第21-25届全国部分地区大学生物理竞赛试题及解答

第25届全国中学生物理竞赛预赛题试卷一．选择题。

本题共6小题，每小题6分，在每小题给出的4个选项中，有的小题只有一项是正确的，有的小题有多项是正确的。

把正确选项前面的英文字母写在每小题后面的方括号内。

全部选对得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分。

1．如图两块固连在一起的物块a 和b ，质量分别为m a 和m b ，放在水平的光滑桌面上。

现同时施给它们方向如图所示的推力F a和拉力F b ，已知F a ＞F b ，则a 对b 的作用力（） （A ）必为推力 （B ）必为拉力 （C ）可能为推力，也可能为拉力 （D ）可能为零2．用光照射处在基态的氢原子，有可能氢原子电离。

下列说法中正确的是（ ）（A ）只要光的强度足够大，就一定可以使氢原子电离（B ）只要光的频率足够大，就一定可以使氢原子电离（C ）只要光子的能量足够大，就一定可以使氢原子电离（D ）只要光照的时间足够长，就一定可以使氢原子电离3．如图所示，一U 形光滑导轨串有一电阻R ，放置在匀强的外磁场中，导轨平面与磁场方向垂直。

一电阻可忽略不计但有一定质量的金属杆ab 跨接在导轨上，可沿导轨方向平移。

现从静止开始对ab杆施以向右的恒力F ，若忽略杆与U 形导轨的自感，则在杆运动过程中，下列哪种说法是正确的（ ） （A ）外磁场对杆ab 的作用力对ab 杆做功，但外磁场的能量是不变的（B ）外力F 做的功总是等于电阻R 上消耗的功（C ）外磁场对杆ab 作用力的功率与电阻R 上消耗的功率两者绝对值是相等的（D ）电阻R 上消耗的功率存在最大值4．如图所示，放置在升降机地板上的盛有水的容器中，插有两根相对容器的位置是固定的玻璃管a 和b ，管的上端都是封闭的，下端都是开口的。

管内被水各封有一定质量的气体。

平衡时，a 管内的水面比管外低，b 管内的水面比管外高。

现令升降机从静止开始加速下降，已知在此过程中管内气体仍被封闭在管内，且经历的过程可视为绝热过程，则在此过程中（ ） （A ）a 中气体内能将增加，b 中气体内能将减少（B ）a 中气体内能将减少，b 中气体内能将增加（C ）a 、b 中气体内能都将增加（D ）a 、b 中气体内能都将减少5．图示为由粗细均匀的细玻璃管弯曲成的“双U 形管”，a 、b 、c 、d 为其四段竖直的部分，其中a 、d 上端是开口的，处在大气中。

第25届全国中学生物理竞赛预赛卷一、选择题。

本题共6小题，每小题6分。

在每小题给出的4个选项中，有的小题只有一项是正确的，有的小题有多项是正确的。

把正确选项前面的英文字母写在每小题后面的方括号内。

全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分。

1. 如图所示，两块固连在一起的物块a和b，质量分别为m a和m b，放在水平的光滑桌面上。

现同时施给它们方向如图所示的推力F a和拉力F b，已知F a>F b，则a对b的作用力A. 必为推力B. 必为拉力C. 可能为推力，也可能为拉力D. 可能为零2. 用光照射处在基态的氢原子，有可能使氢原子电离。

下列说法中正确的是A. 只要光的光强足够大，就一定可以使氢原子电离B. 只要光的频率足够高，就一定可以使氢原子电离C. 只要光子的能量足够大，就一定可以使氢原子电离D. 只要光照的时间足够长，就一定可以使氢原子电离3. 如图所示，一U形光滑导轨串有一电阻R，放置在匀强的外磁场中，导轨平面与磁场方向垂直。

一电阻可忽略不计但有一定质量的金属杆ab跨接在导轨上，可沿导轨方向平移。

现从静止开始对ab杆施以向右的恒力F，若忽略杆和U 形导轨的自感，则在杆运动过程中，下列哪种说法是正确的？A. 外磁场对载流杆ab的作用力对ab杆做功，但外磁场的能量是不变的B. 外力F的功总是等于电阻R上消耗的功C. 外磁场对载流杆ab作用力的功率与电阻R上消耗的功率两者的大小是相等的D. 电阻R上消耗的功率存在最大值4. 如图所示，放置在升降机地板上的盛有水的容器中，插有两根相对容器的位置是固定的玻璃管a和b，管的上端都是封闭的，下端都是开口的。

管内被水各封有一定质量的气体。

平衡时，a管内的水面比管外低，b管内的水面比管外高。

现令升降机从静止开始加速下降，已知在此过程中管内气体仍被封闭在管内，且经历的过程可视为绝热过程，则在此过程中A. a中气体内能将增加，b中气体内能将减少B. a中气体内能将减少，b中气体内能将增加C. a、b中气体内能都将增加D. a、b中气体内能都将减少5. 图示为由粗细均匀的细玻璃管弯曲成的“双U形管”，a、b、c、d为其四段竖直的部分，其中a、d上端是开口的，处在大气中。

