第27届全国中学生物理竞赛复赛试题
27届实验参考答案及评分标准
第27届全国中学生物理竞赛决赛实验试题解答参考及评分标准实验一答案和评分标准（本实验总分30分） 1（1）测量电路图如下：（本部分共3.5分。
采用如上分压电路。
电路正确2.0分，缺一元件扣0.4分；LED 和电池正负极标示错误扣1.0分；采用安培表测量扣1.0分；未标注测试点扣05分；采用串联电路测量扣1.5分；采用其它电路根据实际情况酌情给分。
）1（2KU(原始数据记录部5.0分)(应采用最小量程测量，测量时没能采用正确量程的扣0.5分，数据有效位数错误扣1.0分，要求“死区A ”(0.1mA 以下)至少有1个数据点，正向工作区“线性区C ”至少3个数据点，“转折区B ”至少4个数据点。
如果“死区A ”没有数据点扣0.5分；“线性区C ”只有2个数据点扣0.5分，只有1个数据点扣1.0分，没有数据点扣1.5分；“转折区B ”只有3个数据点扣0.2分，只有2个数据点扣0.5分，只有1个数据点扣1.0分，没有数据点扣1.5分。
没有利用限流电阻电压计算出LED 电流值或者直接用电流表测量得到LED 电流值扣1.0分。
要求数据点分配合理，测量数据正确，否则扣0.5分。
)（要求画出完整的伏安特性曲线，本部分1.5分。
）（没能正确合理地标出横坐标数值扣0.7分，数据点标示正确0.5分，连线流畅0.3分）1（3）由伏安特性曲线可得正向阈值电压U D 约为193V（此部分2.5分，要求在特性曲线上标示且答案正确。
如答案正确但未在曲线上标示或者标示错误扣0.5分，虽然答案落在合理区间但和特性曲线结果不一致扣1.5分；如有正确标示，答案落在1.90V —1.98V 区间的不扣分，否则答案落在1.88V —2.00V 区间的扣0.5分，在1.84V —2.04V 区间的扣1.0分，在1.80V —2.08V 区间的扣1.5分，在以上区间之外的扣2.0分。
）发光波长估算：1240/642D eU nm λ=（此部分1.5分，给出估算公式可得1.0分。
上海第二十七届大同杯物理竞赛复赛试题及答案(2013年)
2013 年上海市第二十七届初中物理竞赛（大同杯）复赛试题说明：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题纸上。
其中第一、第二和第四大题只要写出答案，不写解答过程；第二、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．考试完毕后将试卷和答题纸一并交给监考人员。
4．本试卷中常数 g 取 10 牛／千克；水的密度为 1.00×103 干克／米，水的比热容 4.2×103 焦／（千克·℃）；空气密度为 1.29 干克／米；sin37。
= 0.6 , cos37 。
=0.8一、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 、据报道，我国载人空间站工程已正式启动实施，2020 年前后将建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。
在太空实验室中可以正常使用的实验器具是（）A．天平、测力计、电磁炉、微波炉；B．测力计、液体温度计、微波炉、指针式电压表；C．机械式秒表、超声波测距仪、液体式气压计；D．测力计、滴（液）管、数字式电压表和电流表。
2、我国载人神舟飞船返回舱的表面有一层叫做“烧蚀层”的物质（如图 1 所示），可以在返回大气层时保护返回舱不因高温而烧毁。
烧蚀层能起这种作用，除了它的隔热性能外，还主要由于（）A、它能把热辐射到宇宙空间；B、它的硬度大，飞行时不易损坏；C、它在汽化时能吸收大量的热；D、它的表面非常光滑，能减少舱体与空气的摩擦。
3、在蜻蜓翅膀末端的前缘，会看到有一块加厚而发暗的色素斑，生物学上它被称为“翅痣”如图 2 所示，它的作用可能是（）A、吸收太阳的光能，产生飞行的动力；B、发出超声波，通过吸收反射波辨别方位，给蜻蜓的飞行导航；C、调整翅膀的振动，减弱飞行过程中翅膀上的有害振动；D、就像人的眼睛一样，通过吸收红外线，来获取外界的信息。
4、如图 3 所示，是一根长直密绕通电螺线管的剖面图，A 、B 分别是在螺线管轴线上的两点， A 点在螺线管的端面处，B 点在螺线管的内部，则 B 点的磁场（）A、比A点磁场强；B、比A点磁场弱；C、与A点磁场大小相等；D、无法确定。
3上海市第二十七届初中物理竞赛（大同中学杯）复赛试题解析
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上海市第二十七届初中物理竞赛（大同中学杯）复赛试题（2013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题纸上。
其中第一、第二和第四大题只要写出答案，不写解答过程；第二、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.考试完毕后将试卷和答题纸一并交给监考人员。
4.本试卷中常数g取10牛／千克；水的密度为1.00×103干克／米3，水的比热容4.2×103焦／（千克·℃）；空气密度为1.29干克／米3；sin37°=0.6,cos37°=0.8。
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、据报道，我国载人空间站工程已正式启动实施，2020年前后将建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。
在太空实验室中可以正常使用的实验器具是（）A．天平、测力计、电磁炉、微波炉；B．测力计、液体温度计、微波炉、指针式电压表；C．机械式秒表、超声波测距仪、液体式气压计；D．测力计、滴（液）管、数字式电压表和电流表。
答案：B解析：载人空间站处于完全失重状态，一切与重力相关的仪器均不能使用。
在太空实验室中可以正常使用的实验器具是测力计、液体温度计、微波炉、指针式电压表、机械式秒表、超声波测距仪、数字式电压表和电流表、电磁炉。
而天平、液体式气压计、滴（液）管不能使用，选项B正确。
2、我国载人神舟飞船返回舱的表面有一层叫做“烧蚀层”的物质（如图1所示），可以在返回大气层时保护返回舱不因高温而烧毁。
烧蚀层能起这种作用，除了它的隔热性能外，还主要由于（）A.它能把热辐射到宇宙空间；B.它的硬度大，飞行时不易损坏；C.它在汽化时能吸收大量的热；D.它的表面非常光滑，能减少舱体与空气的摩擦。
