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              【2008第25屆】全國中學生物理競賽復賽試題及答案 Word版含答案  共用

              • 文件大小:570 KB
              • 資料類型:試題 資料編號:998876
              • 感謝網友:shuxuea上傳  審核人:競賽站長
              • 上傳時間:2014年09月10日 23時25分00秒
              • 更新時間:2014年09月10日 23時25分00秒
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              文件簡介::
              2008年第25屆全國中學生物理競賽復賽試卷
              本卷共八題,滿分160分
              一、(15分)
              1、(5分)蟹狀星云脈沖星的輻射脈沖周期是0.033s。假設它是由均勻分布的物質構成的球體,脈沖周期是它的旋轉周期,萬有引力是唯一能阻止它離心分解的力,已知萬有引力常量,由于脈沖星表面的物質未分離,故可估算出此脈沖星密度的下限是。
              2、(5分)在國際單位制中,庫侖定律寫成,式中靜電力常量,電荷量q1和q2的單位都是庫侖,距離r的單位是米,作用力F的單位是牛頓。若把庫侖定律寫成更簡潔的形式,式中距離r的單位是米,作用力F的單位是牛頓。若把庫侖定律寫成更簡潔的形式,式中距離r的單位是米,作用力F的單位是牛頓,由此式可這義一種電荷量q的新單位。當用米、千克、秒表示此新單位時,電荷新單位=;新單位與庫侖的關系為1新單位=C。
              3、(5分)電子感應加速器(betatron)的基本原理如下:一個圓環真空室處于分布在圓柱形體積內的磁場中,磁場方向沿圓柱的軸線,圓柱的軸線過圓環的圓心并與環面垂直。圓中兩個同心的實線圓代表圓環的邊界,與實線圓同心的虛線圓為電子在加速過程中運行的軌道。已知磁場的磁感應強度B隨時間t的變化規律為,其中T為磁場變化的周期。B0為大于0的常量。當B為正時,磁場的方向垂直于紙面指向紙外。若持續地將初速度為v0的電子沿虛線圓的切線方向注入到環內(如圖),則電子在該磁場變化的一個周期內可能被加速的時間是從t=到t=。






              二、(21分)嫦娥1號奔月衛星與長征3號火箭分離后,進入繞地運行的橢圓軌道,近地點離地面高,遠地點離地面高,周期約為16小時,稱為16小時軌道(如圖中曲線1所示)。隨后,為了使衛星離地越來越遠,星載發動機先在遠地點點火,使衛星進入新軌道(如圖中曲線2所示),以抬高近地點。后來又連續三次在抬高以后的近地點點火,使衛星加速和變軌,抬高遠地點,相繼進入24小時軌道、48小時軌道和地月轉移軌道(分別如圖中曲線3、4、5所示)。已知衛星質量,地球半徑,地面重力加速度,月球半徑。
              1、試計算16小時軌道的半長軸a和半短軸b的長度,以及橢圓偏心率e。
              2、在16小時軌道的遠地點點火時,假設衛星所受推力的方向與衛星速度方向相同,而且點火時間很短,可以認為橢圓軌道長軸方向不變。設推力大小F=490N,要把近地點抬高到600km,問點火時間應持續多長?
              3、試根據題給數據計算衛星在16小時軌道的實際運行周期。
              4、衛星最后進入繞月圓形軌道,距月面高度Hm約為200km,周期Tm=127分鐘,試據此估算月球質量與地球質量之比值。