第25届全国中学生物理竞赛复赛理论试题参考解答一、答案1. 14103.1⨯ 2. 31122kg m s -⋅⋅ 51.0610-⨯(答51.0510-⨯也给分)3.34T T 二、参考解答：1. 椭圆半长轴a 等于近地点和远地点之间距离的一半，亦即近地点与远地点矢径长度（皆指卫星到地心的距离）n r 与f r 的算术平均值，即有 ()()()()n f n f n f111222a r r H R H R H H R =+=+++=++⎡⎤⎣⎦ (1) 代入数据得43.194610a =⨯km (2) 椭圆半短轴b 等于近地点与远地点矢径长度的几何平均值，即有b = (3)代入数据得41.94210km b =⨯ (4) 椭圆的偏心率ab a e 22-=(5) 代入数据即得0.7941e = (6)2. 当卫星在16小时轨道上运行时，以n v 和f v 分别表示它在近地点和远地点的速度，根据能量守恒，卫星在近地点和远地点能量相等，有22n f n f1122GMm GMmm m r r -=-v v (7) 式中M 是地球质量，G 是万有引力常量. 因卫星在近地点和远地点的速度都与卫星到地心的连线垂直，根据角动量守恒，有n n f f m r m r =v v (8) 注意到g RGM=2(9)由(7)、(8)、(9)式可得n =v (10)n f n f r r ==v v (11) 当卫星沿16小时轨道运行时，根据题给的数据有n n r R H =+ f f r R H =+ 由(11)式并代入有关数据得f 1.198=v km/s (12)依题意，在远地点星载发动机点火，对卫星作短时间加速，加速度的方向与卫星速度方向相同，加速后长轴方向没有改变，故加速结束时，卫星的速度与新轨道的长轴垂直，卫星所在处将是新轨道的远地点.所以新轨道远地点高度4f f 5.093010H H '==⨯km ，但新轨道近地点高度2n6.0010H '=⨯km .由(11)式，可求得卫星在新轨道远地点处的速度为 f 1.230'=v km/s (13) 卫星动量的增加量等于卫星所受推力F 的冲量，设发动机点火时间为∆t ，有()f f m F t '-=∆v v (14) 由(12)、(13)、(14)式并代入有关数据得∆t=21.510s ⨯ (约2.5分) (15) 这比运行周期小得多.3. 当卫星沿椭圆轨道运行时，以r 表示它所在处矢径的大小，v 表示其速度的大小，θ表示矢径与速度的夹角，则卫星的角动量的大小sin 2L rm m θσ==v (16 ) 其中1sin 2r σθ=v （17）是卫星矢径在单位时间内扫过的面积，即卫星的面积速度.由于角动量是守恒的，故σ是恒量.利用远地点处的角动量，得f f 12r σ=v (18)又因为卫星运行一周扫过的椭圆的面积为πS ab = (19) 所以卫星沿轨道运动的周期σST =(20)由(18)、(19)、(20) 式得f f2πabT r =v (21) 代入有关数据得45.67810T =⨯s (约15小时46分) (22)注：本小题有多种解法.例如，由开普勒第三定律，绕地球运行的两亇卫星的周期T 与T 0之比的平方等于它们的轨道半长轴a 与a 0之比的立方，即2300T a T a ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭若0a 是卫星绕地球沿圆轨道运动的轨道半径，则有202002πGMmma a T ⎛⎫= ⎪⎝⎭得22203204π4πT a GM gR ==从而得T =代入有关数据便可求得(22)式.4. 在绕月圆形轨道上，根据万有引力定律和牛顿定律有2m m 2m m2π()GM m mr r T = (23) 这里m m r r H =+是卫星绕月轨道半径，m M 是月球质量. 由(23)式和(9)式，可得23mm 22m4πr M M gR T = (24) 代入有关数据得m0.0124M M= (25)三、参考解答：足球射到球门横梁上的情况如图所示（图所在的平面垂直于横梁轴线）.图中B 表示横梁的横截面，O 1为横梁的轴线；11O O '为过横梁轴线并垂直于轴线的水平线；A 表示足球，O 2为其球心；O 点为足球与横梁的碰撞点，碰撞点O 的位置由直线O 1OO 2与水平线11O O '的夹角θ 表示.设足球射到横梁上时球心速度的大小为v 0，方向垂直于横梁沿水平方向，与横梁碰撞后球心速度的大小为v ，方向用它与水平方向的夹角ϕ表示(如图).以碰撞点O 为原点作直角坐标系Oxy ，y 轴与O 2OO 1重合.以α0表示碰前速度的方向与y 轴的夹角，以α表示碰后速度的方向与y 轴(负方向)的夹角，足球被横梁反弹后落在何处取决于反弹后的速度方向，即角α的大小.以F x 表示横梁作用于足球的力在x 方向的分量的大小，F y 表示横梁作用于足球的力在y 方向的分量的大小，∆t 表示横梁与足球相互作用的时间，m 表示足球的质量，有x 0x x F t m m ∆=-v v (1) y y 0y F t m m ∆=+v v (2) 式中0x v 、0y v 、x v 和y v 分别是碰前和碰后球心速度在坐标系Oxy 中的分量的大小.根据摩擦定律有x y F F μ= (3) 由（1）、（2）、（3）式得 0x xy 0yμ-=+v v v v (4)根据恢复系数的定义有y 0y e =v v （5） 因0x00ytan α=v v （6） xytan α=v v （7） 由（4）、（5）、（6）、（7）各式得⎪⎭⎫⎝⎛+-=e e 11tan 1tan 0μαα （8） 由图可知αθϕ+= （9）若足球被球门横梁反弹后落在球门线内，则应有90ϕ≥ (10) 在临界情况下，若足球被反弹后刚好落在球门线上，这时90ϕ= .由（9）式得()tan 90tan θα-=(11)因足球是沿水平方向射到横梁上的，故θα=0，有⎪⎭⎫⎝⎛+-=e e 11tan 1tan 1μθθ (12) 这就是足球反弹后落在球门线上时入射点位置θ所满足的方程.解（12）式得tan θ=13)代入有关数据得tan 1.6θ= (14) 即58θ=(15)现要求球落在球门线内，故要求58θ≥ (16)四、参考解答：1. 当阀门F 关闭时，设封闭在M 和B 中的氢气的摩尔数为n 1，当B 处的温度为T 时，压力表显示的压强为 p ，由理想气体状态方程，可知B 和M 中氢气的摩尔数分别为 RTpV n BB 1=(1) 0MM 1RT pV n = (2) 式中R 为普适气体恒量.