2007年第24届全国中学生物理竞赛预赛试题与答案word

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第24届全国中学生物理竞赛预赛试卷2007.9.2

本卷共八题。满分200分

一、（24届预赛）(25分)填空题

1.2006年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治。斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体辐射形式和各向异性。这一发现为有关宁宙起源的理论提供了进步的支持，使宇宙学进入了“精确研究”时代。

2.恒星演化到了后期，某些恒星在其内部核燃料耗尽时，会发生强烈的爆发，在短短的几天中亮度陡增千万倍乃至上亿倍.我国《宋史》第五十六卷中对当时观测到的上述现象作了详细记载。2006年5月是我国发现此现象一千周年，为此在杭州召开了有关的国际学术研讨会。天文学上把演化到这一阶段的恒星称为，恒星演变到这一阶段，预示着一颗恒星的终结。此后，它可能成为或。

3.2006年ll月21日，中国、欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度七方在法国总统府正式签署一个能源方面的联合实施协定及相关文件，该协定中的能源是指能源。

4.潮汐是一种常见的自然现象，发生在杭州湾钱塘江入海口的“钱江潮”是闻名世界的潮汐现象。在农历初一和十五前后各有一次大潮，在两次大潮之间又各有一次小潮。

试把每月中出现两次大潮时地球、月球和太阳的相对位置示意图定性地画在下面

试把每月中出现两次小潮时地球、月球和太阳的相对位置示意图定性地画在下面。

5.如图所示，用双线密绕在一个长直圆柱上，形成两个螺线管线圈aa/和bb/(分别以实线和虚线表示)，已知两个线圈的自感都是L。今若把a与b两端相连，把a/和b/两端接入电路，这时两个线圈的总自感等于；若把b与a/相连，把a和b/两端接入电路，

这时两个线圈的总自感等于；若把a与b两端相连作为一端，a/与b/相连作为另一端，把这两端接入电路，这时两个线圈的总自感等于。

二、（24届预赛）(25分)如图所示，一块光滑的平板能绕水平固定轴HH调节其与水平面所成的倾角。板上一根长为l=1.O0m的轻细绳，它的一端系住一质量为m的小球P，另一端固定在HH轴上的0点。当平板的倾角固定在?时，先将轻绳沿水平轴HH拉直(绳与HH重合)，然后给小球一沿着平板并与轻绳垂直的初速度

?////H?· O P ?0?50m／s。若小球能保持在板面内作圆

H 周运动，问倾角?的值应在什么范围内(取图中?处箭头所示方向为?的正方

向)。取重力加速度g=10 m／s2。

三、（24届预赛）(25分)如图所示，绝热的活塞s把一定质量的稀薄气体(可视为理想气体)密封在水平放置的绝热气缸内。活塞可在气缸内无摩擦地滑动。气缸左端的电热

丝可通弱电流对气缸内气体十分缓慢地加热。气缸处在大气中，大气压强为P0。初始时，气体的体积为V0、压强为Po

已知l摩尔该气体温度升高1K时其内能的增量为一已知恒量c。求以下两种过程中电热丝传给气体的热量Q1与Q2之比。

（1）从初始状态出发，保持活塞s位置固定，在电热丝中通以弱电流，并持续一段时间，然后停止通电，待气体达到热平衡时，测得气体的压强为P1

（2）仍从初始状态出发，让活塞处在自由状态，在电热丝中通以弱电流，也持续一段时间，然后停止通电，最后测得气体的体积为V2。

四、（24届预赛）(25分)如图所示，M1M2和M3都是由无限多根无限长的外表面绝缘的细直导线紧密排列成的导线排横截面，两导线排相交成l200，00/为其角平分线。每根细导线中都通有电流

I，两导线排中电流的方向相反，其中M1M2中电流的方向垂直纸面向里。导线排中单位长度上细导线的根数为?。图中的矩形abcd是用N型半导体材料做成的长直半导体片的横截面，(ab《bc)，长直半导体片与导线排中的细导线平行，并

