当前位置:首页 >> 学科竞赛 >>

第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)


第十六届全国中学生物理竞赛复赛试题
全卷共六题,总分为 140 分。

(1999 年)

6,如图复 16-5-1 所示。现有五个完全相同的这样的电阻环,分别称为 D1 、 D2 、┅ D5 。 现将 D2 的 1、3、5 三点分别与 D1 的 2、4、6 三点用导线连接,如图复 16-5-2 所示。然后将 D3 的 1、3、5

三点分别与 D2 的 2、4、6 三点用导线连接,┅ 依此类推。最后将 D5 的 1、3、5 三点 分别连接到 D4 的 2、4、6 三点上。 1.证明全部接好后,在 D1 上的 1、3 两点间的等效电阻为 2.求全部接好后,在 D5 上的 1、3 两点间的等效电阻。

一、 (20 分)一汽缸的初始体积为 V0 ,其中盛有 2 mol 的空气和少量的水(水的体积可以忽略) 。 平衡时气体的总压强是 3.0 atm ,经做等温膨胀后使其体积加倍,在膨胀结束时,其中的水刚好全 部消失,此时的总压强为 2.0 atm 。若让其继续作等温膨胀,使体积再次加倍。试计算此时: 1.汽缸中气体的温度; 2.汽缸中水蒸气的摩尔数; 3.汽缸中气体的总压强。 假定空气和水蒸气均可以当作理想气体处理。

724 R。 627

二、 (25 分)两个焦距分别是 f1 和 f 2 的薄透镜 L1 和 L2 ,相距为 d ,被共轴地安置在光具座上。 1. 若要求入射光线和与之对应的出射光线相互平行,问该入射光线应满足什么条件? 所得结果,分别画出各种可能条件下的光路示意图。 2. 根据

三、 (25 分)用直径为 1 mm 的超导材料制成的导线做成一个半径为 5 cm 的圆环。圆环处于超导状 态,环内电流为 100 A 。经过一年,经检测发现,圆环内电流的变化量小于 10-6 A 。试估算该超 导材料电阻率数量级的上限。 提示:半径为 r 的圆环中通以电流 I 后,圆环中心的磁感应强度为 B ? 量均用国际单位, ?0 ? 4? ?10-7 N ? A-2 。 六、 (25 分)如图复 16-6 所示, z 轴竖直向上, xy 平面是 一绝缘的、固定的、刚性平面。在 A( x0 ,0,0) 处放一带电量为

?0 I
2r

,式中 B 、 I 、 r 各

四、 (20 分)经过用天文望远镜长期观测,人们在宇宙中已经发现了许多双星系统,通过对它们的 研究,使我们对宇宙中物质的存在形势和分布情况有了较深刻的认识。双星系统由两个星体构成, 其中每个星体的线度都远小于两星体之间的距离。一般双星系统距离其他星体很远,可以当作孤立 系统处理。 现根据对某一双星系统的光度学测量确定,该双星系统中每个星体的质量都是 M ,两者相距 L 。他们正绕两者连线的中点作圆周运动。 1. 试计算该双星系统的运动周期 T计算 。 2. 若实验上观测到的运动周期为 T观测 , T观测 :T 计算 ?1 N ( N 1 且 : )? 。 为了解释 T观测 与 T计算 的不同,目前有一种流行的理论认为,在宇宙中可能存在一种望远镜观测不到的暗物质。作为一种 简化模型,我们假定在这两个星体连线为直径的球体内均匀分布着这种暗物质,而不考虑其它暗物 质的影响。试根据这一模型和上述观测结果确定该星系间这种暗物质的密度。