因1M 1B 1n n n =+ (3) 解（1）、（2）、（3）式得 1MB B 011n R V T V p V T =- (4) 或1MB B 0p T n R V p V V T =- (5) (4)式表明，T 1与p1成线性关系，式中的系数与仪器结构有关.在理论上至少要测得两个已知温度下的压强，作T 1对p1的图线，就可求出系数. 由于题中己给出室温T 0时的压强p 0，故至少还要测定另一己知温度下的压强，才能定量确定T 与p 之间的关系式.2. 若蒸气压温度计测量上限温度v T 时有氢气液化，则当B 处的温度v T T ≤时，B 、M 和E 中气态氢的总摩尔数应小于充入氢气的摩尔数.由理想气体状态方程可知充入氢气的总摩尔数 ()0B M E 20p V V V n RT ++=（6）假定液态氢上方的气态氢仍可视为理想气体，则B 中气态氢的摩尔数为 v B2B vp V n RT =（7） 在（7）式中，已忽略了B 中液态氢所占的微小体积.由于蒸气压温度计的其它都分仍处在室温中，其中氢气的摩尔数为()νM E 2M 2Ep V V n n RT ++= （8）根据要求有2B 2M 2E 2n n n n ++≤ （9） 解（6）、（7）、（8）、（9）各式得 ()B vv 0v00v E M V T p p T p T p V V --≥+ (10)代入有关数据得M E B 18V V V +≥ (11)五、答案与评分标准：1．59.022122=-=+(3分) 2 (2分)2．如图(15分.代表电流的每一线段3分，其中线段端点的横坐标占1分，线段的长度占1分，线段的纵坐标占1分)六、参考解答：如果电流有衰减，意味着线圈有电阻，设其电阻为R ，则在一年时间t 内电流通过线圈因发热而损失的能量为Rt I E 2=∆ （1） 以ρ 表示铅的电阻率，S 表示铅丝的横截面积，l 表示铅丝的长度，则有 SlR ρ= （2） 电流是铅丝中导电电子定向运动形成的，设导电电子的平均速率为v ，根据电流的定义有 I S ne =v （3） 所谓在持续一年的时间内没有观测到电流的变化，并不等于电流一定没有变化，但这变化不会超过电流检测仪器的精度∆I ，即电流变化的上限为mA 0.1=∆I .由于导电电子的数密度n 是不变的，电流的变小是电子平均速率变小的结果，一年内平均速率由v 变为 v -∆v ，对应的电流变化I neS ∆=∆v （4） 导电电子平均速率的变小，使导电电子的平均动能减少，铅丝中所有导电电子减少的平均动能为()221122k E lSn m m ⎡⎤∆=--∆⎢⎥⎣⎦v v v l S n m ≈∆v v （5） 由于∆I<<I ，所以∆v <<v ，式中∆v 的平方项已被略去.由（3）式解出 v ，（4）式解出 ∆v ，代入（5）式得2k lmI IE ne S∆∆=(6) 铅丝中所有导电电子减少的平均动能就是一年内因发热而损失的能量，即E E k ∆=∆ （7） 由(1)、(2)、(6)、(7)式解得2Δm I ne Itρ= （8）式中7365243600s =3.1510s t =⨯⨯⨯ （9）在（8）式中代入有关数据得261.410Ωm ρ-=⨯⋅ (10)所以电阻率为0的结论在这一实验中只能认定到m Ω104.126⋅⨯≤-ρ (11)七、参考解答：按照斯特藩-玻尔兹曼定律，在单位时间内太阳表面单位面积向外发射的能量为 4s s W T σ=(1)其中σ为斯特藩-玻尔兹曼常量，T s 为太阳表面的绝对温度.若太阳的半径为R s ，则单位时间内整个太阳表面向外辐射的能量为2s s s 4πP R W= (2) 单位时间内通过以太阳为中心的任意一个球面的能量都是s P .设太阳到地球的距离为r se ，考虑到地球周围大气的吸收，地面附近半径为R 的透镜接收到的太阳辐射的能量为 ()2s 2seπ14πP P R r α=- (3)薄凸透镜将把这些能量会聚到置于其后焦面上的薄圆盘上，并被薄圆盘全部吸收.另一方面，因为薄圆盘也向外辐射能量.设圆盘的半径为D R ，温度为D T ，注意到簿圆盘有两亇表面，故圆盘在单位时间内辐射的能量为24D D D 2πP R T σ=⋅⋅ (4)显然，当D P P = (5) 即圆盘单位时间内接收到的能量与单位时间内辐射的能量相等时，圆盘达到稳定状态，其温度达到最高.由(1)、(2)、(3)、(4)、(5)各式得 ()1224s D s 22se D12R R T T r R α⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦(6) 依题意，薄圆盘半径为太阳的像的半径s R '的2倍，即D 2s R R '=.由透镜成像公式知s sseR R f r '= (7) 于是有sD se2R R f r = (8) 把(8)式代入(6)式得()124D s 218R T T f α⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦(9) 代入已知数据，注意到s s (273.15)T t =+K ， T D =1.4×103K (10)即有3o D D 273.15 1.110C t T =-=⨯ (11) 八、参考解答：1．根据爱因斯坦质能关系，3H 和3He 的结合能差为()332n p H He B m m m m c ∆=--+ (1)代入数据，可得763.0=∆B MeV (2) 2．3He 的两个质子之间有库仑排斥能，而3H 没有.所以3H 与3He 的结合能差主要来自它们的库仑能差.依题意，质子的半径为N r ，则3He 核中两个质子间的库仑排斥能为2C N2e E k r = (3)若这个库仑能等于上述结合能差，C E B =∆，则有2N 2Δke r B= (4)代入数据，可得N 0.944r =fm (5)3．粗略地说，原子核中每个核子占据的空间体积是 3N (2)r .根据这个简单的模型，核子数为A 的原子核的体积近似为33N N (2)8V A r Ar == (6)另一方面，当A 较大时，有 343V R π=（7） 由（6）式和（7）式可得R 和A 的关系为1/31/31/3N 06πR r A r A ⎛⎫== ⎪⎝⎭(8)其中系数1/30N 6πr r ⎛⎫= ⎪⎝⎭(9)把(5)式代入(9)式得17.10=r fm (10) 由(8)式和(10)式可以算出Pb 208的半径Pb 6.93fm R =。

