上海市第21届初中物理竞赛大同杯复赛试题及答案
上海市第21届初中物理竞赛(大同中学杯)复赛试题及详解
上海市第21届初中物理竞赛(大同中学杯)复赛试题及详解1、本试卷共有五大题，答题时间为120分钟，试题满分为150分2、答案及解答过程均写在答卷纸上。
其中第一～第二大题只要写出答案，不写解答过程；第三～第五大题按题型要求写出完整的解答过程。
解答过程中可以使用计算器。
3、考试完毕只交答卷纸，试卷可以带回。
4、本试卷中常数g取10N／kg，水的比热容4、2103J／kg，水的密度1、0103kg／rn3。
一、选择题（以下每题只有一个选项符合题意，每小题4分，共32分）1、统计结果显示一般身材的人的高矮与脚印（面积）大小具有一定的关系。
下列关于刑侦人员为估计涉案人员的高矮和体重的做法中，正确的是：（）A、只要获得脚印的大小就可以估计涉案人员的体重B、只要获得在松软地面上脚印的深浅就可以估计涉案人员的高矮C、只要获得在松软地面上脚印的大小和深浅就可以估计涉案人员的高矮和体重D、由于人的身材千差万别。
刑侦人员根据脚印的大小和深浅无法估计涉案人员的身高或体重。
【来源】上海市第21届初中物理竞赛试题【答案】选C【解析】只要获得在松软地面上脚印的大小和深浅就可以估计涉案人员的高矮和体重，只是为什么呢？题目一般身材的人的高矮与脚印（面积）大小具有一定的关系，那么我们按常识就可以知道身才高的人一般脚的面积就大，这样脚的面积很容易在松软地面上显现，并且人越重的时候踩在松软地面上的脚印就越深。
所以可以根据上述原理做近似判断。
2、在炒花生、葵花子或栗子时，锅中总要入放些沙子。
这样做主要是为了（）A、使炒锅的温度升高B、让沙子吸收一些水分，使炒货更脆C、使炒货均匀受热且不直接与锅底接触D、让沙子吸收一部分热。
防止因温度过高而使炒货变焦【来源】上海市第21届初中物理竞赛试题【答案】选C【解析】沙子的比热比较小，在加热的条件下很容易升高到比较高的温度，当炒花生、葵花子或栗子和沙子一起混合的时候，由于花生、葵花子或栗子没在沙子里面，这样花生、葵花子或栗子的各个表面都可以吸收沙子的热量，使沙子受热均匀。
初中物理竞赛大同杯初赛试题及答案
初中物理竞赛大同杯初赛试题及答案物理大同杯篇一：说明：1.本试卷共分两部分，第一部分为单项选择题，每题4分，共27题，计108分；第二部分为填空题，每题6分，共7题，计42分。
全巻满分150分。
2.考试时间为90分钟。
3.考生使用答题纸，把每题的正确答案填在答题纸相应空格内。
允许使用计算器，考试完毕只交答题纸，试卷自己带回。
第一部分：选择题1．相互接触的两个物体没有发生热传递，这是因为它们具有相同的( )A．体积 B．内能 C．温度 D．比热容2．甲、乙两人并排骑自行车前进，甲看到乙是静止的，甲选取的参照物是 ( )A．地面 B．迎面驶来的另一辆车 C．甲 D．道路两旁的树木3．下列四幅图片中，其中一幅所反映的光学原理与其它三幅不同的是 ()4．夏日炎炎，气温节节上升，小徐发现温度计内的水银液面慢慢升高。
水银液面升高的原因，是因为水银的 ( )A．体积变大了 B．比热容变大了C．质量变大了 D．密度变大了5. 某人在车后用80牛的水平力推车，使车在平直公路上匀速前进，突然发现车辆前方出现情况，他马上改用120的水平拉力使车减速，在减速的过程中，车受到人合力大小为( )A．40牛 B．80牛 C．120牛 D．200牛6．小轿车匀速行驶在公路上，坐在副驾驶位置的小青观察到轿车速度盘的指针始终在100千米/小时位置处，在超越相邻车道上同向匀速行驶的另一辆普通轿车的过程中，小青发现该轿车通过自己的时间恰好为1秒，则该轿车的车速范围为（）A．15-20/秒 B．20-25/秒 C．25-30/秒 D．30-35/秒7.两块相同的海绵分别置于相同的磅秤上，取两个相同的物块分别置于海绵上，如图所示。
下列关于甲、乙两图中磅秤示数F甲、F乙大小及海绵下陷浓度h甲、h乙的比较，正确的是 ( )A．F甲=F乙，h甲>h乙B．F甲=F乙，h甲=h乙C．F甲<F乙，h甲=h乙D．F甲>F乙，h甲>h乙8.如图所示，密度均匀的长方体木块漂浮在水面上。
2019-2020年初中物理竞赛(大同杯)复赛试题
2019-2020年初中物理竞赛(大同杯)复赛试题2019-2020年初中物理竞赛（大同杯）复赛试题一、选择题1.潜泳的人，从水下向上看，会看到一彩色镶边、内有图像的圆面，那么(。
)。
A．圆面内只能呈现水面上的部分景物B．彩色镶边是由于水面四周各种物体的颜色所引起的C．彩色镶边是由于不同颜色的光折射程度略有不同所致D．圆面中图像呈现的是水面外的景物，且看到景物的高度比实际景物要低答案：C解析：彩色镶边是由于光在水面与空气中的折射率不同，导致不同颜色的光在折射时发生偏转，从而形成彩色镶边。
2.磁带录放机可高速播放正常录制的声音，在高速播放时最有可能听不到的声音是正常录音时(。
)。
A．音调较低的声音B．音调较高的声音C．响度较小的声音D．响度较大的声音答案：C解析：在高速播放时，声音的频率不变，但声音的时长变短，因此响度较小的声音可能听不到。
3.两个人共同搬一个50千克质量分布均匀的木箱上楼梯，如图所示。
木箱长1.25米，高0.5米；楼梯和地面成45，而且木箱与楼梯平行。
如果两人手的用力方向都是竖直向上的，那么在下面的人对木箱施加的力与上面的人对木箱施加的力的比值是(。
)。
A．8/3.B．7/3.C．5/3.D．5/4答案：B解析：由于木箱与楼梯平行，所以斜面上的重力分解为两个方向，即竖直向上和沿斜面向上。
因此，下面的人需要承受的重力分量比上面的人多，所以下面的人对木箱施加的力与上面的人对木箱施加的力的比值为7/3.4.月球是地球的卫星，在地球上我们总是只能看到月球的一面，是因为月球绕地球公转的周期与自转的周期相等，请问登上月球的航天员在月球上看地球，将看到地球(。
)。
A．既有绕月球的转动，又有自转B．只有绕月球的转动，没有自转C．只有自转，没有绕月球的转动D．既没有绕月球的转动，也没有自转答案：C解析：月球的自转周期与绕地公转周期相等，因此月球上的一面始终面向地球，航天员在月球上看地球时只能看到地球的一面，而且没有绕月球的转动。
2021年上海市初中物理竞赛复赛试题及解答
上海市初中物理竞赛(大同中学杯)复赛试题及解答阐明：1、本试题共有五大题，答题时间为120分钟，试卷满分为150分。
2、答案及解答过程均写在答卷纸上。
其中第一大题～第二大题只要写出答案，不写解答过程；第三大题～第五大题除选取题以外，均要写出完整解答过程。
试题一、选取题(如下每题只有一种选项符合题意．每小题4分，共32分)1．在寻常生活中．有时会发现这样现象，在商场中，通过挑选．自己感到满意衣服．回家后却发现衣服色彩发生了变化，导致这种状况重要因素是 ( )(A)衣服染料质量有问题。
(B)商场和家中环境湿度不同。
(C)商场和家中环境温度不同(D)商场和家中照明用光源不同。
2．0℃冰块所有熔化为0℃水．体积将有所减小．比较这块冰和熔化成水所具备内能．下列说法中对的是： ( )(A)它们具备相等内能。
(B)O℃冰具备较大内能。
(C)O℃水具备较大内能。
(D)无法拟定3．既有甲、乙、丙三个通草球．将其中任意两个接近时都互相吸引．则它们也许有几种不同带电状况。
( )(A)3种。
(B)4种． (C)5种。
(D)6种．4．将一种小灯泡(2．5V、O．3A)和一种家用照明白炽灯(22OV、40W)串联后接到220伏电源上．将发生状况是： ( )(A)小灯泡和白炽灯都发光。
(B)小灯泡和白炽灯都被烧坏。
(C)小灯泡被短路．白炽灯正常发光。
(D)小灯泡被烧坏．白炽灯完好．但不发光。
5．在制造精密电阻时．经常采用双线绕法．即把电阻丝从螺线管一端绕到另一端，再从另一端绕回来。
如果电流方向如图l所示，那么 ( )(A)螺线管左、右两端都没有磁极。
(B)螺线管左端为N极，右端为S极。
(C)螺线管左端为S极．右端为N极。
(D)螺线管左端有磁极。
右端无磁极。
6．在图2所示电路中，两只电压表是相似抱负电表，它们量程均为0～3～15V。
电键K 闭合后，发现两只电表指针偏转角度相似．电路中R，、R：值也许是（）(A)100欧，200欧。
1第21届全国中学生物理竞赛复赛试题(含答案)
页眉内容本卷共七题，满分1 4 0分.一、(20分)薄膜材料气密性能的优劣常用其透气系数来加以评判．对于均匀薄膜材料，在一定温度下，某种气体通过薄膜渗透过的气体分子数dPStkN ∆=，其中t 为渗透持续时间，S 为薄膜的面积，d 为薄膜的厚度，P ∆为薄膜两侧气体的压强差．k 称为该薄膜材料在该温度下对该气体的透气系数．透气系数愈小，材料的气密性能愈好．图为测定薄膜材料对空气的透气系数的一种实验装置示意图．EFGI 为渗透室，U 形管左管上端与渗透室相通，右管上端封闭；U 形管内横截面积A ＝0.150cm 2．实验中，首先测得薄膜的厚度d =0.66mm ，再将薄膜固定于图中C C '处，从而把渗透室分为上下两部分，上面部分的容积30cm 00.25=V ，下面部分连同U 形管左管水面以上部分的总容积为V 1，薄膜能够透气的面积S =1.00cm 2．打开开关K 1、K 2与大气相通，大气的压强P 1＝1.00atm ，此时U 形管右管中气柱长度cm 00.20=H ，31cm 00.5=V ．关闭K 1、K 2后，打开开关K 3，对渗透室上部分迅速充气至气体压强atm 00.20=P ，关闭K 3并开始计时．两小时后， U 形管左管中的水面高度下降了cm 00.2=∆H ．实验过程中，始终保持温度为C 0 ．求该薄膜材料在C 0 时对空气的透气系数．（本实验中由于薄膜两侧的压强差在实验过程中不能保持恒定，在压强差变化不太大的情况下，可用计时开始时的压强差和计时结束时的压强差的平均值P ∆来代替公式中的P ∆．普适气体常量R = 8.31Jmol -1K -1，1.00atm = 1.013×105Pa ）．二、(20分) 两颗人造卫星绕地球沿同一椭圆轨道同向运动，它们通过轨道上同一点的时间相差半个周期．已知轨道近地点离地心的距离是地球半径R 的2倍，卫星通过近地点时的速度R GM 43=v ，式中M 为地球质量，G 为引力常量．卫星上装有同样的角度测量仪，可测出卫星与任意两点的两条连线之间的夹角．试设计一种测量方案，利用这两个测量仪测定太空中某星体与地心在某时刻的距离．（最后结果要求用测得量和地球半径R 表示）三、(15分)μ子在相对自身静止的惯性参考系中的平均寿命s 100.260-⨯≈τ．宇宙射线与大气在高空某处发生核反应产生一批μ子，以v = 0.99c 的速度（c 为真空中的光速）向下运动并衰变．根据放射性衰变定律，相对给定惯性参考系，若t = 0时刻的粒子数为N (0), t 时刻剩余的粒子数为N (t )，则有()()τt N t N -=e 0，式中τ为相对该惯性系粒子的平均寿命．若能到达地面的μ子数为原来的5％，试估算μ子产生处相对于地面的高度h ．不考虑重力和地磁场对μ子运动的影响．四、(20分)目前，大功率半导体激光器的主要结构形式是由许多发光区等距离地排列在一条直线上的长条状，通常称为激光二极管条．但这样的半导体激光器发出的是很多束发散光束，光能分布很不集中，不利于传输和应用．为了解决这个问题，需要根据具体应用的要求，对光束进行必需的变换（或称整形）．如果能把一个半导体激光二极管条发出的光变换成一束很细的平行光束，对半导体激光的传输和应用将是非常有意义的．为此，有人提出了先把多束发散光会聚到一点，再变换为平行光的方案，其基本原理可通过如下所述的简化了的情况来说明．如图，S 1、S 2、S 3 是等距离（h ）地排列在一直线上的三个点光源，各自向垂直于它们的连线的同一方向发出半顶角为α =arctan ()41的圆锥形光束．请使用三个完全相同的、焦距为f = 1.50h 、半径为r =0.75 h 的圆形薄凸透镜，经加工、组装成一个三者在同一平面内的组合透镜，使三束光都能全部投射到这个组合透镜上，且经透镜折射后的光线能全部会聚于z 轴（以S 2第21届全国中学生物理竞赛复赛题试卷C F S为起点，垂直于三个点光源连线，与光束中心线方向相同的射线）上距离S 2为 L = 12.0 h 处的P 点．