- 655.53 KB
- 2021-05-24 发布
- 1、本文档由用户上传,淘文库整理发布,可阅读全部内容。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,请立即联系网站客服。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细阅读内容确认后进行付费下载。
- 网站客服QQ:403074932
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
1 / 13
浙江重点名校高中物理竞赛模拟试题(九)
一、(20 分)一汽缸的初始体积为 0V ,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。
二、(25 分)两个焦距分别是 1f 和 2f 的薄透镜 1L 和 2L ,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? 2. 根据所得结果,分别画出各种可能条件下的
光路示意图。
三、 (25 分)用直径为 1mm 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 610 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 0
2
IB
r
,
式中 B 、 I 、 r 各量均用国际单位, 7 2
0 4 10 N A- - 。
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 ,且 : 1: ( 1)T T N N观测 计算 。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。
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 6,如图复 16-5-1 所示。现有五个完全相同的这样的电阻环,
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
2 / 13
分别称为 1D 、 2D 、┅ 5D 。
现将 2D 的 1、3、5 三点分别与 1D 的 2、4、6 三点用导线连接, 如图复 16-5-2
所示。然后将 3D 的 1、3、5 三点分别与 2D 的 2、4、6 三点用导线连接,┅ 依
此类推。最后将 5D 的 1、3、5 三点分别连接到 4D 的 2、4、6 三点上。
1.证明全部接好后,在 1D 上的 1、3 两点间的等效电阻为 724
627
R 。
2.求全部接好后,在 5D 上的 1、3 两点间的等效电阻。
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 0( ,0,0)A x 处放一带电量为 ( 0)q q
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。
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
3 / 13
物理竞赛模拟(九)答案
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:
3.0 atmp p p总 空 饱0 0 (1)
第一次膨胀后 1 02V V
2.0 atmp p p总 空 饱1 1 (2)
由于第一次膨胀是等温过程,所以
0 1 02p V p V p V空 空 空0 1 1 (3)
解( 1)、( 2)、( 3)三式,得
1.0 atmp饱 (4)
2.0 atmp空 0 (5)
1.0 atmp空 1 (6)
由于 1.0 atmp饱 ,可知汽缸中气体的温度
0 373KT (7)
根据题意,经两次膨胀,气体温度未改变。
2 设水蒸气为 mol水 .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
1 0p V RT饱 水 ( 8)
1 0 02p V RT RT空1 空 ( 9)
由此二式及( 5)、(6)式可得
2 mol水 ( 10)
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
4 / 13
3. 在第二次膨胀过程中,混合气体可按理想气体处理,有
2 1p V p V总2 总1 (11)
由题意知, 2 04V V , 1 02V V ,再将( 2)式代入,得
1.0 atmp总2 (12)
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 1L 折射后沿 BC 射向 2L ,
经 2L 折射后沿 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 1O 的光线方向不变,由透镜性质可知, P 为 P 经过 1L 所成的像,
P 为 P 经 2L 所成的像,因而图中所示的 1u 、 1v 、 2u 、 2v 之间有下列关系:
1 1 1
1 1 1
u v f ( 1)
2 2 2
1 1 1
u v f ( 2)
2 1d u v (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
2
1
vh
h u
, 2
1
uh
h v
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
5 / 13
从而求得 2 2
1 1
v u
u v
(4)
联立方程( 1)、( 2)、( 3)、( 4),消去 1v 、 2u 和 2v ,可得
1
1
1 2( )
f du
d f f
(5)
由于 d 、 1f 、 2f 均已给定,所以 1u 为一确定值,这表明:如果入射光线与出射光线平
行,则此入射光线必须通过主轴上一确定的点, 它在 1L 的左方与 1L 相距 1
1
1 2( )
f du
d f f
处,
又由于 1u 与 无关,凡是通过该点射向 1L 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,当 1 2d f f 时, 1 0u ,此情况下的光路图就是图
复解 16-2-1 .
当 1 2d f f 时, 1u , 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 .