21全国乙卷理综物理25题解析
25题：某人坐在船上，手持一个投石器，以5.0m/s的初速度水平抛出一个石块。

假设重力加速度为10m/s^2，石块离开投石器的高度为5.0m，那么石块离开水平地面的水平距离是多少？
解析：
这道题主要考察了物理学中的平抛运动知识。

在平抛运动中，水平方向的速度是恒定的，而垂直方向上受到重力的作用，呈自由落体运动。

首先，我们需要确定石块离开水平地面的时间。

由于水平方向上的速度是
5.0m/s，所以水平方向上的位移可以用时间乘以速度来表示。

假设石块离开水平地面的时间为t，那么水平方向上的位移为5.0m/s * t。

接下来，我们需要确定石块离开水平地面的垂直方向的初速度。

由于石块离开投石器的高度为5.0m，而且重力加速度为10m/s^2，根据自由落体运动的公式h = (1/2) * g * t^2，可以得到石块离开水平地面的时间t为√(2h/g)。

代入数据得到t = √(2 * 5.0m / 10m/s^2) = 1.0s。

再根据自由落体运动的公式v = g * t，可以求得石块离开水平地面的垂直方向的初速度为v = 10m/s * 1.0s = 10m/s。

由于水平方向上的速度是恒定的，所以水平方向上的位移可以表示为水平方向上的速度乘以时间，即水平方向上的位移为5.0m/s * 1.0s = 5.0m。

所以，石块离开水平地面的水平距离为5.0m。

这道题的解答过程主要包括确定石块离开水平地面的时间、确定石块离开水平地面的垂直方向的初速度以及计算水平方向上的位移。

通过运用平抛运动的知识，可以解决这道题。

1. Adhesive tape有粘性的带子Determine the force necessary to remove a piece of adhesive tape from a horizontal surface. Investigate the influence of relevant parameters.决定将一块胶带从水平表面上拿下来需要的力。

研究其中的有关参数。

2. Air drying 在空气中干燥Table utensils (dishes, cutlery, etc.), after being washed, dry differently. Investigate how the time of drying depends on relevant parameters.桌上的餐具在洗完后，变干的情况不同，研究其中的有关参数。

3. Bouncing flame 跳跃的火焰Place a flame (e.g. from a Bunsen burner) between two charged parallel metal plates. Investigate the motion of the flame.在本生灯中点燃一团火焰置于两片带电、平行的金属板。

观察火焰的运动情况。

4. Breaking spaghetti 断开的面条Find the conditions under which dry spaghetti falling on a hard floor does not break.找出干燥的面条在掉落坚硬地板后不断裂的情况。

5. Car 小车Build a model car powered by an engine using an elastic air-filled toy-balloon as the energy source. Determine how the distance travelled by the car depends on relevant parameters and maximize the efficiency of the car.制作一个模型车，以有弹性的充气玩具气球作为动力源。