（加工时可对透镜进行外形的改变，但不能改变透镜焦距．） 1．求出组合透镜中每个透镜光心的位置．2．说明对三个透镜应如何加工和组装，并求出有关数据．五、(20分)如图所示，接地的空心导体球壳内半径为R ，在空腔内一直径上的P 1和P 2处，放置电量分别为q 1和q 2的点电荷，q 1＝q 2＝q ，两点电荷到球心的距离均为a ．由静电感应与静电屏蔽可知：导体空腔内表面将出现感应电荷分布，感应电荷电量等于－2q ．空腔内部的电场是由q 1、q 2和两者在空腔内表面上的感应电荷共同产生的．由于我们尚不知道这些感应电荷是怎样分布的，所以很难用场强叠加原理直接求得腔内的电势或场强．但理论上可以证明，感应电荷对腔内电场的贡献，可用假想的位于腔外的（等效）点电荷来代替（在本题中假想(等效)点电荷应为两个），只要假想的（等效）点电荷的位置和电量能满足这样的条件，即：设想将整个导体壳去掉，由q 1在原空腔内表面的感应电荷的假想（等效）点电荷1q '与q 1共同产生的电场在原空腔内表面所在位置处各点的电势皆为0；由q 2在原空腔内表面的感应电荷的假想（等效）点电荷2q '与q 2共同产生的电场在原空腔内表面所在位置处各点的电势皆为0．这样确定的假想电荷叫做感应电荷的等效电荷，而且这样确定的等效电荷是唯一的．等效电荷取代感应电荷后，可用等效电荷1q '、2q '和q 1、q 2来计算原来导体存在时空腔内部任意点的电势或场强．1．试根据上述条件，确定假想等效电荷1q '、2q '的位置及电量． 2．求空腔内部任意点A 的电势U A ．已知A 点到球心O 的距离为r ，OA 与1OP 的夹角为θ ．六、(20分)如图所示，三个质量都是m 的刚性小球A 、B 、C 位于光滑的水平桌面上（图中纸面），A 、B 之间，B 、C 之间分别用刚性轻杆相连，杆与A 、B 、C 的各连接处皆为“铰链式”的（不能对小球产生垂直于杆方向的作用力）．已知杆AB 与BC 的夹角为π-α ，α < π/2．DE 为固定在桌面上一块挡板，它与AB 连线方向垂直．现令A 、B 、C 一起以共同的速度v 沿平行于AB 连线方向向DE 运动，已知在C 与挡板碰撞过程中C 与挡板之间无摩擦力作用，求碰撞时当C 沿垂直于DE 方向的速度由v 变为0这一极短时间内挡板对C 的冲量的大小．七、（25分）如图所示，有二平行金属导轨，相距l ，位于同一水平面内（图中纸面），处在磁感应强度为B 的匀强磁场中，磁场方向竖直向下（垂直纸面向里）．质量均为m 的两金属杆ab 和cd 放在导轨上，与导轨垂直．初始时刻， 金属杆ab 和cd 分别位于x = x 0和x = 0处．假设导轨及金属杆的电阻都为零，由两金属杆与导轨构成的回路的自感系数为L ．今对金属杆ab 施以沿导轨向右的瞬时冲量，使它获得初速0v ．设导轨足够长，0x 也足够大，在运动过程中，两金属杆之间距离的变化远小于两金属杆的初始间距0x ，因而可以认为在杆运动过程中由两金属杆与导轨构成的回路的自感系数L 是恒定不变的．杆与导轨之间摩擦可不计．求任意时刻两杆的位置x ab 和x cd 以及由两杆和导轨构成的回路中的电流i 三者各自随时间t 的变化关系．第21届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答一、开始时U 形管右管中空气的体积和压强分别为 V 2 = HA （1） P 2= P 1经过2小时，U 形管右管中空气的体积和压强分别为A H H V )(2∆-=' （2）2222V V P P '=' （3） 渗透室下部连同U 形管左管水面以上部分气体的总体积和压强分别为 HAV V ∆+='11 （4）H g P P Δ221ρ+'='（5）式中ρ 为水的密度，g 为重力加速度．由理想气体状态方程nRT PV =可知，经过2小时，薄膜下部增加的空气的摩尔数RTV P RT V P n 1111-''=∆ （6）在2个小时内，通过薄膜渗透过去的分子数A nN N ∆=（7）式中N A 为阿伏伽德罗常量．渗透室上部空气的摩尔数减少，压强下降．下降了∆PV ΔnRTP =∆ （8）经过2小时渗透室上部分中空气的压强为P P P ∆-='00（9）测试过程的平均压强差[])(211010P P ()P P P '-'+-=∆ （10）根据定义，由以上各式和有关数据，可求得该薄膜材料在0℃时对空气的透气系数11111s m Pa 104.2---⨯=∆=tSP Nd k （11）评分标准：本题20分．(1)、(2)、(3)、(4)、(5)式各1分，(6)式3分，(7)、(8)、(9)、(10) 式各2分，(11) 式4分．二、如图，卫星绕地球运动的轨道为一椭圆，地心位于轨道椭圆的一个焦点O 处，设待测量星体位于C 处．根据题意，当一个卫星运动到轨道的近地点A 时，另一个卫星恰好到达远地点B 处，只要位于A 点的卫星用角度测量仪测出AO 和AC 的夹角α1，位于B 点的卫星用角度测量仪测出BO 和BC 的夹角α2，就可以计算出此时星体C 与地心的距离OC ．因卫星椭圆轨道长轴的长度远近＋r r AB =(1)式中r 近、与r 远分别表示轨道近地点和远地点到地心的距离．由角动量守恒远远近近＝r m r v mv (2)式中m 为卫星的质量．由机械能守恒远远近近－－r GMm m r GMm m 222121v v = (3) 已知R r 2＝近， RGM43＝近v得 R r 6=远(4) 所以R R R AB 862=+= (5)在△ABC 中用正弦定理()ABBC211πsin sin ααα--= (6)所以 ()AB BC 211sin sin ααα+=(7)地心与星体之间的距离为OC ，在△BOC 中用余弦定理2222cos 2αBC r BC r OC ⋅-+=远远(8)由式(4)、(5)、(7)得()()212121212sin cos sin 24sin sin 1692ααααααα+-++=R OC(9)评分标准：本题20分．(1)式2分，(2)、(3)式各3分，(6) 、(8)式各3分， (9) 式6分．三、因μ子在相对自身静止的惯性系中的平均寿命s 100.260-⨯≈τ根据时间膨胀效应，在地球上观测到的μ子平均寿命为τ，()21c v -=ττ (1)代入数据得 τ = 1.4×10－5s(2)相对地面，若μ子到达地面所需时间为t ，则在t 时刻剩余的μ子数为()()τt N t N -=e 0(3)根据题意有B()()%5e 0==-τt N t N (4)对上式等号两边取e 为底的对数得1005lnτ-=t (5)代入数据得s 1019.45-⨯=t(6)根据题意，可以把μ子的运动看作匀速直线运动，有t h v =(7)代入数据得m 1024.14⨯=h (8)评分标准：本题15分． (1)式或(2)式6分，(4)式或(5)式4分，(7) 式2分，(8) 式3分．四、1．考虑到使3个点光源的3束光分别通过3个透镜都成实像于P 点的要求，组合透镜所在的平面应垂直于z 轴，三个光心O 1、O 2、O 3的连线平行于3个光源的连线，O 2位于z 轴上，如图1所示．图中M M '表示组合透镜的平面，1S '、2S '、3S '为三个光束中心光线与该平面的交点． 22O S ＝ u 就是物距．根据透镜成像公式 fu L u 111=-+ (1) 可解得]4[212fL L L u -±=因为要保证经透镜折射后的光线都能全部会聚于P 点，来自各光源的光线在投射到透镜之前不能交叉，必须有2u tan α ≤h 即u ≤2h ．在上式中取“－”号，代入f 和L 的值，算得h u )236(-=≈1.757h (2)此解满足上面的条件．分别作3个点光源与P 点的连线．为使3个点光源都能同时成像于P 点，3个透镜的光心O 1、O 2、O 3应分别位于这3条连线上（如图1）．由几何关系知，有h h h L u L O O O O 854.0)24121(3221≈+=-==(3)即光心O 1的位置应在1S '之下与1S '的距离为 h O O h O S 146.02111=-=' 同理，O 3的位置应在3S '之上与3S '的距离为0.146h 处．由(3)式可知组合透镜中相邻薄透镜中心之间距离必须等于0.854h ，才能使S 1、S 2、S 3都能成像于P 点．2．现在讨论如何把三个透镜L 1、L 2、L 3加工组装成组合透镜． 因为三个透镜的半径r = 0.75h ，将它们的光心分别放置到O 1、h hO 2、O 3处时，由于21O O ＝32O O ＝0.854h <2r ，透镜必然发生相互重叠，必须对透镜进行加工，各切去一部分，然后再将它们粘起来，才能满足(3)式的要求．由于对称关系，我们只需讨论上半部分的情况．图2画出了L 1、L 2放在M M '平面内时相互交叠的情况（纸面为M M '平面）．图中C 1、C 2表示L 1、L 2的边缘，1S '、2S '为光束中心光线与透镜的交点，W 1、W 2分别为C 1、C 2与O 1O 2的交点． 1S '为圆心的圆1和以2S '（与O 2重合）为圆心的圆2分别是光源S 1和S 2投射到L 1和L 2时产生的光斑的边缘，其半径均为h u 439.0tan ==αρ (5)根据题意，圆1和圆2内的光线必须能全部进入透镜．首先，圆1的K 点（见图2）是否落在L 1上？由几何关系可知()h r h h S O K O 75.0585.0146.0439.0111=<=+='+=ρ (6) 故从S 1发出的光束能全部进入L 1．为了保证全部光束能进入透镜组合，对L 1和L 2进行加工时必须保留圆1和圆2内的透镜部分．下面举出一种对透镜进行加工、组装的方法．在O 1和O 2之间作垂直于O 1O 2且分别与圆1和圆2相切的切线Q Q '和N N '．若沿位于Q Q '和N N '之间且与它们平行的任意直线T T '对透镜L 1和L 2进行切割，去掉两透镜的弓形部分，然后把它们沿此线粘合就得到符合所需组合透镜的上半部．同理，对L 2的下半部和L 3进行切割，然后将L 2的下半部和L 3粘合起来，就得到符合需要的整个组合透镜．这个组合透镜可以将S 1、S 2、S 3发出的全部光线都会聚到P 点．现在计算Q Q '和N N '的位置以及对各个透镜切去部分的大小应符合的条件．设透镜L 1被切去部分沿O 1O 2方向的长度为x 1，透镜L 2被切去部分沿O 1O 2方向的长度为x 2，如图2所示，则对任意一条切割线T T '， x 1、x 2之和为h O O r x x d 646.022121=-=+=（7）由于T T '必须在Q Q '和N N '之间，从图2可看出，沿Q Q '切割时，x 1达最大值(x 1M )，x 2达最小值(x 2m )，ρ-'+=111O S r x M 代入r ，ρ 和11O S 的值，得h x M 457.01=(8)代入(7)式，得h x d x M m 189.012=-= (9)由图2可看出，沿N N '切割时，x 2达最大值(x 2M )，x 1达最小值(x 1m )，ρ-=r x M 2 代入r 和ρ 的值，得h x M 311.02= (10) h x d x M m 335.021=-= （11）由对称性，对L 3的加工与对L 1相同，对L 2下半部的加工与对上半部的加工相同．评分标准：本题20分．第1问10分，其中（2）式5分，（3）式5分，第2问10分，其中(5)式3分，(6)式3分，(7)式2分，(8)式、(9)式共1分，(10)式、(11)式共1分．如果学生解答中没有(7)—(11)式，但说了“将图2中三个圆锥光束照射到透镜部分全部保留，透镜其它部分可根据需要磨去（或切割掉）”给3分，再说明将加工后的透镜组装成透镜组合时必须保证O 1O 2=O 1O 2=0.854h ，再给1分，即给(7)—(11)式的全分（4分）．五、1．解法Ⅰ：如图1所示，S 为原空腔内表面所在位置，1q '的位置应位于1OP 的延长线上的某点B 1处，2q '的位置应位于2OP的延长线上的某点B 2处．设A 1为S 面上的任意一点，根据题意有 0111111='+B A q kP A q k(1)0212212='+B A q kP A q k (2)怎样才能使 (1) 式成立呢？