12浙江物理大学生竞赛

2022年浙江省大学生物理竞赛理论竞赛卷（B 卷）考试形式：闭卷，允许带 无存储功能的计算器 入场 考试时间： 2023 年 03 月 04 日 上午8:30~11:30题序 选择 填空 计1 计2 计3计4 计5总 分得分评卷人气体摩尔常量8.31J/(mol K)R =⋅ 玻尔兹曼常量231.3810J/K k -=⨯ 基本电荷191.610C e -=⨯电子质量319.110kg e m -=⨯ 电子伏特191eV 1.610J -=⨯真空中光速8310m/s c =⨯真空介电常数122208.8510C /(N m )ε-=⨯⋅ 真空磁导率70410H /m μπ-=⨯一、选择题：（单选题，每题5分，共50分）1．对不同的惯性参考系，下列物理量中与参考系无关的是（ ）．A ．动能B ．功C ．力D ．声音频率2．一个质量为M 的物体从距离地面高度为H 处落下，该物体落到松软的地面后继续下陷，由于受到阻力的作用，下陷H/2的距离后静止．不考虑空气阻力，则在下陷过程中，地面对物体施加的平均作用力是（ ）．A ．2Mg/3B ．Mg C．2Mg D ．3Mg3．如图所示，飞船绕着某一行星沿椭圆轨道运动，已知飞船与行星间的最小距离为R ，飞船与行星间的最大距离为2R．在距离最远处，飞船的速度为0v ．宇航员点燃推进器，把飞船推进到一个半径为2R 的圆轨道作匀速圆周运动，则此时飞船的速度变为（ ）．A．02/3vB ．05vC ．05/3vD ．02v4． 一个圆锥摆的摆线长度为l ，摆线与竖直方向的夹角恒为θ，如图所示．则摆锤转动的周期T 为（ ）．ABC ．2D ．2 姓名 准考证号__________所在高校__________专业______________ _____________密_________________封_____________线_____________ 密封线内不要答题5．有一哨子，其空气柱两端是打开的，基频为每秒5000次，若空气中的声速为340 m/s ，则下列数值中，最接近于哨子最短长度的值为（ ）．A ．1.7 cmB ．3.4 cmC ．6.8 cmD ．10.2 cm6．有N 个点电荷，电量均为q ，以两种方式分布在相同半径的圆周上：一种是无规则地分布，另一种是均匀分布．比较这两种情况下在过圆心O 并垂直于圆平面的z 轴上任一点P （如图所示）的电场强度与电势，则有（ ）． A ．电场强度相等，电势相等 B ．电场强度不等，电势不等 C ．电场强度分量E z 相等，电势相等D ．电场强度分量E z 相等，电势不等7．若电量Q 均匀地分布在半径为R 的球体内，若设球体内、外介电常量相同，则球内的静电能与球外的静电能之比为（ ）．A ．1/5B ．1/2C ．3/4D ．28．如图所示，正方形的四个角上固定有四个电荷量均为q 的点电荷．此正方形以角速度ω绕AC 轴旋转时，在中心O 点产生的磁感应强度大小为B 1；此正方形以同样的角速度ω绕过O 点且垂直于正方形平面的轴旋转时，在O 点产生的磁感应强度的大小为B 2，则B 1与B 2间的关系为（ ）． A ．B 1 = B 2B ．B 1 = 2B 2C ．B 1 = B 2/2D ．B 1 = B 2/49．让一块磁铁顺着一根很长的铅直钢管落下，若不计空气阻力，则磁铁的运动为（ ）． A ．始终是加速运动 B ．简谐振动C ．先是加速运动，后是减速运动D ．先是加速运动，后是匀速运动10．氢原子中，带正电的原子核与带负电的电子之间的吸引力为F = -ke 2/r 2．假设原子核是固定不动的．原来在半径为R 1的圆周上绕核运动的电子，突然跳入较小半径为R 2的圆形轨道上运动．这过程中原子的总能量减少了（ ）．A ．)11(2212R R ke + B ．)11(221222R R ke -C ．)11(2122R R ke -D ．)(12212R R R R ke -ACqq二、填空题：（10题，每题5分，共50分）1．当火车静止时，乘客发现雨滴下落方向偏向车头，偏角为30︒，当火车以35 m/s 的速率沿水平直路行驶时，发现雨滴下落方向偏向车尾，偏角为45︒，假设雨滴相对于地的速度保持不变, 则雨滴相对于地的速度大小为________________．2．