答案：C解析：烧蚀层能起保护返回舱不因高温而烧毁作用主要由于它在汽化时能吸收大量的热，选项C正确。
2013年上海市第二十七届初中物理竞赛复赛试题及详解
2013 年上海市第二十七届初中物理竞赛本试卷中常数 g 取 10 牛／千克；水的密度为 1.00×103 干克／米，水的比热容 4.2×103 焦／（千克〃℃）；空气密度为 1.29 干克／米；sin37 = 0.6 , cos37 =0.8。
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 、据报道，我国载人空间站工程已正式启动实施，2020 年前后将建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。
在太空实验室中可以正常使用的实验器具是（）A．天平、测力计、电磁炉、微波炉；B．测力计、液体温度计、微波炉、指针式电压表；C．机械式秒表、超声波测距仪、液体式气压计；D．测力计、滴（液）管、数字式电压表和电流表。
2、我国载人神舟飞船返回舱的表面有一层叫做“烧蚀层”的物质（如图 1 所示），可以在返回大气层时保护返回舱不因高温而烧毁。
烧蚀层能起这种作用，除了它的隔热性能外，还主要由于（）A、它能把热辐射到宇宙空间；B、它的硬度大，飞行时不易损坏；C、它在汽化时能吸收大量的热；D、它的表面非常光滑，能减少舱体与空气的摩擦。
3、在蜻蜓翅膀末端的前缘，会看到有一块加厚而发暗的色素斑，生物学上它被称为“翅痣”如图 2 所示，它的作用可能是（）A、吸收太阳的光能，产生飞行的动力；B、发出超声波，通过吸收反射波辨别方位，给蜻蜓的飞行导航；C、调整翅膀的振动，减弱飞行过程中翅膀上的有害振动；D、就像人的眼睛一样，通过吸收红外线，来获取外界的信息。
4、如图 3 所示，是一根长直密绕通电螺线管的剖面图，A 、B 分别是在螺线管轴线上的两点， A 点在螺线管的端面处，B 点在螺线管的内部，则 B 点的磁场（）A、比A点磁场强；B、比A点磁场弱；C、与A点磁场大小相等；D、无法确定。
5、如图 4 所示，是一种装咖啡的壶。
咖啡壶的侧面装有一个透明的长直玻璃管，它和咖啡壶构成了一个连通器，用以显示壶中液面的高度。
【VIP专享】2013年上海市第二十七届初中物理竞赛复赛试题及答案
2013 年上海市第二十七届初中物理竞赛（大同杯）复赛试题说明：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题纸上。
其中第一、第二和第四大题只要写出答案，不写解答过程；第二、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．考试完毕后将试卷和答题纸一并交给监考人员。
4．本试卷中常数 g 取 10 牛／千克；水的密度为 1.00×103 干克／米，水的比热容4.2×103 焦／（千克〃℃）；空气密度为 1.29 干克／米；sin37 = 0.6 , cos37 =0.8。
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 、据报道，我国载人空间站工程已正式启动实施，2020 年前后将建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。
在太空实验室中可以正常使用的实验器具是（）A．天平、测力计、电磁炉、微波炉；B．测力计、液体温度计、微波炉、指针式电压表；C．机械式秒表、超声波测距仪、液体式气压计；D．测力计、滴（液）管、数字式电压表和电流表。
2、我国载人神舟飞船返回舱的表面有一层叫做“烧蚀层”的物质（如图 1 所示），可以在返回大气层时保护返回舱不因高温而烧毁。
烧蚀层能起这种作用，除了它的隔热性能外，还主要由于（）A、它能把热辐射到宇宙空间；B、它的硬度大，飞行时不易损坏；C、它在汽化时能吸收大量的热；D、它的表面非常光滑，能减少舱体与空气的摩擦。
3、在蜻蜓翅膀末端的前缘，会看到有一块加厚而发暗的色素斑，生物学上它被称为“翅痣”如图 2 所示，它的作用可能是（）A、吸收太阳的光能，产生飞行的动力；B、发出超声波，通过吸收反射波辨别方位，给蜻蜓的飞行导航；C、调整翅膀的振动，减弱飞行过程中翅膀上的有害振动；D、就像人的眼睛一样，通过吸收红外线，来获取外界的信息。
4、如图 3 所示，是一根长直密绕通电螺线管的剖面图，A 、B 分别是在螺线管轴线上的两点， A 点在螺线管的端面处，B 点在螺线管的内部，则 B 点的磁场（）A、比A点磁场强；B、比A点磁场弱；C、与A点磁场大小相等；D、无法确定。
2010年第27届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案解析
第27届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案一、（25分）填空题1．一个粗细均匀的细圆环形橡皮圈，其质量为M ，劲度系数为k ，无形变时半径为R 。
现将它用力抛向空中，忽略重力的影响，设稳定时其形状仍然保持为圆形，且在平动的同时以角速度ω绕通过圆心垂直于圆面的轴线匀速旋转，这时它的半径应为 。
2．鸽哨的频率是f 。
如果鸽子飞行的最大速度是u ，由于多普勒效应，观察者可能观测到的频率范围是从 到 。
（设声速为V 。
）3．如图所示，在一个质量为M 、内部横截面积为A 的竖直放置的绝热气缸中，用活塞封闭了一定量温度度为0T 的理想气体。
活塞也是绝热的，活塞质量以及活塞和气缸之间的摩擦力都可忽略不计。
已知大气压强为0p ，重力加速度为g ，现将活塞缓慢上提，当活塞到达气缸开口处时，气缸刚好离开地面。
已知理想气体在缓慢变化的绝热过程中pV γ保持不变，其中p 是气体的压强，V 是气体的体积，γ是一常数。
根据以上所述，可求得活塞到达气缸开口处时气体的温度为 。
4．（本题答案保留两位有效数字）在电子显微镜中，电子束取代了光束被用来“照射”被观测物。
要想分辨101.010m -⨯（即原子尺度）的结构，则电子的物质波波长不能大于此尺度。
据此推测电子的速度至少需被加速到 。
如果要想进一步分辨121.010m -⨯尺度的结构，则电子的速度至少需被加速到 ，且为使电子达到这一速度，所需的加速电压为。