下面分析图1中11A OP ∆与11B OA ∆的关系．若等效电荷1q '的位置B 1使下式成立，即211R OB OP ＝⋅(3) 即1111OB OA OA OP =(4)则1111B OA A OP ∽△△有RaOA OP B A P A ==111111 (5)由 (1)式和 (5)式便可求得等效电荷1q '11q aRq -=' (6)由 (3) 式知，等效电荷1q '的位置B 1到原球壳中心位置O 的距离aR OB 21=(7)同理，B 2的位置应使2112B OA A OP ∽△△，用类似的方法可求得等效电荷22q aRq -=' (8)等效电荷2q '的位置B 2到原球壳中心O 位置的距离 aR OB 22=(9)解法Ⅱ：在图1中，设111r P A =，111r B A '=，d OB =1．根据题意，1q 和1q '两者在A 1点产生的电势和为零．有01111=''+r q k r q k （1＇）式中21221)cos 2(θRa a R r -+=（2＇）B 2121221)cos 2(θRd d R r -+='（3＇）由（1＇）、（2＇）、（3＇）式得)cos 2()cos 2(22212221θθRa a R q Rd d R q -+'=-+ （4＇）（4＇）式是以θcos 为变量的一次多项式，要使（4＇）式对任意θ均成立，等号两边的相应系数应相等，即)()(22212221a R q d R q +'=+ （5＇）a q d q 2121'= （6＇） 由（5＇）、（6＇）式得0)(2222=++-aR d R a ad （7＇） 解得aR a R a d 2)()(2222-±+=（8＇）由于等效电荷位于空腔外部，由（8＇）式求得 aR d 2=（9＇）由（6＇）、（9＇）式有212221q aR q =' （10＇）考虑到（1＇）式，有11q aRq -=' （11＇）同理可求得aR OB 22=（12＇）22q aRq -=' （13＇）2．A 点的位置如图2所示．A 的电势由q 1、1q '、q 2、2q '共同产生，即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=A B a R A P A B a R A P kq U A 22111111 (10)因221cos 2a ra r A P +-=θ22221cos 2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=a R a R r r A B θ 222cos 2a ra r A P ++=θ22222cos 2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=a R a R r r A B θ 代入 (10) 式得⎝⎛+--+-=422222cos 2cos 21RraR r a Rara r kq U A θθ⎪⎪⎭⎫++-+++422222cos 2cos 21R raR r a Rara r θθ (11)评分标准：本题20分．第1问18分，解法Ⅰ中(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、(9) 式各3分．解法Ⅱ的评分可参考解法Ⅰ． 第2问2分，即(11)式2分．六、令I 表示题述极短时间∆t 内挡板对C 冲量的大小，因为挡板对C 无摩擦力作用，可知冲量的方向垂直于DE ，如图所示；I '表示B 、C 间的杆对B 或C 冲量的大小，其方向沿杆方向，对B 和C 皆为推力；C v 表示∆t 末了时刻C 沿平行于DE 方向速度的大小，B v 表示∆t 末了时刻B 沿平行于DE 方向速度的大小，⊥B v 表示∆t 末了时刻B 沿垂直于DE 方向速度的大小．由动量定理， 对C 有C m I v ='αsin (1) v m I I ='-αcos(2) 对B 有B m I v ='αsin (3)对AB 有()⊥-='B m I v v 2cos α(4)因为B 、C 之间的杆不能伸、缩，因此B 、C 沿杆的方向的分速度必相等．故有αααsin cos sin B B C v v v -=⊥(5)由以上五式，可解得v m I αα22sin 31sin 3++= (6)评分标准：本题20分． (1)、(2)、(3)、(4)式各2分． (5)式7分，(6)式5分．七、解法Ⅰ：当金属杆ab 获得沿x 轴正方向的初速v 0时，因切割磁力线而产生感应电动势，由两金属杆与导轨构成的回路中会出现感应电流．由于回路具有自感系数，感应电流的出现，又会在回路中产生自感电动势，自感电动势将图2阻碍电流的增大，所以，虽然回路的电阻为零，但回路的电流并不会趋向无限大，当回路中一旦有了电流，磁场作用于杆ab 的安培力将使ab 杆减速，作用于cd 杆的安培力使cd 杆运动．设在任意时刻t ，ab 杆和cd 杆的速度分别为v 1和v 2（相对地面参考系S ），当v 1、v 2为正时，表示速度沿x 轴正方向；若规定逆时针方向为回路中电流和电动势的正方向，则因两杆作切割磁力线的运动而产生的感应电动势()21v v -=Bl E(1)当回路中的电流i 随时间的变化率为t i ∆∆时，回路中的自感电动势ti LL ∆∆-=E (2)根据欧姆定律，注意到回路没有电阻，有0=+L E E(3)金属杆在导轨上运动过程中，两杆构成的系统受到的水平方向的合外力为零，系统的质心作匀速直线运动．设系统质心的速度为V C ，有 C mV m 20=v(4)得2v =C V (5)V C 方向与v 0相同，沿x 轴的正方向．现取一新的参考系S '，它与质心固连在一起，并把质心作为坐标原点O '，取坐标轴x O ''与x 轴平行．设相对S '系，金属杆ab 的速度为u ，cd 杆的速度为u '，则有 u V C +=1v (6)u V C '+=2v(7)因相对S '系，两杆的总动量为零，即有0='+u m mu (8)由(1)、(2)、(3)、(5)、(6) 、(7) 、(8)各式，得ti LBlu ∆∆=2 (9)在S '系中，在t 时刻，金属杆ab 坐标为x '，在t ＋∆t 时刻，它的坐标为x x '∆+'，则由速度的定义tx u ∆'∆=(10)代入 (9) 式得i L x Bl ∆='∆2(11)若将x '视为i 的函数，由（11）式知i x ∆'∆为常数，所以x '与i 的关系可用一直线方程表示b i BlLx +='2 (12)式中b 为常数，其值待定．现已知在t ＝0⎫; ∇⊥Φab 在S '系中的坐标x '＝021x ，这时i = 0，故得0212x i Bl L x +=' (13)或⎪⎭⎫⎝⎛-'=0212x x L Bl i (14)021x 表示t ＝0⎫;∇⊥Φab 的位置．x '表示在任意时刻t ，杆ab 的位置，故⎪⎭⎫ ⎝⎛-'021x x 就是杆ab 在t 时刻相对初始位置的位移，用X 表示，021x x X -'= (15)当X >0时，ab 杆位于其初始位置的右侧；当X <0时，ab 杆位于其初始位置的左侧．代入(14)式，得X LBli 2=(16)这时作用于ab 杆的安培力X Ll B iBl F 222-=-= (17)ab 杆在初始位置右侧时，安培力的方向指向左侧；ab 杆在初始位置左侧时，安培力的方向指向右侧，可知该安培力具有弹性力的性质．金属杆ab 的运动是简谐振动，振动的周期()Ll B mT 222π2=(18)在任意时刻t ， ab 杆离开其初始位置的位移⎪⎭⎫⎝⎛+=ϕt T A X π2cos(19)A 为简谐振动的振幅，ϕ : ⎭M ⎬/ 8∉ ⋂ℜ ⎪B ab 杆的振动速度⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ϕt T T A u π2sin π2 (20)(19)、(20)式分别表示任意时刻ab 杆离开初始位置的位移和运动速度．现已知在t ＝0时刻，ab 杆位于初始位置，即X = 0 速度00002121v v v v =-=-=C V u故有ϕcos 0A =ϕsin π220⎪⎭⎫⎝⎛-=T A v 解这两式，并注意到(18)式得2π3=ϕ(21)22400mLBlT A vv ==π (22)由此得ab 杆的位移t TmL Bl t TmL BlX π2sin 222π3π2cos 2200v v =⎪⎭⎫ ⎝⎛+=（23）由 (15) 式可求得ab 杆在S '系中的位置t TmL Bl x x π2sin 222100abv +=' (24)因相对质心，任意时刻ab 杆和cd 杆都在质心两侧，到质心的距离相等，故在S '系中，cd 杆的位置t TmL Bl x x π2sin 222100cdv --=' (25)相对地面参考系S ，质心以021v =C V 的速度向右运动，并注意到（18）式，得ab 杆在地面参考系中的位置t mL Bl mL Blt x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2sin 2221000ab v v (26)cd 杆在S 系中的位置t mL Bl mL Blt x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2sin 222100cd v v （27）回路中的电流由 (16) 式得t mL Bl L m t T mL BlL Bl i ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==2sin 2π2sin 22200v v (28)解法Ⅱ：当金属杆在磁场中运动时，因切割磁力线而产生感应电动势，回路中出现电流时，两金属杆都要受到安培力的作用，安培力使ab 杆的速度改变，使cd 杆运动．设任意时刻t ，两杆的速度分别为v 1和v 2（相对地面参考系S ），若规定逆时针方向为回路电动势和电流的正方向，则由两金属杆与导轨构成的回路中，因杆在磁场中运动而出现的感应电动势为()21v v -=Bl E(1’)令u 表示ab 杆相对于cd 杆的速度，有Blu L =E(2’)当回路中的电流i 变化时，回路中有自感电动势E L ，其大小与电流的变化率成正比，即有ti LL ∆∆-=E (3’)根据欧姆定律，注意到回路没有电阻，有0=+L E E由式(2’)、(3’)两式得ti LBlu ∆∆= (4’)设在t 时刻，金属杆ab 相对于cd 杆的距离为x '，在t ＋∆t 时刻，ab 相对于cd 杆的距离为x '＋x '∆，则由速度的定义，有tx u ∆'∆=(5’)代入 (4') 式得i L x Bl ∆='∆ (6’)若将x '视为i 的函数，由(6’)式可知，i x ∆'∆为常量，所以x '与i 的关系可以用一直线方程表示，即b i BlLx +=' (7’)式中b 为常数，其值待定．现已知在t ＝0⎫; ∇⊥Φab 相对于cd 杆的距离为0x ，这时i = 0，故得0x i Bl Lx +='(8’) 或 ()0x x LBli -'=(9’) 0x 表示t ＝0⎫;∇⊥Φab 相对于cd 杆的位置．x '表示在任意时刻t 时ab 杆相对于cd 杆的位置，故()0x x -'就是杆ab 在t 时刻相对于cd 杆的相对位置相对于它们在t ＝0时刻的相对位置的位移，即从t ＝00t ＝t 时间内ab 杆相对于cd 杆的位移0x x X -'= (10')于是有X LBl i =(11’)任意时刻t ，ab 杆和cd 杆因受安培力作用而分别有加速度a ab 和a cd ，由牛顿定律有 ab ma iBl =- (12’)cd ma iBl =(13’)两式相减并注意到(9')式得()X Ll B iBl a a m 22cd ab22-=-=-(14’)式中()cd ab a a -为金属杆ab 相对于cd 杆的加速度，而X 是ab 杆相对cd 杆相对位置的位移．