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- 2021-06-02 发布
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- 1 -
高中物理竞赛模拟试题四
一. 如图 11-16 所示, 两个木块 A 和 B,质量的的别为 mA和 mB,紧挨着并排放在水平桌面
上, A,B 间的接触面垂直于图面而且与水平成 θ角。 A,B 间的接触面是光滑的,但它们与水
平桌面间有摩擦,静摩擦系数和滑动摩擦系数均为 μ。开始时 A,B 都静止,现施一水平推力
F 于 A,要使 A,B 向右加速运动,且 A,B 间不发生相对滑动,则
1.μ 的数值应满足什么条件?
2.推力的最大值不能超过多少? (只考虑平动,
不考虑转动问题)
解:1)、令 N表示 A,B间的相互作用力,垂直
于接触面,如图 11-17 所示。若 A 相对于 B 发生滑动,则 A 在竖直方向必有
加速度。现要使 A 相对于 B 不滑动,则 A受的力 N在竖直方向的分力必须小
于或等于 A的重力。所以要使 B 向右加速运动而同时 A 相对于 B 不滑动,必须同时满足下列
二式:
,0)cos(sin amNgmN BA (1)
.cos gmN A (2)
由( 1),(2)二式可解得
.tan
BA
A
mm
m
( 3)
2)、当满足( 3)式时,又由于 A 的水平方向的加速度和 B相同,即
,cossinsincos
B
A
A
A
m
NgmN
m
NNgmF
(4)
由( 2),(4)二式可解得
).(tan)( gmm
m
mF BA
B
A
(5)
二.有两根长度均为 50cm的金属丝 A 和 B 牢固地焊在一起, 另两端
固定在牢固的支架上 (如图 21-3 )。其线胀系数分别为 α A=1.1 × 10-5/ ℃,
α B=1.9 ×10-5/ ℃,倔强系数分别为 KA=2× 106N/m,KB=1×106N/m;金属丝
A 受到 450N 的拉力时就会被拉断,金属丝 B 受到 520N 的拉力时才断,
假定支架的间距不随温度改变。问:温度由 +30°C 下降至 - 20°C 时,会出现什么情况?( A、
B 丝都不断呢, 还是 A 断或者 B 断呢, 还是两丝都断呢?) 不计金属丝的重量, 在温度为 30°C
时它们被拉直但张力为零。
解: 金属 A 和 B 从自由状态降温,当温度降低 t 时的总缩短为
A BF
图 11-16
A
B
F
图 11-17
N
N
A B
图 21-3
- 2 -
tllll BABA 0)( (1)
而在 - 20°C 时,若金属丝中的拉力为 F,则根据胡克定律, A、B 的伸长量分别为 F/K A和
F/K B,
所以
l
K
E
K
E
BA (2)
tl
KK
F BA
BA
0)(11
(3)
所以
N
KK
tlF
BA
BA 50011
)( 0
因为 NF 450 ,所以温度下降到 - 20°C 前 A丝即被拉断。 A 丝断后。 F=0,即使温度再
下降很多, B 丝也不会断。
三 . 如图 31-8 所示, MN为一竖直墙,一平面镜 OB绕过 O点的垂直于图画
的水平轴转动, 转动角速度为 ω ,在墙上的 A 点有一水平光轴投射到平面镜上被
反射后又射到墙上形成一光点 D,试求此时反射点在墙上移动的速度。 已知 AO=d,
此刻平面镜与墙面间的夹角为 θ。
分析一: 作出墙面在镜中的像 MO 如图 31-9 所示, 其中 A 点为 A点的像,
由于物像对称,故图中应有 2,, AAOMOACdAOOA ,且
CDA 三点共线。在 MN看来, D点的光线如同是由 A 点沿直线 CDA 射来的一
样,墙面 MO的像 OM 相对于 MN以速度 2 转动。由于这一转动,一方面
使得 A 点以 OAV 20 沿 AD 方向运动, 显然这一运动并不会使光点
在墙上发生移动;另一方面,则有“光线” CDA 也随 OM 一道相对于墙
面 A 点以角速度 2 转动,由此显然会造成光点 D在墙上的移动,综合以
上两项可知,此时研究光点在墙面上的移动,只要考虑“光线” CDA 转
动造成的效果就可以了。
解一: 在图 31-9 中,设经历一段很短的时间 t ,则 CDA 绕 A 点转
运的角度为 t2 ,墙上的光点刚由 D点移至 F 点, 设此时光点移动
的速度大小为 (由于 t 很小, 则 DF也很短, 可以近似地把光点在这段距离上的运动看成是
匀速运动) ,则
D M
A
OC
B
d
图 31-8
图 31-9
O
N
M