已知电子的静止质量319.110kg e m -=⨯，电子的电量191.610C e -=-⨯，普朗克常量346.710J s h -=⨯⋅，光速813.010m s c -=⨯⋅。
二、（20分）图示为一利用传输带输送货物的装置，物块（视为质点）自平台经斜面滑到一以恒定速度v 运动的水平长传输带上，再由传输带输送到远处目的地，已知斜面高 2.0m h =，水平边长 4.0m L =，传输带宽 2.0m d =，传输带的运动速度 3.0m/s v =。
全国中学生物理竞赛复赛试题及参考答案
全国中学生物理竞赛复赛考试试题解答与评分标准一、（15分）一半径为R 、内侧光滑的半球面固定在地面上，开口水平且朝上. 一小滑块在半球面内侧最高点处获得沿球面的水平速度，其大小为0v (00≠v ). 求滑块在整个运动过程中可能达到的最大速率. 重力加速度大小为g .参考解答：以滑块和地球为系统，它在整个运动过程中机械能守恒. 滑块沿半球面内侧运动时，可将其速度v 分解成纬线切向 (水平方向)分量ϕv 及经线切向分量θv . 设滑块质量为m ，在某中间状态时，滑块位于半球面内侧P 处，P 和球心O 的连线与水平方向的夹角为θ. 由机械能守恒得2220111sin 222m mgR m m ϕθθ=-++v v v (1) 这里已取球心O 处为重力势能零点. 以过O 的竖直线为轴. 球面对滑块的支持力通过该轴，力矩为零；重力相对于该轴的力矩也为零. 所以在整个运动过程中，滑块相对于轴的角动量守恒，故0cos m R m R ϕθ=v v . (2)由 (1) 式，最大速率应与θ的最大值相对应max max ()θ=v v . (3)而由 (2) 式，q 不可能达到π2. 由(1)和(2)式，q 的最大值应与0θ=v 相对应，即max ()0θθ=v . (4)[(4)式也可用下述方法得到：由 (1)、(2) 式得22202sin tan 0gR θθθ-=≥v v .若sin 0θ≠，由上式得220sin 2cos gRθθ≤v .实际上，sin =0θ也满足上式。
由上式可知max 22max 0sin 2cos gRθθ=v .由(3)式有222max max 0max ()2sin tan 0gR θθθθ=-=v v . (4’)将max ()0θθ=v 代入式(1)，并与式(2)联立，得()2220max max max sin 2sin 1sin 0gR θθθ--=v . (5)以max sin θ为未知量，方程(5)的一个根是sin q =0，即q =0，这表示初态，其速率为最小值，不是所求的解. 于是max sin 0θ≠. 约去max sin θ，方程(5)变为22max 0max 2sin sin 20gR gR θθ+-=v . (6)其解为20maxsin 14gR θ⎫=-⎪⎪⎭v . (7)注意到本题中sin 0θ≥，方程(6)的另一解不合题意，舍去. 将(7)式代入(1)式得，当max θθ=时，(22012ϕ=v v ,(8) 考虑到(4)式有max ==v评分标准：本题15分. (1)式3分， (2) 式3分，(3) 式1分，(4) 式3分， (5) 式1分，(6) 式1分，(7) 式1分， (9) 式2分.二、（20分）一长为2l 的轻质刚性细杆位于水平的光滑桌面上，杆的两端分别固定一质量为m 的小物块D 和一质量为m α（α为常数）的小物块B ，杆可绕通过小物块B 所在端的竖直固定转轴无摩擦地转动. 一质量为m 的小环C 套在细杆上（C 与杆密接），可沿杆滑动，环C 与杆之间的摩擦可忽略. 一轻质弹簧原长为l ，劲度系数为k ，两端分别与小环C 和物块B 相连. 一质量为m 的小滑块A 在桌面上以垂直于杆的速度飞向物块D ，并与之发生完全弹性正碰，碰撞时间极短. 碰撞 时滑块C 恰好静止在距轴为r （r >l ）处.1. 若碰前滑块A 的速度为0v ，求碰撞过程中轴受到的作用力的冲量；2. 若碰后物块D 、C 和杆刚好做匀速转动，求碰前滑块A 的速度0v 应满足的条件.参考解答：1. 由于碰撞时间t ∆很小，弹簧来不及伸缩碰撞已结束. 设碰后A 、C 、D 的速度分别为A v 、C v 、D v ，显然有D C2l r =v v . (1)以A 、B 、C 、D 为系统，在碰撞过程中，系统相对于轴不受外力矩作用，其相对于轴的角动量守恒D C A 0222m l m r m l m l ++=v v v v . (2)由于轴对系统的作用力不做功，系统内仅有弹力起作用，所以系统机械能守恒. 又由于碰撞时间t ∆很小，弹簧来不及伸缩碰撞已结束，所以不必考虑弹性势能的变化. 故2222D C A 011112222m m m m ++=v v v v . (3) 由 (1)、(2)、(3) 式解得2200022222248,,888C D A lr l r l r l r l r===-+++v v v v v v (4)[代替 (3) 式，可利用弹性碰撞特点0D A =-v v v . (3’) 同样可解出(4). ]设碰撞过程中D 对A 的作用力为1F '，对A 用动量定理有221A 0022428l r F t m m m l r+'∆=-=-+v v v ,(5)方向与0v 方向相反. 于是，A 对D 的作用力为1F 的冲量为221022428l r F t m l r+∆=+v (6)方向与0v 方向相同.以B 、C 、D 为系统，设其质心离转轴的距离为x ，则22(2)2mr m l l r x m αα++==++. (7)质心在碰后瞬间的速度为C 0224(2)(2)(8)l l r x r l r α+==++v v v . (8) 轴与杆的作用时间也为t ∆，设轴对杆的作用力为2F ，由质心运动定理有()210224(2)28l l r F t F t m m l rα+∆+∆=+=+v v . (9) 由此得2022(2)28r l r F t m l r-∆=+v . (10) 方向与0v 方向相同. 因而，轴受到杆的作用力的冲量为2022(2)28r l r F t m l r -'∆=-+v ,(11) 方向与0v 方向相反. 注意：因弹簧处在拉伸状态，碰前轴已受到沿杆方向的作用力；在碰撞过程中还有与向心力有关的力作用于轴. 但有限大小的力在无限小的碰撞时间内的冲量趋于零，已忽略.[代替 (7)-(9) 式，可利用对于系统的动量定理21C D F t F t m m ∆+∆=+v v . ][也可由对质心的角动量定理代替 (7)-(9) 式. ]2. 