Ll B 222是常数，表明这个相对运动是简谐振动，它的振动的周期()Ll B mT 222π2=(15’)在任意时刻t ，ab 杆相对cd 杆相对位置相对它们初始位置的位移⎪⎭⎫⎝⎛+=ϕt T A X π2cos(16’)A 为简谐振动的振幅，ϕ : ⎭M ⎬/ 8∉ ⋂ℜ ⎪B X 随时间的变化率即速度⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=ϕT T A V π2sin π2(17’)现已知在t ＝0时刻，杆位于初始位置，即X = 0，速度0v =V 故有ϕcos 0A =ϕsin π20⎪⎭⎫⎝⎛-=T A v解这两式，并注意到(15’) 式得2π3=ϕ2π200mLBlT A v v ==由此得t mL Bl mL Bl t TmL BlX ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2sin 22π3π2cos 200v v (18’)因t = 0时刻，cd 杆位于x = 0 处，ab 杆位于x = x 0 处，两者的相对位置由x 0表示；设t 时刻，cd 杆位于x = x cd 处，ab 杆位于x = x ab 处，两者的相对位置由x ab －x cd 表示，故两杆的相对位置的位移又可表示为 X = x ab －x cd －x 0 (19’) 所以t mL Bl mL Blx x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-2sin 200cd ab v (20’)(12’)和(13’)式相加, ()0cd ab =+-=+iBl iBl a a m得()0cd ab =+a a由此可知，两杆速度之和为一常数即v 0，所以两杆的位置x ab 和x cd 之和应为x ab ＋x cd = x 0＋v 0t (21’)由(20’)和(21’)式相加和相减，注意到(15’)式，得t mL BlmL Bl t x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2sin 2221000ab v v （22’）t mL BlmL Blt x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2sin 22210cd v v （23’）由(11’)、（19’）(22’)、(23’)式得回路中电流t mL Bl L m i ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2sin 20v （24’）评分标准：本题25分．解法Ⅰ 求得(16)式8分，(17)、(18)、(19)三式各2分． (23)式4分，(24)、(25)二式各2分，(26)、(27)、(28)三式各1分．解法Ⅱ的评分可参照解法Ⅰ评分标准中的相应式子给分．。
2007年第21届“大同杯”初中物理竞赛初赛试卷(解析版)【菁】
2007年上海市第二十一届初中物理竞赛初赛试卷（大同中学杯）参考答案与试题解析一、第一部分．日偏食B ． 湖边夜景C ． 筷子变弯折D ．汽车观后镜2．（4分）（2006•宿迁）如图，汽车在平直的公路上作匀速直线运动，则下列为一对平衡力的是（ ）A ． 汽车的牵引力和汽车所受的重力B ． 汽车所受重力和汽车对地面的压力5．（4分）（2007•昌平区二模）现有密度分别为ρ1和ρ2的两种液体，且ρ1＜ρ2．在甲杯中盛满这两种液体，两种液体的质量各占一半；在乙杯中也盛满这两种液体，两种液体的体积各占一半．假设两种液型使抽象复杂的问题变得简单明了，本题采用对比模型法．解答：解：模型1即为甲杯：由于ρ1＜ρ2，两种液体的质量且各占一半．可得密度ρ1的液体体积大于密度ρ2的液体，密度ρ1的液体体积用灰标记，密度ρ2的液体体积用蓝色标记．模型2即为乙杯：两种液体体积相等，密度ρ1的液体体积用灰标记，密度ρ2的液体体积用蓝色标记．对照组体现体积相等时之间的分界线．对模型1密度ρ1的液体体积进行处理，切割成和模型2中密度ρ1的液体体积相同，即是容器体积的一半（如图所示）．对模型2中密度ρ2的液体体积进行处理，切割成和模型1中密度ρ2的液体体积相同（如图所示），经过处理便可以直接从对比处比较甲、乙两杯内液体质量的大小了，答案很明显是对比处是蓝色的乙杯大．即乙杯内液体的质量大．故选B．点评：密度是中考和竞赛都非常喜欢考的类型知识，这块知识点可难可易，涵盖面比较广．密度让初6．（4分）现有两种智能开关．一种是“光控开关”，其特点是天黑时开关自动闭合，天亮时开关自动断开．另一种是“声控开关”，其特点是当有人走动发出声音时，开关自动闭合；无人走动时，开关自动断开．利用上述开关来控制楼道里的照明灯，既能合理照明又能节约用电，则下列电路图中符合要求的是．B．C．D．8．（4分）（2011•西宁）如图所示，当开关S断开和闭合时，电流表示数之比是1：4，则电阻R1和R2之比是（）9．（4分）考虑到地球上物体除受地球引力外还受到太阳的引力作用，设地球上各点到太阳的距离之差忽略不计，若在赤道上用精密测力计测量同一物体的重力，白天的示数与夜晚的示数相比较（）10．（4分）如图所示，竖直放置的两板间夹有木块A，当向左右两板加压力F时，木块A静止，若将压力都增大到2F，则木块A所受的摩擦力（）A．是原来的2倍B．是原来的4倍C．与原来相同D．无法计算11．（4分）（2009•顺义区二模）如图所示，放在水平桌面上的匀质长直木板长度L为40厘米，质量为2千克，它的右端与桌面相齐，与桌面间的动摩擦因数为0.2．若在木板左端用一水平推力F将其匀速推下桌子，水平推力至少要做功（）12．（4分）（2006•盐城）一个充气的气球下面挂一个金属块，把它们放入水中某处恰能静止，如图所示．如果把金属块及气球的位置轻轻向上移一些，则金属块和气球（）13．（4分）普通的钨丝白炽灯泡的发光效率比较低，而目前市场上流行的节能灯的发光效率就比较高，但是节能灯的价格比较贵，人们常常为选择哪一种灯而举棋不定．下表列举了某种型号的白炽灯和节能要想让使用节能灯更合算的14．（4分）在光具座上自左向右依次竖直放置一个凹透镜、凸透镜和平面镜，两个透镜的主光轴重合，凸透镜的焦距为f，此时两个透镜之间的距离为L．在凹透镜的左侧有一水平平行光束通过两个透镜后入射到平面镜上，经平面镜反射后，反射光恰能沿原来的光路返回，据此可判断凹透镜的焦距为（）A．f B．L C．f+L D．f﹣L焦点）据此画图帮助回答．解答：解：当凸透镜的焦点位于凸透镜与凹透镜之间时，因为从凹透镜出来的光线为发散光线，所以不可能经过凸透镜焦点；当凸透镜焦点位于凹透镜左边时，则可能从凹透镜出来的光线的反向延长线经过凸透镜的焦点；而射入凹透镜的光线为平行光线，故从凹透镜出来的光线的反向延长线也经过凹透镜的焦点，因而凹透镜的焦点与凸透镜的焦点重合，如图，所以凹透镜的焦距f′=f﹣L．故选D．点评：本题考查了凸透镜、凹透镜、平面镜对光线的作用，会画透镜的三条特殊光线：①通过焦点的15．（4分）用转动八面镜法可以测光速，实验装置示意图如图所示．S为发光点，T为望远镜，平面镜O与凹面镜B构成了反射系统．八面镜M距反射系统的距离AB为L（L可长达几十千米），且远大于OB以及S和T到八面镜的距离．调整八面镜的位置直到通过望远镜能看到发光点S，然后使八面镜转动起来，并缓慢增大其转速（1秒内转过的圈数），当转速达到n0时，恰能在望远镜中再一次看见发光点S，由此得到光速c的表达式是（）：应用题．分析：首先计算出光从A点开始经一系列的反射再到达望远镜所通过的距离和所用的时间，然后根据速度公式v=计算即可．解答：解：从A点开始经一系列的反射再到达望远镜所通过的距离s=2L，∵八面镜M从现在位置到下次再出现如图形状的状态时需要转八分之一圈．则当转速达到n0时，恰能在望远镜中再一次看见发光点S，∴光A点开始经一系列的反射再到达望远镜所用的时间为t=s，∴c===16Ln o．故选C．点评：本题考查光速的一种测量方法，关键是判断出光A点开始经一系列的反射再到达望远镜所用的时间为t=s．17．（4分）一木板竖直立在车顶上方，车在雨中水平匀速行驶．木板板面与车前进方向垂直，其厚度可忽略．设空间单位体积中的雨点数目相等，雨点匀速竖直下落．则落在木板面上雨点的数量取决于①19．（4分）如图所示，电源电压恒为6V，滑动变阻器R的滑片P位于中点，则下列情况中，可使电阻R0两端的电压最接近3V的是（）：推理法；图析法．分析：由题知，滑片P在中点，滑动变阻器的下半部分R和R0并联，分别求出四个选项中并联部分的总电阻，最接近R可使电阻R0两端的电压最接近3V，据此分析求解．解答：解：如图，滑动变阻器的下半部分R和R0并联，并联部分的电阻：A、R=×20Ω=10Ω，R0=10Ω，R并=×10Ω=5Ω；B、R=×200Ω=100Ω，R0=400Ω，R并==80Ω；C、R=×200Ω=100Ω，R0=10Ω，R并=≈9.09Ω；D、R=×20Ω=10Ω，R0=400Ω，R并=≈9.76Ω；由此可见，D选项中的并联部分的电阻为9.76Ω，最接近10Ω，二者串联在6V的电源上，所分得的电压最接近于3V．故选D．点评：本题考查了对电阻串并联、串联电路分压关系的掌握和运用，灵活运用R并=是关键．20．（4分）如图所示，电源电压保持不变．当滑动变阻器的滑片P向左移动时，电压表和电流表的示数变化情况是（）21．（4分）如图所示，甲、乙两人从水速恒定的河岸a、b处同时下水游泳，a处在b处的下游位置，甲游得比乙快，要在河中尽快相遇，甲、乙两人游泳方向应为（）近，据此分析回答．解答：解：如图，甲逆水的同时向上游动，乙顺流的同时也要向上游动，这样做才能使两人走的距离最近（a、b之间的距离），所以都沿ab偏向上游方向，并且甲的偏角（与河岸的夹角）要小一些，而乙的偏角（与河岸的夹角）要大一些．故选D．点评：本题需要结合实际认真思考，得出甲乙游水类似在地面上行走是本题的关键．22．（4分）如图所示，在一块浮在水面的长方体木块上放一质量为272克的铁块甲，木块恰好浸没在水中．拿掉铁块甲，用细线把铁块乙系在木块下面，木块也恰好浸没在水中，则铁块乙的质量为（）德原理得出等式，即可求出甲乙两铁块的体积关系，再根据密度公式求出铁块乙的质量．解答：解：由甲图可得：G甲+G木=F浮甲，即ρ铁gV甲+G木=ρ水gV木；由乙图可得：G乙+G木=F浮乙，即ρ铁gV乙+G木=ρ水g（V木+V乙）；由以上两式可得：V乙=，根据ρ=可得：铁块乙的质量为m乙=ρ铁V乙=7.9g/cm3×≈311g；结合选项可知A符合题意，BCD不符合题意．故选A．点评：本题考查了阿基米德原理的应用，关键是根据物体的浮沉条件得出乙铁块的体积．23．（4分）甲、乙两容器内盛有水，水对容器底部的压强分别为p甲和p乙．当水温从80℃降低到20℃时，则p甲和p乙的变化情况是（）：应用题．分析：根据压强公式：P=，两个容器中的水的质量不变，容器的底面积不变，只需分析当温度变化时，水对容器底的压力变化情况就可知压强变化情况．解答：解：对于甲容器来说，水对容器底的压力等于水的重力，水对它的压强：P甲=，当水温从80℃降低到20℃时，虽然体积减小，但质量不变，所以P甲不变；对于乙容器来说，水对容器底的压力：F乙=ρghS=ρgV，即压力等于阴影部分水的重力，如图：当水温从80℃降低到20℃时，因为水的体积减小，液面下降至红线处，容器底部受到的压力就是红线下面的阴影部分水的重力，因为水的重力没有变，所以，水对容器底部的压力不变，容器底面积没有变，根据压强公式：P=可知，压强不变小．故选D．点评：本题对乙容器来说，将水对容器的压力转化为阴影部分的水的重力是解题的突破口，正确判断24．（4分）在一个不透明的木板上，钻一个小孔．用眼睛通过小孔可以观察到一定的范围．如图所示．为了扩大观察的范围，在小孔中嵌入各种形状的玻璃制品．则在图中的四个截面中能获得最大观察范围的是（）A．B．C．D．故选D．点评：真正理解凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用．25．（4分）如图所示，玻璃瓶侧壁有三个用木塞塞住的小孔a、b、c，一根两端开口的管子，上端穿过软木塞与大气连通，另一端浸没在液体中，管中的液面和b孔等高，瓶内的液面比a孔的位置高．下列叙述中正确的（）若大于大气压，水会流出；若小于或等于大气压，水不会流出．