F
D
AC
A
M E
B
2
- 3 -
tDF
另一方面,由于 t 很小,则 也很小,在 FA 上取 DAEA ,则有
2
EDADEA
2
2
DAAFDA
2cos2
2
sin
DEDEDF
而在 DEA 中又近似有
tOADADE 22tan
td 2tan2
以 DE之表达式代入前式中,便得
tdDF
2cos
2tan2
故有:
2cos
2tan2d
t
DF
分析二: 如图 31-10 所示,设 MO在镜中的像为 OM ,显然,反射光线
CD的像 DC 与入射光线 AC共线,当平面镜 OB转动时, D点在墙 MN上移动,
其对应的像点 D 则在像 MO 上移动。 D 点沿 MO 移动的速度大小与 D点
沿 MN移动的速度大小是相等的,故由此求出 D 沿 MO 移动的速度大小便
求出了 D点沿 MN移动的速度大小。
D 点是射线 AC与 OM 的交点。在题述情况下,射线 AC不动, MO则绕
O点以角速度 2 转动, 由于这一转动导致 D 点移动。 此时 D 点的运动可以
看成是由两个分运动合成的合运动, 这两个分运动是: 由于 MO 以速度 2 转动而导致 D 点
随 OM 一道转动和 D 相对于 OM 在 OM 上向远离 O点的方向运动。这两个分运动合成的
合运动是 D 点沿射线 AC远离 A点的运动。 上述两分运动对应的分速度分别如图 31-10 中的 V
和 //V (其中 V 的分方向与 OM 垂直,大小为 2DOV ,合速度即为 DV 。
解二: 如图 31-10 ,在 DOA 中,有
2cos
dDO
M
D
A
O
DM
2
//V
V
DV 2
图 31-10
- 4 -
在速度合成的平行四边形中
2cos
2tan22tan22tan//
dDOVV
即时此光点 D沿墙面移动的速度大小为 2cos
2tan2 d
。
四.如图 31—35 所示,海岛城市 A 离 C海岸 120km,海滨城市 B 离 C 点 160km,已知陆
地上汽车速度是海上轮船速度的 2 倍,要使 A、 B两城市之间运输时间最少,转运码头 D建在
何处最佳?
解法一 :应用数学知识求解:
设∠ ADC= ,则 AD= sin
120
sin
AC
BD=CB-CD=160- sin
cos120160
tan
120
vvv
t
80
sin
cos60120
2
sin
cos120160
sin
120
对于 cos60,sin 可看作椭圆方程
1
60
2
2 yx
上的点。
令 sin
cos60120m
,m值为点( 0,120)与 cos60,sin 的斜率,从而不难求出
m的最小值, 2
3sin
3tan ,从而可得: CD=
km340
tan
120
kmDB 340160
即码头应建在距 B 城 km340160 处。
上面这种方法,通过构想一个椭圆,把代数运算转化为几何运算,体现了数形结构的思
想。
解法二 :费马原理
费马指出:光在指定的两点间传播,实际的光程总是一个极值。也就是说,光沿光程值
为最小、最大或恒定的路程传播。这是几何学中的一个最普遍的基本原理,称为费马原理。
在一般情况下,实际光程大多是取最小值。费马本人最初提出的也是最短光程。光在均
B
A
C D
3531图
- 5 -
匀介质中的传播,在平面分界面上的反射和折射,都是最短光程的例子。
把 CB设想为空气和水的分界面,光在水中的速度为 v,在空气中的速度为 2v,则当 A发
出的光以临界角
30
2
arcsin
v
v
入射到界面上时,根据费马原理可知: BDA 为
光线由 A 传到 B的最小的路径,所以要使 A、B 两城市之间运输时间最少,转运码头 D与海岛
城市 A的连线与海岸的夹角 60
kmkmACCD 340
3
120
60tan
kmBD 340160
即码头应建在距 B 城 km340160 处。
比较上述两种解法可看出:把船在水中的运动设想为光在水中的传播,灵活应用费马原
理(光程最短) ,把复杂的数学求极值转化为物理中的全反射现象,化繁为简,使解题步骤大
大简化,提高了解题的效率。
五.绝缘光滑水平面上固定一个正点电荷 +Q,另一个质量为 m、带电量为 -q 的质点在水
平面上绕 +Q做椭圆运动,运动过程中 -q 在水平方向上只受 +Q的库仑引力作用。已知在 -q 的
运动中距 +Q的最近距离为 a,最远距离为最近距离的 n 倍。问: -q 到达离 +Q最近距离处速率
ν 1 多大?到达离 +Q最远距离处速率 ν 2 多大?当 -q 到达离 +Q最远处时,欲要 -q 变为绕 +Q做
匀速圆周运动,需要向 -q 提供多少能量?