              三、(22分)足球射到球門橫梁上時,因速度方向不同、射在橫梁上的位置有別,其落地點也是不同的。已知球門的橫梁為圓柱形,設足球以水平方向的速度沿垂直于橫梁的方向射到橫梁上,球與橫梁間的滑動摩擦系數,球與橫梁碰撞時的恢復系數e=0.70。試問足球應射在橫梁上什么位置才能使球心落在球門線內(含球門上)?足球射在橫梁上的位置用球與橫梁的撞擊點到橫梁軸線的垂線與水平方向(垂直于橫梁的軸線)的夾角(小于)來表示。不計空氣及重力的影響。
              四、(20分)圖示為低溫工程中常用的一種氣體、蒸氣壓聯合溫度計的原理示意圖,M為指針壓力表,以VM表示其中可以容納氣體的容積;B為測溫飽,處在待測溫度的環境中,以VB表示其體積;E為貯氣容器,以VE表示其體積;F為閥門。M、E、B由體積可忽略的毛細血管連接。在M、E、B均處在室溫T0=300K時充以壓強的氫氣。假設氫的飽和蒸氣仍遵從理想氣體狀態方程。現考察以下各問題:
              1、關閉閥門F,使E與溫度計的其他部分隔斷,于是M、B構成一簡易的氣體溫度計,用它可測量25K以上的溫度,這時B中的氫氣始終處在氣態,M處在室溫中。試導出B處的溫度T和壓力表顯示的壓強p的關系。除題中給出的室溫T0時B中氫氣的壓強P0外,理論上至少還需要測量幾個已知溫度下的壓強才能定量確定T與p之間的關系?
              2、開啟閥門F,使M、E、B連通,構成一用于測量20~25K溫度區間的低溫的蒸氣壓溫度計,此時壓力表M測出的是液態氫的飽和蒸氣壓。由于飽和蒸氣壓與溫度有靈敏的依賴關系,知道了氫的飽和蒸氣壓與溫度的關系,通過測量氫的飽和蒸氣壓,就可相當準確地確定這一溫區的溫度。在設計溫度計時,要保證當B處于溫度低于時,B中一定要有液態氫存在,而當溫度高于時,B中無液態氫。到達到這一目的,與VB間應滿足怎樣的關系?已知時,液態氫的飽和蒸氣壓。
              3、已知室溫下壓強的氫氣體積是同質量的液態氫體積的800倍,試論證蒸氣壓溫度計中的液態氣不會溢出測溫泡B。






              五、(20分)一很長、很細的圓柱形的電子束由速度為v的勻速運動的低速電子組成,電子在電子束中均勻分布,沿電子束軸線每單位長度包含n個電子,每個電子的電荷量為,質量為m。該電子束從遠處沿垂直于平行板電容器極板的方向射向電容器,其前端(即圖中的右端)于t=0時刻剛好到達電容器的左極板。電容器的兩個極板上各開一個小孔,使電子束可以不受阻礙地穿過電容器。兩極板A、B之間加上了如圖所示的周期性變化的電壓(,圖中只畫出了一個周期的圖線),電壓的最大值和最小值分別為V0和-V0,周期為T。若以表示每個周期中電壓處于最大值的時間間隔,則電壓處于最小值的時間間隔為T-。已知的值恰好使在VAB變化的第一個周期內通過電容器到達電容器右邊的所有的電子,能在某一時刻tb形成均勻分布的一段電子束。設電容器兩極板間的距離很小,電子穿過電容器所需要的時間可以忽略,且,不計電子之間的相互作用及重力作用。



              1、滿足題給條件的和tb的值分別為=T,tb=T。
              2、試在下圖中畫出t=2T那一時刻,在0-2T時間內通過電容器的電子在電容器右側空間形成的電流I,隨離開右極板距離x的變化圖線,并在圖上標出圖線特征點的縱、橫坐標(坐標的數字保留到小數點后第二位)。取x正向為電流正方向。圖中x=0處為電容器的右極板B的小孔所在的位置,橫坐標的單位。(本題按畫出的圖評分,不須給出計算過程)