解答：解：设瓶内气压为p0，大气压为p大，由题知，管中的液面和b孔等高，p0加上h b水深产生的压强等于大气压p大，拔去b孔木塞的瞬时，水不会流出瓶外；管中的液面比a孔低，p0加上h a水深产生的压强小于大气压p大，拔去a孔木塞的瞬时，水不会流出瓶外；管中的液面比c孔高，p0加上h c水深产生的压强大于大气压p大，拔去c孔木塞的瞬时，水会流出瓶外；所以只有拔去c孔木塞的瞬时，水才会流出瓶外．故选C．点评：此题主要考查液体压强的特点和大气压等知识点的理解和掌握，有一定的拔高难度，属于难题．26．（4分）如图所示，在河中间固定一个细长圆管，管内有一轻质活塞，活塞下端位于水面，面积为1厘米2，质量不计，大气压强为1.0×105帕．现将活塞缓慢提高15米，则在该过程中外力对活塞做功为（）段拉力做的功；整个过程中，力F做的功等于两者之和．解答：解：（1）由于大气压强的限制，活塞上升时，管内、外水位差存在一个最大值h0===10m．所以管内水面（或活塞）相对于河岸的升高量等于管内、外水位差，即h1=h0=10m；活塞继续上升了h2=H﹣h1=5m时，水面不动，活塞与水之间是真空．（2）水上升阶段：设任意时刻向下的大气压力和管内的水向上的压力为F下、F上，管内、外水位差为h，则：则有F下=p0S，F上=（p0﹣ρgh）S，由于活塞始终平衡，故F﹣F下+F上=0，即F﹣p0S+（p0﹣ρgh）S=0，解得：F=ρghS．可见，力F跟h成正比，F在h1距离上的平均值为F=ρgh1S．F在h1距离上的功为W F=Fh1=ρgh1S•h1=×1.0×103kg/m3×10N/kg×10m×1×10﹣4m2×10m=50J．（3）水不上升阶段：力F做的功等于活塞克服大气压力做的功，故W F′=p0Sh2=1.0×105Pa×1×10﹣4m2×5m=50J．所以整个过程中，力F做的功等于W F+W F′=50J+50J=100J．故选B．点评：本题考查了压强公式和做功公式的计算；关键是知道活塞上升时会分两个阶段，即水上升阶段27．（4分）将一杯热水倒入容器内的冷水中，冷水温度升高10℃，又向容器内倒入同样一杯热水，冷28．（4分）照相时，通过选择不同的“光圈”可以控制镜头的进光面积；选择不同的快门速度，可以控制镜头的进光时间．两者结合的目的是使底片受到的光照能量保持一定而得到好照片，下表中列出了照相机光圈与快门的几种正确组合．在“快门”一行中，“25”表示快门打开的时间是秒．在“光圈”一行中，“15”表示镜头透光部分的直径等于镜头焦距的．那么快门“50”对应的“光圈”应该是（）解答：解：（1）快门由25变为50时，曝光时间比==；（2）曝光时间变为原来的两倍，则相应的光圈面积变为原来的一半，即=；（3）由面积由S=πr2得：==，解得：r≈8.5，即快门50对应的光圈为8.5．故选D．点评：本题是一道信息给予题，考查了光圈与快门的搭配问题；充分理解题意，根据题意提供的信息29．（4分）驾驶员每天准时从单位开车出来，于7：00到达教授家接教授去单位，7：20到达单位．某天，教授为了早点到单位，比平时提前离家步行去单位．走了一段时间后遇到来接他的汽车，上车后汽车掉头并于7：10到达单位．设教授和汽车速度不变，且速度之比为1：9，教授上车及汽车掉头时间30．（4分）一辆汽车匀速行驶（车速大于40km/h）．车上有一台时钟，分针已经折断，一开始秒钟示数为0秒．汽车行驶了3千米时，秒针示数为30秒．汽车再行驶4千米时，秒针示数为50秒．那么当米+4000米+5000米）用的时间，确定指针的位置．解答：解：设汽车行驶3千米时，时间为n分30秒，则行驶4千米时，前3km用时n分30秒，前6km用时2n分60秒，指针指在0秒；剩下1km用时50秒，可求汽车的速度：v===20米/秒；则汽车行驶s′=3000米+4000米+5000米=12000米用的时间：t′===600秒，此时指针指在0秒处．故选A．点评：本题考查了学生对速度公式的掌握和应用，注意汽车行驶了3千米时，秒针示数为30秒，行驶二、第二部分31．（3分）长度为300米的油轮在大海中匀速直线行驶，小汽艇从油轮的船尾匀速驶向船头再返回船尾，速度始终保持90千米/时，所用时间为37.5秒，则油轮的速度为54千米/时．33．（6分）如图所示，D1和D2是两个二极管．二极管是一种具有单向导电性能的器材，当有按图中箭头方向的电流通过二极管时，二极管的电阻为零，当有按图中箭头反方向的电流通过二极管时，二极管的电阻无穷大．电流表A的指针可以双向偏转．电阻R1、R2、R3的阻值均为3欧，在a、b间接电压恒为9伏的电源．当a接电源正极时，电流表A的示数为6安；当b接电源正极时，电流表A的示数为1安．再根据欧姆定律的内容解得电流表的示数．解答：解：（1）当a接电源正极时，电流从a点流经电流表后分为两条路径，一条通过D1、R3回到b 端的负极，一条流经R1、D2回到b端的负极，即R1、R3并联，R2被短路，电流表测干路电流．此时电路中的总电阻为：R总1===1.5Ω，此时电流表的示数I总1===6A；（2）当b接电源正极时，电流从b点流经R3、R2、R1后再流经电流表，即R1、R2、R3串联，此时电路中的总电阻：R总2=R1+R2+R3=9Ω此时电流表的是数为：I总2===1A．故答案为：6；1．点评：本题的难点在于根据二极管的特点和电流的方向判断出电路的连接方式，再根据串并联电路的34．（6分）长度为1米的双股电线，其左端分别为A1和A2，右端分别为B1和B2．该双股导线某处由于导线绝缘层老化剥落，发生漏电现象，可等效认为漏电处两导线之间连接了一个电阻R0．为寻找漏电处位置进行如下测量：（1）断开B1、B2，测得R A1A2为0.7欧，（2）连接B1、B2，测得R AlA2为0.3欧，（3）断开A1、A2，测得R BlB2为0.9欧．漏电处距离A1（A2）为0.25米，漏电处的电阻R0为0.6欧．（2）因电线的电阻是均匀的，根据A、B分别到漏点处电阻的阻值关系得出漏电处距离A1（A2）．解答：解：（1）设A端到漏电处的电阻为a，B端到漏电处的电阻为b，当断开B1、B2时，R A1A2=2a+R0=0.7Ω，即2a=0.7Ω﹣R0﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣①当连接B1、B2时，R AlA2=2a+=0.3Ω﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣②当断开A1、A2时，R BlB2=2b+R0=0.9Ω，即2b=0.9Ω﹣R0﹣﹣﹣﹣﹣③把①③两式代入②可得：R02=0.36Ω，解得：R0=0.6Ω；代入①②两式可得：a=0.05Ω，b=0.15Ω，（2）因电线的电阻是均匀的，所以漏电处距离A1（A2）为×1m=0.25m．故答案为：0.25；0.6．点评：解决本题的关键是：根据电阻的串联特点和并联特点表示出三种情况的电阻值求出漏点处电阻35．（3分）在湛江港码头，小华看到工人利用斜面把货物推到车上，联想到上物理课时老师讲过的知识，小华想探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？小华提出了以下的猜想：A．斜面的机械效率可能与物体的重力有关．B．斜面的机械效率可能与斜面的倾斜程度有关．小华同学为了证实自己的猜想是否正确，于是他用同一块木板组成如图所示的装置进行了实验探究，记录的实验数据如下表：）在实验操作过程中，应沿斜面向上匀速拉动木块；实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向左移动（填“左”或“右”）．（2）根据表格中数据，第①次实验斜面的机械效率为60%，第②次实验中总功为3J．（3）通过对比实验①、②数据，可验证小华的猜想A（填写字母）；通过对比实验②、③数据，可以得出的探究结论是：在其它条件相同时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高（或在其它条件相同时，斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关）．（4）此实验主要用到的研究方法是控制变量法．（5）除了小华的猜想以外，请你猜想斜面的机械效率还可能与斜面的粗糙程度（写出一个）有关．：压轴题；实验探究题．分析：（1）物体做匀速直线运动时，受到的力才是平衡力；斜面的倾角指的是木板与水平面的夹角，斜面倾角变大，就是木板与水平面的夹角变大．（2）机械效率等于有用功和总功的比值，即η=×100%；总功等于沿斜面拉力和斜面长度的乘积，即W总=FS．（3）对比实验①、②数据发现，控制的是斜面的倾斜程度（斜面倾角），改变的是物体的重力；对比实验②、③数据发现，控制的是物体的重力，改变的是斜面的倾斜程度．（4）实验中采用了控制某个因素，研究另一个因素与物理量之间的关系．（5）影响斜面机械效率的因素很多，主要从有用功和额外功的角度考虑，例如斜面粗糙程度、木板的长度、拉木块速度、木板的面积等．解答：解：（1）拉力克服斜面的摩擦力做功，只有物体做匀速直线运动时，根据二力平衡的知识，受到的摩擦力才等于弹簧测力计拉力的大小；斜面的倾角靠长木板下面的木块左右移动来改变，木块向左移动倾角变大，木块向右移动倾角变小．（2）第①次实验斜面的机械效率：η=×100%=×100%=60%；第二次实验中总功：W总=FS=2.5N×1.2m=3J．（3）对比实验①、②数据，控制的是斜面的倾斜程度（斜面倾角），改变的是物体的重力，因此是研究斜面机械效率与物体重力的关系，验证的是猜想A；对比实验②、③数据，可以得出的结论是在其它条件相同时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高（或大）．（4）毫无疑问这是控制变量法思想的典型运用．（5）影响斜面机械效率的因素很多，例如斜面粗糙程度．故答案为：（1）匀速，左；（2）60，3.0；（3）A，在其它条件相同时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高（或在其它条件相同时，斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关）；（4）控制变量法；（5）斜面的粗糙程度．点评：本题为探究实验题，考查了学生分析实验数据得出结论的能力，注意控制变量法的结论描述有36．（3分）如图所示，水平地面上有一不透光的边长为X的正方体物块．在正方体正左方有一点光源S，点光源和正方体物块的距离也为X．若在点光源S的上方距离为H处水平放置平面镜，H大小固定不变，平面镜足够大．不考虑其他光源的存在，那么在正方体的另一侧水平面上，将会由于点光源S发出的光线经平面镜反射而被照亮，现改变X的大小，当X增大到H时，照亮区域将消失．失，作出光路图，由相似三角形的知识可求出X的大小．解答：解：当光源发出的能照到平面镜上最右侧的光恰好被正方体上表面挡住时；照亮区域将消失，根据光的反射定律作光路图如图所示．由题意得：CD=X，SB=X+X=X；由图知：△SAB∽△SCD，由相似三角形的性质可得：=，=，则X=H；当X增大到H时，照亮区域将消失．故答案为：H．点评：本题考查了光的反射的应用，根据题意作出光路图，应用数学知识求解本题即可．此题有一定38．（3分）1912年，英国大商船“泰坦尼克”号在赴美途中发生了与冰山相撞沉没的悲剧．这次大的海难事件引起了全世界的关注，为了寻找沉船，美国科学家设计并制造出第一台测量水下目标的回声探测仪，用它在船上发出声波，然后用仪器接收障碍物反射回来的声波信号．测量发出信号和接收信号之间的时间，根据水中的声速就可以计算出障碍物的距离和海的深浅．第一台回声探测仪于1914年成功地发现了3000m以外的冰山．假设水中回声探测仪发出的声波在水中的传播速度为1500m/s，则探测仪从发出声波到收回声波共历时几秒？：计算题．分析：先根据速度公式v=算出声波从探测仪发出到传到冰山的时间，探测仪从发出声波到收回声波共经历的时间为声波从探测仪发出到传到冰山的时间的2倍．解答：解：已知：s=3000m，v=1500m/s，水中回声探测仪发出的声波从探测仪发出到传到冰山的时间：t===2s，探测仪从发出声波到收回声波共经历的时间：t′=2t=2×2s=4s，答：探测仪从发出声波到收回声波共经历的时间为4s．点评：本题考查了回声测距离的应用及速度公式的计算，弄清声波从探测仪发出到传到冰山的时间是。