一竖直向上发射之火箭，原来静止时的初质量为m 0，经时间t 燃料耗尽时的末质量为m ，喷气相对火箭的速率恒定为u ，不计空气阻力，重力加速度g 恒定．则燃料耗尽时火箭速率为__________．3．一质量为m 的质点沿着一条曲线运动，其位置矢量在空间直角座标系中的表达式为j t b i t a rωωsin cos +=，其中a 、b 、ω皆为常量，则此质点对原点的角动量大小L=________________；此质点所受对原点的力矩大小M =________________．4．一质点在保守力场中的势能为c rkE +=P ，其中r 为质点与坐标原点间的距离，k 、c 均为大于零的常量，作用在质点上的力的大小F =______________，其方向为_____________．5．已知一静止质量为m 0的粒子，其固有寿命为实验室测量到寿命的1/n ，则实验室观测的此粒子动能是________________．6．一环形薄片由细绳悬吊着，环的内、外半径分别为R/2和R ，并有电量Q 均匀分布在环面上；细绳长为3R ，并有电量Q 均匀分布在绳上．若圆环中心在细绳的延长线上，则圆环中心O 处的电场强度大小为________________．7．如图所示，有一半径为R ，带电量为Q 的导体球，在距球心O 点d 1处放置一已知点电荷q 1，在距球心d 2处再放置一点电荷q 2．若以无穷远处为零电势，欲使导体球表面的电势为零，则点电荷q 2的电量为________________．8．将条形磁铁插入与冲击电流计串联的金属环中，有q = 2.0⨯10-5 C 的电荷通过电流计．若连接电流计的电路总电阻R = 25 Ω，则穿过环的磁通量的变化∆Φ = ________________．19．如图所示，导体棒MN 和PQ 分别通过平行的导轨左、右两个线圈组成闭合回路，而且MN 和PQ 可以在水平光滑导轨上自由滑动，导轨之间的匀强磁场方向如图所示，当MN 向左加速运动时，PQ 导体棒的运动方向为________________．10．如图所示为电磁流量计的示意图．直径为d 的非磁性材料制成的圆形导管内，有导电液体流动，磁感应强度为B 的磁场垂直于导体液体流动方向而穿过一段圆形管道．若测得管壁内a 、b 两点的电势差为U ，则管中导电液的流量Q 为________________．三、计算题：（5题，共 100分）1．（本题20分）如图所示，均匀细杆质量为m 、长为l ，上端连接一个质量为m 的小球，可绕通过下端并与杆垂直的水平轴转动．设杆最初静止于竖直位置，受微小干扰而往下转动．求转到水平位置时：（1）杆的角速度；（2）杆的角加速度；（3）轴对杆的作用力．a bm2．（本题20分）如图所示，质量为M、半径为R的均匀圆盘中心C系于一水平的轻弹簧上，圆盘可在水平面上作无滑滚动，弹簧的劲度系数为k．现将圆盘中心C从平衡位置向右平移x0后，由静止释放，可以证明圆盘的质心将作简谐振动．（1）求圆盘质心的振动周期；（2）如果以平衡位置为坐标原点，向右为x轴正方向建立坐标，并以释放这一时刻作为计时起点，试写出圆盘质心的振动方程．3．（本题20分）如图所示，某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，是指在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．重力加速度的大小为g．若设无穷远处为零电势，容器的初始电量为0，求容器可达到的最高电势U max．4．（本题20分）如图所示，板间距为2d 的大平行板电容器水平放置，电容器的右半部分充满相对介电常量为εr 的固态电介质，左半部分空间的正中位置有一带电小球P ，电容器充电后P 恰好处于平衡状态．拆去充电电源，将固态电介质快速抽出，略去静电平衡经历的时间，不计带电小球对电容器极板电荷分布的影响，求小球P 从电介质抽出到与电容器的一个极板相碰前所经历的时间t ．5．（本题20分）如图所示，一个长圆柱形螺线管包括了另一个同轴的螺线管，它的半径R是外面螺线管半径的一半，两螺线管单位长度具有相同的圈数，且初始都没有电流．在同一瞬间，电流开始在两个螺线管中线性地增大，任意时刻，通过里边螺线管的电流为外边螺线管中电流的两倍且方向相同．由于增大的电流，一个处于两个螺线管之间初始静止的带电粒子开始沿一条同心圆轨道运动（见图中虚线所示），求该圆轨道的半径r ．2。