当 1 2d f f 时, 1 0u ,这表明 P 点在 1L 的右方,对 1L 来说,它是虚物.由( 1)式
可知,此时 1 0v ,由 2
2 1
1
fu v
f
可知, 2 0u ,又由 2 1
2 2
0u v
v u
可知, 2 0v ,所以此时的
光路图如图复解 16-2-3 .
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
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
6 / 13
0 1
2
B
r
穿过圆环的磁通量可近似为
0
2
BS Ir ( 1)
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
0
2
Ir
t t
E (2)
圆环的电阻 0
2
r IR
I I t
E (3)
根 据 题 设 条 件 0.05 mr , 7 2
0 4 10 N A- - , 100 AI ,
6 1410 A/s 3 10 A/sI
t
- - , 代入( 3)式得
233 10R - (4)
由电阻与电阻率 、导线截面积 S、长度 L 的关系
LR
S
及已知导线的直径 1mmd ,环半径 5 cmr ,得电阻率
2
297.5 10 m
8
S dR R
L r
- (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:
2 2
2/ 2
v GMM
L L
(1)
2
GMv
L (2)
周期
2 ( / 2) 2L LT L
v GM计算 = (3)
2.根据观测结果,星体的运动周期
1T T T
N观察 计算 计算= (4)
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 v观 ,则有
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
7 / 13
2 2
2 2( / 2)
v GM MMM G
L L L
观
/2
( 5)
( 4 )
2
G M Mv
L观= (6)
因为在轨道一定时,周期和速度成反比,由( 4)式得
1 1
v vN观
1= (7)
把( 2)、( 6)式代入( 7)式得
1
4
NM M (8)
设所求暗物质的密度为 ,则有
3
4 1
3 2 4
L N M
故
3
3( 1)
2
N M
L
(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.
现将电阻环改画成三角形, 1、3、5三点为顶点, 2、4、6
三点为三边中点,如图预解 1—5-2 与图预解 16-5-3 所示.整个
连好的线路相当于把 nD 的三个顶点分别接到 1nD 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。
(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
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
8 / 13
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.
用符号“ // ”表示电阻的并联,如
1//
(1/ ) (1/ )BA
BA
R R
R R
由图预解 16-5-5 中的对称性可知 l 、3两顶点间的电阻 1, 3R 等于图预解 16-5-7 中 1、0
间的电阻 1, 0R 的2倍,即
1 3 1,0
2
2
2{[ // //(2 )] }//
1
2 //1 1 1
2
4 32 //
2 3
1 4 3
3
R R
R r r R R
R R
R r r
rR R R
r R
r R R
r R
,=
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
9 / 13
1 //
3
R r R (1)
同理,图预解 16-5-6 中 1、 3两顶点间的电阻 1, 3R 为
1, 3
42[(2 )// ]
3
R R R R (2)
由( 1)、( 2)式得等效单环电阻 R 为
3 1 //
4 4
R R r R (3)
2. 第一问
现在考虑把 1D 、 2D 、 3D 、 4D 、 5D 按相反的次序,由内向外依次连接的情况.首先
将 4D 接在 5D 外面,求双环 54D D 的等效单环电阻 (2)R 〔即(3)式中的 R 〕.这时 r R .由
(3)式得到 (2)R 为
(2) 3 1 7//
4 4 8
R R R R R
其次,在双环 54D D 外面接上 3D ,这时 (2)r R .三环 53 4D D D 的等效单环电阻
(3)R 为
(3) (2)3 1 3 1 7 13// //
4 4 4 4 8 15
R R R R R R R R
由此可得一般公式, ( 1)s 环的等效单环电阻 1( )sR 可由 sR( ) 求出
1( ) 3 1 //
4 4
s sR R R R( ) (4)
于是
13
15
4 33 1 3 1 97// //
4 4 4 4 112
R R R R R R R R( ) ( ) +
97
112
5 43 1 3 1 181// //
4 4 4 4 209
R R R R R R R R( ) ( ) +
由 ( 2 ) 式 1,3 (4 / 3)R R 得 出 由 一 个 环 ( 5D ) 、 两 个 环 ( ) 直 至 五 个 环
( 5 4 3 2 1D D D D D )构成的线路 1、 3点间的电阻为
(1)
1,3
4 4'
3 3
R R R
(2)
1,3
4 7 7
3 8 6
R R R
5 4D D
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
10 / 13
(3)
1,3
4 13 52
3 15 45
R R R
(4)
1,3
4 97 97
3 112 84
R R R
(5)
1,3
4 181 724
3 209 627
R R R
答:所求的五个环的 1与 3间的等效电阻确为 724
627
R .证毕。
3. 第二问
根据五个 D 组成的圆柱形网络的对称性, 5D 的l 、3两点等价于 1D 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.