值得注意的是，(1)、(2)、(3) 式是当碰撞时间极短、以至于弹簧来不及伸缩的条件下才成立的. 如果弹簧的弹力恰好提供滑块C 以速度02248C lrl r =+v v 绕过B 的轴做匀速圆周运动的向心力，即()222C 022216(8)l r k r m m r l r -==+v v(12) 则弹簧总保持其长度不变，(1)、(2)、(3) 式是成立的. 由(12)式得碰前滑块A 的速度0v 应满足的条件0=v (13)可见，为了使碰撞后系统能保持匀速转动，碰前滑块A 的速度大小0v 应满足(13)式.评分标准：本题20分.第1问16分，(1)式1分， (2) 式2分，(3) 式2分，(4) 式2分， (5) 式2分，(6) 式1分，(7) 式1分，(8) 式1分，(9) 式2分，(10) 式1分，(11) 式1分； 第2问4分，(12) 式2分，(13) 式2分.三、（25分）一质量为m 、长为L 的匀质细杆，可绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内自由转动. 杆在水平状态由静止开始下摆， 1. 令mLλ=表示细杆质量线密度. 当杆以角速度ω绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内转动时，其转动动能可表示为 k E k L αβγλω=式中，k 为待定的没有单位的纯常数. 已知在同一单位制下，两物理量当且仅当其数值和单位都相等时才相等. 由此求出α、β和γ的值.2. 已知系统的动能等于系统的质量全部集中在质心时随质心一起运动的动能和系统在质心系（随质心平动的参考系）中的动能之和，求常数k 的值.3. 试求当杆摆至与水平方向成θ角时在杆上距O 点为r 处的横截面两侧部分的相互作用力. 重力加速度大小为g .提示：如果)(t X 是t 的函数，而))((t X Y 是)(t X 的函数，则))((t X Y 对t 的导数为d (())d d d d d Y X t Y Xt X t=例如，函数cos ()t θ对自变量t 的导数为dcos ()dcos d d d d t t tθθθθ=参考解答：1. 当杆以角速度ω绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内转动时，其动能是独立变量λ、ω和L 的函数，按题意 可表示为k E k L αβγλω= (1)式中，k 为待定常数（单位为1）. 令长度、质量和时间的单位分别为[]L 、[]M 和[]T （它们可视为相互独立的基本单位），则λ、ω、L 和k E 的单位分别为 1122[][][],[][],[][],[][][][]k M L T L L E M L T λω---==== (2)在一般情形下，若[]q 表示物理量q 的单位，则物理量q 可写为 ()[]q q q = (3)式中，()q 表示物理量q 在取单位[]q 时的数值. 这样，(1) 式可写为 ()[]()()()[][][]k k E E k L L αβγαβγλωλω= (4)在由(2)表示的同一单位制下，上式即()()()()k E k L αβγλω= (5) [][][][]k E L αβγλω= (6)将 (2)中第四 式代入 (6) 式得22[][][][][][]M L T M L T αγαβ---= (7)(2)式并未规定基本单位[]L 、[]M 和[]T 的绝对大小，因而(7)式对于任意大小的[]L 、[]M 和[]T 均成立，于是1,2,3αβγ=== (8)所以23k E k L λω= (9)2. 由题意，杆的动能为,c ,r k k k E E E =+ (10)其中， 22,cc 11()222k L E m L λω⎛⎫== ⎪⎝⎭v (11) 注意到，杆在质心系中的运动可视为两根长度为2L的杆过其公共端（即质心）的光滑水平轴在铅直平面内转动，因而，杆在质心系中的动能,r k E 为 32,r2(,,)222k k L L E E k λωλω⎛⎫== ⎪⎝⎭(12)将(9)、 (11)、 (12)式代入(10)式得2323212222L L k L L k λωλωλω⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(13)由此解得16k = (14)于是E k =16lw 2L 3. (15)3. 以细杆与地球为系统，下摆过程中机械能守恒sin 2k L E mg θ⎛⎫= ⎪⎝⎭(16) 由(15)、(16)式得w =以在杆上距O 点为r 处的横截面外侧长为()L r -的那一段为研究对象，该段质量为()L r λ-，其质心速度为22c L r L rr ωω-+⎛⎫'=+= ⎪⎝⎭v . (18) 设另一段对该段的切向力为T (以θ增大的方向为正方向)， 法向(即与截面相垂直的方向)力为N (以指向O 点方向为正向)，由质心运动定理得()()cos t T L r g L r a λθλ+-=- (19) ()()sin n N L r g L r a λθλ--=- (20)式中，t a 为质心的切向加速度的大小()3cos d d d d d 2d 2d dt 4ct L r g L r L r a t t Lθωωθθ+'++====v (21) 而n a 为质心的法向加速度的大小()23sin 22n L r g L r a Lθω++==. (22) 由(19)、(20)、(21)、(22)式解得 ()()23cos 4L r r L T mg L θ--= (23)()()253sin 2L r L r N mg L θ-+=(24)评分标准：本题25分.第1问5分， (2) 式1分， (6) 式2分，(7) 式1分，(8) 式1分；第2问7分， (10) 式1分，(11) 式2分，(12) 式2分， (14) 式2分；不依赖第1问的结果，用其他方法正确得出此问结果的，同样给分；第3问13分，(16) 式1分，(17) 式1分，(18) 式1分，(19) 式2分，(20) 式2分，(21) 式2分，(22) 式2分，(23) 式1分，(24) 式1分；不依赖第1、2问的结果，用其他方法正确得出此问结果的，同样给分.四、（20分）图中所示的静电机由一个半径为R 、与环境绝缘的开口（朝上）金属球壳形的容器和一个带电液滴产生器G 组成. 