大学生物理竞赛试题及答案
一．填空题（每题两空，每空2分，共48分）
 1．一火箭在环绕地球的椭圆轨道上运动，为使它进入逃逸轨道需要增加能量，为此发动机进行了短暂的点火，把火箭的速度改变了，只有当这次点火在轨道点，且沿
 着方向时，所需为最小。

 2．一个质量为的小球从一个半径为，质量为的光滑半圆柱顶点下滑，半圆柱底面和水平面光滑接触，写出小球在下滑过程中未离开圆柱面这段时间内相对地面的坐标系的运动轨迹方程。

如果半圆柱固定，小球离开半圆柱面时相对y轴的偏转角。

 3.常温下，氧气可处理成理想气体，氧气分子可视为刚性双原子分子。

的氧气在温度下体积为.（1）若等温膨胀到，则吸收热量为
_______________________________；(2)若先绝热降温，再等压膨胀到（1）中所达到的终态，则吸收热量为___________________。

 4．我们可以用热机和热泵（逆循环热机）构成一个供暖系统：燃烧燃料为锅炉供热，令热机工作于。

浙江省第二届大学生物理实验技能与创新竞赛成绩一、团体奖：专业组：一等奖温州大学二等奖浙江师范大学、台州学院三等奖绍兴文理学院、湖州师范学院、杭州电子科技大学、宁波大学非专业组：一等奖中国计量学院现代科技学院二等奖杭州电子科技大学、杭州电子科技大学信息工程学院、浙江师范大学三等奖湖州师范学院、温州大学瓯江学院、温州大学、浙江林学院、浙江大学城市学院、浙江工商大学组织奖：浙江科技学院、浙江理工大学、嘉兴学院、杭州师范大学、浙江海洋学院、浙江教育学院、丽水学院、浙江林学院天目学院、浙江万里学院、中国计量学院二、个人奖：专业组：一等奖力学实验陈希、李鸿温州大学热学实验袁钢、林芳绍兴文理学院电磁学实验杨志、支玲玲温州大学光学实验胡海军、胡小珍台州学院二等奖力学实验方邦超、陈钟台州学院黄妃、方华绍兴文理学院热学实验付晨光、俞益波杭州电子科技大学周洁宇、郑益煊温州大学电磁学实验吴怡、陈阿海浙江师范大学茅央波、冯霞湖州师范学院光学实验吴欢欢、周媛媛浙江师范大学黄春春、杨纯昆温州大学三等奖力学实验罗仕祥、罗鹤宁波大学卢忠、朱伟浙江科技学院赵鸽、余晓波浙江师范大学徐周杰、朱虹湖州师范学院热学实验孙琳琳、李红兰中国计量学院汤跃峰、朱银燕浙江师范大学赵黎明、刘博智宁波大学李明聪、潘小龙浙江科技学院陈漾、金丹萍台州学院刘永兴、刘通发宁波大学吴贤兵、尤颖异浙江海洋学院光学实验胡佩佩、陆兵湖州师范学院陈莎力、王丹琼杭州师范大学潘教兴、夏伊凡丽水学院李根、周燕中国计量学院非专业组：一等奖力学实验马毛毛、严圣林杭州电子科技大学热学实验张红运、沈文龙杭州电子科技大学电磁学实验唐圣洁、吴春浙江大学城市学院光学实验陈鹏、金亦余温州大学瓯江学院二等奖力学实验倪钟华、许裕红中国计量学院现代科技学院吴金沂、唐起源浙江工商大学蘧孝泼、戴宁温州大学池长井、苏贤燕杭州电子科技大学信息工程学院热学实验唐健、杨旻中国计量学院现代科技学院林欢锋、何帆杭州电子科技大学信息工程学院徐娜、丁冬生浙江大学城市学院王颖、虞伟刚温州大学瓯江学院电磁学实验张雁峰、蔡亚萍中国计量学院现代科技学院冯涛、虞华芳湖州师范学院颜林、沈成浙江林学院路思远、鲍啦啦浙江师范大学光学实验唐佳滔、陈芳芳杭州电子科技大学信息工程学院金飘飘、李敏湖州师范学院冯晓杰、陈莹莹浙江师范大学赖淦昌、陈旭强中国计量学院三等奖力学实验张业放、颜传武浙江林学院金建新、浦伊玲中国计量学院现代科技学院蔡巧青、冯一铭浙江大学城市学院杨乐斌、张位春中国计量学院赵燕娜、王晓军杭州师范大学黄孝肖、李悌师浙江海洋学院盛天骥、朱冠华温州大学瓯江学院廖龙龙、钟霞宁波大学热学实验徐明辉、刘浩中国计量学院现代科技学院郑宁、王飞浙江师范大学张德、董高超浙江科技学院潘灵慧、夏勤清嘉兴学院蔡单奇、商宏文浙江理工大学林正怀、宋慧丽绍兴文理学院夏阳、李虹静温州大学胡恩召、郑莲莲湖州师范学院董挺、倪慧芳浙江教育学院盛权、马学刚浙江工商大学吴赟、王隆俊台州学院李庆贤、王君良浙江理工大学王超慧、姚庆宋浙江万里学院李莹、项晓明嘉兴学院张陶、管薇温州大学光学实验王娅茜、陈甲章浙江工商大学胡一鸣、蔡清清浙江林学院天目学院陈程、严骏绍兴文理学院章显斌、方大鹏温州大学周丽、冯波浙江海洋学院杨甜雨、傅开樽浙江林学院汤露兵、洪理梦中国计量学院现代科技学院冯跃、张鑫华浙江万里学院2008年11月29日。

2012年浙江省大学生物理创新竞赛试题一、选择题1.我国“嫦娥一号”探月卫星发射后，先在“24小时轨道”上绕地球运行（即绕地球一圈需要24小时）；然后，经过两次变轨依次到达“48小时轨道”和“72小时轨道”；最后奔向月球。

如果按圆形轨道计算，并忽略卫星质量的变化，则在每次变轨完成后与变轨前相比，则（）A.卫星动能增大，引力势能减小B.卫星动能增大，引力势能增大C．卫星动能减小，引力势能减小 D.卫星动能减小，引力势能增大2.质点在平面上运动，方程为，速度为；若运动时，①；②，则（）A.①质点作圆周运动，②质点作匀加速曲线运动B.①质点作圆周运动，②质点作匀速率曲线运动C.①质点作变速率直线运动，②质点作匀速率曲线运动D.①质点作变速率直线运动，②质点作匀加速曲线运动3.质量为m的粒子在势能的保守立场中运动，其中a，b为正的常数，则该粒子的稳定平衡位置x为（）A. aB. –aC.bD.-B4.地面上一静止的闪光灯发出两次闪光的时间间隔为4s，飞船上的观察者测得的时间间隔为5s，则飞船上的观察者测得两次闪光时闪光灯的空间间隔为（）mA.4×10^8B.7.2×10^8C.9×10^8D.12×10^85.设空气中声速为330m/s，一列火车以30m/s的速度行驶，机车上汽笛的频率为600Hz。

一行人沿铁轨以10m/s的速度与这列火车相向运动，则该行人在火车正前方和火车驶过后所听到的汽笛频率差为（）Hz6.由高斯定理，当闭合曲面的电通量为零时，则( )A.高斯面内一定没有电荷B.高斯面外一定没有电荷C.高斯面内必无净电荷D.高斯面外必无净电荷7.选无穷远处为电势零点，半径为R的导体球带电后，其电势为，则球外离球心距离为r处的电场强度的大小为（）A. B. C. D.8.真空中两根很长的相距为2a的平行直导线与电源组成闭合回路。

已知导线中的电流为I，则在两导线正中间某点P处的磁能密度为( )A. B. C. D.09.在半径为0.2m，共100匝的大线圈中心有一小铜丝环，环面积为5.0×10^-4m²，两线圈共面。

附件：个人奖获奖名单高校名称：浙江师范大学壹等奖人数：25人俞超、马甲帅、张楠、陈孝章、沈鑫、高培杰、薛阿喜、寿利凤、张梦雅、岑玺、周露茜、阮蓓蓓、张琴琴、丁涛、王建平、杨启栋、李晓敏、黄成辉、许肖洁、阮可、陈贵、张福、纪亚萍、钱芳、胡奇烨。