第21届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答
第21届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答一、开始时U 形管右管中空气的体积和压强分别为 V 2 = HA （1）p 2= p 1经过2小时，U 形管右管中空气的体积和压强分别为A H H V )(2∆-=' （2）2222V V p p '=' （3） 渗透室下部连同U 形管左管水面以上部分气体的总体积和压强分别为 HAV V ∆+='11 （4）H g p p Δ221ρ+'=（5）式中ρ 为水的密度，g 为重力加速度．由理想气体状态方程nRT pV =可知，经过2小时，薄膜下部增加的空气的摩尔数RTV p RT V p n 1111-''=∆ （6）在2个小时内，通过薄膜渗透过去的分子数A nN N ∆=（7）式中N A 为阿伏伽德罗常量．渗透室上部空气的摩尔数减少，压强下降．下降了∆pV ΔnRTp =∆ （8）经过2小时渗透室上部分中空气的压强为p p p ∆-='00（9）测试过程的平均压强差[])(211010p p ()p p p '-'+-=∆ （10）根据定义，由以上各式和有关数据，可求得该薄膜材料在0℃时对空气的透气系数11111s m Pa 104.2---⨯=∆=tSp Nd k（11）评分标准：本题20分．(1)、(2)、(3)、(4)、(5)式各1分，(6)式3分，(7)、(8)、(9)、(10) 式各2分，(11) 式4分． 二、如图，卫星绕地球运动的轨道为一椭圆，地心位于轨道椭圆的一个焦点O 处，设待测量星体位于C 处．根据题意，当一个卫星运动到轨道的近地点A 时，另一个卫星恰好到达远地点B 处，只要位于A 点的卫星用角度测量仪测出AO 和AC 的夹角α1，位于B 点的卫星用角度测量仪测出BO 和BC 的夹角α2，就可以计算出此时星体C 与地心的距离OC ． 因卫星椭圆轨道长轴的长度远近＋r r AB =(1)式中r 近、与r 远分别表示轨道近地点和远地点到地心的距离．由角动量守恒远远近近＝r m r v mv (2)式中m 为卫星的质量．由机械能守恒远远近近－－r GMm m r GMm m 222121v v = (3) 已知R r 2＝近， RGM43＝近v得 R r 6=远(4) 所以R R R AB 862=+=(5)在△ABC 中用正弦定理()ABBC 211πsin sin ααα--=(6)所以()AB BC 211sin sin ααα+=(7)地心与星体之间的距离为OC ，在△BOC 中用余弦定理2222cos 2αBC r BC r OC ⋅-+=远远(8)由式(4)、(5)、(7)得()()212121212sin cos sin 24sin sin 1692ααααααα+-++=R OC(9)评分标准：本题20分．(1)式2分，(2)、(3)式各3分，(6) 、(8)式各3分， (9) 式6分． 三、因μ子在相对自身静止的惯性系中的平均寿命根据时间膨胀效应，在地球上观测到的μ子平均寿命为τ，()21c v -=ττ (1)代入数据得 τ×10－5s(2)相对地面，若μ子到达地面所需时间为t ，则在t 时刻剩余的μ子数为()()τt N t N -=e 0(3)根据题意有()()%5e 0==-τt N t N (4)对上式等号两边取e 为底的对数得B1005lnτ-=t (5)代入数据得s 1019.45-⨯=t(6)根据题意，可以把μ子的运动看作匀速直线运动，有t h v =(7)代入数据得m 1024.14⨯=h(8)评分标准：本题15分． (1)式或(2)式6分，(4)式或(5)式4分，(7) 式2分，(8) 式3分． 四、1．考虑到使3个点光源的3束光分别通过3个透镜都成实像于P 点的要求，组合透镜所在的平面应垂直于z 轴，三个光心O 1、O 2、O 3的连线平行于3个光源的连线，O 2位于z 轴上，如图1所示．图中M M '表示组合透镜的平面，1S '、2S '、3S '为三个光束中心光线与该平面的交点． 22O S ＝ u 就是物距．根据透镜成像公式fu L u 111=-+ (1)可解得因为要保证经透镜折射后的光线都能全部会聚于P 点，来自各光源的光线在投射到透镜之前不能交叉，必须有2u tan α ≤h 即u ≤2h ．在上式中取“－”号，代入f 和L 的值，算得h u )236(-=≈h (2)此解满足上面的条件．分别作3个点光源与P 点的连线．为使3个点光源都能同时成像于P 点，3个透镜的光心O 1、O 2、O 3应分别位于这3条连线上（如图1）．由几何关系知，有h h h L u L O O O O 854.0)24121(3221≈+=-==(3) 即光心O 1的位置应在1S '之下与1S '的距离为 h O O h O S 146.02111=-=' (4)同理，O 3的位置应在3S '之上与3S 'hh ，才能使S 1、S 2、S 3都能成像于P 点． 2．现在讨论如何把三个透镜L 1、L 2、L 3加工组装成组合透镜．因为三个透镜的半径r h ，将它们的光心分别放置到O 1、O 2、O 3处时，由于21O O ＝32O O ＝h <2r ，透镜必然发生相互重叠，必须对透镜进行加工，各切去一部分，然后再将它们粘起来，才能满足(3)式的要求．由于对称关系，我们只需讨论上半部分的情况．图2画出了L 1、L 2放在M M '平面内时相互交叠的情况（纸面为M M '平面）．图中C 1、C 2表示L 1、L 2的边缘，1S '、2S '为光束中心光线与透镜的交点，W 1、W 2分别为C 1、C 2与O 1O 2的交点．1S '为圆心的圆1和以2S '（与O 2重合）为圆心的圆2分别是光源S 1和S 2投射到L 1和L 2时产生的光斑的边缘，其半径均为图2h u 439.0tan ==αρ (5)根据题意，圆1和圆2内的光线必须能全部进入透镜．首先，圆1的K 点（见图2）是否落在L 1上？由几何关系可知()h r h h S O K O 75.0585.0146.0439.0111=<=+='+=ρ (6) 故从S 1发出的光束能全部进入L 1．为了保证全部光束能进入透镜组合，对L 1和L 2进行加工时必须保留圆1和圆2内的透镜部分．下面举出一种对透镜进行加工、组装的方法．在O 1和O 2之间作垂直于O 1O 2且分别与圆1和圆2相切的切线Q Q '和N N '．若沿位于Q Q '和N N '之间且与它们平行的任意直线T T '对透镜L 1和L 2进行切割，去掉两透镜的弓形部分，然后把它们沿此线粘合就得到符合所需组合透镜的上半部．同理，对L 2的下半部和L 3进行切割，然后将L 2的下半部和L 3粘合起来，就得到符合需要的整个组合透镜．这个组合透镜可以将S 1、S 2、S 3发出的全部光线都会聚到P 点．现在计算Q Q '和N N '的位置以及对各个透镜切去部分的大小应符合的条件．设透镜L 1被切去部分沿O 1O 2方向的长度为x 1，透镜L 2被切去部分沿O 1O 2方向的长度为x 2，如图2所示，则对任意一条切割线T T '， x 1、x 2之和为h O O r x x d 646.022121=-=+=（7）由于T T '必须在Q Q '和N N '之间，从图2可看出，沿Q Q '切割时，x 1达最大值(x 1M )，x 2达最小值(x 2m )，代入r ，ρ 和11O S '的值，得h x M 457.01=(8)代入(7)式，得h x d x M m 189.012=-=(9) 由图2可看出，沿N N '切割时，x 2达最大值(x 2M )，x 1达最小值(x 1m )， 代入r 和ρ 的值，得 h x M 311.02= (10) h x d x M m 335.021=-=（11） 由对称性，对L 3的加工与对L 1相同，对L 2下半部的加工与对上半部的加工相同． 评分标准：本题20分．第1问10分，其中（2）式5分，（3）式5分，第2问10分，其中(5)式3分，(6)式3分，(7)式2分，(8)式、(9)式共1分，(10)式、(11)式共1分．如果学生解答中没有(7)—(11)式，但说了“将图2中三个圆锥光束照射到透镜部分全部保留，透镜其它部分可根据需要磨去（或切割掉）”给3分，再说明将加工后的透镜组装成透镜组合时必须保证O 1O 2=O 1O 2h ，再给1分，即给(7)—(11)式的全分（4分）． 五、1．解法Ⅰ：如图1所示，S 为原空腔内表面所在位置，1q '的位置应位于1OP 的延长线上的某点B 1处，2q '的位置应位于2OP 的延长线上的某点B 2处．设A 1为S 面上的任意一点，根据题意有 0111111='+B A q kP A q k(1)0212212='+B A q kP A q k (2)怎样才能使 (1) 式成立呢？下面分析图1中11A OP ∆与11B OA ∆的关系．若等效电荷1q '的位置B 1使下式成立，即 B 21211R OB OP ＝⋅(3) 即1111OB OA OA OP =(4)则1111B OA A OP ∽△△有RaOA OP B A P A ==111111 (5)由 (1)式和 (5)式便可求得等效电荷1q '11q aRq -=' (6)由 (3) 式知，等效电荷1q '的位置B 1到原球壳中心位置O 的距离aR OB 21= (7)同理，B 2的位置应使2112B OA A OP ∽△△，用类似的方法可求得等效电荷22q aRq -=' (8)等效电荷2q '的位置B 2到原球壳中心O 位置的距离 aR OB 22= (9)解法Ⅱ：在图1中，设111r P A =，111r B A '=，d OB =1．根据题意，1q 和1q '两者在A 1点产生的电势和为零．有01111=''+r q k r q k （1＇）式中21221)cos 2(θRa a R r -+=（2＇）21221)cos 2(θRd d R r -+='（3＇）由（1＇）、（2＇）、（3＇）式得)cos 2()cos 2(22212221θθRa a R q Rd d R q -+'=-+ （4＇） （4＇）式是以θcos 为变量的一次多项式，要使（4＇）式对任意θ均成立，等号两边的相应系数应相等，即)()(22212221a R q d R q +'=+ （5＇）a q d q 2121'= （6＇） 由（5＇）、（6＇）式得0)(2222=++-aR d R a ad（7＇） 解得aR a R a d 2)()(2222-±+=（8＇）由于等效电荷位于空腔外部，由（8＇）式求得 aR d 2= （9＇）由（6＇）、（9＇）式有212221q aR q =' （10＇）考虑到（1＇）式，有11q aRq -=' （11＇）同理可求得aR OB 22= （12＇）22q aRq -=' （13＇）2．A 点的位置如图2所示．A 的电势由q 1、1q '、q 2、2q '共同产生，即 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=A B a R A P A B a R A P kq U A 22111111 (10)因22221cos 2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=a R aR r r A B θ 代入 (10) 式得-+++22cos 21ara r θ)评分标准：本题20分．第1问18分，解法Ⅰ中(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、(9) 式各3分．解法Ⅱ的评分可参考解法Ⅰ． 第2问2分，即(11)式2分．