2022年高一物理竞赛培训3.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 竞赛培训第十九届全国中同学物理竞赛预赛一、(15 分)今年 3 月我国北方地区遭受了近 10 年来最严峻的沙尘暴天气现把沙尘上扬后的情形简化为如下情形:v 为竖直向上的风速,沙尘颗粒被扬起后悬浮在空中(不动)这时风对沙尘的作用力相当于空气不动而沙尘以速度 v 竖直向下运动时所受的阻力此阻力可用下式表达f Av 2其中 为一系数,A为沙尘颗粒的截面积,为空气密度(1)如沙粒的密度 S 2.8 10 kg m 3 ,沙尘颗粒为球形,半径 r 2.5 104m,地球表面处空气密度 0 1.25 kg m ,0.45 ,试估算在地面邻近,上述 v 的最
2、小值 1v (2)假定空气密度 随高度 h 的变化关系为 01 Ch ,其中 0为 h 0 处的空气密度,C 为一常量,C 1.18 10 4m ,试估算当 v 9.0 m s 时扬沙的最大高度 (不考虑重力加速度随高度的变化)一、参考解答(1)在地面邻近,沙尘扬起要能悬浮在空中,就空气阻力至少应与重力平稳,即02 Av 1mg式中 m 为沙尘颗粒的质量,而得A4r2r3sm3v 14s gr30代入数据得(2)用v 114.0 m sh、 h 分别表示v9.0 m s 时扬沙到达的最高处的空气密度和高度,就有h01Ch此时式应为hAv2mg由、可解得名师归纳总结 - - - - - - -第
3、 1 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - h1 1 C4rvs 2g30代入数据得评分标准:此题h3 6.8 10 m15 分;1. 第一小题 8 分;其中式3 分,式 1 分,式 1 分,式 2 分,式 1 分;第十八届全国中同学物理竞赛预赛试题 一、( 15 分)如图预 18l 所示,杆 OA 长为 R ,可绕过O 点的水平轴在竖直平面内转动,滑轮 B 、C 的不行伸长的轻绳,其端点 A 系着一跨过定 绳的另一端系一物块 M,滑轮的半径可忽视,B 在O的正上方,OB之间的距离为H ;某一时刻,当绳的 BA 段与 OB 之间的夹角为 时,杆的角速度为,求此时物块
4、 M 的速率 v M;一、参考解答杆的端点 A点绕 O 点作圆周运动,其速度v 的方向与杆OA 垂直,在所考察时其大小为v A R(1)对速度 v 作如图预解 18-1 所示的正交分解,沿绳 BA 的重量就是物块 M 是速率v M,就v M v A cos(2)由正弦定理知名师归纳总结 sinOABsin(3)第 2 页,共 19 页HR- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 由图看出OAB2(4)由以上各式得v MHsin( 5)评分标准:此题15 分其中( 1)式 3 分;(2)式 5 分;( 5)式 7 分;二、(15 分)一半径为R1.00 m的水平
5、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邻近,立柱与桌面的交线是一条凸的平滑的封闭曲线 根不行伸长的松软的细轻绳,一端固定在封闭曲线上的某一点,另一端系一质量为m27.5 10kg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v 04.0 m/s的初速度;物块在桌面上运动时,C ,如图预 17-2 所示;一绳将缠绕在立柱上;已知当绳的张力为T 02.0 N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如绳刚要断开时,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
6、地点到桌面圆心 O 的水平距离为多少?已知桌面高度 H 0.80 m物块在桌面上运动时未与立柱相碰取重力加速度大小为 10 m/s 2二、参考解答 1因桌面是光滑的,轻绳是不行伸长的和松软的,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,如此时物块速度的大小为 v ,就有v x v 0(1)绳对物块的拉力仅转变物块速度的方向,是作用于物块的向心力,故有T 02 mv xmv 0 2(2)xx由此得名师归纳总结 代入数据得x2 mv 0(3)第 3 页,共 19
