第31届全国中学生物理竞赛决赛理论考试试题.docx

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第31届全国中学生物理竞赛决赛理论考试试题 一、(12分) 一转速测量和控制装置的原理如图所示.在O点有电量为Q的正电荷,内壁光滑的轻质绝缘细管可绕通过O点的竖直轴在水平面内转动,在管内距离O为L处有一光电触发控制开关A,在O端固定有一自由长度为L/4的轻质绝缘弹簧,弹簧另一端与一质量为m,带有正电荷q`的小球相连接. 开始时,系统处于静态平衡.细管在外力矩作用下,作定轴转动,小球可在细管内运动.当细管转速ω逐渐变大时,小球到达细管的A处刚好相对于细管径向平衡,并触发控制开关,外力矩瞬时变为零,从而限制转速过大;同时O点的电荷变为等量负电荷-Q.通过测量此后小球相对于细管径向平衡点的位置B,可测定转速.若测得OB的距离为L/2,求 (1)弹簧系数k0及小球在B处时细管的转速; (2)试问小球在平衡点B附近是否存在相对于细管的径向微振动?如果存在,求出该微振动的周期. 二、(14分) 多弹头攻击系统是破解导弹防御体系的有效手段,如图所示,假设沿某海岸有两个军事目标W和N,两者相距L,一艘潜艇沿平行于该海岸线的航线游弋,并监视这两个目标,其航线离海岸线的距离为d.潜艇接到攻击命令后浮出海面发射一颗可分裂成多弹头的母弹,发射速度为v0(其大小远大于潜艇在海里游弋速度的大小),假设母弹到达最高点时分裂成三个分弹头,每个分弹头的质量相等,分离时相对 原母弹的速度大小均为v,且分布在同一水平面内,分弹头1、2为实弹,分弹头3为迷惑对方雷达探测的假弹头.如果两个实弹能够分别击中军事目标W和N,试求潜艇发射母弹时的位置与发射方向,并给出相应的实现条件. 三、(14分) 如图所示,某绝热容器被二块装有阀门K1和K2的固定绝热隔板分隔成相等体积V0的三室A、B、C,VA=VB=VC=V0.容器左端用绝热活塞H封闭,左侧A室装有v1=1摩尔单原子分子气体,处在压强为P0、温度为T0的平衡态;中段B室为真空;右侧c室装有V2=2摩尔双原子分子气体,测得其平衡态温度为Tc=0.50T0.初始时刻K1和K2都处在关闭状态.然后系统依次经历如下与外界无热量交换的热力学过程: (1)打开K1,让VA中的气体自由膨胀到中段真空VB中;等待气体达到平衡态时,缓慢推动活塞H压缩气体,使得A室体积减小了30%(VA’=0.70V0).求压缩过程前后,该部分气体的平衡态温度及压强; (2)保持K1开放,打开K2,让容器中的两种气体自由混合后共同达到平衡态.求此时混合气体的温度和压强; (3)保持K1和K2同时处在开放状态,缓慢拉动活塞H,使得A室体积恢复到初始体积VA’’= V0.求此时混合气体的温度和压强. 提示:上述所有过程中,气体均可视为理想气体,计算结果可含数值的指数式或分式;根据热力学第二定律,当一种理想气体构成的热力学系统从初态(Pi,Ti,Vi)经过一个绝热可逆过程(准静态绝热过程)到达终态(Pf,Tf,Vf)时,其状态参数满足方程: 其中,vI为该气体的摩尔数,Cv1为它的定容摩尔热容量,R为普适气体常量.而当热力学系统由二种理想气体组成,则方程(I)需修改为 四、(20分) 光纤光栅是一种介质折射率周期性变化的光学器件.设一光纤光栅的纤芯基体材料折射率为n1=1.51;在光纤中周期性地改变纤芯材料的折射率,其改变了的部分的材料折射率为n2=1.55;折射率分别为,n2和n1、厚度分别为d2和d1的介质层相间排布,总层数为N,其纵向剖面图如图(a所示.在该器件设计过程中,一般只考虑每层界面的单次反射,忽略光在介质传播过程中的吸收损耗,假设入射光在真空中的波长为λ=1.06μm,当反射光相干叠加加强时,则每层的厚度d1和d2最小应分别为多少?若要求器件反射率达到8%,则总层数N至少为多少? 提示:如图(b)所示,当光从折射率n1介质垂直入射到折射率n2介质时,界面上产生反射和透射,有: 五、(20分) 中性粒子分析器(Neutral-Particle?Analyser)是核聚变研究中测量快离子温度及其能量分布的重要设备,其基本原理如图所示,通过对高能量(200eV~30KeV)中性原子(它们容易穿透探测区中的电磁区域)的能量和动量的测量,可诊断曾与这些中性原子充分碰撞过的离子的性质.? 为了测量中性原子的能量分布,首先让中性原子电离,然后让离子束以θ角入射到间距为d、电压为V的平行板电极组成的区域,经电场偏转后离开电场区域,在保证所测量离子不碰到上极板的前提下,通过测量入射孔A和出射孔B间平行于极板方向的距离,来决定离子的能量.设A与下极板的距离为h1,B与下极板的距离为h2,已知离子所带电荷为q.? (1)推导离子能量E与L的关系,并给出离子在极板内垂直于极板方向的最大飞行距离.?(2)被测离

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