第25届全国中学生物理竞赛复赛理论试题参考解答一、答案 1. 14103.1⨯ 2. 31122kgm s -⋅⋅51.0610-⨯(答51.0510-⨯也给)3. 34T T二、参考解答：1. 椭圆半长轴a 等于近地址和远地址之间距离的一半，亦即近地址与远地址矢径长度〔皆指卫星到地心的距离〕n r 与f r 的算术平均值，即有()()()()n f n f n f 111222a r r H R H R H H R =+=+++=++⎡⎤⎣⎦(1) 代入数据得43.194610a =⨯km (2)椭圆半短轴b 等于近地址与远地址矢径长度的几何平均值，即有b = 代入数据得41.94210km b =⨯(4)椭圆的偏心率ab a e 22-=(5) 代入数据即得 0.7941e =(6)2. 当卫星在16小时轨道上运行时，以n v 和f v 别离暗示它在近地址和远地址的速度，按照 能量守恒，卫星在近地址和远地址能量相等，有22n f n f1122GMm GMm m m r r -=-v v (7) 式中M 是地球质量，G 是万有引力常量.因卫星在近地址和远地址的速度都与卫星到地心的连线垂直，按照 角动量守恒，有n n f f m r m r =v v (8)注意到g R GM=2(9) 由(7)、(8)、(9)式可得n =v(10)n f n f r r ==v v (11) 当卫星沿16小时轨道运行时，按照 题给的数据有由(11)式并代入有关数据得f 1.198=v km/s (12)依题意，在远地址星载策动机点火，对卫星作短时间加速，加速度的标的目的与卫星速度标的目的不异，加速后长轴标的目的没有改变，故加速结束时，卫星的速度与新轨道的长轴垂直，卫星地址处将是新轨道的远地址.所以新轨道远地址高度4f f 5.093010H H '==⨯km ，但新轨道近地址高度2n6.0010H '=⨯km .由(11)式，可求得卫星在新轨道远地址处的速度为f 1.230'=v km/s (13) 卫星动量的增加量等于卫星所受推力F 的冲量，设策动机点火时间为∆t ，有()f f m F t '-=∆v v (14)由(12)、(13)、(14)式并代入有关数据得 ∆t=21.510s ⨯ (约2.5分) (15)这比运行周期小得多.3. 当卫星沿椭圆轨道运行时，以r 暗示它地址处矢径的大小，v 暗示其速度的大小，θ暗示矢径与速度的夹角，那么卫星的角动量的大小 sin 2L rm m θσ==v (16) 此中1sin 2r σθ=v 〔17〕是卫星矢径在单元时间内扫过的面积，即卫星的面积速度.由于角动量是守恒的，故σ是恒量.操纵远地址处的角动量，得f f 12r σ=v (18)又因为卫星运行一周扫过的椭圆的面积为 πS ab =(19)所以卫星沿轨道运动的周期σST =(20)由(18)、(19)、(20)式得f f2πabT r =v (21)代入有关数据得45.67810T =⨯s (约15小时46分)(22)注：本小题有多种解法.例如，由开普勒第三定律，绕地球运行的两亇卫星的周期T 与T 0之比的平方等于它们的轨道半长轴a 与a 0之比的立方，即 假设0a 是卫星绕地球沿圆轨道运动的轨道半径，那么有得22203204π4πT a GM gR==从而得代入有关数据便可求得(22)式.4. 在绕月圆形轨道上，按照 万有引力定律和牛顿定律有2m m 2m m2π()GM m mr r T =(23) 这里m m r r H =+是卫星绕月轨道半径，m M 是月球质量.由(23)式和(9)式，可得23mm 22m4πr M M gR T =(24)代入有关数据得m0.0124M M=(25) 三、参考解答：足球射到球门横梁上的情况如下图〔图地址的平面垂直于横梁轴线〕.图中B 暗示横梁的横截面，O 1为横梁的轴线；11O O '为过横梁轴线并垂直于轴线的程度线；A 暗示足球，O 2为其球心；O 点为足球与横梁的碰撞点，碰撞点O 的位置由直线O 1OO 2与程度线11O O '的夹角θ 暗示.设足球射到横梁上时球心速度的大小为v 0，标的目的垂直于横梁沿程度标的目的，与横梁碰撞后球心速度的大小为v ，标的目的用它与程度标的目的的夹角ϕ暗示(如图).以碰撞点O 为原点作直角坐标系Oxy ，y 轴与O 2OO 1重合.以α0暗示碰前速度的标的目的与y 轴的夹角，以α暗示碰后速度的标的目的与y 轴(负标的目的)的夹角，足球被横梁反弹后落在何处取决于反弹后的速度标的目的，即角α的大小.以F x 暗示横梁作用于足球的力在x 标的目的的分量的大小，F y 暗示横梁作用于足球的力在y 标的目的的分量的大小，∆t 暗示横梁与足球彼此作用的时间，m 暗示足球的质量，有x 0x x F t m m ∆=-v v (1) y y 0y F t m m ∆=+v v (2)式中0x v 、0y v 、x v 和y v 别离是碰前和碰后球心速度在坐标系Oxy 中的分量的大小.按照 摩擦定律有x y F F μ=(3)由〔1〕、〔2〕、〔3〕式得0x xy 0yμ-=+v v v v (4)按照 恢复系数的定义有y 0y e =v v 〔5〕因0x00ytan α=v v 〔6〕 xytan α=v v 〔7〕 由〔4〕、〔5〕、〔6〕、〔7〕各式得⎪⎭⎫⎝⎛+-=e e 11tan 1tan 0μαα〔8〕 由图可知αθϕ+=〔9〕假设足球被球门横梁反弹后落在球门线内，那么应有90ϕ≥ (10)在临界情况下，假设足球被反弹后刚好落在球门线上，这时90ϕ=.由〔9〕式得()tan 90tan θα-=(11)因足球是沿程度标的目的射到横梁上的，故θα=0，有⎪⎭⎫⎝⎛+-=e e 11tan 1tan 1μθθ(12) 这就是足球反弹后落在球门线上时入射点位置θ所满足的方程.解〔12〕式得tan θ=13) 代入有关数据得 tan 1.6θ=(14) 即58θ=(15)现要求球落在球门线内，故要求58θ≥ (16)四、参考解答：1.当阀门F 关闭时，设封闭在M 和B 中的氢气的摩尔数为n 1，当B 处的温度为T 时，压力表显示的压强为p ，由抱负气体状态方程，可知B 和M 中氢气的摩尔数别离为RTpV n BB 1=(1) 0MM 1RT pV n =(2) 式中R 为普适气体恒量.