图2六、令I 表示题述极短时间∆t 内挡板对C 冲量的大小，因为挡板对C 无摩擦力作用，可知冲量的方向垂直于DE ，如图所示；I '表示B 、C 间的杆对B 或C 冲量的大小，其方向沿杆方向，对B 和C 皆为推力；C v 表示∆t 末了时刻C 沿平行于DE 方向速度的大小，B v 表示∆t 末了时刻B 沿平行于DE 方向速度的大小，⊥B v 表示∆t 末了时刻B 沿垂直于DE 方向速度的大小．由动量定理， 对C 有C m I v ='αsin(1) v m I I ='-αcos (2) 对B 有B m I v ='αsin(3)对AB 有()⊥-='B m I v v 2cos α (4)因为B 、C 之间的杆不能伸、缩，因此B 、C 沿杆的方向的分速度必相等．故有αααsin cos sin B B C v v v -=⊥(5)由以上五式，可解得v m I αα22sin 31sin 3++= (6)评分标准：本题20分． (1)、(2)、(3)、(4)式各2分． (5)式7分，(6)式5分． 七、解法Ⅰ：当金属杆ab 获得沿x 轴正方向的初速v 0时，因切割磁力线而产生感应电动势，由两金属杆与导轨构成的回路中会出现感应电流．由于回路具有自感系数，感应电流的出现，又会在回路中产生自感电动势，自感电动势将阻碍电流的增大，所以，虽然回路的电阻为零，但回路的电流并不会趋向无限大，当回路中一旦有了电流，磁场作用于杆ab 的安培力将使ab 杆减速，作用于cd 杆的安培力使cd 杆运动．设在任意时刻t ，ab 杆和cd 杆的速度分别为v 1和v 2（相对地面参考系S ），当v 1、v 2为正时，表示速度沿x 轴正方向；若规定逆时针方向为回路中电流和电动势的正方向，则因两杆作切割磁力线的运动而产生的感应电动势()21v v -=Bl E(1)当回路中的电流i 随时间的变化率为t i ∆∆时，回路中的自感电动势ti LL ∆∆-=E (2)根据欧姆定律，注意到回路没有电阻，有0=+L E E(3)金属杆在导轨上运动过程中，两杆构成的系统受到的水平方向的合外力为零，系统的质心作匀速直线运动．设系统质心的速度为V C ，有C mV m 20=v(4)得2v =C V (5)V C 方向与v 0相同，沿x 轴的正方向．现取一新的参考系S '，它与质心固连在一起，并把质心作为坐标原点O '，取坐标轴x O ''与x 轴平行．设相对S '系，金属杆ab 的速度为u ，cd 杆的速度为u '，则有 u V C +=1v (6)u V C '+=2v(7)因相对S '系，两杆的总动量为零，即有 0='+u m mu (8)由(1)、(2)、(3)、(5)、(6) 、(7) 、(8)各式，得ti LBlu ∆∆=2 (9) 在S '系中，在t 时刻，金属杆ab 坐标为x '，在t ＋∆t 时刻，它的坐标为x x '∆+'，则由速度的定义tx u ∆'∆=(10) 代入 (9) 式得 i L x Bl ∆='∆2(11) 若将x '视为i 的函数，由（11）式知i x ∆'∆为常数，所以x '与i 的关系可用一直线方程表示b i BlLx +='2 (12)式中b 为常数，其值待定．现已知在t ＝0⎫; ∇⊥Φab 在S '系中的坐标x '＝021x ，这时i = 0，故得0212x i Bl L x +=' (13)或⎪⎭⎫ ⎝⎛-'=0212x x L Bl i (14)021x 表示t ＝0⎫;∇⊥Φab 的位置．x '表示在任意时刻t ，杆ab 的位置，故⎪⎭⎫ ⎝⎛-'021x x 就是杆ab 在t 时刻相对初始位置的位移，用X 表示，021x x X -'=(15) 当X >0时，ab 杆位于其初始位置的右侧；当X <0时，ab 杆位于其初始位置的左侧．代入(14)式，得X LBli 2=(16) 这时作用于ab 杆的安培力X Ll B iBl F 222-=-=(17) ab 杆在初始位置右侧时，安培力的方向指向左侧；ab 杆在初始位置左侧时，安培力的方向指向右侧，可知该安培力具有弹性力的性质．金属杆ab 的运动是简谐振动，振动的周期()Ll B mT 222π2=(18)在任意时刻t ， ab 杆离开其初始位置的位移⎪⎭⎫⎝⎛+=ϕt T A X π2cos(19)A 为简谐振动的振幅，ϕ : ⎭M ⎬/8∉ ⋂ℜ ⎪Bab 杆的振动速度⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ϕt T T A u π2sin π2 (20)(19)、(20)式分别表示任意时刻ab 杆离开初始位置的位移和运动速度．现已知在t ＝0时刻，ab 杆位于初始位置，即X = 0速度 故有解这两式，并注意到(18)式得2π3=ϕ(21)22400mLBlT A v v ==π (22)由此得ab 杆的位移t TmL Bl t TmL BlX π2sin 222π3π2cos 2200v v =⎪⎭⎫ ⎝⎛+=（23）由 (15) 式可求得ab 杆在S '系中的位置t TmL Bl x x π2sin 222100abv +=' (24)因相对质心，任意时刻ab 杆和cd 杆都在质心两侧，到质心的距离相等，故在S '系中，cd 杆的位置t TmL Bl x x π2sin 222100cdv --=' (25)相对地面参考系S ，质心以021v =C V 的速度向右运动，并注意到（18）式，得ab 杆在地面参考系中的位置t mL Bl mL Blt x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2sin 2221000ab v v (26)cd 杆在S 系中的位置t mL BlmL Blt x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2sin 22210cd v v （27）回路中的电流由 (16) 式得t mL BlL m t T mL BlL Bl i ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==2sin 2π2sin 22200v v (28)解法Ⅱ：当金属杆在磁场中运动时，因切割磁力线而产生感应电动势，回路中出现电流时，两金属杆都要受到安培力的作用，安培力使ab 杆的速度改变，使cd 杆运动．设任意时刻t ，两杆的速度分别为v 1和v 2（相对地面参考系S ），若规定逆时针方向为回路电动势和电流的正方向，则由两金属杆与导轨构成的回路中，因杆在磁场中运动而出现的感应电动势为()21v v -=Bl E(1’)令u 表示ab 杆相对于cd 杆的速度，有Blu L =E(2’)当回路中的电流i 变化时，回路中有自感电动势E L ，其大小与电流的变化率成正比，即有ti LL ∆∆-=E (3’)根据欧姆定律，注意到回路没有电阻，有 由式(2’)、(3’)两式得ti LBlu ∆∆= (4’) 设在t 时刻，金属杆ab 相对于cd 杆的距离为x '，在t ＋∆t 时刻，ab 相对于cd 杆的距离为x '＋x '∆，则由速度的定义，有tx u ∆'∆=(5’) 代入 (4') 式得 i L x Bl ∆='∆(6’) 若将x '视为i 的函数，由(6’)式可知，i x ∆'∆为常量，所以x '与i 的关系可以用一直线方程表示，即b i BlLx +=' (7’)式中b 为常数，其值待定．现已知在t ＝0⎫; ∇⊥Φab 相对于cd 杆的距离为0x ，这时i = 0，故得0x i Bl Lx +='(8’) 或 ()0x x LBli -'=(9’) 0x 表示t ＝0⎫;∇⊥Φab 相对于cd 杆的位置．x '表示在任意时刻t 时ab 杆相对于cd 杆的位置，故()0x x -'就是杆ab 在t 时刻相对于cd 杆的相对位置相对于它们在t ＝0时刻的相对位置的位移，即从t ＝00t ＝t 时间内ab 杆相对于cd 杆的位移0x x X -'= (10')于是有X LBli =(11’) 任意时刻t ，ab 杆和cd 杆因受安培力作用而分别有加速度a ab 和a cd ，由牛顿定律有ab ma iBl =-(12’)cd ma iBl = (13’) 两式相减并注意到(9')式得()X L l B iBl a a m 22cd ab 22-=-=- (14’)式中()cd ab a a -为金属杆ab 相对于cd 杆的加速度，而X 是ab 杆相对cd 杆相对位置的位移．L l B 222是常数，表明这个相对运动是简谐振动，它的振动的周期()L l B m T 222π2= (15’) 在任意时刻t ，ab 杆相对cd 杆相对位置相对它们初始位置的位移⎪⎭⎫ ⎝⎛+=ϕt T A X π2cos (16’) A 为简谐振动的振幅，ϕ : ⎭M ⎬/8∉ ⋂ℜ ⎪BX 随时间的变化率即速度⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=ϕT T A V π2sin π2 (17’) 现已知在t ＝0时刻，杆位于初始位置，即X = 0，速度0v =V故有解这两式，并注意到(15’) 式得由此得 t mL Bl mL Bl t T mL Bl X ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2sin 22π3π2cos 20v v (18’)因t = 0时刻，cd 杆位于x = 0 处，ab 杆位于x = x 0 处，两者的相对位置由x 0表示；设t 时刻，cd 杆位于x = x cd 处，ab 杆位于x = x ab 处，两者的相对位置由x ab －x cd 表示，故两杆的相对位置的位移又可表示为 X = x ab －x cd －x 0 (19’) 所以 t mL Bl mL Bl x x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-2sin 200cd ab v (20’)(12’)和(13’)式相加,得由此可知，两杆速度之和为一常数即v 0，所以两杆的位置x ab 和x cd 之和应为x ab ＋x cd = x 0＋v 0t(21’) 由(20’)和(21’)式相加和相减，注意到(15’)式，得 t mL Bl mL Bl t x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2sin 2221000ab v v （22’） t mL Bl mL Bl t x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2sin 222100cd v v （23’）由(11’)、（19’）(22’)、(23’)式得回路中电流t mL Bl L m i ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2sin 20v （24’）评分标准：本题25分．解法Ⅰ 求得(16)式8分，(17)、(18)、(19)三式各2分． (23)式4分，(24)、(25)二式各2分，(26)、(27)、(28)三式各1分．解法Ⅱ的评分可参照解法Ⅰ评分标准中的相应式子给分．。
第21届全国中学生物理竞赛预复赛试卷及答案
2004年第21届全国中学生物理竞赛预复赛题试卷及答案目录第21届全国中学生物理竞赛预赛题试卷 (1)第21届全国中学生物理竞赛预赛参考解答 (3)第21届全国中学生物理竞赛复赛题试卷 (11)第21届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答 (14)第21届全国中学生物理竞赛预赛题试卷本卷共九题，满分140分。
一、（15分）填空1．a ．原子大小的数量级为__________m 。
b ．原子核大小的数量级为_________m 。
c ．氦原子的质量约为_________kg 。
d ．一个可见光光子的能量的数量级为_________J 。
e ．在标准状态下，1cm 3 气体中的分子数约为____________。
（普朗克常量 h ＝6.63×10－34J ·s 阿伏加德罗常量 N A ＝6.02×1023 mol －1）2．已知某个平面镜反射的光能量为入射光能量的80％。
试判断下列说法是否正确，并简述理由。