              六、(22分)零電阻是超導體的一個基本特征,但在確認這一事實時受到實驗測量精確度的限制。為克服這一困難,最著名的實驗是長時間監測浸泡在液態氦(溫度T=4.2K)中處于超導態的用鉛絲做成的單匝線圈(超導轉換溫度TC=7.19K)中電流的變化。設鉛絲粗細均勻,初始時通有I=100A的電流,電流檢測儀器的精度為,在持續一年的時間內電流檢測儀器沒有測量到電流的變化。根據這個實驗,試估算對超導態鉛的電阻率為零的結論認定的上限為多大。設鉛中參與導電的電子數密度,已知電子質量,基本電荷。(采用的估算方法必須利用本題所給出的有關數據)
              七、(20分)在地面上方垂直于太陽光的入射方向,放置一半徑R=0.10m、焦距f=0.50m的薄凸透鏡,在薄透鏡下方的焦面上放置一黑色薄圓盤(圓盤中心與透鏡焦點重合),于是可以在黑色圓盤上形成太陽的像。已知黑色圓盤的半徑是太陽像的半徑的兩倍。圓盤的導熱性極好,圓盤與地面之間的距離較大。設太陽向外輻射的能量遵從斯特藩—玻爾茲曼定律:在單位時間內在其單位表面積上向外輻射的能量為,式中為斯特藩—玻爾茲曼常量,T為輻射體表面的的絕對溫度。對太而言,取其溫度。大氣對太陽能的吸收率為。又設黑色圓盤對射到其上的太陽能全部吸收,同時圓盤也按斯特藩—玻爾茲曼定律向外輻射能量。如果不考慮空氣的對流,也不考慮雜散光的影響,試問薄圓盤到達穩定狀態時可能達到的最高溫度為多少攝氏度?

              八、(20分)質子數與中子數互換的核互為鏡像核,例如是的鏡像核,同樣是的鏡像核。已知和原子的質量分別是和,中子和質子質量分別是和,,式中c為光速,靜電力常量,式中e為電子的電荷量。
              1、試計算和的結合能之差為多少MeV。
              2、已知核子間相互作用的“核力”與電荷幾乎沒有關系,又知質子和中子的半徑近似相等,試說明上面所求的結合能差主要是由什么原因造成的。并由此結合能之差來估計核子半徑rN。
              3、實驗表明,核子可以被近似地看成是半徑rN恒定的球體;核子數A較大的原子核可以近似地被看成是半徑為R的球體。根據這兩點,試用一個簡單模型找出R與A的關系式;利用本題第2問所求得的rN的估計值求出此關系式中的系數;用所求得的關系式計算核的半徑。
              第25屆全國中學生物理競賽復賽理論試題參考解答
              一、答案
              1.
              2.(答也給)
              3.T
              二、參考解答:
              1.橢圓半長軸a等于近地點和遠地點之間距離的一半,亦即近地點與遠地點矢徑長度(皆指衛星到地心的距離)與的算術平均值,即有
              (1)
              代入數據得
              km(2)
              橢圓半短軸b等于近地點與遠地點矢徑長度的幾何平均值,即有
              (3)
              代入數據得
              (4)
              橢圓的偏心率
              (5)
              代入數據即得
              (6)
              2.當衛星在16小時軌道上運行時,以和分別表示它在近地點和遠地點的速度,根據能量守恒,衛星在近地點和遠地點能量相等,有
              (7)
              式中是地球質量,是萬有引力常量.因衛星在近地點和遠地點的速度都與衛星到地心的連線垂直,根據角動量守恒,有
              (8)
              注意到
              (9)
              由(7)、(8)、(9)式可得
              (10)
              (11)
              當衛星沿16小時軌道運行時,根據題給的數據有

              由(11)式并代入有關數據得
              km/s(12)
              依題意,在遠地點星載發動機點火,對衛星作短時間加速,加速度的方向與衛星速度方向相同,加速后長軸方向沒有改變,故加速結束時,衛星的速度與新軌道的長軸垂直,衛星所在處將是新軌道的遠地點.所以新軌道遠地點高度km,但新軌道近地點高度km.由(11)式,可求得衛星在新軌道遠地點處的速度為
              km/s(13)
              衛星動量的增加量等于衛星所受推力F的沖量,設發動機點火時間為?t,有
              (14)
              由(12)、(13)、(14)式并代入有關數據得
              ?t=(約2.5分)(15)
              這比運行周期小得多.
              3.當衛星沿橢圓軌道運行時,以r表示它所在處矢徑的大小,v表示其速度的大小,表示矢徑與速度的夾角,則衛星的角動量的大小
              (16)
              其中
              (17)
              是衛星矢徑在單位時間內掃過的面積,即衛星的面積速度.由于角動量是守恒的,故是恒量.利用遠地點處的角動量,得
              (18)
              又因為衛星運行一周掃過的橢圓的面積為
              (19)
              所以衛星沿軌道運動的周期
              (20)
              由(18)、(19)、(20)式得
              (21)
              代入有關數據得
              s(約15小時46分)(22)
              注:本小題有多種解法.例如,由開普勒第三定律,繞地球運行的兩亇衛星的周期T與T0之比的平方等于它們的軌道半長軸a與a0之比的立方,即

