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- 2021-05-27 发布
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图 1
b
θ
E R
答图 2
×
R
R
高中物理奥赛模拟试题解析
1. (10 分)1961 年有人从高度 H=22. 5m的大楼上向地面发射频率为 υ 0 的光子,并在地面上测
量接收到的频率为 υ,测得 υ与 υ 0 不同,与理论预计一致,试从理论上求出
0
0 的值。
解:光子的重力势能转化为光子的能量而使其频率变大,有
mgH=h( υ-υ 0)
而根据爱因斯坦的光子说和质能方程,对光子有
h υ0 =mc2
解以上两式得: 15
282
0
0 105.2
)103(
5.2210
c
gH
2. (15 分 ) 底边为 a,高度为 b 的匀质长方体物块置于斜面上,斜面和物块之间的静摩擦因数
为μ,斜面的倾角为 θ,当 θ 较小时,物块静止于斜面上 ( 图 1) ,如果逐渐增大 θ,当 θ达到
某个临界值 θ 0 时,物块将开始滑动或翻倒。试分别求出发生滑动和翻倒时的 θ,并说明在什
么条件下出现的是滑动情况,在什么条件下出现的是翻倒情况。
解:刚开始发生滑动时,
mgsinθ 0=μmgcosθ 0
tan θ 0=μ,即 θ 0=arctan μ
刚开始发生翻倒时,如答图 1 所示,有 θ1=φ,
tan φ=
b
a ,φ=arctan
b
a
即θ 1≥arctan
b
a 时,发生翻倒。
综上所述,可知:
当 μ>
b
a 时, θ增大至 arctan
b
a 开始翻倒;
当 μ<
b
a 时, θ增大至 arctan μ 开始滑动。
3. (15 分 ) 一个灯泡的电阻 R0=2Ω,正常工作电压 U0=4.5V ,由电动势 U=6V、内阻可忽略的电
池供电。利用一滑线变阻器将灯泡与电池相连,使系统的效率不低于 η=0.6 。试计算滑线变
阻器的阻值及它应承受的最大电流。求出效率最大的条件并计算最大效率。
解:如答图 2 所示,流过灯泡的电流为 I 0=U0/ R 0=2.25A,其功率为 P0= U0I 0=U0
2/ R 0=10.125W。
用 R 1 和 R2 表示变阻器两个部分的电阻值。系统的总电 流为 I 1,消耗的
总功率为 P1= U I 1,
效率为
10
2
0
1
0
IUR
U
P
P
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯①
因 U0、 U 和 R 0 的数值已给定,所以不难看出,效率与 电流 I 1 成反比。
答图 1
θ
b a
φ
图 2
O
v
·m
rω
ω
答图 3
r
R T
ω
v
若效率为 0.6 ,则有 A
UR
UI 81.2
0
2
0
1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯②
变阻器的上面部分应承受这一电流。利用欧姆定律,有
53.0
1
0
2 I
UUR ⋯⋯⋯⋯⋯⋯③
变阻器下面部分的阻值为 8
01
0
1 II
UR ⋯⋯⋯⋯⋯⋯④
变阻器的总电阻为 8.53 Ω。
式①表明,本题中效率仅决定于电流 I 1。当 I 1 最小,即 I 1=0 时效率最大,此时 R1=∞( 变
阻 器 下 面 部 分 与 电 路 断 开 连 接 ) , 在 此 情 形 下 , 我 们 得 到 串 联 电 阻 为
67.0
0
0
2 I
UUR ,
效率为 75.00
0
2
0
00
2
0
U
U
UU
U
IUR
U
4. (20 分) 如图 2,用手握着一绳端在水平桌面上做半径为 r 的匀速圆周运动,圆心为 O,角
速度为 ω。绳长为 l ,方向与圆相切,质量可以忽略。绳的另一端系着一个质量为 m的小球,
恰好也沿着一个以 O点为圆心的大圆在桌面上运动,小球和桌面之间有摩擦,试求:
⑴ 手对细绳做功的功率 P;
⑵ 小球与桌面之间的动摩擦因数 μ。
解:⑴ 设大圆为 R。由答图 3 分析可知 R= 22 lr
设绳中张力为 T,则
Tcosφ=m Rω
2
,cos φ=
R
l
故 T=
l
Rm 22
,
P=T·V=
l
lrrmr
l
