2011西安第28届全国中学生物理竞赛决赛试题与答案.doc

第28届全国中学生物理竞赛决赛试题 ABCCODθ60°图28决—1一、（15分）在竖直面内将一半圆形光滑导轨固定在A、B两点，导轨直径AB=2R，AB与竖直方向间的夹角为60°，在导轨上套一质量为m的光滑小圆环，一劲度系数为k的轻而细的光滑弹性绳穿过圆环，其两端系与A、B两点，如图28决—1所示。当圆环位于A点正下方C点时，弹性绳刚好为原长。现将圆环从C点无初速度释放，圆环在时刻t运动到C点，CO与半径OB的夹角为θ，重力加速度为g A B C C O D θ 60° 图28决—1 k1k2m2m1L图28决—2二、（15分）如图28决—2所示，在水平地面上有一质量为M、长度为L的小车，车内两端靠近底部处分别固定两个弹簧，两弹簧位于同一直线上，其原长分别为l1和l2，劲度系数分别为k1和k2；两弹簧的另一端分别放着一质量为m1、m2的小球，弹簧与小球都不相连。开始时，小球1压缩弹簧1并保持整个系统处于静止状态，小球2被锁定在车底板上，小球2与小车右端的距离等于弹簧2的原长。现无初速释放小球1，当弹簧1的长度等于其原长时，立即解除对小球2的锁定；小球1与小球2碰撞后合为一体，碰撞时间极短。已知所有解除都是光滑的；从释放小球1到弹簧2达到最大压缩量时，小车移动力距离l3.试求开始时弹簧 k1 k2 m2 m1 L 图28决—2 AB地球转移轨道图28决—3三、（20分）某空间站A绕地球作圆周运动，轨道半径为rA=6.73×106m.一人造地球卫星B在同一轨道平面内作圆周运动，轨道半径为rB=3rA/2，A和B均沿逆时针方向运行。现从空间站上发射一飞船（对空间站无反冲）前去回收该卫星，为了节省燃料，除了短暂的加速或减速变轨过程外，飞船在往返过程中均采用同样形状的逆时针椭圆转移轨道，作无动力飞行。往返两过程的椭圆轨道均位于空间站和卫星的圆轨道平面内，且近地点和远地点都分别位于空间站和卫星的轨道上，如图28决—3所示。已知地球半径为Re=6.38×106 A B 地球 转移轨道 图28决—3 （1）飞船离开空间站A进入椭圆转移轨道所必须的速度增量ΔvA，若飞船在远地点恰好与卫星B相遇，为了实现无相对运动的捕获，飞船所需的速度增量ΔvB. （2）按上述方式回收卫星，飞船从发射到返回空间站至少需要的时间，空间站A至少需要绕地球转过的角度。 四、（15分）摩尔质量为μ的某种理想气体，从左向右流过一内壁光滑的长直水平绝热导管，导管内横截面的面积为S，一摩尔绝对温度为T的该气体的内能为5RT/2，式中R为普适气体常量。 （1）将一加热装置固定放置在管得中部，以恒定功率W给气体加热，如图28决—4（a）所示。假设该装置对气流的阻力可以忽略，当气流稳定后，管中气体虽然在加热装置附近的状态不均匀，但随着与加热装置距离的增加而逐渐趋于均匀。在加热装置左边均匀稳流区域中，气体的压强为P0，温度为T0，向右流动的速度为v0.已知加热装置右边均匀稳流区域中气体的压强为P1，试求该区域气体的温度T1. （2）现将管中的加热装置换成一多空塞，如图28决—4（b）所示。在气流稳定后，多孔塞左边气体的温度和压强分别为T0和P0，向右流动的速度为v0；多孔塞右边气体的压强为P2（P2P0）.假设气体在经过多孔塞的过程中与多孔塞没有任何形式的能量交换，求多孔塞右边气体的流速v2. （a （a） v0 P0,T0 P1 加热装置 （b） P0,T0 v0 P2 多孔塞 图28决—4 ABCDα图28决—5五、（15分）如图28决—5所示，一个三棱镜ABC的顶角α小于90°.假设光线在纸面内以任意入射角入射到AB面上的D点，经一次折射后，又入射到AC面上，且能在AC面上发生全反射。已知光线在AC面上发生全反射的临界角为Θ（Θ A B C D α 图28决—5 （1）如果光线仅从AB面上法线的下方入射； （2）如果光线仅从AB面上法线的上方入射。 六、（20分）一电荷量为q的点电荷产生的电场在距离它为r处的电场强度的大小为，式中ke为常量；一条长直导线中通有电流i时，它产生的磁场在与导线相距为r（远小于长直导线的长度）处的磁感应强度的大小为，式中km也为常量。 ABa1C1KuMJNJa2C2h图28决—6上述两常量比值的平方根可用如图28决—6所示的实验装置，通过低频（约几百赫兹）的电场和磁场来测定。图中A、B表示水平放置的、电容为C1的平行板电容器的极板，极板为正方形，边长为a1（极板间距远小于a1）。极板B固定，极板A悬挂在天平臂一端的挂钩上，M、N为两根水平放置的平行长直金属细杆，长度均为a2，两杆间的距离为h（ha2）。杆N固定，杆M悬挂于天平臂的另一挂钩上。C2为一个已知电容器的电容，K是电键。交流电源的电压u与时间t的关系为u=U A B a1 C1 K u