?q (q ? 0) 的小物块,该物块与一细线相连,细线的另一端 B 穿过位于坐标原点 O 的光滑小孔,可通过它牵引小物块。现 对该系统加一匀强电场,场强方向垂直与 x 轴,与 z 轴夹角为 ? (如图复 16-6 所示) 。设小物块和绝缘平面间的摩擦系数 为 ? ? tan ? ,且静摩擦系数和滑动摩擦系数相同。 不计重力作 用。现通过细线来牵引小物块,使之移动。在牵引过程中, 我们约定:细线的 B 端只准沿 z 轴向下缓慢移动,不得沿 z 轴 向上移动;小物块的移动非常缓慢,在任何时刻,都可近似 认为小物块处在力平衡状态。若已知小物块的移动轨迹是一 条二次曲线,试求出此轨迹方程。

五、 (25 分)六个相同的电阻(阻值均为 R )连成一个电阻环,六个接点依次为 1、2、3、4、5 和

第十六届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答
一、参考解答 1 只要有液态水存在,平衡时汽缸中气体的总压强就等于空气压强与饱和水蒸气压强之和:

由题意知, V2 ? 4V0 , V1 ? 2V0 ,再将(2)式代入,得

p总2 ? 1.0 atm

(12)

p总0 ? p空0 ? p饱 ? 3.0 atm
第一次膨胀后

(1)

二、参考解答 l.在所示的光路图(图复解16-2-1)中,人射光 AB 经透镜 L1 折射后沿 BC 射向 L2 ,经 L2 折

V1 ? 2V0

p总1 ? p空1 ? p饱 ? 2.0 atm
由于第一次膨胀是等温过程,所以

(2)

射后沿 CD 出射. AB 、 BC 、 CD 与透镜主轴的交点分别为 P 、 P ? 和 P ?? ,如果 P 为物点,因由 P 沿主轴射向 O1 的光线方向不变,由透镜性质可知, P ? 为 P 经过 L1 所成的像, P ?? 为 P ? 经 L2 所成的

p空0V0 ? p空1V1 ? 2 p空1V0
解(1)、(2)、(3)三式,得

(3)

像,因而图中所示的 u1 、 v1 、 u2 、 v 2 之间有下列关系:

p饱 ? 1.0 atm p空0 ? 2.0 atm p空1 ? 1.0 atm
由于 p饱 ? 1.0 atm ,可知汽缸中气体的温度

(4) (5) (6)

T0 ? 373 K
根据题意,经两次膨胀,气体温度未改变。

(7)

2 设水蒸气为 ? 水 mol .经第一次膨胀,水全部变成水蒸气,水蒸气的压强仍为 p饱 ,这时对 于水蒸气和空气分别有

p饱V1 ? ? 水 RT0 p空1V1 ? ? 空RT0 ? 2RT0
由此二式及(5)(6)式可得 、

1 1 1 ? ? u1 v1 f1
(8) (9)

(1)

1 1 1 ? ? u2 v2 f 2

(2)

? 水 ? 2 mol
3. 在第二次膨胀过程中,混合气体可按理想气体处理,有

d ? u2 ? v1
(10)

(3)

当入射光线 PB 与出射光线平行时,图中的 ? ? ? ? ,利用相似三角形关系可求得

p总2V2 ? p总1V1

(11)

h ? v2 ? , h u1

h? u2 ? h v1

从而求得

v2 u2 ? u1 v1

(4)

三、参考解答 根据题中所给的条件,当圆环内通过电流 I 时,圆环中心的磁感应强度

联立方程(1)、(2)、(3)、(4),消去 v1 、 u2 和 v 2 ,可得

B?
(5)

?0 1
2 r

u1 ?

f1d d ? ( f1 ? f 2 )

穿过圆环的磁通量可近似为

? ? BS ?