因1M 1B 1n n n =+ (3)解〔1〕、〔2〕、〔3〕式得1MB B 011n R V T V p V T =- (4) 或1MB B 0p T n R V p V V T =-(5) (4)式说明，T1与p 1成线性关系，式中的系数与仪器布局有关.在理论上至少要测得两个温度下的压强，作T1对p 1的图线，就可求出系数.由于题中己给出室温T 0时的压强p 0，故至少还要测定另一己知温度下的压强，才能定量确定T 与p 之间的关系式.2.假设蒸气压温度计测量上限温度v T 时有氢气液化，那么当B 处的温度v T T ≤时，B 、M 和E 中气态氢的总摩尔数应小于充入氢气的摩尔数.由抱负气体状态方程可知充入氢气的总摩尔数()0B M E 20p V V V n RT ++=〔6〕假定液态氢上方的气态氢仍可视为抱负气体，那么B 中气态氢的摩尔数为v B2B vp V n RT =〔7〕 在〔7〕式中，已忽略了B 中液态氢所占的微小体积.由于蒸气压温度计的其它都分仍处在室温中，此中氢气的摩尔数为()νM E 2M 2E 0p V V n n RT ++=〔8〕按照 要求有2B 2M 2E 2n n n n ++≤〔9〕解〔6〕、〔7〕、〔8〕、〔9〕各式得()B vv 0v00v E M V T p p T p T p V V --≥+(10)代入有关数据得M E B 18V V V +≥(11)五、答案与评分尺度：1．59.022122=-=+(3分) 2 (2分)2．如图(15分.代表电流的每一线段3分，此中线段端点的横坐标占1分，线段的长度占1分，线段的纵坐标占1分)六、参考解答：如果电流有衰减，意味着线圈有电阻，设其电阻为R ，那么在一年时间t 内电畅通过线圈因发烧而损掉的能量为Rt I E 2=∆〔1〕以ρ 暗示铅的电阻率，S 暗示铅丝的横截面积，l 暗示铅丝的长度，那么有 SlR ρ= 〔2〕 电流是铅丝中导电电子定向运动形成的，设导电电子的平均速率为v ，按照 电流的定义有 I S ne =v 〔3〕 所谓在持续一年的时间内没有不雅测到电流的变化，并不等于电流必然没有变化，但这变化不会超过电流检测仪器的精度∆I ，即电流变化的上限为mA 0.1=∆I .由于导电电子的数密度n 是不变的，电流的变小是电子平均速率变小的成果，一年内平均速率由v 变为 v -∆v ，对应的电流变化I neS ∆=∆v 〔4〕导电电子平均速率的变小，使导电电子的平均动能减少，铅丝中所有导电电子减少的平均动能为lSnm ≈∆v v 〔5〕由于∆I<<I ，所以∆v <<v ，式中∆v 的平方项已被略去.由〔3〕式解出 v ，〔4〕式解出 ∆v ，代入〔5〕式得2k lmI IE ne S∆∆=(6) 铅丝中所有导电电子减少的平均动能就是一年内因发烧而损掉的能量，即E E k ∆=∆〔7〕由(1)、(2)、(6)、(7)式解得2Δm I ne Itρ=〔8〕 式中7365243600s=3.1510s t =⨯⨯⨯〔9〕在〔8〕式中代入有关数据得261.410Ωm ρ-=⨯⋅(10)所以电阻率为0的结论在这一尝试中只能认定到m Ω104.126⋅⨯≤-ρ(11)七、参考解答：按照斯特藩-玻尔兹曼定律，在单元时间内太阳外表单元面积向外发射的能量为4s s W T σ=(1)此中σ为斯特藩-玻尔兹曼常量，T s 为太阳外表的绝对温度.假设太阳的半径为R s ，那么单元时间内整个太阳外表向外辐射的能量为2s s s 4πP R W = (2)单元时间内通过以太阳为中心的任意一个球面的能量都是s P .设太阳到地球的距离为r se ，考虑到地球周围大气的吸收，地面附近半径为R 的透镜接收到的太阳辐射的能量为()2s 2seπ14πP P R r α=-(3)薄凸透镜将把这些能量会聚到置于其后焦面上的薄圆盘上，并被薄圆盘全部吸收. 另一方面，因为薄圆盘也向外辐射能量.设圆盘的半径为D R ，温度为D T ，注意到簿圆盘有两亇外表，故圆盘在单元时间内辐射的能量为24D D D 2πP R T σ=⋅⋅ (4)显然，当D P P = (5)即圆盘单元时间内接收到的能量与单元时间内辐射的能量相等时，圆盘到达不变状态，其温度到达最高.由(1)、(2)、(3)、(4)、(5)各式得()1224s D s 22se D12R R T T r R α⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦(6)依题意，薄圆盘半径为太阳的像的半径s R '的2倍，即D 2s R R '=.由透镜成像公式知s sseR R f r '= (7) 于是有sD se2R R f r = (8) 把(8)式代入(6)式得()124D s 218R T T f α⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦ (9)代入数据，注意到s s (273.15)T t =+K ， T D =1.4×103K(10) 即有3o D D 273.15 1.110C t T =-=⨯(11)八、参考解答：1．按照 爱因斯坦质能关系，3H 和3He 的结合能差为()332n p H He B m m m m c ∆=--+ (1)代入数据，可得763.0=∆B MeV (2)2．3He 的两个质子之间有库仑排斥能，而3H 没有.所以3H 与3He 的结合能差主要来自它们的库仑能差.依题意，质子的半径为N r ，那么3He 核中两个质子间的库仑排斥能为2C N2e E k r = (3) 假设这个库仑能等于上述结合能差，C E B =∆，那么有2N 2Δke r B= (4)代入数据，可得N 0.944r =fm (5)3．粗略地说，原子核中每个核子占据的空间体积是 3N (2)r .按照 这个简单的模型，核子数为A 的原子核的体积近似为33N N (2)8V A r Ar ==(6)另一方面，当A 较大时，有343V R π=〔7〕 由〔6〕式和〔7〕式可得R 和A 的关系为1/31/31/3N 06πR r A r A ⎛⎫== ⎪⎝⎭(8)此中系数1/30N 6πr r ⎛⎫= ⎪⎝⎭(9)把(5)式代入(9)式得17.10=r fm (10)由(8)式和(10)式可以算出Pb 208的半径Pb 6.93fm R =(11)。