7、页T 0x0.60 m(4)- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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 v 的方向 如 图 预 解 17-2 所 示 由 题 意 可 知 ,OB BP 因物块离开桌面时的速度仍为 v ,物块离开桌面后便做初速度为 v 的平抛运动,设平抛运动经受的时间为 t ,就有H 1 gt 2(5)2 物块做平抛运动的水平射程为s 1v t(6)s 为(7)O 的水平距离由几何关系,物块落地地点与桌面圆心ss 1R2x22x2解( 5)、( 6)、( 7)式,得代人数据得sv 02HR2x22x
8、2 8 gs2.5 m16(12 分)假定月球绕地球作圆周运动,地球绕太阳也作圆周运动,且轨道都在同一平面内;已知地球表面处的重力加速度Rmg.9 80 m/2 s,地球半径Re.6 376 10m,月球质量mm.7 31022kg,月球半径2 mkg2,.17106m,引力恒量G6 . 671011N月心地心间的距离约为rem.3848 10m;(i)月球的球心绕地球的球心运动一周需多少天?(ii )地球上的观看者相继两次看到满月需多少天?(iii )如忽视月球绕地球的运动,设想从地球表面发射一枚火箭直接射向月球,试估算火箭到达月球表面时的速度至少为多少(结果要求两位数字)?16参考解答:名
9、师归纳总结 (i)月球在地球引力作用下绕地心作圆周运动,设地球的质量为(1)me,月球绕地心作圆第 4 页,共 19 页周运动的角速度为m,由万有引力定律和牛顿定律有Gm em mmmrem2 mr2em- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 另有Gm eg(2)2 R e月球绕地球一周的时间T m2(3)m解( 1)、(2)、(3)三式得TmT m2r3em27 4.天( 4)gR2 e代入有关数据得2 . 3710 6 s(5)(ii )满月是当月球、地球、和太阳成始终线时才有的,此时地球在月球和太阳之间,即图中A 的位置;当其次个满(7)(8)月时,由
10、于地球绕太阳的运动,地球的位置已运动到A ;如以T 表示相继两次满月经受的时间,e表示地球绕太阳运动的角速度,由于e和m的方向相同,故有m T m2e T m(6)而m2mT2eTe式中 T e为地球绕太阳运动的周期,T mem(9)留意以( 5)式,得T m29 . 6天(10)(iii )从地面射向月球的火箭一方面受到地球的引力作用,另一方面也受到月球引力的作用; 当火箭离地球较近时,地球的引力大于月球的引力;当离月球较近时,月球的引力大于地球的引力;作地心和月心的连线,设在地月间某一点O 处,地球作用于火箭的引力的名师归纳总结 大小正好等于月球作用于火箭的引力的大小;以r 表示 O 点到
11、月球中心的距离,就有第 5 页,共 19 页Gm em2Gm mm(11)r emrr2式中 m 是火箭的质量;由(11)式得m e1r22r emrr2em0(12)m m解( 12)式,留意到(2)式,代入有关数据,得- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - r38.107m(13)从地球表面发射直接射向月球的火箭只要能到达O 点,就过O 点后,因月球引力大于它地球引力, 它便能在月球引力作用下到达月球,这样发射时火箭离开地面时的速度最小,到达月球时的速度也最小;设火箭刚到达月球时的最小速度为v,就由机械能守恒定律有Gm emGm mmGm emGm mm