?0
2

? Ir

(1)

由于 d 、 f1 、 f 2 均已给定,所以 u1 为一确定值,这表明:如果入射光线与出射光线平行,则

根据法拉第电磁感应定律,电流变化产生的感生电动势的大小

E?
f1d 此入射光线必须通过主轴上一确定的点,它在 L1 的左方与 L1 相距 u1 ? 处,又由于 u1 与 d ? ( f1 ? f 2 )
圆环的电阻

?? ?0 ?I ? ?r ?t 2 ?t E ? ? r ?I R? ? 0 I 2I ?t

(2) (3)

? 无关,凡是通过该点射向 L1 的入射光线都和对应的出射光线相互平行.
2. 由所得结果 (5) 式可以看出, d ? f1 ? f 2 时, 1 ? 0 , 当 此情况下的光路图就是图复解16-2-1. u 当 d ? f1 ? f 2 时, u1 ? ? , ? ? 0 ,此时入射光线和出射光线均平行于主轴,光路如图复解 16-2-2.

根据题设条件

r ? 0.05 m , ?0 ? 4? ?10-7 N ? A-2 , I ? 100 A ,

?I ? 10-6 A/s ? 3 ?10-14 A/s ,代入(3)式得 ?t
R ? 3 ?10-23 ?
由电阻与电阻率 ? 、导线截面积 S 、长度 L 的关系 (4)

L S 及已知导线的直径 d ? 1 mm ,环半径 r ? 5 cm ,得电阻率 R??

??R

S d2 ?R ? 7.5 ? 10-29 ? ? m L 8r

(5)

四、参考解答 1.双星均绕它们的连线的中点做圆周运动,设运动速率为 v ,向心加速度满足下面的方程:

M

v2 GM 2 ? 2 L/2 L

(1)

当 d ? f1 ? f 2 时, u1 ? 0 ,这表明 P 点在 L1 的右方,对 L1 来说,它是虚物.由(1)式可知,

v?
周期

GM 2L

(2)

f u v 此时 v1 ? 0 ,由 u2 ? 2 v1 可知, u2 ? 0 ,又由 2 ? 1 ? 0 可知, v2 ? 0 ,所以此时的光路图如图复 f1 v2 u2
解16-2-3.

T计算=

2? ( L / 2) 2L ?? L v GM

(3)

2.根据观测结果,星体的运动周期

1 T ?T (4) N 计算 计算 这说明双星系统中受到的向心力大于本身的引力,故它一定还受到其他指向中心的作用力,按题意 这一作用来源于均匀分布的暗物质, 均匀分布在球体内的暗物质对双星系统的作用与一质量等于球 内暗物质的总质量 M ? 位于中点处的质量点相同.考虑暗物质作用后双星的速度即为观察到的速度 T观察=

1—5-2与图预解16-5-3所示.整个连好的线路相当于把 Dn 的三个顶点分别接到 Dn?1 的三个中点 上,图预解16-5-1变为图预解16-5-4.这样第1问归结为求图预解16-5-4中最外层三角环任意两顶 点间的等效电阻。

v观 ,则有
2 v观

M

L/2

?

GM 2 MM ? ?G 2 L ( L / 2)2

(5)

v观=

G ( M ? 4M ?) 2L

(6)

因为在轨道一定时,周期和速度成反比,由(4)式得

1 1 1 = v观 N v
把(2)、(6)式代入(7)式得

(7)

N ?1 M? ? M 4 设所求暗物质的密度为 ? ,则有
4 ? L? N ?1 ?? ? ?? M 3 ?2? 4

3

(8)

(2)递推公式. 为使图形简化,讨论如何将接好的两个电阻环化简成为一个单环。由六个阻值为 r 的电阻构成 一个三角环,将其顶点接在另一由六个阻值为 R 的电阻构成的三角环的中点上(如图预解16-5-5 所示)。 图预解16-5-6是由六个阻值为 R ? 的电阻构成的三角环。若图预解16-5-5顶点1、3间的电阻与 图预解16-5-6顶点l、3间的电阻阻值相等,我们称图预解16-5-6中的 R ? 为等效单环电阻.

??

3( N ? 1)M 2? L3

(9)

五、参考解答 解法一: 1.(1)电阻图变形. 此题连好的线路的平面图如图预解 16-5-1所示. 现将电阻 画成三角形, 5三点为顶点, 6三点为三边 点,如图预解

环改 1、 3、 2、 4、 中 用符号“//”表示电阻的并联,如

RA // RB ?

