方向离开 O 点对于v v0的滑块,其在 OA上出发点的位置对应的角必大于0,即0,由于max 2,根
8、据机械能守恒,到达O点的最大速度- 3 - / 19最新资料推荐vmax2Rg(8)由此可知, 能从 O 点离开滑道的滑块速度是v0到vmax之间所有可能的值, 也就是说,从 3至 2下滑的滑块都将在 O 点离开滑道以速度 v0从 O 点沿水平方向滑出滑道的滑块,其落水点至O2的距离x0 v0t(9)(10)R 12gt2由(5) 、 (9) 、 (10)式得x02R(11)当滑块以vmax从 O 点沿水平方向滑出滑道时,其落水点到O2的距离xmax vmaxt由(8) 、 (10) 、 (12)式得(12)xmax 2R(13)因此, 凡能从 O 点脱离滑道的滑块, 其落水点到O2的距离在2
9、R到2R之间的所有可能值 即2R x 2R(14)二、1由静电感应知空腔1、2 及 3 的表面分别出现电量为 q1、 q2和 q3的面电荷,由电荷守恒定律可知,在导体球的外表面呈现出电量q1 q2 q3由静电屏蔽可知,点电荷q1及感应电荷( q1)在空腔外产生的电场为零;点电荷 q2及感应电荷( q2)在空腔外产生的电场为零;点电荷 q3及感应电荷( q3)在空腔外产生的电场为零因此,在导体球外没有电荷时,球表面的电量q1 q2 q3作球对称分布当球外 P 点处放置电荷 Q 后,由于静电感应,球面上的总电量仍为q1 q2 q3,但这些电荷在球面上不再均匀分布,由球外的 Q 和重新分布在球面上的
10、电荷在导体球内各点产生的合场强为零O3处的电势由位于 P 点处的 Q、导体球表面的电荷q1 q2 q3及空腔 3 表面的感应电- 4 - / 19最新资料推荐荷( q3)共同产生无论q1 q2 q3在球面上如何分布,球面上的面电荷到 O 点的距离都是 R,因而在 O 点产生的电势为kq1 q2q3Q, Q 在 O 点产生的电势为k,这两部分电R2R荷在 O3点产生的电势U与它们在 O 点产生的电势相等,即有Q q q2 q3Q 2q1 2q2 2q3U k1 k(1)R2R2R因 q3放在空腔 3 的中心处,其感应电荷 q3在空腔 3 壁上均匀分布这些电荷在 O3点产生的电势为U k q3r(
11、2)根据电势叠加定理,O3点的电势为U U U kQ 2q1 2q2 2q3q32Rr故 q3的电势能W qQ 2q1 2q2 2q3q33U kq32Rr2 由于静电屏蔽,空腔 1 外所有电荷在空腔 1 内产生的合电场为零,空腔 1 内的电荷 q1仅受到腔内壁感应电荷 q1的静电力作用,因q1不在空腔 1 的中心 O1点,所以感应电荷 q1在空腔表面分布不均匀,与q1相距较近的区域电荷面密度较大,对q1的吸力较大,在空腔表面感应电荷的静电力作用下,q1最后到达空腔 1 表面,与感应电荷 q1中和同理,空腔 2 中q2也将在空腔表面感应电荷 q2的静电力作用下到达空腔 2 的表面与感应电荷 q
12、2中和达到平衡后,腔1、2 表面上无电荷分布,腔3 表面和导体球外表面的电荷分布没有变化O3的电势仍由球外的电荷 Q 和导体球外表面的电量q1 q2 q3及空腔 3 内壁的电荷 q3共同产生,故 O3处的电势 U 与 q3的电势能 W 仍如(3)式与(4)式所示三、答案如图所示- 5 - / 19(3)(4)最新资料推荐TT1附dp0S Fp0ST0计算b2tan2=2p0S F2Cp0S 2CF 2Rp0S FR过程:电阻通电后对气体缓1T0atan11CCFT0p0SQQ CT T0Q1此过程将持续到气体对活塞的作用力等于外界大气对活塞的作用力和器壁对活塞的最大静摩擦之和若用 T1表示此过
13、程达到末态的温度,p 表示末态的压强,Q1表示此过程中气体从电阻丝吸收的热量,由等容过程方程有pT1(2)p0T0由力的平衡可知pS p0S F由(2) 、 (3)两式可得(3)T1p0S FT0p0S(4)代入(1)式得Q1CFT0p0S(5)由以上讨论可知,当Q Q1时,T 与 Q 的关系为- 6 - / 19最新资料推荐T QT0C(6)在T Q图中为一直线如图中ab所示,其斜率Kab1C(7)直线在 T 轴上的截距等于 T0,直线 ab 的终点 b 的坐标为(T1,Q1) 当电阻丝继续加热,活塞开始向外运动以后,因为过程是缓慢的,外界大气压及摩擦力皆不变,所以气体的压强不变,仍是p,气
14、体经历的过程为等压过程在气体的体积从初始体积 V0增大到 V,温度由 T1升高到 T 的过程中,设气体从电阻丝吸收的热量为Q,活塞运动过程中与器壁摩擦生热的一半热量为q,由热力学第一定律可知Q q CT T1 pV V0q 可由摩擦力做功求得,即(8)q 1V V0F2S(9)代入(8)式得QFV V0CT T1 pV V02S(10)由状态方程式可知pV V0 RT T1将(11)式和(4)式代入(10)式,得(11)FRQ C R T T12 p S F0即- 7 - / 19最新资料推荐T 2p0S FQ T12Cp0S 2CF 2Rp0S FR(12)从开始对气体加热到气体温度升高到T
15、( T1)的过程中,气体从电阻丝吸收的总热量Q Q1 Q(13)把(13)式代入到(12)式,并注意到(4)式和(5) ,得T 2p0S FCFT0Q 2Cp0S 2CF 2Rp0S FRp0Sp0S FT0p0SCFT0Q Q 1p0S(14)由此可知,当Q Q1CFT0时,T 与 Q 的关系仍为一直线 ,此直线起点的坐标为p0SQ Q1CFT0,T T1;斜率为p0S2p0S F2Cp0S 2CF 2Rp0S FR(15)在T Q图中,就是直线 bd,当热量 Q 从零开始逐渐增大, 气体温度 T 将从起始温度 T0沿着斜率为 Kab的直线ab上升到温度为 T1的 b 点, 然后沿着斜率为
16、Kbd的直线bd上升, 如图所示四、1相对于车厢参考系,地面连同挡板以速度 v 趋向光源S 运动由S 发出的光经小孔射出后成锥形光束,随离开光源距离的增大, 其横截面积逐渐扩大 若距 S 的距离为 L 处光束的横截面正好是半径为 R 的圆面,如图所示,则有rSlLRrRlL可得L Rlr(1)设想车厢足够长,并设想在车厢前端距S 为 L 处放置一个半径为R 的环,相对车厢静止,则光束恰好从环内射出当挡板运动到与此环相遇时,挡板就会将光束完全遮住此时,在车厢参考系中挡板离光源S 的距离就是 L在车厢参考系中,初始时,根据相对论,挡板离光- 8 - / 19最新资料推荐源的距离为2xA1v c(2
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- 22 全国中学生 物理 竞赛 复赛 解答
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