贰等奖人数： 77人陈微微、李益琴、吴哲明、谢坚坚、章丽腾、吴云、陈晨、陆凯琴、黄方亮、安严军、应立敏、章明益、王闰琼、魏杨修、季春微、黄艳芳、危淑虹、郑正君、刘壮丽、代路路、赵增良、胡婉瑛、马丽雅、方倩倩、潘晶京、沈月红、陈丹娜、章卫星、董飞、陈思思、陆佩梦、蔡青青、夏超、张路红、王俊凯、顾雪花、郑晓婉、陈冰星、邱成、陈芬芬、龚栋寅、郑潇潇、周洁、王方丽、李婷、胡益丹、韦世道、陈洁、叶建荣、纪亚荣、陈蕾、马吉、曹彩霞、谢璋琦、史益波、陈梦恬、池宪念、曹文洁、李卫星、倪洁洁、林琴琴、蒋建萍、郑洋洋、林娴静、钟海涛、陈萍、周眉、张安舟、庄芳、周一莎、胡倩、蔡珍珍、傅亦楠、孙双、张彬、魏峰、郁兰。

叁等奖人数：153人赵泰磊、陈媛媛、刘盛盈、王聘婷、董菲菲、许可、顾静琰、吴蓉蓉、周佳、蔡雅斌、沈志红、尤宏杰、叶超、丁婕婷、章雅、陈旦妮、方聪、孙安、虞舒倩、黄艳、汪凌珂、陈敏迪、阮柳辉、徐静静、徐婷婷、罗晓鹏、杨娜、潘微、叶青、包张燕、许建明、陈官鹏、徐丽娜、汪斌、胡益煦、史良忠、唐淇、俞丽雅、余佳斌、姚巧美、龚璐熠、朱舜丰、郑晨、陈达、陆秧、张芳苹、高啓萍、叶欢、郭彩萍、陈华燕、张林晨、吴琴琪、杜林存、俞奇伟、陈佩丝、陈苗苗、李闻青、王丽仙、沈林星、鲍杨慧、陈丽巧、赵紫扦、叶勤军、盛桦杰、杜利怀、施展、邬晓琳、郦莎莎、李豪迪、邵媛媛、吴忠云、沈建琴、严瑾、陈佳琪、金乐、於意、蔡瑞雪、汪微、吴梦媛、朱晓红、金志靖、吴好、周杰海、刘茂桂、周海静、许桑桑、储婷婷、裘依玲、张鸯鸯、谢霞、张利燕、吴青花、李秋燕、赵冰、马金艳、何沅蔚、周丹青、陈骞、黄群晓、柯舒婷、盛佳颖、蔡白薇、高琳琳、徐晓莉、符加侬、张艺馨、洪丹燕、蔡霞、周勇杰、林弋珊、潘秀媚、吴璐璐、徐欢欢、余建峰、陈倩霞、范琼玲、王伟、王启蒙、鲍婷婷、沈婷婷、叶军、季佳琳、向松、程孝丽、吴雯、王晟华、吾燚萌、陈洁宁、沈佳平、舒盼盼、俞益玲、丁梦天、甘亮、叶竞雄、钭梅杰、孟秀儿、包玉琦、王晨媛、韩水水、赵晶晶、董泽华、崔驹贤、卢富桃、邓慧静、李文静、方鑫栋、方斌、金诗莹、翟云飞、凤萍、孙颖政、沈琳婷、王月聪。

第29届全国部分地区大学生物理竞赛主办单位：上海市物理学会比赛时间：2012年12月9日我校学生获奖结果：我校获奖名单如下：物理学类：一等奖（5名）：唐云浩、柴凌云、姜逸坤、梁斯航、李林蔚二等奖（8名）：康雨毫、任之韵、吴凡、张宇豪、刘文晶、戴于淳、楼厦、包一天三等奖（11名）：俞寒迪、胡名翔、陈文朴、沈策、苏子瑜、丁佳杰、陆海宇、顾星宇、梁驭辰、李哲、齐含瑜非物理学类A组：一等奖（2名）：王翀、黄耀二等奖（12名）：姜熠阳、姜昕鸣、方冠华、曾宇、谭潇颉、李扬、缪赟、张文戎、邹晨、黄策、吴殷哲、娄琦彬三等奖（8名）：陈涛、李学兵、郑恺、许昊天、胡震浩、曹腾飞、杨晟祺、吴蒙医学类：特等奖（1名）：时若晨二等奖（1名）：孙冬三等奖（1名）：柳芸文科经管类：特等奖（1名）：柯淑强一等奖（1名）：吕智渊二等奖（1名）：闫瑞睿三等奖（3名）：付梦昱、顾智恺、孙冠球第28届全国部分地区大学生物理竞赛主办单位：上海市物理学会比赛时间：2011年12月11日我校学生获奖结果：我校获奖名单如下：物理学类：一等奖（3名）：屠济群、许迪、何志帆二等奖（4名）：郑益峰、虞豪驰、肖迪、刘文璐三等奖（6名）：李泓昊、张枫、廖李明、戚桢翊、张喆、刘盛非物理学类A组：特等奖（1名）：倪佳峰一等奖（2名）：王恩、潘望白二等奖（5名）：王烁、宋阳、杨智、李童、马宇三等奖（9名）：李远帆、周智、宿冉冉、何楠、舒天民、王灿、秦瑛迪、王圣、贾其璋医学类：特等奖（2名）：虞豪骋、汪斯衡一等奖（1名）：王子龙二等奖（3名）：陈聿同、艾沓杉、刘嘉运三等奖（1名）：刘望原文科经管类：一等奖（1名）：袁嘉坤三等奖（1名）：张怡皓第27届全国部分地区大学生物理竞赛主办单位：上海市物理学会比赛时间：2010年12月12日我校学生获奖结果：我校获奖名单如下：物理学类：一等奖（4名）：罗伟杰、李耀轩、张擎、陈苏迪二等奖（1名）：张大鹏三等奖（4名）：曹昱、戚宏建、石梦瑶、王娟非物理学类A组：一等奖（5名）：施道航、纪文彬、盛嘉奕、杨钊、章丹颂二等奖（5名）：章少骏、郭竞凯、沈周锋、董书剑、王勉之三等奖（6名）：张校捷、丁雪健、郑逢飞、李一寒、杨曦中、汤泓灏文科经管类：一等奖（1名）：陈柏佑。