1 (1/ RA ) ? (1/ RB )

R (3) ?

3 1 3 1 ? 7 ? 13 R ? R // R (2) ? R ? R // ? R ? ? R 4 4 4 4 ? 8 ? 15
( s ?1)

由图预解16-5-5中的对称性可知l、3两顶点间的电阻 R 1, 3 等于图 预解16-5-7中1、0间的电阻 R1, 0 的2倍,即

由此可得一般公式, ( s ? 1) 环的等效单环电阻 R

可由 R (s ) 求出 (4)

3 1 R (s?1) ? R ? R // R (s) 4 4
于是

R 1, = 2 R 1, 0 3 ? 2{[ R // r //(2r )] ? R}// R 1 ? ? ? R? ? 2? 1 1 1 // R ? ? ? ? ? R r 2r ? 2 4rR ? 3R ?2 // R 2r ? 3R 1 4r ? 3R ? R 3 r?R

R ( 4) ?

3 1 3 1 13 97 R ? R // R (3) ? R+ R // ? R ? ? R ? ? 4 4 4 4 ? 15 ? 112 3 1 3 1 97 ? 181 R ? R // R ( 4) ? R+ R // ? R? ? R ? 4 4 4 4 ? 112 ? 209

R (5) ?
由 (2) R,1 ? 4 式 3 ( 3 ) /

( 、 ( 直至五个环 D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ) ( R? 得出由一个环 D5 ) 两个环 D5 ? D4 )

构成的线路1、3点间的电阻为

1 ? R ? r // R 3
同理,图预解16-5-6中1、3两顶点间的电阻 R 1, 3 为

(1)

4 4 (1) R 1, 3 ? R ' ? R 3 3
4?7? 7 (2) R 1, 3 ? ? ? R ? R 3?8? 6

4 R1, 3 ? 2[(2R?) // R?] ? R? 3
由(1)、(2)式得等效单环电阻 R ? 为

(2)

4 ? 13 ? 52 (3) R 1, 3 ? ? ? R ? R 3 ? 15 ? 45 4 ? 97 ? 97 (4) R 1, 3 ? ? R ?R ? 3 ? 112 ? 84
4 ? 181 ? 724 (5) R 1, 3 ? ? R ?R ? 3 ? 209 ? 627
答:所求的五个环的1与3间的等效电阻确为

3 1 R? ? R ? r // R 4 4
2. 第一问

(3)

现在考虑把 D1 、 D2 、 D3 、 D4 、 D5 按相反的次序,由内向外依次连接的情况.首先将 D4 接 在 D5 外面,求双环 D4 ? D5 的等效单环电阻 R (2) 〔即(3)式中的 R ? 〕.这时 r ? R .由(3)式得 到 R (2) 为

724 R .证毕。 627

3 1 7 R (2) ? R ? R // R ? R 4 4 8
其次,在双环 D4 ? D5 外面接上 D3 ,这时 r ? R (2) .三环 D3 ? D4 ? D5 的等效单环电阻 R (3) 为

图复解 16-5-8

图复解 16-5-9

3. 第二问 根据五个 D 组成的圆柱形网络的对称性, D5 的l、3两点等价于 D1 的2、4两点.等价线路如图 预解16-5-8与图预解16-5-9所示.设二图等价,求图预解16-5-9中的 R ?? 即可.

(1) 点间的阻值用 R1, 0 表示.有

?? ? 2 ? 7 (2) (1) R 1, 0 ? [( R // R 1, 0 ) ? R]// R ? ?? R // R ? ? R ? // R ? R 3 ? 12 ?? ?
再将双环 D5 ? D4 接入 D3 ,其一半如图预解16-5-13所示, 个带阴影的电阻与短路线围成的三角形中含有六个电阻,其2与
(2) 间的阻值就对应为 R1, 0 ,参看图预解16-5-12的等效电路,得
(3) (2) R 1, 0 ? [( R // R 1, 0 ? R)]// R