质量为m 、带电量为q 的球形液滴从G 缓慢地自由掉下（所谓缓慢，意指在G 和容器口之间总是只有一滴液滴）. 液滴开始下落时相对于地面的高度为h . 设液滴很小，容器足够大，容器在达到最高电势之前进入容器的液体尚未充满容器. 忽略G 的电荷对正在下落的液滴的影响.重力加速度大小为g . 若容器初始电势为零，求容器可达到的最高电势max V .参考解答：设在某一时刻球壳形容器的电量为Q . 以液滴和容器为体系，考虑从一滴液滴从带电液滴产生器 G 出口自由下落到容器口的过程. 根据能量守恒有2122Qq Qqmgh km mgR kh R R+=++-v . (1) 式中，v 为液滴在容器口的速率，k 是静电力常量. 由此得液滴的动能为 21(2)(2)2()Qq h R m mg h R kh R R-=---v . (2) 从上式可以看出，随着容器电量Q 的增加，落下的液滴在容器口的速率v 不断变小；当液滴在容器口的速率为零时，不能进入容器，容器的电量停止增加，容器达到最高电势. 设容器的最大电量为max Q ，则有 max (2)(2)0()Q q h R mg h R kh R R---=-. (3)由此得 max ()mg h R RQ kq-=. (4)容器的最高电势为maxmax Q V kR= (5) 由(4) 和 (5)式得 max ()mg h R V q-=(6) 评分标准：本题20分. (1)式6分， (2) 式2分，(3) 式4分，(4) 式2分， (5) 式3分，(6) 式3分.五、（25分）平行板电容器两极板分别位于2dz =±的平面内，电容器起初未被充电. 整个装置处于均匀磁场中，磁感应强度大小为B ，方向沿x 轴负方向，如图所示.1. 在电容器参考系S 中只存在磁场；而在以沿y 轴正方向的恒定速度(0,,0)v （这里(0,,0)v 表示为沿x 、y 、z 轴正方向的速度分量分别为0、v 、0，以下类似）相对于电容器运动的参考系S '中，可能既有电场(,,)xy z E E E '''又有磁场(,,)x y z B B B '''. 试在非相对论情形下，从伽利略速度变换，求出在参考系S '中电场(,,)xy z E E E '''和磁场(,,)x y z B B B '''的表达式. 已知电荷量和作用在物体上的合力在伽利略变换下不变.2. 现在让介电常数为ε的电中性液体（绝缘体）在平行板电容器两极板之间匀速流动，流速大小为v ，方向沿y 轴正方向. 在相对液体静止的参考系（即相对于电容器运动的参考系）S '中，由于液体处在第1问所述的电场(,,)xy z E E E '''中，其正负电荷会因电场力作用而发生相对移动（即所谓极化效应），使得液体中出现附加的静电感应电场，因而液体中总电场强度不再是(,,)xy z E E E '''，而是0(,,)xy z E E E εε'''，这里0ε是真空的介电常数. 这将导致在电容器参考系S 中电场不再为零. 试求电容器参考系S 中电场的强度以及电容器上、下极板之间的电势差. （结果用0ε、ε、v 、B 或（和）d 表出. ）参考解答：1. 一个带电量为q 的点电荷在电容器参考系S 中的速度为(,,)x y z u u u ，在运动的参考系S '中的速度为(,,)x y z u u u '''. 在参考系S 中只存在磁场(,,)(,0,0)x y z B B B B =-，因此这个点电荷在参考系S 中所受磁场的作用力为0,,x y z z y F F qu B F qu B==-= (1) 在参考系S '中可能既有电场(,,)xy z E E E '''又有磁场(,,)x y z B B B '''，因此点电荷q 在S '参考系中所受电场和磁场的作用力的合力为(),(),()x x y z z y y yx z z x z z x y y x F q E u B u B F q E u B u B F q E u B u B '''''''=+-'''''''=-+'''''''=+-(2) 两参考系中电荷、合力和速度的变换关系为 ,(,,)(,,),(,,)(,,)(0,,0)x y z x y z x y z x y z q q F F F F F F u u u u u u '='''='''=-v (3)由(1)、 (2)、 (3)式可知电磁场在两参考系中的电场强度和磁感应强度满足 ()0,,()xy z z y yx z z x z z x yy x y E u B u B E u B u B u B E u B u B u B '''+--='''-+=-'''+--=v v (4)它们对于任意的(,,)x y z u u u 都成立，故(,,)(0,0,),(,,)(,0,0)xy z xy z E E E B B B B B '''='''=-v (5)可见两参考系中的磁场相同，但在运动的参考系S '中却出现了沿z 方向的匀强电场.2. 现在，电中性液体在平行板电容器两极板之间以速度(0,,0)v 匀速运动. 电容器参考系S 中的磁场会在液体参考系S '中产生由(5)式中第一个方程给出的电场. 这个电场会把液体极化，使得液体中的电场为(,,)(0,0,)xy z E E E B εε'''=v . (6) 为了求出电容器参考系S 中的电场，我们再次考虑电磁场的电场强度和磁感应强度在两个参考系之间的变换，从液体参考系S '中的电场和磁场来确定电容器参考系S 中的电场和磁场. 考虑一带电量为q 的点电荷在两参考系中所受的电场和磁场的作用力. 在液体参考系S '中，这力(,,)x y z F F F '''如(2)式所示. 它在电容器参考系S 中的形式为(),(),()x x y z z y y y x z z x z z x y y x F q E u B u B F q E u B u B F q E u B u B =+-=-+=+-(7) 利用两参考系中电荷、合力和速度的变换关系(3)以及(6)式，可得 00,,()x y z z y y x z z x z z x y y x y E u B u B E u B u B u B BE u B u B u B εε+-=-+=-+-=+-v v (8)对于任意的(,,)x y z u u u 都成立，故 0(,,)(0,0,(1)),(,,)(,0,0)x y z x y z E E E B B B B B εε=-=-v (9) 可见，在电容器参考系S 中的磁场仍为原来的磁场，现由于运动液体的极化，也存在电场，电场强度如(9)中第一式所示.