第2届全国大学生物理实验竞赛试题的解答与考试评析张宪锋;陶小平;祝魏;张增明;孙腊珍【摘要】第2届全国大学生物理实验竞赛中的基础性试题为“利用转动定律测量质量及切变模量”和“测量康铜丝的杨氏模量和泊松比”两道题，综合性、研究性试题为“磁光效应的研究”和“磁流体性质的研究”两道题。

本文介绍竞赛试题的实验内容、实验原理及部分答案，并对参赛学生的实验考试结果进行评析。

【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6页(P40-45)【关键词】全国大学生物理实验竞赛;转动定律;切变模量;杨氏模量;泊松比;磁光效应;磁流体【作者】张宪锋;陶小平;祝魏;张增明;孙腊珍【作者单位】中国科学技术大学物理实验教学中心，安徽合肥230026;中国科学技术大学物理实验教学中心，安徽合肥230026;中国科学技术大学物理实验教学中心，安徽合肥230026;中国科学技术大学物理实验教学中心，安徽合肥230026;中国科学技术大学物理实验教学中心，安徽合肥230026【正文语种】中文【中图分类】G642.4231 引言教育部高教司(高教司函[2010]13号)批准的《全国大学生物理实验竞赛》是大学生的学科竞赛，由高等学校国家级实验教学示范中心联席会主办，全国高校实验物理教学研究会协办，中国科学技术大学承办的第2届全国大学生物理实验竞赛于2012年12月22日至12月24日在中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心举行. 竞赛旨在培养大学生的创新能力、实践能力和团队协作意识，激发大学生对物理实验的兴趣与潜能，促进大学物理实验教学改革. 来自国家级物理实验示范中心所在院校、国家级基础科学人才培养基地院校及获得国家级物理实验精品课程院校的46个代表队的182名大学生选手参加了本次竞赛. 竞赛命题分为基础性物理实验和综合性、研究性物理实验题2类. 本次实验竞赛既突出物理基础又充分体现大学生的实践能力、动手能力和创新思维. 各代表队由2人分别单独参加4 h的基础性物理实验竞赛；2人合作参加8 h的综合性、研究性物理实验竞赛. 经评审专家组的评审和竞赛组委会审议，评选一等奖12名(其中：基础性试题8名，综合性、研究性试题4名)；二等奖31名(其中：基础性试题20名，综合性、研究性试题11名)，三等奖46名(其中：基础性试题31名，综合性、研究性试题15名).中国科学技术大学物理实验教学中心承担了本届竞赛的组织、命题、实验仪器装置的研制和实验场地的准备等工作. 本文就第2届全国大学生物理实验竞赛试题的实验内容、考试结果及竞赛中存在的问题做一些分析，希望对促进各高校进一步加强学生实践能力的培养，促进物理实验教学改革提供点有益的借鉴.2 基础性试题的解答与评析基础性实验试题为“利用转动定律测量质量及切变模量”和“测量康铜丝的杨氏模量和泊松比”2道题，均使用自己实验台上的装置独自来完成，每道题时限4 h.2.1 试题1：利用转动定律测量质量及切变模量2.1.1 引言刚体绕固定轴的转动定律是研究刚体运动的基本定律，通过对小角度下刚体定轴转动是简谐振动的特性研究，可以确定待测物体的质量.在弹性限度内，钢丝的切应力τ与切应变γ成正比，即τ=Gγ(其中G为材料的切变模量). 如在钢丝的下端悬挂一圆盘，它可绕中心线往复运动，形成扭摆. 该扭摆扭过的角度φ正比于钢丝所受的扭力矩M，由转动定律可得该扭摆作简谐振动，由此可确定钢丝的切变模量.2.1.2 实验研究的问题本实验研究的问题：1)测量玻璃棒的质量和螺帽的质量；2)测量钢丝的切变模量.2.1.3 实验仪器1)测量玻璃棒的质量和螺帽的质量的器材：长约1 m的木条(过质心附近有一直径约10 mm的小孔，内有套管，套管内径约为6 mm)，质量均匀分布的待测玻璃棒1根(长为L、质量为m1)，待测螺帽2个(总质量为m2)，单摆架1个(上端固定1根直径约4 mm铁杆)，质量m为(15.00±0.05) g、半径为r0的小铜柱2个，秒表1块，游标卡尺1把，直尺1把，平衡刀口1个，坐标纸1张，小剪刀1把，铅笔、蓝彩笔、橡皮和胶带.2)测量钢丝切变模量的器材：圆盘1个，待测金属丝1根，单摆架1个，游标卡尺1把，螺旋测微计1个，秒表1块，质量m为(50.0 ± 0.1) g、半径为r0的大铜柱2个.2.1.4 实验要求第1小题：测量玻璃棒的质量和螺帽的质量(60分)1)说明如何操作使转轴通过质心，并完成答题纸上的问题.2)设计实验方案测量玻璃棒的质量和两螺帽(可视为质点)的质量，并给出必要的计算公式. (重力加速度g=9.795 m/s2)(可请求提示设计方案，扣12分)3)记录6组数据，要求时间测量误差在0.5%以内(人用秒表计时的测量误差为0.2 s),并用作图法确定通过木条质心且垂直其表面的转轴的转动惯量IC.4)确定玻璃棒的质量m1和两螺帽的质量m2. (不要求计算不确定度)第2小题：测量钢丝的切变模量(40分)1)完成答题纸上如何确定钢丝长度的问题.2)设计实验方案测量钢丝的切变模量，并给出必要的计算公式，要求钢丝的长度约为60 cm，时间测量误差在0.5%以内(人用秒表计时的测量误差为0.2 s). (可请求提示设计方案，扣12分)3)记录6组实验数据，用最小二乘法拟合计算切变模量. (不要求计算不确定度) 2.1.5 试题特点及解答1)试题特点作为基础性实验试题，在定题过程中，出题者经反复讨论和修改，要求试题既突出物理基础理论又充分考查考生的实践动手能力. 第1小题“测量玻璃棒的质量和螺帽的质量”，考查了考生对刚体模型、质心及转动惯量等物理概念的理解；实验中要求考生利用刚体定轴转动定律设计实验方案，测量玻璃棒的质量和两螺帽(可视为质点)的质量，并给出必要计算公式. 