R?? ? (2 R) //(2 R
所以

(4)

194 )? ? R 1 56 209 ? 2 R 97 R

1

0'

2 388 (5) R 2, 4 ? R?? // 2R?? ? R?? ? R 3 627 388 答:所求值为 R。 627
解法二: 第一问 图预解16-5-3可看做 D5 的接线图,其一半如图预解16-5-10所示,竖直粗线为一短路线.一个
(1) 环( D5 )构成线路的1与0点间的阻值用 R1, 0
(1) 表示,根据对称性, R 1, 0

?? ? 7 ? ? ?? R // R ? ? R ? // R 12 ? ?? ? 26 ? R 45
同理,得

1 (1) 2 ? R 1, 3 ? R 。 2 3

?? ? 26 ? 97 (4) (3) R 1, 0 ? [( R // R 1, 0 ? R)]// R ? ?? R // R ? ? R ? // R ? R 45 ? 168 ?? ?

?? ? 97 ? 362 (5) (4) R 1, 0 ? [( R // R 1, 0 ? R)]// R ? ?? R // R ? ? R ? // R ? R 168 ? 627 ?? ?
由此得
(5) (5) R1, 3 ? 2R1, 0 ?

724 R 627

第二问 五个电阻环构成线路后, 最外层环 D1 )上2点与4点间的等效电阻可借用图预解16-5-12求得, (
(1) (4) 将图中 R 2, 0' 换成 R 2, 0' ,五个环构成的线路中2与4间阻值可如下求得:

因 当 D5 接入 D4 后, 由两个环 (类似图预解16-5-5) 构成线路图的一半如图预解16-5-11所示. 三 个带阴影的电阻与短路线围成的三角形( 2 ? 0 '? 0 )中的2与 0 ' 间的阻值就是图预解16-5-10中1与0
(1) 间的阻值 R1, 0 。其等效电路如图预解16-5-12所示.图预解16-5-11(或图预解16-5-12)中的l与0
(5) (4) R 2, 0' ? 2R // R1, 0 // R ? 2R //

97 194 R // R ? R 168 627


(5) (5) R 2, 4 ? 2R 2, 0' ?

388 R 627

得 六、参考解答 设所加匀强电场的场强为 E , 它在 y 方向和 z 方向的分量分别为 E y ? ? E sin? , Ez ? E cos? 。 由于物块带负电,电场作用于物块的电力的两个分量分别为

T ? 0 或 T ? 2Fy sin ?

(6)

因要小物块缓慢移动,需要细线牵引, T ? 0 不符合题意,应舍去.因 0 ?? ?? ,

T ? 2Fy sin ? ? 0 ,将 T 代入(4)、(5)式,


Fy ? ?qEy ? qE sin?
Fz ? ?qEz ? ?qE cos?

(1) (2)

f y ? T sin ? ? Fy ? ?Fy cos2 ?
f x ? T cos? ? Fy sin 2?
摩擦力方向的斜率

Fy 在 xy 平面内,方向沿 y 轴正方向. Fz 垂直于 xy 平面,被绝缘平面的支持力所平衡,故物
块对绝缘平面的正压力的大小 N 和 Fz 的大小相等,即

k?

fy fx

? ? cot ?

(7)

N ? qE cos?
绝缘平面作用于物块的摩擦力

f ? ? N ? qE tan? cos? ? qE sin? ? Fy

(3)

k 是摩擦力方向与 x 轴夹角的正切,即摩擦力方向的斜率,因摩擦力始终沿轨道的切线方向, 故 k 也就是轨道切线的斜率.下面,通过对(7)式的分析来寻找轨道方程. 当中一0,k-co即在起点A时,轨道的切线与x轴垂直 当 ? ? 0 , k ? ? ,即在起点 A 时,轨道的切线与 x 轴垂直。

f 的方向决定于物块移动的方向. 根据题意,物块在 xy 平面内的运动可看做是一种在力平衡下的缓慢移动.作用于物块的三个
力 Fy 、f 和线的拉力 T 都在 xy 平面内. 物块在任一位置达到平衡时的受力情况如图预解16-6所示。

当? ?