在片中通有均匀电流I0，电流方向垂直纸面向外。已知ab边与00/垂直，bc?l，该半导体材料内载流子密度为n，每个载流子所带电荷量的大小为q。求此半导体片的左右两个侧面之间的电势差。

已知当细的无限长的直导线中通有电流I时，电流产生的磁场离直导线的距离为r处的磁感应强度的大小为B=k

五、（24届预赛）(25分)如图所示，ACD是由均匀细导线制成的边长为d的等边三角形线框，它以AD为转轴，在磁感应强度为B的恒定的匀强磁场中以恒定的角速度?转动(俯视为逆时针旋转)，磁场方向与AD垂直。已知三角形每条边的电阻都等于R。取图示线框平面转至与磁场平行的时刻为t=0。

（1）求任意时刻t线框中的电流。（2）规定A点的电势为0，求t=0

时，三角形线框的AC边上任一点P(到A点的距离用x表示)的电势UP，并画出与UP与x关系的图线

六、（24届预赛）(25分)空间存在垂直于纸面方向的均匀磁场，其方向随时间作周期性变化，磁感应强度B随时间t变化的图线如图l所示.规定B>0时，磁场的方向穿出纸面.现在磁场区域中建立一与磁场方向垂直的平面坐标0xy，如图2所示.一电荷量q=5??10C，质量m=5?10?7?10I，式中k为已知常量 rkg的带电粒子，位于原点0处，

在t=0时刻以初速度?0??m/s沿x轴正方向开始运动。不计重力的作用，不计磁场的变化可能产生的一切其它影响

（1）试在图2中画出0～20ms时间内粒子在磁场中运动的轨迹，并标出图2中纵横坐标的标度值(不要求写出公式或说明)

（2）在磁场变化N个(N为整数)周期的时间内带电粒子的平均速度的大小等于。

七、（24届预赛）(25分)如图所示，L是一焦距为f的薄凸透镜(F与F为其焦点)。在透镜右侧焦点F/处放置一曲率半径大小为R的球面反射镜(其顶点位于F/处)，透镜和球面镜组成一轴对称的光学系统。在透镜L左侧光轴上有限远处有一发光点P，它发出的傍轴光线经此光学系统后，恰好成像在P点。试在下面笫1和第2小题中填空，在第3小题中作图。

（1）若球面镜为凹面镜，则P点到透镜的距离等于；若球面镜为凸面镜，则P点到透镜的距离等于 .

（2）若将一短细杆垂直于光轴放置，杆的下端位于P点，则此细杆经上述光学系统所成的最后的像的大小与物的大小之比对凹面镜等于；对凸面镜等于 .

（3）若球面镜的半径大小R=2f，试按作图法的规范要求，画出第2问中短杆对上述光学系统逐次成的像及成像光路图。(要求将凹面镜和凸面镜分别画在两张图上。不要求写出作图理由和说明，但须用已知量标出各个像在光轴上的具体

/位置。)

八、（24届预赛）(25分)如图所示，有一固定的、半径为a、内壁光滑的半球形碗(碗口处于水平位置)，0为球心。碗内搁置一质量为m、边长为a的等边三角形均匀薄板ABC。板的顶点位于碗内最低点，碗的最低点处对A有某种约束使顶点A不能滑动(板只能绕A点转动)。

（1）当三角形薄板达到平衡时，求出碗对顶点A、B、C的作用力的大小各为多少。

（2）当板处于上述平衡状态时，若解除对A点的约束，让它能在碗的内表面上从静止开始自由滑动，求此后三角形薄板可能具有的最大动能。

第24届中学生物理竞赛预赛试卷参考解答

2007.9.2

一、（24届预赛）参考答案 1.大爆炸

2.超新星中子星黑洞 3.核聚变

4.小潮时

5.0,4L，L。二、（24届预赛）解:

当光滑平板与水平面的倾角为α时，无论小球P处在斜面上什么位置，它受的重力在斜面上的投影总是垂直于HH’，大小总是等于mgsinα。以此作为重力的一个分力，则重力的另一个分力即垂直于斜面的分力mgcosα总是与斜面对小球P的支持力平衡。这样，小球P在斜面内只受上述重力的分量mgsina和细绳拉力的作用。

当小球P运动到圆周的最高点时，细绳垂直于HH’，绳的拉力与小球所受重力的分量mgsinα沿同一直线，这时只要细绳不松弛，小球就能保持在板面内作圆周运动。设小球到达圆周最高点时的速度为v，绳的拉力为T，有

v2 T?mgsin??m (1)

l由能量关系，有

112m?0?m?2?mgsina (2) 222v0?3gsin?) (3) 由(1)、(2)式得 T?m(l细绳不松弛的条件是 T?0 (4) 由(3)、(4)式得a?arcsin(?023lg) (5)

代入有关数据，得a?arcsin() (6)

56当倾角a<0时，经相同的分析可得 a??arcsin() (7)

56由(6)、(7)两式，可知a的取值范围为?arcsin(

三、（24届预赛）解:

55?a?arcsin() 6)6以m表示气缸内气体的质量，?表示其摩尔质量。当气体处在初始状态时，已知其压强为P。、体积为V0.设其温度为T0，由理想气体状态方程有

P0V0?m?RT0 (1)

在过程1中，对气体加热时，活塞s位置固定不动，气体体积保持不变，气体对外不做功。根据热力学第一定律有

Q1?m?c(T1?T0) (2)

式中T1为加热后气体的温度。根据题意，这时气体的压强为P1，由理想气体状态方程可知

P1V0?m?RT1 (3)

由(1)、(2)、(3)式得Q1?cV0(P1?P2) (4) R在过程2中，对气体加热时，活塞要移动，气体的压强保持P0不变，体积由V0变为V2，气体对外做功。根据热力学第一定律，有

Q2?m?c(T2?T0)?P0(V2?V1) (5)

式中T2为加热后气体的温度。由理想气体状态方程可知

P0V2?m?RT2 (6)

由(1)、(5)、(6)式，得Q2?c?RP0(V2?V0) (7) R由(4)、(7)式得

(P?P0)V0Q1c??1 Q2c?R(V2?V0)P0四、（24届预赛）解：

（1）两导线排的电流产生的磁场

考察导线排M1，M2中的电流产生的磁场，取x轴与导线排M1M2重合，Y轴与导线排MlM2垂直，如图l所示。位于x和x+△x(?x为小量)之间的细导线可以看作是“一根”通有电流I??x的长直导线，它在Y轴上P点产生的磁感应强度的大小为

?B?kI??x (1) rr为P点到此直长导线的距离，?B的方向与r垂直，与电流构成右手螺旋。

将△B分解成沿x方向和Y方向的两个分量△Bx和△By，有

?Bx?k?By?kI??xcos? (2) rI??xsin? (3) r

根据对称性，位于一x到一(x+Δx)之间的细导线中电流产生的磁感应强度在Y方向的分量与△By，大小相等、方向相反。可见整个导线排中所有电流产生的磁场在Y方向的合磁场为0。由图1可看出

?xcos???? (4) r把(4)式代入(2)式得 ?Bx?kI??? (5) 导线排上所有电流产生的磁感应强度B=

??B??kI??? (6)

x?????得B=k??? (7)

即每个导线排中所有电流产生的磁场是匀强磁场，磁场的方向分别与M1M2

和M3M4线排平行。如图2所示，两导线排中电流产生的磁感应强度B(M1M2)与B(M3M4)成1200，它们的合磁场的磁感应强度的大小

B0?2Bcos600?k??I (8)

方向与00’平行，由0指向0’ （2）半导体片左右两侧面间的电势差

当半导体片中通有均匀电流I0时，半导体片中的载流子作定向运动，N型半导体的载流子带负电荷，故其速度v的方向与I0方向相反，垂直纸面向里，且有:

I0=nqvS (9) 式中S为半导体片横截面的面积 S=ab?l (10) 载流子作定向运动时要受到磁场洛伦兹力fB的作用，其大小为 fB=qvB0 (11)

对带负电荷的载流子此力的方向指向左侧，于是负电荷积聚在左侧面上，从而左侧面带负电，右侧面带正电，两侧面间出现电势差U=U右-U左。带负电荷的载流子受到静电力fE由左侧面指向右侧面，达到稳定时，fE与fB平衡，即

fE?Uq?fB (12) ab

由(8)、(9)、(10)、(II)、(12)各式得U=

五、（24届预赛）解:

??II0nql (13)

（1）在线框转动过程中，三角形的AC、CD两边因切割磁感应线而产生感应电动势，因长度为d的AC边和CD边都不与磁场方向垂直，每条边切割磁感

应线的有效长度，即垂直于磁场方向的长度为

l=dsin30?01d (1) 2因AC边上不同部分到转轴的距离不同，它们的速度随离开转轴的距离的增大而线性增大，故可认为AC边上各部分产生的总电动势，数值上等同于整条AC边均以AC边中点处的速度v运动时产生的电动势.而:

13v??dcos300??d (2)

24设在t=0至时刻t,三角形从平行于磁场方向的位置绕轴转过角度为θ,则 θ=ωt (3)

因而边上各点速度的方向不再与磁场方向垂直,v沿垂直磁场方向的分量 v??vcos? (4) 由些得到t时刻AC边中的感应电动势

?AC?Blv? (5)

其方向由A指向C，由(1)、(2)、(3)、(4)、(5)各式得 ?AC?3B?d2cos?t (6) 83B?d2cos?t (7) 8同理可得 ?CD?其方向由C指向D，三角形线框中的总电动势 ???AC??CD?3B?d2cos?t (8) 4其方向沿ACDA回路方向。因线框中的总电阻为3R，故t时刻线框中的电流 i??3R?3B?d2cos?t (9) 12R（2）对于AP来说，长度为x，在t=0时刻，cosωt=1，而以x代替(6)式中的d，即可得AP段中的感应电动势的大小

?AP?32Bx? (10) 8方向由A点指向P点。由(9)式，此时线框的电流 I?3B?d2 (11) 12R根据含源电路欧姆定律，P点的电势 UP??AP?IRx (12) d把(10)、(11)两式代入(12)式，经整理后得 UP?32B?(x2?xd) (13) 83为了画出UP(x)图线，先求出若干特征点的电势值：(13)式右侧是一个关于x的二次方程，故UP(x)图线为一抛物线，(13)式可改写为

UP?331B?d2?B?(x?d)2 (14) 7283由(14)式可知,此抛物线 (i)x=0和x?2d 3 UP=0

(ii)抛物线的顶点坐标为 x?d3,UP??B?d2 372(iii)x?d,UP?3B?d2 24 图线如图所示。

六、（24届预赛）解：

22m/s

七、（24届预赛）解：（1）

f(R?f)f(R?f); RR（2）1；1

（3）对凹面镜光路图如图l所示

八、（24届预赛）解：解法一

（1）因A点位于半球形碗的最低点，等边三角形薄板的BC边一定沿水平方向。作连线OB和OC，因O为半球形碗的球心，A、B、C均在球面上，故有

OA?OB?OC?a (1) ABC是等边三角形，

AB?BC?AC?a (2)

故OABC为正四面体，如图l所示。三角形薄板所受的力有：

(i)B、C处碗面对板的作用力NB和NC均垂直于碗面，指向球心O.又由对称性可知,

NB=NC (3)

它们的合力NBC沿∠COB的角平分线DO的方向，其大小为 NBC=2NBcos300=3NB (4) DO的长度

DO?OBcos30?(ii)重力FG的大小

FG=mg (6)