(4) 1 194(2 ) //(2 ) 1 56 209
2 97
R R R R
R R
所以
(5)
2, 4
2 388// 2
3 627
R R R R R
答:所求值为 388
627
R 。
解法二:
第一问
图预解 16-5-3 可看做 5D 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.一个环( 5D )构成线路的 1与 0点间的阻值用 (1)
1, 0R 表示, 根据对称性, (1) (1)
1, 0 1,3
1 2
2 3
R R R 。
图复解 16-5-8 图复解 16-5-9
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
11 / 13
当 5D 接入 4D 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间的阻值 (1)
1,0R 。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点间的阻值用 (1)
1, 0R 表示.有
(2) (1)
1, 0 1, 0
2 7[( // ) ]// // //
3 12
R R R R R R R R R R
再将双环 5 4D D 接入 3D ,其一半如图预解 16-5-13 所示,三个带阴影
的电阻与短路线围成的三角形中含有六个电阻, 其2与 0' 间的阻值就对应为
(2)
1, 0R ,参看图预解 16-5-12 的等效电路,得
(3) (2)
1, 0 1, 0[( // )]//
7// //
12
26
45
R R R R R
R R R R
R
同理,得
(4) (3)
1, 0 1, 0
26 97[( // )]// // //
45 168
R R R R R R R R R R
(5) (4)
1, 0 1, 0
97 362[( // )]// // //
168 627
R R R R R R R R R R
由此得 (5) (5)
1,3 1, 0
7242
627
R R R
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
12 / 13
第二问
五个电阻环构成线路后, 最外层环 ( 1D )上 2点与 4点间的等效电阻可借用图预解 16-5-12
求得,将图中 (1)
2, 0'R 换成 (4)
2, 0'R ,五个环构成的线路中 2与 4间阻值可如下求得:
因
(5) (4)
2, 0' 1, 0
97 1942 // // 2 // //
168 627
R R R R R R R R
故
(5) (5)
2, 4 2, 0'
3882
627
R R R
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 sinyE E ,
coszE E 。
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
siny yF qE qE ( 1)
cosz zF qE qE (2)
yF 在 xy平面内, 方向沿 y 轴正方向. zF 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 zF 的大小相等,即
cosN qE
绝缘平面作用于物块的摩擦力
tan cos sin yf N qE qE F ( 3)
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 yF 、 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。 为细线与 x 轴的夹角。 把 T 沿 x 和 y 方向分解
得
cos , sinx yT T T T
用 xf 和 yf 表示 f 的两个分量,物块平衡时,有
sin 0y yF T f (4)
浙江名校高中物理竞赛模拟试题(九) (Word 版包含答案)
13 / 13
cos 0xT f (5)
由( 4)、(5)式得
2 2 2 2( sin ) cosyF T T f
注意到( 3)式,得
( 2 sin ) 0yT T F
得 0T 或 2 sinyT F (6)
因要小物块缓慢移动,需要细线牵引, 0T 不符合题意,应舍去.因 0 ,
2 sin 0yT F ,将 T 代入( 4)、( 5)式,
有
2sin cosy y yf T F F
cos sin 2x yf T F
摩擦力方向的斜率
coty
x
f
k f (7)
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。
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
2 2
20 0
2 4
x xx y (8)