注意到(9)式所示的电场为均匀电场，由它产生的电容器上、下极板之间的电势差为z V E d =-. (10)由(9)式中第一式和(10)式得01V Bd εε⎛⎫=- ⎪⎝⎭v . (11)评分标准：本题25分.第1问12分， (1) 式1分， (2) 式3分， (3) 式3分，(4) 式3分，(5) 式2分；第2问13分， (6) 式1分，(7) 式3分，(8) 式3分， (9) 式2分， (10) 式2分，(11) 式2分.六、（15分）温度开关用厚度均为0.20 mm 的钢片和青铜片作感温元件；在温度为20C ︒时，将它们紧贴，两端焊接在一起，成为等长的平直双金属片. 若钢和青铜的线膨胀系数分别为51.010-⨯/度和52.010-⨯/度. 当温度升高到120C ︒时，双金属片将自动弯成圆弧形，如图所示. 试求双金属片弯曲的曲率半径. (忽略加热时金属片厚度的变化. )参考解答：设弯成的圆弧半径为r ，金属片原长为l ，圆弧所对的圆心角为φ，钢和青铜的线膨胀系数分别为1α和2α，钢片和青铜片温度由120C T =︒升高到2120C T =︒时的伸长量分别为1l ∆和2l ∆. 对于钢片1()2dr l l φ-=+∆ (1)1121()l l T T α∆=- (2) 式中，0.20 mm d =. 对于青铜片2()2dr l l φ+=+∆ (3)2221()l l T T α∆=- (4) 联立以上各式得2122121212()()2.010 mm 2()()T T r d T T αααα++-==⨯-- (5)评分标准：本题15分. (1)式3分， (2) 式3分，(3) 式3分，(4) 式3分， (5) 式3分.七、（20分）一斜劈形透明介质劈尖，尖角为θ，高为h . 今以尖角顶点为坐标原点，建立坐标系如图(a)所示；劈尖斜面实际上是由一系列微小台阶组成的，在图(a)中看来，每一个小台阶的前侧面与xz 平面平行，上表面与yz 平面平行. 劈尖介质的折射率n 随x 而变化，()1n x bx =+，其中常数0b >. 一束波长为λ的单色平行光沿x 轴正方向照射劈尖；劈尖后放置一薄凸透镜，在劈尖与薄凸透镜之间放一档板，在档板上刻有一系列与z 方向平行、沿y 方向排列的透光狭缝，如图(b)所示. 入射光的波面（即与平行入射光线垂直的平面）、劈尖底面、档板平面都与x 轴垂直，透镜主光轴为x 轴. 要求通过各狭缝的透射光彼此在透镜焦点处得到加强而形成亮纹. 已知第一条狭缝位于y =0处；物和像之间各光线的光程相等.1. 求其余各狭缝的y 坐标；2. 试说明各狭缝彼此等距排列能否仍然满足上述要求.图(a) 图(b) 参考解答：1. 考虑射到劈尖上某y 值处的光线，计算该光线由0x =到x h =之间的光程()y δ. 将该光线在介质中的光程记为1δ，在空气中的光程记为2δ. 介质的折射率是不均匀的，光入射到介质表面时，在0x = 处，该处介质的折射率()01n =；射到x 处时，该处介质的折射率()1n x bx =+. 因折射率随x线性增加，光线从0x =处射到1x h =（1h 是劈尖上y 值处光线在劈尖中传播的距离）处的光程1δ与光通过折射率等于平均折射率()()()1111110111222n n n h bh bh =+=++=+⎡⎤⎣⎦ (1) 的均匀介质的光程相同，即2111112nh h bh δ==+ (2)x忽略透过劈尖斜面相邻小台阶连接处的光线（事实上，可通过选择台阶的尺度和档板上狭缝的位置来避开这些光线的影响），光线透过劈尖后其传播方向保持不变，因而有21h h δ=- (3)于是()212112y h bh δδδ=+=+. (4)由几何关系有1tan h y θ=. (5)故()22tan 2b y h y δθ=+. (6)从介质出来的光经过狭缝后仍平行于x 轴，狭缝的y 值应与对应介质的y 值相同，这些平行光线会聚在透镜焦点处. 对于0y =处，由上式得d 0()=h . (7)y 处与0y =处的光线的光程差为()()220tan 2b y y δδθ-=. (8)由于物像之间各光线的光程相等，故平行光线之间的光程差在通过透镜前和会聚在透镜焦点处时保持不变；因而(8)式在透镜焦点处也成立. 为使光线经透镜会聚后在焦点处彼此加强，要求两束光的光程差为波长的整数倍，即22tan ,1,2,3,2b y k k θλ==. (9)由此得y A θθ===. (10) 除了位于y =0处的狭缝外，其余各狭缝对应的y 坐标依次为,,,,A . (11)2. 各束光在焦点处彼此加强，并不要求(11)中各项都存在. 将各狭缝彼此等距排列仍可能满足上述要求. 事实上，若依次取,4,9,k m m m =，其中m 为任意正整数，则49,,,m m m y y y ===. (12)，光线在焦点处依然相互加强而形成亮纹. 评分标准：本题20分.第1问16分， (1) 式2分， (2) 式2分， (3) 式1分，(4) 式1分，(5) 式2分，(6) 式1分，(7) 式1分，(8) 式1分， (9) 式2分， (10) 式1分，(11) 式2分； 第2问4分，(12) 式4分（只要给出任意一种正确的答案，就给这4分）.八、（20分）光子被电子散射时，如果初态电子具有足够的动能，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射. 当低能光子与高能电子发生对头碰撞时，就会出现逆康普顿散射. 已知电子静止质量为e m ，真空中的光速为 c . 若能量为e E 的电子与能量为E γ的光子相向对碰，1. 求散射后光子的能量；2. 求逆康普顿散射能够发生的条件；3. 如果入射光子能量为2.00 eV ，电子能量为 1.00´109 eV ，求散射后光子的能量. 已知 m e =0.511´106 eV /c 2. 计算中有必要时可利用近似：如果1x <<»1-12x .参考解答：1. 设碰撞前电子、光子的动量分别为e p （0e p >）、p γ（0p γ<），碰撞后电子、光子的能量、动量分别为,,,ee E p E p γγ''''. 由能量守恒有 E e +E g =¢E e +¢E g . (1)由动量守恒有cos cos ,sin sin .e eep p p p p p γγγαθαθ''+=+''=. (2)式中，α和θ分别是散射后的电子和光子相对于碰撞前电子的夹角. 