解: q 在运动中只有库仑力做功,动能与电势能总和保持不变,运用开普勒行星运动第
二定律有:
na
kQqmv
a
kQqmv 2
2
2
1 2
1
2
1
, 21 nvv ,
联拉方程可解出 1v 和 2v :
ma
kQq
n
nv 2
11
, ma
kQq
nn
nv 2
)1(2
,
q 在最远点从椭圆运动变为匀速圆周运动后,其速率要由 2v 变为 2v ,而 2v 由牛顿第二
定律求出:
na
vm
na
Qqk
2
2
2)( ,
则
- 6 -
na
kQq
n
nmvvmE
21
1
2
1
2
1 2
2
2
2
。
六. 铀 U238
92 的半衰期 τ=45 亿年,最后衰变成稳定的铅 .206
82 Pb ,假设从有地球开始铀
就连续衰变,现在测出矿石中所含铀和铅的质量之比为 .6.3:4 试确定地球的年龄。
解:设放射性元素 U238
92 衰变前的原子核数为 N ,衰变后剩余原子核数为 ,N 由半衰期
概念可知
t
NN )
2
1(0
根据题意可得
6.3
4
)12(206
238
t
Pb
U N
M
M
由此可得 04.22
t
两边取对数后有
04.2121
45
ggt
解得 46t 亿年
所以,地球的年龄约为 46 亿年。
七. 45027. 边长为 a 的正方形导线框置于按空间均匀分布的磁场区域
内,磁感应强度 B 的方向与线框平面垂直, B 随时间按正弦规律变化, 如图
45-26(a) 所示。若线框中产生的最大感应电流为 I m,导线的电阻率为 ρ,
求导线的横截面积。
分析: 已知电阻率 ρ和线框的长度 a,要求导线的横截面积 S,则必须
求得线框的电阻 R。而已知 mI 求 R,则必须求感应电动势的最大值 m 。感应电动势是因为 B
的变化引起穿过线框的磁通量变化而产生的, 但是我们无法
用初等数学知识求出磁量的变化率,也无法求出感应电动
势。我们用等效法来解开这个难题。
现在将图 45-26(a) 的情况等效为图 45-26(b) 的情况。
这两种情况之所以等效,是因为:图 45-26(a) 中 B 按正弦
规律变化,线框面积
2a 不变,从而使穿过线框的磁通量按
正弦规律变化;图 45-26(b) 中 B 不变, B 穿过线框的有效面积按正弦规律变化,从而使穿过
a
B
图 45-26(a)
B
mB
mB
O
T t
图 45-26(b)
- 7 -
律变化。 如果令转速 T
2
( T线框的磁通量按正弦规
为图 45-26(a) 中 B 按正 弦规律变化的周期) ,初始位置时
B 与线框平面平行,图 45-26(b) 中的 B为图 45-26(a) 中
的 mB ,那么两图中的线 框的磁通量变化情况就完全相同
了 , 即 等 效 了 。 图 45-26(b) 中感应电流的最大值即
为图 45-26(a) 中感应电 流的最大值。
解: 线框中感应电 动势的最大值为
T
aB
T
aBaB m
mmm
2
22 22
,
线框中感应电流的最大值为
RT
aB
R
I mm
m
22
。
根据电阻定律,线框的电阻
S
a
S
LR 4
,
代入上式解得,导线的横截面积为:
aB
TIS m2
。
O
mB
图 45-26(C)
O