第25届全国中学生物理竞赛预赛题试卷一．选择题。

本题共6小题，每小题6分，在每小题给出的4个选项中，有的小题只有一项是正确的，有的小题有多项是正确的。

把正确选项前面的英文字母写在每小题后面的方括号内。

全部选对得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分。

1．如图两块固连在一起的物块a 和b ，质量分别为m a 和m b ，放在水平的光滑桌面上。

现同时施给它们方向如图所示的推力F a 和拉力F b ，已知F a ＞F b ，则a 对b 的作用力（）（A ）必为推力（B ）必为拉力（C ）可能为推力，也可能为拉力 （D ）可能为零2．用光照射处在基态的氢原子，有可能氢原子电离。

下列说法中正确的是（） （A ）只要光的强度足够大，就一定可以使氢原子电离 （B ）只要光的频率足够大，就一定可以使氢原子电离 （C ）只要光子的能量足够大，就一定可以使氢原子电离 （D ）只要光照的时间足够长，就一定可以使氢原子电离 3．如图所示，一U 形光滑导轨串有一电阻R ，放置在匀强的外磁场中，导轨平面与磁场方向垂直。

一电阻可忽略不计但有一定质量的金属杆ab 跨接在导轨上，可沿导轨方向平移。

现从静止开始对ab 杆施以向右的恒力F ，若忽略杆与U 形导轨的自感，则在杆运动过程中，下列哪种说法是正确的（）（A ）外磁场对杆ab 的作用力对ab 杆做功，但外磁场的能量是不变的 （B ）外力F 做的功总是等于电阻R 上消耗的功（C ）外磁场对杆ab 作用力的功率与电阻R 上消耗的功率两者绝对值是相等的 （D ）电阻R 上消耗的功率存在最大值4．如图所示，放置在升降机地板上的盛有水的容器中，插有两根相对容器的位置是固定的玻璃管a 和b ，管的上端都是封闭的，下端都是开口的。

管内被水各封有一定质量的气体。

平衡时，a 管内的水面比管外低，b 管内的水面比管外高。

现令升降机从静止开始加速下降，已知在此过程中管内气体仍被封闭在管内，且经历的过程可视为绝热过程，则在此过程中（）（A ）a 中气体内能将增加，b 中气体内能将减少 （B ）a 中气体内能将减少，b 中气体内能将增加 （C ）a 、b 中气体内能都将增加 （D ）a 、b 中气体内能都将减少5．图示为由粗细均匀的细玻璃管弯曲成的“双U 形管”，a 、b 、c 、d 为其四段竖直的部分，其中a 、d 上端是开口的，处在大气中。

第 21届全国中学生物理竞赛决赛试题一、（20分）有一光光导纤维，光芯折射率n=1.500 的透明度极好的介质，其截面半径为r ；光芯外面包层的折射率n =1.400。

有一半导体激光器S，位于光纤轴线的延长上，发出半角宽为30o的光束。

为便于使此光束全部进入光纤，在光纤端面处烧结了一个其材料与光芯相同的、半径为 R 的球冠 QAQ ＇，端面附近的结构如图所示（包层未画出），S可看作点光源，光纤放在空气中，空气的折射率 n0按 1.000计算。

1、若要半导体激光器发出的光能够全部射到球冠上，则光源 S 离 A 的距离 x 应满足什么条件？2、如果 R=1.8r, 光源S与A 的距离为R，入射与轴的夹角用α表示，则α角分别为α1=30o、α2 =25o和α3＝20o的三根光线能否经过全反射在光纤中传播？二、（20分）试从相对论能量和动量的角度分析论证1、一个光子与真空中处于静止状态的自由电子碰碰撞时，光子的能量不可能完全被电子吸收。

光子射到金属表面时，其能量有可能完全被吸收被使电子逸出金属表面，产生光电效应。

三、（25）如图所示，一质量 M=30.0Kg 的楔形木块 OABC 静止在水平地面上，其斜面段 AB 的倾角，BC 段的倾角α=45o， AB 段与 BC 段连接处（ B ）为一非常短的光滑圆弧，现将一质量的 m=4.00Kg小物块（可视为质点），放在斜面上离地面高h1=2.80m 的 A 处，然后放手，令小物块从静止开始斜面下滑，已知小物块与斜面之间无摩擦，木块与地面间的最大静摩擦系数和滑动摩擦系数为μ=6.00*10-2，B 处离桌面的高度h2 =2.00m ，如果不计小物块经过处 B 时(β=60o )物块及木块速度大小的改变，求小物块从斜面上 A 处滑动到斜面底部 C 处整个过程中小物块对木块所做的功（取重力加速度 g=10.0ms-2）四、（25 分）由如图所示的电路，其中 E 为内阻可以忽略的电源的电动势，R 为电阻的阻值；K 为开关；A 、 B 右边是如图所标的 8 个完全相同的容量均为 C 的理想电容器组成的电路，问从合上 K 到各电容器充电完毕，电阻 R 上发热消耗的能量是多少？（在解题时，要求在图上标出你所设定的各个电容器极板上电荷的正负）五、（25 分）如图所示， K 为一带电粒子发生器，从中可以不断地射出各种不同速率的带电粒子，它们都带正电，电量为q，质量为m ，速度的方向都沿图中的虚线，D 1、 D2为两块档板,可定时开启和关闭。

第25届全国中学生物理竞赛预赛卷参考解答与评分标准一、选择题（36分）答案： 1. CD 2. BC 3. ACD 4. B 5. AD 6. A评分标准：每小题6分。

全都选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分。

二、填空题及作图题答案及评分标准 7. 1.9×105（8分） 8. 2（4分）、1312（4分） 9. v n 、v n −1、…、v 3、v 2、v 1。

（8分） 10. （i ）如图所示（8分） （ii ）m 22（3分） 11. （1）振幅A =4cm （2分） （2）周期T =12s ，或频率1s 121-=ν（2分） （3）若波沿正x 方向传播，则此波可能的最大的传播速度s /cm 32m =v ，其他可能的传播速度为s /cm 432n n v +=，n =1，2，3，…；此波可能的最大波长为λ=8cm ，其他可能的波长为cm 4324n nλ+=，n =1，2，3，…（3分）（4）若波沿负x 方向传播，则此波可能的最大的传播速度v m =2cm/s ，其他可能的传播速度为s /cm 412n nv +=，n =1，2，3，…；此波可能的最大波长为λ=24cm ，其他可能的波长为cm 4124n nλ+=，n =1，2，3，…（3分） 12. 9×103（2分）0.058（6分） 13. 如图（6分）锯齿波的周期不正好等于正弦波周期的2倍，而是稍小一点。