第2小题“测量钢丝的切变模量”，考查了钢丝切变模量的基础概念，要求考生采用常规实验器材设计实验方案测量钢丝的切变模量，并给出必要计算公式.试题难度不大，实验内容及数据的处理量适中，但这2个小题均要求设计实验方案，考生要在4 h内完成实验要求，对考生基础理论的理解程度、基本物理仪器的熟练使用程度以及基本实验技能的储备都是不小的挑战，笔者认为，该试题较全面地考查了考生的基本知识、基本实验技能及数据处理和分析能力，符合基础性实验试题要求.2)试题解答第1小题解答：回答答题纸上关于通过配重，使转轴通过木条质心的问题，设计实验方案确定通过木条质心且垂直其表面的转动惯量，测量玻璃棒的质量和螺帽的质量，并给出相关计算公式：(1)(2)(3)测量并通过作图确定通过木条质心且垂直其表面的转轴的转动惯量(图1)，测量出玻璃棒的质量m1和螺帽的质量m2. (详解略)图1 确定通过木条质心且垂直其表面的转轴的转动惯量第2小题解答：确定待测钢丝的长度，利用提供的仪器和设备，设计实验方案并且给出相关的计算公式：(4)(5)(6)通过最小二乘法拟合计算钢丝的切变模量. (详解略)2.1.6 考试结果及评析表1是对46名参赛学生基础性实验试题1的得分所作的统计.表1 统计结果实验最高分(人数)最低分(人数)平均分标准差一 (60分)56(1人)0(7人)14.3014.00二 (40分)40(1人)0(5人)11.5510.57总分 (100分)96(1人)0(2人)25.8519.00为便于专家客观评阅试卷，命题组对实验的评分反复进行讨论并细化，关于实验方案的设计、测量结果的计算和分析，在评分细则中都给出了详尽的得分点. 根据最终的统计结果，参赛学生在该试题的各小题及总分得分情况如图2所示(横坐标表示分数的区间，纵坐标表示学生人数)，由图2可以看出，第1小题考生得分普遍很低，有15位考生请求提示设计方案，这部分考生的总分需扣12分，另有部分考生在实验过程中未能正确地设计实验方案，以致实验测量结果和数据处理与参考答案不符，或部分考生因为时间关系没有完成实验，导致得分情况偏离高斯分布. 第2小题得分情况大致符合高斯分布，大部分考生完成了实验，其中有5位考生请求提示设计方案，这部分考生的总分也需扣12分. 值得一提的是，获得一等奖的4位同学无一请求提示设计方案. 总体上看，得分情况大致符合高斯分布，两小题有一定的区分度.(a) 测量玻璃棒质量和螺帽质量得分分布图(b) 测量钢丝切变模量得分分布图(c) 基础性试题1 总分的直方统计图图2 基础性试题各小题及总分的得分情况通过具体的统计分析，我们分析如下：1)第1小题突出了实验的基础理论性，涉及基本物理概念和测量技术. 从监考和阅卷中可以看出，有近1/3的考生拿到题目后无从下手，没有根据实验提供的器材正确地设计实验，得分很少. 有15位考生请求了提示设计方案，这部分考生基本完成了实验，但总分需扣12分. 部分考生对刚体质心的概念、刚体定轴转动定律及简谐振动性质等基本知识理解不够，未能按要求用作图法确定出通过木条质心且垂直其表面的转轴的转动惯量，导致后续实验无法完成. 有些考生缺乏基本的实验技能，不能有效地使用提供的实验器材，导致实验方法错误. 本小题的平均得分为14.30分(满分为60分)，得分为0分的有7人. 综合看来，第1小题是对考生的基础理论和实验技术的较全面考察，大约有30%的考生完成了此实验.2)第2小题要求考生先设计实验方案，并给出测量钢丝的切变模量的计算公式. 从监考和阅卷中可以看出，部分考生由于审题不全面或不仔细，没有根据实验提供的器材正确地设计实验. 圆盘和2个大铜柱是本实验提供的主要器材，近30%考生出现测量错误，反映出考生实验技术水平有待提高. 当然，还有相当部分的考生由于缺乏参赛经验，时间分配不够合理而未完成答卷，所有这些导致考生得分普遍很低. 从统计情况看，本小题的平均得分为11.55分(满分为40分)，得分为0分的有5人. 综合看来，第2小题是对考生基本实验技能和实验数据处理能力的考察，大约40%的考生基本完成了此实验.3)总之，试题1强调了实验的基础理论和测量技术，对实验的基本技能、实验数据处理和作图等都有较高的要求，参赛考生的最高分96分，最低分0分，平均分25.85分，考试成绩基本符合统计高斯分布.2.2 试题2：测量金属丝的杨氏模量和泊松比2.2.1 引言杨氏模量是材料的重要力学性质，反映了材料抵抗形变能力的大小. 拉力F与丝的原始横截面A之比定义为应力，伸长量ΔL与丝的原始长度L之比定义为纵向线应变. 在弹性范围内，应力与应变满足胡克定律：(7)其中E为材料的杨氏模量. 式(7)中只考虑了材料的微小纵向应变，忽略了横向变化. 横向伸长量Δd与丝的原始横向长度d之比定义为横向线应变. 在实践中，纵向拉伸应变还会导致横向收缩应变. 实验表明，在材料弹性范围内，横向线应变Δd/d与纵向线应变ΔL/L之比为常量：(8)(8)式中的负号表示纵向拉伸导致横向收缩，μ为横向变形系数或称泊松比.非平衡电桥与传感器配合使用，可测量温度、应力、位移等变化量. 图3为非平衡电桥的原理图，其中电阻箱R1，R2，R3为电桥的3个臂，R4+RS构成第4臂，R0为电位器，C是滑动头. 当电桥平衡时：图3 非平衡电桥任意桥臂阻值变化时，电桥将偏离平衡位置. 实验中，金属丝受到拉伸引起电阻变化，当R4+RS的相对阻值变化量小于1%时，桥电压Ug(即DE间电压)与电阻的关系近似满足线性关系：(9)式中，RS是康铜丝的初始阻值.2.2.2 研究的问题1)测量康铜丝的杨氏模量；2)忽略拉伸过程中康铜丝的电阻率变化，利用非平衡电桥测量拉力与康铜丝有关性质的关系，并计算其泊松比.2.2.3 实验仪器所用的实验仪如表2所示.