              若是衛星繞地球沿圓軌道運動的軌道半徑,則有


              從而得

              代入有關數據便可求得(22)式.
              4.在繞月圓形軌道上,根據萬有引力定律和牛頓定律有
              (23)
              這里是衛星繞月軌道半徑,是月球質量.由(23)式和(9)式,可得
              (24)
              代入有關數據得
              (25)

              三、參考解答:
              足球射到球門橫梁上的情況如圖所示(圖所在的平面垂直于橫梁軸線).圖中B表示橫梁的橫截面,O1為橫梁的軸線;為過橫梁軸線并垂直于軸線的水平線;A表示足球,O2為其球心;O點為足球與橫梁的碰撞點,碰撞點O的位置由直線O1OO2與水平線的夾角??表示.設足球射到橫梁上時球心速度的大小為v0,方向垂直于橫梁沿水平方向,與橫梁碰撞后球心速度的大小為v,方向用它與水平方向的夾角?表示?如圖?.以碰撞點O為原點作直角坐標系Oxy,y軸與O2OO1重合.以??表示碰前速度的方向與y軸的夾角,以?表示碰后速度的方向與y軸(負方向)的夾角,足球被橫梁反彈后落在何處取決于反彈后的速度方向,即角?的大小.
              以Fx表示橫梁作用于足球的力在x方向的分量的大小,Fy表示橫梁作用于足球的力在y方向的分量的大小,?t表示橫梁與足球相互作用的時間,m表示足球的質量,有
              (1)
              (2)
              式中、、和分別是碰前和碰后球心速度在坐標系Oxy中的分量的大小.根據摩擦定律有
              (3)
              由(1)、(2)、(3)式得
              (4)
              根據恢復系數的定義有
              (5)

              (6)
              (7)
              由(4)、(5)、(6)、(7)各式得
              (8)
              由圖可知
              (9)
              若足球被球門橫梁反彈后落在球門線內,則應有
              (10)
              在臨界情況下,若足球被反彈后剛好落在球門線上,這時.由(9)式得
              (11)
              因足球是沿水平方向射到橫梁上的,故,有
              (12)
              這就是足球反彈后落在球門線上時入射點位置所滿足的方程.解(12)式得
              (13)
              代入有關數據得
              (14)

              (15)
              現要求球落在球門線內,故要求
              (16)
              四、參考解答:
              1.當閥門F關閉時,設封閉在M和B中的氫氣的摩爾數為n1,當B處的溫度為T時,壓力表顯示的壓強為p,由理想氣體狀態方程,可知B和M中氫氣的摩爾數分別為
              (1)
              (2)
              式中R為普適氣體恒量.因
              (3)
              解(1)、(2)、(3)式得
              (4)

              (5)
              (4)式表明,與成線性關系,式中的系數與儀器結構有關.在理論上至少要測得兩個已知溫度下的壓強,作對的圖線,就可求出系數.由于題中己給出室溫T0時的壓強p0,故至少還要測定另一己知溫度下的壓強,才能定量確定T與p之間的關系式.
              2.若蒸氣壓溫度計測量上限溫度時有氫氣液化,則當B處的溫度時,B、M和E中氣態氫的總摩爾數應小于充入氫氣的摩爾數.由理想氣體狀態方程可知充入氫氣的總摩爾數
              (6)
              假定液態氫上方的氣態氫仍可視為理想氣體,則B中氣態氫的摩爾數為
              (7)
              在(7)式中,已忽略了B中液態氫所占的微小體積.由于蒸氣壓溫度計的其它都分仍處在室溫中,其中氫氣的摩爾數為
              (8)
              根據要求有
              (9)
              解(6)、(7)、(8)、(9)各式得
              (10)
              代入有關數據得
              (11)
              五、答案與評分標準:
              1.(3分)2(2分)
              2.如圖(15分.代表電流的每一線段3分,其中線段端點的橫坐標占1分,線段的長度占1分,線段的縱坐標占1分)