（4分）三、计算题14. 参考解答：设电流表的量程为I g ，当电流表与定值电阻R 0串联改装成电压表时，此电压表的内阻 R'0=R g +R 0 (1) 由于此电压表的量程U 0=50V ，故有I g R'0=U 0 (2)由(1)、(2)两式得A 1011.1A 44990105030g 0g -⨯=+=+=R R U I(3)即电流表的量程为1mA 。

电流表改装成的双量程电压表的电路如图所示，图中R 1和R 2是为把电流表改装成双量程电压表必须串联的电阻，其值待求。

第25届全国中学生物理竞赛预赛卷一、选择题。

本题共６小题，每小题6分.在每小题给出得4个选项中,有得小题只有一项就是正确得，有得小题有多项就是正确得。

把正确选项前面得英文字母写在每小题后面得方括号内。

全部选对得得6分，选对但不全得得3分，有选错或不答得得0分.1、如图所示，两块固连在一起得物块ａ与b,质量分别为ｍa与m b，放在水平得光滑桌面上。

现同时施给它们方向如图所示得推力F a与拉力F b，已知Fａ〉Ｆb,则a对b得作用力Ａ、必为推力ﻩﻩB、必为拉力C、可能为推力，也可能为拉力ﻩD、可能为零２、用光照射处在基态得氢原子，有可能使氢原子电离。

下列说法中正确得就是A、只要光得光强足够大，就一定可以使氢原子电离B、只要光得频率足够高，就一定可以使氢原子电离Ｃ、只要光子得能量足够大,就一定可以使氢原子电离Ｄ、只要光照得时间足够长,就一定可以使氢原子电离３、如图所示,一U形光滑导轨串有一电阻R，放置在匀强得外磁场中，导轨平面与磁场方向垂直。

一电阻可忽略不计但有一定质量得金属杆ab跨接在导轨上，可沿导轨方向平移。

现从静止开始对a ｂ杆施以向右得恒力F，若忽略杆与Ｕ形导轨得自感，则在杆运动过程中,下列哪种说法就是正确得?A、外磁场对载流杆ab得作用力对ab杆做功,但外磁场得能量就是不变得Ｂ、外力F得功总就是等于电阻Ｒ上消耗得功Ｃ、外磁场对载流杆aｂ作用力得功率与电阻R上消耗得功率两者得大小就是相等得Ｄ、电阻Ｒ上消耗得功率存在最大值4、如图所示，放置在升降机地板上得盛有水得容器中，插有两根相对容器得位置就是固定得玻璃管a与b,管得上端都就是封闭得,下端都就是开口得.管内被水各封有一定质量得气体。

平衡时,ａ管内得水面比管外低，b管内得水面比管外高。

现令升降机从静止开始加速下降，已知在此过程中管内气体仍被封闭在管内，且经历得过程可视为绝热过程，则在此过程中A、a中气体内能将增加,ｂ中气体内能将减少B、a中气体内能将减少，b中气体内能将增加C、ａ、b中气体内能都将增加ﻩD、a、b中气体内能都将减少５、图示为由粗细均匀得细玻璃管弯曲成得“双U形管”,a、b、ｃ、d为其四段竖直得部分，其中a、d上端就是开口得，处在大气中。

全国大学生物理竞赛历年考试习题(含答案)一、选择题1. 下列哪个物理量是标量？A. 速度B. 加速度C. 力D. 质量答案：D解析：质量是标量，因为它只有大小，没有方向。

而速度、加速度和力都是矢量，它们既有大小，又有方向。

2. 下列哪个物理现象可以用牛顿第一定律解释？A. 摩擦力B. 重力C. 弹力D. 惯性答案：D解析：牛顿第一定律也被称为惯性定律，它指出一个物体如果不受外力作用，它将保持静止状态或匀速直线运动状态。

惯性是物体保持其运动状态的性质。

3. 下列哪个物理量是功的单位？A. 焦耳B. 牛顿C. 瓦特D. 库仑答案：A解析：焦耳是功和能量的单位，1焦耳等于1牛顿的力作用在物体上，使物体在力的方向上移动1米的距离所做的功。

4. 下列哪个物理现象可以用安培环路定理解释？A. 电流B. 电阻C. 磁场D. 电压答案：C解析：安培环路定理是电磁学中的一个重要定理，它描述了磁场与电流之间的关系。

该定理指出，通过一个闭合路径的磁场线积分等于该路径所包围的电流总和。

5. 下列哪个物理现象可以用波尔兹曼分布律解释？A. 热力学B. 统计力学C. 量子力学D. 相对论答案：B解析：波尔兹曼分布律是统计力学中的一个重要定律，它描述了在热力学平衡状态下，不同能量状态的粒子数目的分布。

该定律是统计力学的基础之一。

6. 下列哪个物理现象可以用薛定谔方程解释？A. 光的干涉B. 量子隧穿C. 原子光谱D. 相对论效应答案：B解析：薛定谔方程是量子力学中的一个基本方程，它描述了微观粒子在量子态下的行为。

量子隧穿是量子力学中的一个重要现象，它可以用薛定谔方程来解释。

7. 下列哪个物理现象可以用广义相对论解释？A. 光的折射B. 引力透镜C. 狭义相对论效应D. 光的干涉答案：B解析：广义相对论是爱因斯坦提出的一种引力理论，它描述了引力的本质和作用。

引力透镜是广义相对论的一个重要预言，它可以用广义相对论来解释。

8. 下列哪个物理现象可以用电磁感应定律解释？A. 法拉第电磁感应定律B. 安培环路定理C. 楞次定律D. 电磁感应答案：A解析：法拉第电磁感应定律是电磁学中的一个基本定律，它描述了磁场变化产生的感应电动势。