a ． 反射光子数为入射光子数的80％；b ．每个反射光子的能量是入射光子能量的80％。
二、（15分）质量分别为m 1和m 2的两个小物块用轻绳连结，绳跨过位于倾角α ＝30︒的光滑斜面顶端的轻滑轮，滑轮与转轴之间的磨擦不计，斜面固定在水平桌面上，如图所示。
第一次，m 1悬空，m 2放在斜面上，用t 表示m 2自斜面底端由静止开始运动至斜面顶端所需的时间。
第二次，将m 1和m 2位置互换，使m 2悬空，m 1放在斜面上，发现m 1自斜面底端由静止开始运动至斜面顶端所需的时间为t/3。
求m l 与m 2之比。
三、（15分）测定电子荷质比（电荷q 与质量m 之比q ／m ）的实验装置如图所示。
真空玻璃管内，阴极K 发出的电子，经阳极A 与阴极K 之间的高电压加速后，形成一束很细的电子流，电子流以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C 、D 间的区域。
若两极板C 、D 间无电压，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的O 点；若在两极板间加上电压U ，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P 点；若再在极板间加一方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B 的匀强磁场，则打到荧光屏上的电子产生的光点又回到O 点。
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上海市第二十一届初中物理竞赛(大同中学杯)复赛试题(2007年)说明：1．本试卷共有五大题，答题时间为120分钟，试题满分为150分2．答案及解答过程均写在答卷纸上。
其中第一～第二大题只要写出答案，不写解答过程；第三～第五大题按题型要求写出完整的解答过程。
解答过程中可以使用计算器。
3．考试完毕只交答卷纸，试卷可以带回。
4．本试卷中常数g取10N／kg，水的比热容4.2×103J／kg，水的密度1.0×103kg／rn3。
一、选择题(以下每题只有一个选项符合题意，每小题4分，共32分)1．统计结果显示一般身材的人的高矮与脚印(面积)大小具有一定的关系。
下列关于刑侦人员为估计涉案人员的高矮和体重的做法中，正确的是：( )(A)只要获得脚印的大小就可以估计涉案人员的体重(B)只要获得在松软地面上脚印的深浅就可以估计涉案人员的高矮(C)只要获得在松软地面上脚印的大小和深浅就可以估计涉案人员的高矮和体重(D)由于人的身材千差万别。
刑侦人员根据脚印的大小和深浅无法估计涉案人员的身高或体重。
2．在炒花生、葵花子或栗子时，锅中总要入放些沙子。
这样做主要是为了( )(A)使炒锅的温度升高(B)让沙子吸收一些水分，使炒货更脆(C)使炒货均匀受热且不直接与锅底接触(D)让沙子吸收一部分热。
防止因温度过高而使炒货变焦3．有一种说法叫做“水缸‘穿裙子’天就要下雨”。
水缸“穿裙子”是指，在盛水的水缸外表面，齐着水面所在位置往下，出现了一层均匀分布的小水珠。
关于出现小水珠的原因，下列说法中正确的是( )(A)是水的蒸发现象(B)是水蒸气的液化现象(C)是水分子的扩散现象(D)是缸有裂缝，水渗了出来4．人骑自行车时，直接使车前进的力是（）(A)脚的蹬力(B)链条对后车轮的拉力(C)前轮受地面的摩擦力(D)后轮受地面的摩擦力5．用带正电的物体去接触不带电的验电器，验电器的金属箔片会张开。
此时验电器的金属箔片( )(A)失去电子，带正电(B)得到电子，带负电(C)得到质子，带正电(D)失去质子，带负电6．用厚度均匀的木板制成三个大小相同的正方体形状的不透水容器，分别将密度小于木板且相同的三种不同规格的塑料球整齐地装满木箱，每个木箱里只装有一种规格的球。
第一个箱子中装满时是8个球；第二个箱子中装满时是64个球；第三个箱子中装满时是512个球。
如果将三个装满球的容器浸入水中，则下列有关它们浸入水中深度的说法中正确的是：( )(A)三个箱子浸入水中的深度相等(B)第一个箱子浸入水中的深度最大，第三个箱子最小(C)第一个箱子浸入水中的深度最小，第三个箱子最大(D)第一与第三个箱子浸入水中的深度相等，第二个箱子最大7．如图所示是一金属管的横截面，d1是内径。
d2是外径。
当对金属管加热时( )(A) d1变大，d2变小(B) d1变大，d2变大(C) d1变小，d2变大(D) d1不变，d2变大8．有一个家用的大号保鲜袋，当它被折叠成很小一薄片时，用测力计测出其重为G。
在大气压下充入重为G的空气，但未充满，然后封住袋口。
现用同一测力计测量保鲜袋充人空气后的总重力，则测力计的读数是( )(A)G－G ‘(B)G+ G’(C)G (D)G’二、填空题(每小题6分，共30分)9．有时瓶盖拧褥太紧，为了把它打开，往往要包上一块毛巾后再拧，这样做的目的是为了和。
10．如图２所示，两个体积、质量均不同的物块A、B分别浮在Ｕ型水槽的左、右臂的水面上，mＡ>m B。
将水槽支于Ｏ点，水槽恰好平衡。
若将物块A、B 交换位置，则水槽(选填：左端向下倾斜；仍保持平衡；右端向下倾斜)；若将物块B从水槽右臂取出，叠放到物块A 上．则水槽(选填：左端向下倾斜；仍保持平衡；右端向下倾斜)。
11．如图3所示，当电键S闭合后，A、B、C三个灯泡的亮度相同。
则三灯泡中电阻最大的是灯泡．电阻最小的是。
12．以速度v竖直下落的雨滴，落在水平匀速行驶的汽车驾驶室的挡风玻璃和顶棚上。
驾驶室的挡风玻璃和水平顶棚均可看作为平面，且面积都是S；挡风玻璃和水平面成53。
角，如图4所示。
当司机观察到雨点垂直打在挡风玻璃上时，汽车行驶的速度为。
；落在挡风玻璃和顶棚上的雨水量之比为13．如图5所示，重力为G的物体挂在水平横杆的右端C点．水平横杆左端有一可转动的固定轴A，轻杆AC长为L。
轻绳的B端可固定在AC 杆上的任一点，绳的D端可固定在竖直墙面上的任一点，绳BD长为L，轻杆AC始终保持水平。
则当AB间的距离为时．绳BD的拉力最小值为。
三、计算题(本题共28分)14．(本题9分)光电池是一种能将光能转化为电能的装置，试验表明在一定的条件下，光电池输出的电流大小与单位时间内照射到光电池的光能量的大小成正比，而输出的电压变化不大。
某直径为d的圆形光电池在太阳的平行光垂直照射下能为一盏小电灯正常供电，如图6所示。
现利用一个焦距为f =3d的凸透镜，使该电池能为两盏相同型号的小电灯正常供电。
(1)用笔线代替导线，完成电路图(2)求该透镜的最小直径，并说明如何放置透镜。
(要求画出光路示意图)。
15．(本题9分)图7为一辆轿车的俯视示意图。
QP、MG分别为安装在两侧的后视镜(近似看作平面镜)。
R为司机头部所在位置。
司机的眼睛和两个反光镜距离地面的高度相等，R 到Q 的距离为S，且RQ 与QP垂直；RQ、RM 与车身侧面的夹角分别为a和β；Q点、M 点到车尾的距离均为L，车身的宽度为D。
(1)若司机能从右反光镜中看到车尾，右反光镜MG与车身侧面的最大夹角为多大?(要求画出必要的光路示意图)(2)若司机恰能从左反光镜中看到尾随在正后方的同型轿车的最右端，此时尾随车辆到前车辆尾部的距离为多少?(要求画出必要的光路示意图)16．(本题10分)小王同学看到这样一则报道：警方抓获一名在北京二环飙车涉嫌人员。
他用13min在全长32.7km 的二环路上兜一圈，则他驾车的速度为151km／h。
在北京二环路的设计车流量为：时速80公里时，流量为8000辆／小时。
该涉嫌人驾车在二环飙车时，如果其它车辆均正常行驶在某一车道上，则他每分钟会超过该车道上266辆车。
(1)请你对以上文字中划线的两个数据做出判断，通过计算说明判断的过程。
(2)小王同学曾在二环的某处遇到过交通拥阻状况。
当时他观察到在拥阻点的车辆仅能以20km／h通过，拥阻点后方受影响道路区域内每辆车的车头距离后一辆车头的距离约为正常行驶时的一半。
请你估算15min后，受影响的道路长度为多长?设堵车前二环上车辆均以设计流量正常行驶。
四、实验题(本题共10分)17、(本题5分)修理家用电器时需要一只4.75kΩ的电阻，但手头只有l0kΩ、8kΩ、500Ωl、300Ω的电阻各两个。
请从现有的电阻中选择若干电阻得到最接近所需要的电阻值。
在右方虚线框中画出电路图，并标明个电阻的阻值。
得到的电阻阻值为。
18．(本题5分)请利用图8中给出的器材，设计一个利用太阳能从海水中获得少量淡水的简易装置。
(1)画出装置的结构示意图(2)提出一项提高淡化效率的简便方案。
五、判断与说理题(本题共50分)19．(本题14分)造纸术是我国古代四大发明之一，纸的发展一定程度上反映了科学技术与社会文嘎的发展，下面是一组有关纸的题目。
(1)(2分)新买的一包家用打印纸包装上标注着“A4、70g，500张”，你认为一张这样的打印纸质量最接近( )(A)70g (B)7g (C)0.7g (D)0.14g(2)(2分)一个质量为m的小球在离一张水平放置四周固定的纸高h处静止释放(图9)。
刚好可以击破这张纸片。
如果该小球要击破叠在一起的一模一样的2张纸片，则小球至少要在高处静止释放。
(假设击破每一张纸所需能量相同)(3)(4分)不用其他任何工具与材料，要使一个1元硬币和一张略小于该硬币一圆形纸片(图10)，从同一高度静止释放。
同时落在桌面上，请你写出你的设计方法，可以用示意图来辅助说明。
方法一：方法二：(4)(2分)普通纸张是由许许多多很细的纤维组成的。
有一定的吸水性，假如有人在一张纸上滴一滴水后，形成的水溃如图11所示，则沿方向最容易将纸片撕裂。
(5)(4分)将白色的家用卫生纸覆盖在有花纹的大理石上，在纸上滴上一些水，纸会变成“透明”的，使你看到大理石的花纹。
你认为其中的物理原因是。
请你设计一个针对性的实验，以检验你的猜想是否正确。
实验方案：20．(本题18分)“电”与现代生活密不可分，请阅读下列相关资料，运用有关“电”的知识和规律，回答问题。
(1)(4分)小王同学想测量家中新购买的绿色电冰箱的耗电情况，他将家中其他所有用电器断开。
只使用该冰箱，观察电度表转盘的转动情况。
测得冰箱制冷时。
转盘每12s转动一圈；保温时，每2min转动一圈。
电度表上表明每千瓦小时转2000圈。
该同学还测得每小时制冷时间10min，保温50min。
在一天内，该电冰箱制冷时的功率约为w；如果按每月30天计算，该电冰箱月耗电为kW·h。
(2)(8分)有一种抽水蓄能水电站可以把晚上多余的电能储存起来。
放到白天使用。
其原理是：将晚上多余的电能用来把水抽到高处的水库里，到白天再将高处的水放出来发电以补充电能。
假设：抽水机的工作效率为75w ，发电机的工作效率为80w，不计其他损耗。
水库水位平均高度为100m。
白天每千瓦时电能的电费为0.617元，晚上每千瓦时电能的电费为0.307元。
每千克水升高lm 的能量为loJ。
则电厂利用1×109T水储能转换，因白天和晚上的电费价格差而获取的利润为多少元?(3)(6分)如图12所示是助动车的转向指示灯线路。
电路中LD l、LD2。
为前后两个左转向灯。
RD1、RD2。
为前后两个右转向灯，D为在仪表盘上转向指示灯。
四个转向灯分别“6V、2．5A”的灯泡，D为“6V、0.25A”的小灯泡，当灯泡的实际电压小于额定电压的60％时。
灯泡不发光，灯泡电阻保持不变。
RJ为不计电阻的通断器。
可使电路间歇地通断；但当闪光器RJ，中的电流小于4A时，虽有电流通过RJ却不会使电路间歇地通断。
K为转向灯开关。
是一个单刀三掷开关。
正常情况下，把K拨至1位，LD1、LD2会发出闪光，示意助动车将左转，同时D指示灯闪烁向驾驶员显示转向灯的工作情况；把K 拨至2位，RD1、RD2会发出闪光，示意助动车将右转，同时D指示灯闪烁向驾驶员显示转向灯的工作情况。
当驾驶员将K 拨至1位时，发现D灯发光但不闪烁。
据此现象可以判定电路的哪一处发生了怎样的故障，请说明理由。
21．(本题l8分)以下是与浮力相关的问题，请按题目要求作出回答。
数字式液体压强计由压强传感器P和数据采集显示器Q两部分组成。
将压强传感器P 放在大气中进行置零后。
放入浮有圆柱形物体的水槽底部。