Rm )( 22322
⑵ f =μ mg=Tsinφ
T=
l
lrm
l
Rm )( 22222
sin φ=
22 lr
r
R
r
图 3
C
h·
所以, μ =
gl
lrr 222
5. (20 分 ) 如图 3 所示,长为 L 的光滑平台固定在地面上,平台中间放有小物体 A和 B,两者
彼此接触。 A的上表面是半径为 R的半圆形轨道,轨道顶端距台面的高度为 h 处,有一个小物
体 C,A、B、C 的质量均为 m。在系统静止时释放 C,已知 在运动过程中, A、C始
终接触,试求:
⑴ 物体 A 和 B 刚分离时, B 的速度;
⑵ 物体 A 和 B 分离后, C所能达到的距台面的最大高度;
⑶ 试判断 A 从平台的哪边落地,并估算 A 从与 B分离到落地所经历的时间。
解:⑴ 当 C运动到半圆形轨道的最低点时, A、B 将开始分开。在此以前的过程中,由 A、B、
C三个物体组成的系统水平方向的动量守恒和机械能守恒,可得:
mVA+mVB +mVC=0
mgR=
2
1 mVA
2
+
2
1 mVB
2
+
2
1 mVC
2
而 VA=VB
可解得: VB= gR3
3
1
⑵ A 、B 分开后, A、C 两物体水平方向的动量和机械能都守恒。 C 到最高点时, A、C 速
度都是 V, C能到达的距台面的最大高度为 l ,则
mVB=2mV
mg ( l +R-h) +
2
1 (2 m)V 2=
2
1 mVA
2
+
2
1 mVC
2
可解得: l =h-
4
R
⑶ 很明显, A、C从平台左边落地。
因为 L>>R,所以可将 A、C看成一个质点, 速度为
2
1 VB,落下平台的时间 L
gR
t BV
L 3
2
2
6. (20 分) 如图 4 所示, PR是一块长 L 的绝缘平板,整个空间有一平行于 PR的匀强电场 E,
在板的右半部分有一个垂直于纸面向外的匀强磁场 B。一个质量为 m、带电量为 q 的物体,从
板的 P 端由静止开始在电场力和摩擦力的作用下向右做匀加速运动,进入磁场后恰能做匀速
运动。当物体碰到板 R 端挡板后被弹回,若在碰撞瞬间撤去电场,物体返回时在磁场中仍做
匀速运动, 离开磁场后做匀减速运动停在 C点, PC=
4
L ,物体与平板间的动摩擦因数为 μ。求:
⑴ 物体与挡板碰撞前后的速度 V1 和 V2;
⑵ 磁感强度 B 的大小;
E
B
R
图 4
C P
⑶ 电场强度 E 的大小和方向。
解:物体碰挡板后在磁场中做匀速运动,可判断物体带的是正电荷,电场方
向向右。
⑴ 物体进入磁场前,在水平方向上受到电场力和摩擦力的作用,由静止匀加速至 V1。
2
12
1
2
)( mVLmgqE ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯①
物体进入磁场后,做匀速直线运动,电场力与摩擦力相等
qEBqVmg )( 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯②
在碰撞的瞬间,电场撤去,此后物体仍做匀速直线运动,速度为 V2,不再受摩擦力,在
竖直方向上磁场力与重力平衡。
mgBqV2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯③
离开磁场后,物体在摩擦力的作用下做匀减速直线运动
2
22
10
4
1 mVLmg ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯④
由④式可得:
2
2
2
gLV
代入③式可得:
Lg
mqB
/2
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⑤
解以上各方程可得: gLV 21
⑵ 由③式得:
Lq
gLm
qV
mgB 2
2
⑶ 由②式可得:
q
mg
Lq
gLmgL
q
mgBV
q
mgE 3221
7. (20 分) 一只蚂蚁从蚂蚁洞沿直线爬出,已知爬出速度 v 的大小与距蚂蚁洞中心的距离 L 成
反比,当蚂蚁到达距蚂蚁洞中心的距离 L1=1m的 A 点时,速度大小为 v1=20cm/s,问当蚂蚁到
达距蚂蚁洞中心的距离 L2=2m的 B 点时,其速度大小为 v2=? 蚂蚁从 A 点到达 B 点所用的时间
t=?