12、1 mv 22(14)r emrrr emR mR m解得v2Gmerem1R mrem1r2Gmm11(15)R mr留意到( 2)式,代入有关数据得v2 .3103ms1(16)评分标准:此题 12 分;第( i)小问 3 分;求得( 4)式得 2 分,求得( 5)式得 1 分;第( ii)小问 3 分;求得( 9)式得 2 分,求得( 10)式得 1 分;第( iii )小问 6 分;(11)式 2 分,(14)式得 2 分,(16)式 2 分;15(12 分)为训练宇航员能在失重状态下工作和生活,需要制造一种失重的环境,在地球表面邻近, 当飞机模拟某些在重力作用下的运动时,就可以在飞机
13、座舱内实现短时间的完全失重状态;现要求一架飞机在速率为 v 1 500 m / s 时进入失重状态试验,在速率为2v 2 1000 m / s 时退出失重状态试验;重力加速度 g 10 m / s;试问:(i)在上述给定的速度要求下,该飞机需要模拟何种运动,方可在肯定范畴内任意选择失重时间的长短?试定量争论影响失重时间长短的因素;(ii )飞机模拟这种运动时,可挑选的失重状态的时间范畴是多少?15参考解答:(i)当飞机作加速度的大小为重力加速度 g,加速度的方向竖直向下的运动时,座舱内的试验者便处于完全失重状态;这种运动可以是飞机模拟无阻力下的自由落体运动或竖直上抛运动, 也可以是斜抛运动;当
14、进入试验的速率和退出试验的速率确定后,飞机模拟前两种运动时, 失重时间的长短都是肯定的、不行挑选的; 当飞机模拟无阻力作用下的斜抛运动时,失重时间的长短与抛射角有关,可在肯定范畴内进行挑选;名师归纳总结 考察飞机模拟无阻力作用下的斜抛运动;设开头试验时飞机的第 6 页,共 19 页初速度的大小为v1,方向与水平方向成角,起始位置为A 点,经做抛物线运动在B 点退出试验, 如下列图; 以 t 表示试验经受的时间,在退出试验时的速率为v2,就有v xv 1cos(1)v yv 1singt(2)- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 而v22 v 2xv2y(
15、3)22由( 1)(2)(3)式得g2t22 v 1gtsin2 v 12 v 20(4)(5)v2 确定以后,失解( 4)式得tv 1sin2 v 1sin2v22 v 12g由( 5)式可知,当进入试验时飞机的速度v1 和退出试验时飞机的速度重时间的长短可通过角来调剂;(ii )当90 时失重时间最长,由(5)式可求得最长失重时间tmax150 s(6)当90 时,失重时间最短,由(5)式可求得最短失重时间tmin50s(7)失重时间的调剂范畴在150s 到 50s 之间;评分标准:此题 12 分;第( i)小问 8 分;指明斜抛运动得 来调剂得 6 分;2 分,求得( 5)式并指出失重时
16、间的长短可通过角第( ii )小问 4 分;求得( 6)式得 2 分,求得( 7)式得 2 分;二、(15 分)质量分别为 m1和 m2的两个小物块用轻绳连结,绳跨过位于倾角 30 的光滑斜面顶端的轻滑轮,滑轮与转轴之间的摩擦不计,斜面固定在水平m2m1桌面上,如下列图第一次,m1 悬空, m2 放在斜面上,用t 表示 m2 自斜面底端由静止开头运动至斜面顶端所需的时间其次次,将m1 和 m2 位置互换,使m2悬空, m1 放在斜面上,发觉m1 自斜面底端由静止开头运动至斜面顶端所需的时间为t3求 m1与 m2之比二、第一次,小物块受力情形如下列图,设T1为绳中张力, a1 为两物块加速度的大
17、小,l 为斜面长,就有1 N1 T1 T1 m 1gT 1m 1a 1m1gm2名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - T 1m2gsinm 2a12 l1a 1t23 a2,就有4 2其次次, m1 与 m2 交换位置设绳中张力为T2,两物块加速度的大小为m 2gT2m 2a2T 2m 1gsinm 1a25 l1at 2 326 2由 1、 2 式留意到 =30 得7 a12m 1m 2g2m 1m 2由 4、5 式留意到 =30 得8 a22m 2m 1g2m 1m 2由 3、6 式得a 1a29 9由 7、8 、
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