?
2

, k ? ? ,一种情况是小物块运动到 y 轴上后,沿 y 轴做直线运动到 O 点,但这与题

? 为细线与 x 轴的夹角。把 T 沿 x 和 y 方向分解得
Tx ? ?T cos? , Ty ? ?T sin ?
用 f x 和 f y 表示 f 的两个分量,物块平衡时, 有

设轨迹移动是一条二次曲线不符,因而它一定表示轨道在 O 点的切线与 x 轴垂直. 在二次曲线中,曲线上两点切线相互平行的只有椭圆或圆.又因为 A 、O 两点的切线与它们的 连线相垂直,这连线应为曲线的轴线,且在 Ox 轴上,另一轴在它的垂直平分线上且与 y 轴平行。 曲线与此轴线的交点的切线的斜率为0.代入(7)式得 ? ?

?
4

,故该曲线为圆,其方程为

x ? x2 ? x ? 0 ? ? y2 ? 0 ? 2? 4 ?

2

(8)

Fy ? T sin ? ? f y ? 0
?T cos ? ? f x ? 0
由(4)(5)式得 、

(4) (5)

(Fy ? T sin ? )2 ? T 2 cos2 ? ? f 2
注意到(3)式,得

T (T ? 2Fy sin ? ) ? 0


相关文章:
16届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案
16届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案_学科竞赛_高中教育_教育专区。第十六届全国中学生物理竞赛复赛试题全卷共六题,总分为 140 分。一、(20 分)一汽缸的初始体积...
第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)含答案
第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)含答案_初二数学_数学_初中教育_教育专区。全国中学生物理竞赛复赛试题含答案 金中物理在线 第十六届全国中学生物理竞赛复赛...
1999年第16届物理竞赛复赛+答案
1999年第16届物理竞赛复赛+答案 隐藏>> 第十六届全国中学生物理竞赛复赛试题全卷共六题,总分为 140 分。一、 20 分) ( 一汽缸的初始体积为 V0 , 其中盛有...
1999年第16届物理竞赛复赛试题
1999年第16届物理竞赛复赛试题_学科竞赛_高中教育_教育专区。1999 年第 16 届全国中学生物理竞赛复赛 第 16 届全国中学生物理竞赛复赛试卷全卷共六题,总分为 140...
第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)
第十六届全国中学生物理竞赛复赛试题全卷共六题,总分为 140 分。 (1999 年) 6,如图复 16-5-1 所示。现有五个完全相同的这样的电阻环,分别称为 D1 、 D2...
第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)
第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)第16届全国中学生物理竞赛复赛试题(1999年)隐藏>> 金中物理在线 第十六届全国中学生物理竞赛复赛试题全卷共六题,总分为 ...
1999南京第16届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案
1999南京第16届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案_学科竞赛_小学教育_教育专区。高中物理竞赛真题整理版,含答案详解。16 届复赛试题及答案 第十六届全国中学生物理竞赛...
1999南京第16届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案
1999南京第16届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案_学科竞赛_小学教育_教育专区。高中物理竞赛真题整理版,含答案详解。16 届决赛试题及答案 第十六届全国中学生物理竞赛...
1999年第16届全国中学生物理竞赛预赛试卷(含答案)
1999年第16届全国中学生物理竞赛预赛试卷(含答案)_学科竞赛_高中教育_教育专区。第十六届全国中学生物理竞赛预赛试卷 1999 年 全卷共九题,总分为 140 分。一、 ...
更多相关标签:
中学生物理竞赛复赛 | 31届物理竞赛复赛试题 | 33届物理竞赛复赛试题 | 2016物理竞赛复赛试题 | 32届物理竞赛复赛试题 | 高中物理竞赛复赛试题 | 物理竞赛复赛试题 | 30届物理竞赛复赛试题 |