它作用于三角形ABC的重心G.G位于AD上,与A的距离

03a (5) 2AG?223AD?OD?a (7) 333重力的方向与OA平行,该力位于OAD平面内,与OD相交.用P表示其交点,则

OP?AG?3a (8) 3(iii)设碗面在A点作用于薄板的约束力为NA,薄板(或可看成刚性正四面体OABC)在NBC、FG和NA三个力作用下保持平衡，这三力应在同一平面内，且应共点，即NA应与FG和NBC都在OAD平面内，且应通过P点，如图2所示。在三角形ODA中

OD?AD?设∠DOA=α，则 ∠ODA=π-2α

在三角形ADO中，由正弦定理，有：

3a,OA?a 2a3a?

sin2?2sin?由此可得

cos??32 （9） ,sin??33设∠OAP=β，在三角形OPA中，由余弦定理得

AP?12321a?a2?2a??33323a

由正弦定理得：

APOPOA?? sin?sin?sin(???)即

23aaa33 （10） ??sin?sin?sin(???)FG、NBC和NA三力平衡，它们应形成封闭的三角形，如图3所示。由正弦定理得

NFGNA?BC? （11） sin?sin?sin(???)由（10）、（11）式和（3）、（4）、（6）各式得

NA?mgsin?6?mg （12）

sin(???)313NBC?1mgsin?3sin(???)

NB?NC?（13）

得： NB=NC=

1mg （14） 3利用图3的矢量三角形和图2中几何三角形OAP的相似较简单。

（2）解除对A点的约束后，A、B、C三顶点将从静止开始沿碗面滑动。根据对称性可知，薄板处于水平位置时重心最低，从而重力势能最小。根据机械能守恒定律，此时薄板的动能最大。此时薄板的重心将移至O点正下方的G’点，如图4所示。由几何关系并考虑到(7)式，G’相对碗最低点的高度

h'?a?OG'?a?OA?AG'?(1?222)a (15) 3A点被约束时薄板重心为G点，参阅图1，可知G点相对碗最低点的高度 h?AGcos?DAO?AGcos? (16)

由(7)和(9)式可得 h?1a (17) 3 由(15)、(17)两式可求得薄板从A点约束解除到处于水平状态过程中，其重心高度减少量的最大值，从而求出重力势能的减少量的最大值，最后即求得薄板具有的最人动能为

EK?mg(h?h')?解法二

6?2mga (18) 3图1

（1）当三角形薄板处于平衡状态时，根据对称性，BC必位于过B、C两点的水平圆面内，以O’表示此水平圆面的圆心，如图l所示。碗内壁球面的球心为O，则O’以及A、O三点必位于同一条竖直线上。由于B、C与球面接触处都是光滑的，球面对这两点的作用力都指向球面的球心O，令NB和NC分别表示这两个力的大小。由对称性可知

NB =NC (1) 因球面的半径等于等边三角形的边长，三角形OAB和OBC都是等边三角形, ∠AOB=∠BOC=θ=600 (2) 把NB分解成沿竖直方向的分量NB⊥和位于水平面内的分量NB//，则有

NB??NBcos??NBcos600?NB//?NBsin??NBsin600?同理有

1NB （3） 23NB (4) 21NC??NCcos??NCcos600?Nc (5)

2Nc//?NCsin??NCsin600?3NC (6) 2NB//与BO’平行,NC//与CO’平行,都平行于以O’为圆心的水平圆面,可以把这两个力移到圆心为O’的水平圆面内,如图2所示.NB//和NC//的合力为N//.

球而底部作用于三角形薄板的力NA也可分解成沿竖直方向的分量NA⊥和位于水科面内的分量NA//.当三角形薄板达到平衡时，有

NA//= N//=2 NB//cosα (7) mg-NA⊥- NB⊥- NC⊥=0 (8)

由图l可知，圆心为0’的水平圆面的半径R即线段O'B是等边三角形OAB的高，故有

R?asin??asin600?由图2得

3a (9) 2cos??O'D?RaR2?()22?6 (10)

R3由以上有关各式,(7)、（8）两式可写成

NA//?2NB （11）

NA⊥=mg-NB (12)