光子的能量和动量满足E g =p g c ,¢E g =¢p g c . (3)电子的能量和动量满足22224e e e E p c m c -=，22224e e e E p c m c ''-= (4)由(1)、(2)、(3)、(4)式解得e E E E γγ'=[由(2)式得22222()2()cos ee e p c p c p c p c p c p c p c γγγγθ'''=++-+此即动量p '、ep '和e p p γ+满足三角形法则. 将(3)、(4)式代入上式，并利用(1)式，得 22(2)()22cos 2e e e E E E E E E E E E E E γγγγγγγγθθ''+-+=+--此即(5)式. ]当0θ→时有e E E E γγ'=(6)2. 为使能量从电子转移到光子，要求¢E g >E g . 由(5)式可见，需有E E γγ'-=>此即E γ 或 e p p γ>(7)注意已设p e >0、p g <0.3. 由于2e e E m c >>和e E E γ>>，因而e p p p γγ+>>，由(5)式可知p p γγ'>>，因此有0θ≈. 又242e e em cE E -. (8)将(8)式代入(6)式得¢E g »2E e E g2E g +m e 2c 42E e. (9) 代入数据，得¢E g »29.7´106eV . (10)评分标准：本题20分.第1问10分， (1) 式2分， (2) 式2分， (3) 式2分，(4) 式2分，(5) 或(6)式2分； 第2问5分，(7) 式5分；第3问5分，(8) 式2分， (9) 式1分， (10) 式2分.。
第27届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案
第 2 7届全国中学生物理竞赛复赛试卷本卷共九题，满分160 分．计算题的解答应写出必需的文字说明、方程式和重要的演算步骤．只写出最后结果的不可以得分．有数字计算的题．答案中一定明确写出数值和单位．填空题把答案填在题中的横线上，只需给出结果，不需写出求解的过程．一、（15 分）蛇形摆是一个用于演期与摆长关系的实验仪器（见图）．若位于同一高度并等间距地排成一条直悬挂点在不一样的高度上，摆长挨次减示单摆周干个摆球线，它们的小．设重力加快度 g=9.80 m/s2,1．试设计一个包括十个单摆的蛇形摆（即求出每个摆的摆长），要求知足： (a ）每个摆的摆长不小于0.450m，不大于1.00m;(b ）初始时将所有摆球由均衡点沿x 轴正方向挪动同样的一个小位移xo(xo<<0.45m) ，而后同时开释，经过40s 后，所有的摆可以同时回到初始状态．2．在上述情况中，从所有的摆球开始摇动起，到它们的速率初次所有为零所经过的时间为 ________________________________________.二、（20 分）距离我们为L 处有一恒星，其质量为M，观察发现其地点呈周期性摇动，周期为 T，摇动范围的最大张角为△θ．假定该星体的周期性摇动是因为有一颗环绕它作圆周运动的行星惹起的，试给出这颗行星的质量m所知足的方程．若 L=10 光年， T=10 年，△θ=3 毫角秒， M=Ms（Ms为太阳质量），则此行星的质量和它运动的轨道半径 r 各为多少？分别用太阳质量 Ms和国际单位 AU（均匀日地距离）作为单位，只保存一位有效数字．已知 1 毫角秒 =角秒， 1 角秒 =度， 1AU=1.5×108km,光速 c=3.0 ×105km/s.三、（22 分）如图，一质量均匀散布的刚性螺旋环质量为m，半径为 R，螺距 H=πR，可绕竖直的对称轴 OO′，无摩擦地转动，连结螺旋环与转轴的两支撑杆的质量可忽视不计．一质量也为 m的小球穿在螺旋环上并可沿螺旋环无摩擦地滑动 , 第一扶住小球使其静止于螺旋环上的某一点 A，这时螺旋环也处于静止状态．而后松开小球，让小球沿螺旋环下滑，螺旋环便绕转轴 OO′，转动．求当小球下滑到离其初始地点沿竖直方向的距离为 h 时，螺旋环转动的角速度和小球对螺旋环作使劲的大小．四、（12 分）以下图，一质量为 m、电荷量为 q(q>0 ）的粒子作角速度为ω、半径为R 的匀速圆周运动. 一长直细导线位于圆周所在的平面内，离圆心的距离为d(d>R) ，在导线上通有随时间变化的电流I,t=0时辰，粒子速度的方向与导线平行，离导线的距离为d+R.若粒子做圆周运动的向心力等于电流i, 的磁场对粒子的作用力，试求出电流i随时间的变化规律．不考虑变化的磁场产生的感生电场及重力的影响．长直导线电流产生的磁感觉强度表示式中的比率系数k 已知．五、（20 分）以下图，两个固定的均匀带电球面，分别为 +Q和-Q(Q>0)，半径分别为 R和 R/2，小球面与于 C 点，两球面球心 O和 O’的连线 MN沿竖直方在 MN 交点 B、0 和 C处各开有足够小的孔因小孔损失的电荷有一质量为 m，带电荷为 q(q>0 的质点自 MN线上离 B 所带电荷量大球面内切与两球面的量忽视不计，点距离为 R的 A点竖直上抛。
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第27 届全国中学生物理竞赛复赛试卷
本卷共九题，满分160 分．计算题的解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤．只写出最后结果的不能得分．有数字计算的题．答案中必须明确写出数值和单位．填空题把答案填在题中的横线上，只要给出结果，不需写出求解的过程．
一、（15 分）蛇形摆是一个用于演示单摆周期与摆长关系的实验仪器（见图）．若干个摆球位于同一高度并等间距地排成一条直线，它们的悬挂点在不同的高度上，摆长依次减小．设重力加速度g = 9 . 80 m/ s2 ,
1 ．试设计一个包含十个单摆的蛇形摆（即求出每个摆的摆长），要求满足：( a ）每个摆的摆长不小于0 . 450m ，不大于1.00m ; ( b ）初始时将所有摆球由平衡点沿x 轴正方向移动相同的一个小位移xo ( xo <<0.45m ) ，然后同时释放，经过40s 后，所有的摆能够同时回到初始状态．
2 ．在上述情形中，从所有的摆球开始摆动起，到它们的速率首次全部为零所经过的时间为________________________________________.