表2 实验仪器序号设备名称数量1康铜丝(已焊接2根导线)12木支架(已装配电位器、开关、滑轮、升降螺栓)13卷尺(最大允差1.2 mm)14千分尺(最大允差0.004 mm)15JCD3型移测显微镜(最大允差0.015 mm)16移测显微镜垫块17ZX17-1型交直流电阻箱(0.2级)38ZX38A/10型交直流电阻箱(0.1级)19KEITHLEY台式万用表(使用方法见附录)110低压钠灯(双线平均波长λ=0.589 3 μm)及电源111钠灯木垫块112甲电池(～1.5 V)113玻璃片214砝码托盘(质量标注于底部)115增砣砝码(100 g)1016数字万用表117LED灯118导线82.2.4 实验要求1)按图3连接电路，建议分压UAC取0.3～0.5 V，康铜丝的工作电流取3～5 mA.2)托盘上放1块砝码作为初始条件，调整仪器两端的塑料螺栓，使康铜丝与桌面平行，距离桌面77 mm左右，以利于移测显微镜的调节.3)测量康铜丝接入电路的长度L，精确到mm.(7分)4)用干涉法测量康铜丝的直径d.(30分)a.简述干涉条纹在整个劈尖区域分布特点并解释；为提高测量精度，应测什么区域的条纹？b.用干涉法测量康铜丝的直径(选一处即可)，要求测量相对不确定度小于1.0%，并给出测量依据.5) 分别朝康铜丝上的2个焊接点哈气，并观察桥电压Ug的读数变化.(10分)a.描述哈气时读数的变化；b.上述现象由什么效应产生？6)测量康铜丝的杨氏模量E.(25分)a.设计实验方案，给出相关公式；b.求康铜丝的杨氏模量E(合肥地区重力加速度g=9.795 m/s2).7)确定康铜丝的泊松比μ(28分)a.设计实验方案，给出相关公式，忽略拉力对金属丝电阻率的影响；b.确定康铜丝的泊松比μ.2.2.5 试题特点、解答及评析1)试题特点本题原理部分比较简单，所用实验设备都是常见的设备. 主要考查内容包括：由不确定度分析设计实验方案，用干涉法测量康铜丝的直径，拉伸法测量康铜丝的杨氏模量，非平衡电桥法测量康铜丝的泊松比，此外还要求学生解释实验中2个比较有趣的实验现象. 竞赛组委会的专家在审核命题过程中认为，本实验的几个内容单独看比较简单，很多高校都开设了相关的实验，但将这几个涉及力学、热学、电学、光学等学科的基础实验综合在一起，对学生基本物理理论的理解水平、动手能力、分析问题的能力、数据处理的能力要求较高，能实实在在地检验学生的物理实验水平.2)试题解答第1小题要求学生连接非平衡电桥的电路，第2小题调节康铜丝水平，都是非常基本的操作，难度很小.第3小题要求用卷尺测量接入电路的康铜丝长度L，如图4所示. 由于L大于1.2 m，单个考生直接测量L将导致较大的误差，不能满足精确到mm的要求，只能先测出L1和L2，再求出L. 在实际操作中，只有3人能正确完成本小题，大部分学生直接测量L，说明没有认真审题，动手时对不确定度的大小没有仔细考虑，考试中学生动手不动脑的问题普遍存在.图4 支架上的康铜丝第4小题用劈尖干涉法测量康铜丝的直径. 要求先用移测显微镜观察条纹的分布特点并解释，再用不确定度均分原理设计实验方案，并根据实验方案测量直径d. 由于康铜丝比较粗，移动显微镜时，在劈尖区域有的地方有干涉条纹，有的地方没有条纹，这个现象可用钠黄光具有双线波长来解释. 原理如图5所示. 根据不确定度均分原理，可推导出至少需要测量50个条纹才能满足设计要求.图5 干涉法测细丝直径本小题考查的不确定度均分原理是物理实验的基础知识，干涉法测细丝直径实验在很多高校都有开设. 但从考试结果来看，74%的考生不能正确推导出干涉法测细丝直径的公式，余下的考生中，只有2人能根据不确定度均分原理进行实验方案的设计. 由于本题的实验现象不常见，操作时，80%的考生超过1 h也没有调出干涉条纹，看到条纹的同学均未能用钠黄光双线波长对实验现象进行解释. 这说明部分考生对物理实验的基础知识掌握不够扎实，对劈尖干涉法的理解不够深入. 这部分的成绩统计见图6.图6 第4小题成绩分布第5小题，当考生对着康铜丝的一端焊点哈气时，会发现电桥的平衡示数增大，朝另一端哈气则示数减小，这可用温差效应来解释. 经统计，有28人发现哈气对桥电压的影响，但只有7人正确解释了实验现象.第6和7小题要求先设计实验方案，再测量康铜丝的杨氏模量、泊松比. 根据式(7)，测出康铜丝的直径d后，用拉伸法很容易测量杨氏模量. 式(8)中，康铜丝直径的变化Δd很小，本实验不能直接测量，但由于Δd会引起康铜丝电阻的变化，因此可通过非平衡电桥测出其阻值的变化间接测量Δd，从而求得泊松比. 相关实验结果见图7和图8.图7 拉伸法测量康铜丝的杨氏模量图8 非平衡电桥法测康铜丝的泊松比最后两小题对考生分析问题、解决问题的能力要求较高. 其难点在于实验设计部分，大部分考生没有清晰的思路，也没有想到移测显微镜除了用来测细丝直径，还能用于监测康铜丝的伸长量. 因此，考生的成绩基本来自于对杨氏模量、泊松比的公式推导及用非平衡电桥测电阻的变化，而无人正确测出这2个物理量. 这两小题总共53分，得分大于10分的有15人，但只有2人成绩超过25分.46位参赛学生的成绩统计如图9所示，成绩普遍不理想，但基本符合高斯分布. 本实验除了要求灵活使用常见的实验仪器之外，设计性内容较多，还要求学生对实验现象进行分析，并给出相应的理论解释或者测出实验数据. 考试的结果表明大部分考生分析问题、解决问题的能力较弱，这警示在以后的物理实验教学中，应减少教师示范、学生依样画葫芦的教学模式，加强了对学生自主设计性实验的训练，切实提高了他们的实验动手能力.图9 基础第2题考生成绩统计图。