解:由已知可得: 蚂蚁在距离洞中心上处的速度 v 为 v=k
L
1 ,代入已知得: k=vL=0.2 ×1m2/s=0.2
m2/s ,所以当 L2=2m时,其速度 v2=0.1m/s
由速度的定义得:蚂蚁从 L 到 L+Δ L 所需时间 Δt 为
LL
kv
Lt 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯①
30°
30° d
c
a
b
B v
图 5
类比初速度为零的匀加速直线运动的两个基本公式 atv
tvs
在 t 到 t+ Δt 时刻所经位移 Δs 为 ttas ⋯⋯⋯⋯⋯⋯②
比较①、②两式可以看出两式的表述形式相同。
据此可得蚂蚁问题中的参量 t 和 L 分别类比为初速度为零的匀加速直线运动中的 s 和 t ,
而
k
1 相当于加速度 a。
于是,类比 s=
2
1 a t 2
可得:在此蚂蚁问题中 21
2
1 L
k
t
令 t 1 对应 L1,t 2 对应 L2,则所求时间为
2
22
2
11
2
1
2
1
L
k
t
L
k
t
代入已知可得从 A 到 B 所用时间为:
Δt =t 2-t 1= sLL
k
)12(
2.02
1)(
2
1 222
1
2
2 =7.5s
8. (20 分) 在倾角为 30°的斜面上,固定两条足够长的光滑平行导轨,一个匀强磁场垂直于
斜面向上,磁感强度 B=0.4T,导轨间距 L=0.5m,两根金属棒 ab、cd 水平地放在导轨上,金
属棒质量 mab=0.1kg ,mcd=0.2kg ,两根金属棒总电阻 r=0.2 Ω,导轨电阻不计 ( 如图 5) 。现使金
属棒 ab 以 v=2.5m/s 的速度沿斜面向上匀速运动。求:
⑴ 金属棒 cd 的最大速度;
⑵ 在 cd 有最大速度时,作用在 ab 上的外力做功的功率。
解:开始时, cd 棒速度为零, ab 棒有感应电动势, 此时可计算出回路中
的电流,进而求出 cd 棒所受到的安培力 F( 可判断出安培力方向沿斜面向上 ) 。
如果 F>mcd gsin30 °, cd 将加速上升,产生一个跟电流方向相反的电动势,回路中的电
流将减小, cd 棒所受到的安培力 F 随之减小,直到 F=mcdgsin30 °。
如果 F<mcd gsin30 °, cd 将加速下滑,产生一个跟电流方向相同的电动势,回路中的电
流将增大, cd 棒所受到的安培力 F 随之增大,直到 F=mcdgsin30 °。
⑴ 开始时, cd 棒速度为零,回路中的电流
AA
r
BlvI 5.2
2.0
5.25.04.0
这时 cd 棒受到平行斜面向上的安培力
F=I lB =2.5 ×0.5 ×0.4N=0.5N
而 mcd gsin30 °=0.2 ×10×0.5N=1N
故 cd 将加速下滑。当 cd 的下滑速度增大到 vm时,需要有安培力 F=mcdgsin30 °
此时回路中的电流
r
vvBl
r
BlvBlvI mm
m
)(
cd 受到的安培力 F=I mlB =mcdgsin30 °
所以 smsmv
lB
rgmv cd
m /5.2/)5.2
5.04.0
2.01(30sin
2222
即金属棒 cd 的最大速度为 2.5m/s 。
⑵ 当 cd 棒速度达到最大值 vm时。回路中的电流
AA
r
vvBlI m
m 5
2.0
)5.25.2(5.04.0)(
作用在 ab 棒上的外力
F=I mlB +mabgsin30 °=(5 ×0.5 ×0.4 +0.1 ×10×0.5)N=1.5N
外力做功的功率 PF=Fv=1.5 ×2.5W=3.75W