全国中学生物理竞赛复赛1--8
二、（20 分）距离我们为L 处有一恒星，其质量为M ，观测发现其位置呈周期性摆动，周期为T ，摆动范围的最大张角为△θ．假设该星体的周期性摆动是由于有一颗围绕它作圆周运动的行星引起的，试给出这颗行星的质量m所满足的方程．
若L=10 光年，T =10 年，△θ= 3 毫角秒，M = Ms （Ms为太阳质量），则此行星的质量和它运动的轨道半径r各为多少？分别用太阳质量Ms 和国际单位AU （平均日地距离）作为单位，只保留一位有效数字．已知 1
毫角秒=
1
1000角秒，1角秒=
1
3600度，1AU=1.5×10
8km,光速 c = 3.0×
105km/s.
全国中学生物理竞赛复赛2--8
三、（22 分）如图，一质量均匀分布的刚性螺旋环质量为m，半径为R ，螺距H =πR ，可绕竖直的对称轴OO′，无摩擦地转动，连接螺旋环与转轴的两支撑杆的质量可忽略不计．一质量也为m 的小球穿在螺旋环上并可沿螺旋环无摩擦地滑动,首先扶住小球使其静止于螺旋环上的某一点 A ，这时螺旋环也处于静止状态．然后放开小球，让小球沿螺旋环下滑，螺旋环便绕转轴O O′，转动．求当小球下滑到离其初始位置沿竖直方向的距离为h 时，螺旋环转动的角速度和小球对螺旋环作用力的大小．
全国中学生物理竞赛复赛3--8
四、（ 12 分）如图所示，一质量为m、电荷量为 q ( q > 0 ）的粒子作角速度为ω、半径为 R 的匀速圆周运动.一长直细导线位于圆周所在的平面内，离圆心的距离为d ( d > R ) ，在导线上通有随时间变化的电流I, t= 0 时刻，粒子速度的方向与导线平行，离导线的距离为d+ R .若粒子做圆周运动的向心力等于电流 i ,的磁场对粒子的作用力，试求出电流 i 随时间的变化规律．不考虑变化的磁场产生的感生电场及重力的影响．长直导线电流产生的磁感应强度表示式中的比例系数 k 已知．
全国中学生物理竞赛复赛4--8
五、（20分）如图所示，两个固定的均匀带电球面，所带Array电荷量分别为+Q和-Q (Q >0) ，半径分别为R和R/2，小球面与大球面内切于C点，两球面球心O和O’的连线MN 沿竖直方在MN与两球面的交点B、0和C 处各开有足够小的孔因小孔损失的电荷量忽略不计，有一质量为m，带电荷为q(q>0的质点自MN线上离B点距离为R的A点竖直上抛。
设静电力常量为k，重力加度为g.
1．要使质点从 A 点上抛后能够到达B点，所需的最小初动能为多少？
2．要使质点从A点上抛后能够到达O点，在不同条件
下所需的最小初动能各为多少？
全国中学生物理竞赛复赛5--8
六、（ 20 分）由单位长度电阻为r的导线组成如图所示的正方形网络系列．n=1时，正方形网络边长为L,n= 2时，小正方形网络的边长为L/3；n=3 时，最小正方形网络的边长为L/9．当 n=1、2、3 时，各网络上A、B两点间的电阻分别为多少？
七、（15分）地球上的能量从源头上说来自太阳辐射到达地面的太阳辐射（假定不计大气对太阳辐射的吸收）一部分被地球表面反射到太空，其余部分被地球吸收．被吸收的部分最终转换成为地球热辐射（红外波段的电磁波）．热辐射在向外传播过程中，其中一部分会被温室气体反射回地面，地球以此方式保持了总能量平衡。
作为一个简单的理想模型，假定地球表面的温度处处相同，且太阳和地球的辐射都遵从斯忒蕃一玻尔兹曼定律：单位面积的辐射功率 J与表面的热力学温度 T 的四次方成正比，即 J=σT4,其中σ是一个常量．已知太阳表面温度T s=5.78×103K ，太阳半径 R s=6.69×105km ,地球到太阳的平均距离d=1.50×108 km ．假设温室气体在大气层中集中形成一个均匀的薄层，并设它对热辐射能量的反射率为ρ=0.38 .
1．如果地球表面对太阳辐射的平均反射率α=0.30 ，试问考虑了温室气体对热辐射的反射作用后，地球表面的温度是多少？
2．如果地球表面一部分被冰雪覆盖，覆盖部分对太阳辐射的反射率为α1=0.85 ，其余部分的反射率处α2=0.25 ．间冰雪被盖面占总面积多少时地球表面温度为 273K .
全国中学生物理竞赛复赛6--8
全国中学生物理竞赛复赛7--8
八、（20分）正午时太阳的入射光与水平面的夹角θ=450 ．有一座房子朝
南的墙上有一个直径 W =10cm 的圆窗，窗口中心距地面的高度为 H ．试设计一套采光装置，使得正午时刻太阳光能进人窗口，并要求进入的光为充满窗口、垂直墙面、且光强是进人采光装置前 2 倍的平行光．可供选用的光学器件如下：一个平面镜，两个凸透镜，两个凹透镜；平面镜的反射率为 80 % ，透镜的透射率为 70 % ，忽略透镜表面对光的反射．要求从这些器件中选用最少的器件组成采光装置．试画出你所设计的采光装置中所选器件的位置及该装置的光路图，并求出所选器件的最小尺寸和透镜焦距应满足的条件
.
九、（ 16 分）已知粒子 1 和粒子 2 的静止质量都是 m0，粒子 1 静止，粒子 2 以速度v0与粒子 1 发生弹性碰撞．
1.若碰撞是斜碰，考虑相对论效．试论证：碰后两粒子速度方向的夹角是锐角、直角还是钝角．若不考虑相对论效应结果又如何？
2.若碰撞是正碰，考虑相对论效应，试求碰后两粒子的速度.
全国中学生物理竞赛复赛8--8。