浙江省大学生物理竞赛气体摩尔常量 -1-1K mol J 31.8⋅⋅=R 玻尔兹曼常量 -123K J 1038.1⋅⨯=-k真空介电常数 ε0=8.85⨯10-12C 2/(N ⋅m 2) 真空中光速 c =3⨯108m/s 普朗克常数h =6.63⨯10-34J ⋅s基本电荷e =1.6⨯10-19C 真空介电常数ε 0=8.85⨯10-12C 2/(N ⋅m 2) 电子质量m e =9.1⨯ 10-31kg 真空磁导率μ0=4π⨯10-7H/m 真空中光速c =3⨯108m/s 里德伯常数-17m 10097.1⨯=R 电子伏特 1eV=1.6⨯ 10-19J氢原子质量 m =1.67⨯ 10-27kg维恩位移定律常数b =2.898×10-3m K斯忒恩-波尔兹曼常数σ=5.67×10-8W/m 2K 4一、选择题：（单选题，每题3分，共30分）1．质量为m 的质点在外力作用下，其运动方程为 j t B i t A rωωsin cos +=，式中A 、B 、ω 都是正的常量．由此可知外力在t =0到t =π/(2ω)这段时间内所作的功为（ ）A ．)(21222B A m +ω B ．)(222B A m +ω C ．)(21222B A m -ω D ．)(21222A B m -ω2．一座塔高24m ，一质量为75kg 的人从塔底走到塔顶. 已知地球的质量为6⨯1024kg ，从日心参考系观察，地球移动的距离为？（ ）（不考虑地球的转动） A ．12m B ．24m C ．4.0⨯-24m D ．3.0⨯-22m3．边长为l 的正方形薄板，其质量为m ．通过薄板中心并与板面垂直的轴的转动惯量为（ ） A ．231ml B ．261ml C ．2121ml D ．2241ml4．μ子的平均寿命为2.2⨯10-6s ．由于宇宙射线与大气的作用，在105m 的高空产生了相对地面速度为0.998c （c 为光速）的μ子，则这些μ子的（ ） A ．寿命将大于平均寿命十倍以上，能够到达地面 B ．寿命将大于平均寿命十倍以上，但仍不能到达地面 C ．寿命虽不大于平均寿命十倍以上，但能够到达地面 D ．寿命将不大于平均寿命十倍以上，不能到达地面5．乐器二胡上能振动部分的弦长为0.3m ，质量线密度为=ρ4⨯10-4kg/m ，调音时调节弦的张力F ，使弦所发出的声音为C 大调，其基频为262Hz. 已知波速ρFu =，则弦中的张力为（ ）A ．1.0NB ．4.2NC ．7.0ND ．9.9N6．一固定的超声波探测器在海水中发出频率为30000Hz 的超声波，被迎面驶来的潜艇反射回来，测得反射波频率与原来的波频率之差（拍频）为241Hz ．已知超声波在海水中的波速为1500m/s ，则潜艇的速率为( ) m/sA ．1B ．2C ．6D ．107．如图所示，两个相同的平板电容器1和2并联，极板平面水平放置．充电后与电源断开，此时在电容器1中一带电微粒P 恰好静止悬浮着。