              六、參考解答:
              如果電流有衰減,意味著線圈有電阻,設其電阻為R,則在一年時間內電流通過線圈因發熱而損失的能量為
              (1)
              以??表示鉛的電阻率,S表示鉛絲的橫截面積,l表示鉛絲的長度,則有
              ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(2)
              電流是鉛絲中導電電子定向運動形成的,設導電電子的平均速率為v,根據電流的定義有
              ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(3)
              所謂在持續一年的時間內沒有觀測到電流的變化,并不等于電流一定沒有變化,但這變化不會超過電流檢測儀器的精度?I,即電流變化的上限為.由于導電電子的數密度是不變的,電流的變小是電子平均速率變小的結果,一年內平均速率由v變為v-?v,對應的電流變化
              (4)
              導電電子平均速率的變小,使導電電子的平均動能減少,鉛絲中所有導電電子減少的平均動能為

              (5)
              由于?I<(6)
              鉛絲中所有導電電子減少的平均動能就是一年內因發熱而損失的能量,即
              (7)
              由(1)、(2)、(6)、(7)式解得
              (8)
              式中
              (9)
              在(8)式中代入有關數據得
              (10)
              所以電阻率為0的結論在這一實驗中只能認定到
              (11)
              七、參考解答:
              按照斯特藩-玻爾茲曼定律,在單位時間內太陽表面單位面積向外發射的能量為
              (1)
              其中為斯特藩-玻爾茲曼常量,Ts為太陽表面的絕對溫度.若太陽的半徑為Rs,則單位時間內整個太陽表面向外輻射的能量為
              (2)
              單位時間內通過以太陽為中心的任意一個球面的能量都是.設太陽到地球的距離為rse,考慮到地球周圍大氣的吸收,地面附近半徑為的透鏡接收到的太陽輻射的能量為
              (3)
              薄凸透鏡將把這些能量會聚到置于其后焦面上的薄圓盤上,并被薄圓盤全部吸收.
              另一方面,因為薄圓盤也向外輻射能量.設圓盤的半徑為,溫度為,注意到簿圓盤有兩亇表面,故圓盤在單位時間內輻射的能量為
              (4)
              顯然,當
              (5)
              即圓盤單位時間內接收到的能量與單位時間內輻射的能量相等時,圓盤達到穩定狀態,其溫度達到最高.由(1)、(2)、(3)、(4)、(5)各式得
              (6)
              依題意,薄圓盤半徑為太陽的像的半徑的2倍,即.由透鏡成像公式知
              (7)
              于是有
              (8)
              把(8)式代入(6)式得
              (9)
              代入已知數據,注意到K,
              TD=1.4×103K(10)
              即有
              (11)
              八、參考解答:
              1.根據愛因斯坦質能關系,3H和3He的結合能差為
              (1)
              代入數據,可得
              MeV(2)
              2.3He的兩個質子之間有庫侖排斥能,而3H沒有.所以3H與3He的結合能差主要來自它們的庫侖能差.依題意,質子的半徑為,則3He核中兩個質子間的庫侖排斥能為
              (3)
              若這個庫侖能等于上述結合能差,,則有
              (4)
              代入數據,可得
              fm(5)
              3.粗略地說,原子核中每個核子占據的空間體積是.根據這個簡單的模型,核子數為A的原子核的體積近似為
              (6)
              另一方面,當較大時,有
              (7)
              由(6)式和(7)式可得R和A的關系為
              (8)
              其中系數
              (9)
              把(5)式代入(9)式得
              fm(10)
              由(8)式和(10)式可以算出的半徑
              (11)



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