上海市第十八届高二物理竞赛(初赛)

2024-2025学年高二物理上学期期中模拟卷（考试时间：60分钟，分值：100分）注意事项：1．答卷前，考生务必将自己的姓名、准考证号等填写在答题卡和试卷指定位置上。

2．答案写在答题卷上，写在本试卷上无效。

3．测试范围：沪科版2020必修第三册，第9~10章。

4．难度系数：0．7。

一、阅读材料，回答下列问题（共21分）蜜蜂飞行过程中身上会积累少量正电荷，一只蜜蜂通常的带电量约为+3×10-11C ，蜜蜂传播花粉时就利用了这些电荷。

当蜜蜂飞到花蕊附近时，花粉颗粒会粘附在蜜蜂身上。

当蜜蜂接近下一朵花时，部分花粉会留在下一朵花的花蕊上，完成授粉。

静电力常量k=9.0×109N·m 2/C 2，元电荷e =1.6×10-19C 。

1．(3分)一只原来电中性的蜜蜂在飞行过程中带上了+3×10-11C 的电量，这是由于它（）A ．失去了1.9×108个质子B ．失去了 1.9×108个电子C ．得到了1.9×108个电子D ．得到了 1.9×108个质子E ．失去了5.3×109个电子F ．失去了 5.3×109个质子【答案】B【解析】物体带电的原因是电子转移，失去电子带正电，得到电子带负电，n ==3×10−11C 1.6×10−19=1.9×108，所以B 对，其余错。

2．（6分）当蜜蜂靠近带负电的花蕊时，它们之间的电场如图所示。

（1）画出a 点的电场方向；（2）用虚线画出通过b 点的等势面；（3）a 、b 两点中______点电场强度较大，______点电势较高（均选涂：A ．a B ．b ）。

ab【答案】（1）如图（2）如图（3）A ，B【解析】（1）电场方向即电场线在该点的切线方向（2）在电场中，等势面与电场线垂直相交（3）电场强度大小看电场线的疏密，A点电场强度大；沿电场线方向电势降低，B点电势高3．（6分）设花蕊的电势为φ1，蜜蜂的电势为φ2，当一颗电荷量为−q（q>0且远小于蜜蜂、花蕊所带电量）的花粉从花蕊转移到蜜蜂身上的过程中，（1）电场力对花粉________（选涂：A．做正功B．做负功C．不做功），电势能______（选涂：A．增加B．减少C．不变）。

大同杯物理竞赛专题汇编——压力、压强1.如图所示，甲、乙两个完全相同的直角三棱劈放置在水平桌面上。

三棱劈的密度均匀且底面为矩形，若分别沿两物体图中虚线将右上侧切掉Δm 甲和Δm 乙，且Δm 甲<Δm 乙，则剩余部分对桌面的压强P 甲和P 乙的大小关系为( )(A)P 甲>P 乙 (B)P 甲<P 乙(C)P 甲=P 乙 (D)都有可能2. 如图所示，粗细均匀的玻璃管A 和B 由一橡皮管连接，一定质量的空气被水银柱封闭在A 管内，初始时两管水银面一样高，B 管上方与大气相通。

若固定A 管，将B 管沿竖直方向缓慢上移一小段距离H ，A 管内的水银面相应升高h ，则以下判断正确的是( )(A)h=H(B)h<H/2(C)h=H/2(D)H/2<h<H3. 如图所示，水平桌面上放置—底面积为S 2的轻质圆柱形容器，容器足够深。

在容器中放入底面积为S 1、质量为m 的圆柱形木块。

在容器中缓慢加入水，当木块对容器底部的压力恰好为零时，容器对桌面的压力大小为( )(A)mg s s 12 (B)mg s s s 112- (C)mg s s s 121- (D)mg s s s 122- 4. （多选）如图所示，小试管倒插在广口瓶内的水银中，此时试管恰好浮于水银面。

现由于天气变化的原因，大气压强稍增大，其它条件不变，则( )(A)试管略微下沉(B)试管内封闭气体的体积变大(C)试管内外的水银面高度差变大(D)试管内封闭气体的压强变大5. 一根两端开口的细玻璃管竖直插入水银槽内。

再注入高度为h 1的某种液柱，结果使管内水银面下降了h2。

如果水银密度为ρ0，则该液体密度为( )(A)ρ0(h1＋h2) (B)ρ0h2/h l(C) ρ0h1/h2(D) ρ0(h1－h2)6. 如图所示，在两个底面积不同的圆柱形容器A和B(S A＞S B)内分别盛有甲、乙两种液体，甲的液面低于乙的液面，此时两液体对各自容器底部的压强恰好相等。

上海市复旦大学附属中学2024-2025学年高二上学期期中考试物理试卷一、解答题类比是学习中常用的方法之一，可将陌生的知识与熟识的事物相联系，降低学习难度。

1．库仑定律与万有引力定律类似，均为距离平方反比定律。

在正点电荷Q的电场中，一个电量为q-的粒子（重力不计），在与Q间距1r处由静止释放，此时的电势能为；当其运动至与Q间距2r时，其动能增量为。

已知引力势能pG GMmEr=-，静电力常量记为k。

在研究全电路时，我们可以将电源内部抬升电势的部分类比为向高处抽水的水泵；电阻类比为自高处流向低处的水流遇到的阻碍。

则由此类比可知：2．在电源内部抬升电势的部分，非静电力做（）A．正功B．负功3．在闭合回路中，电流流过电源的抬升电势部分（即对应电动势）和内阻部分时，分别发生怎样的能量转化（）A．电动势：电能→其他能；内阻：其他能→电能B．均为电能→其他能C．电动势：其他能→电能；内阻：电能→其他能D．均为其他能→电能电荷产生电场，电场对电荷有力的作用。

电流产生磁场，磁场对电流有力的作用。

则结合所学知识，可推测如图所示的通电螺线管（叉与点均表示电流方向）内部的磁场4．方向为：（）A．向左B．向右C．向上D．向下5．大小为（）A．近似为匀强磁场B．靠近电流处更强C．中轴线处更强密立根油滴实验6．如图为实验装置，左侧电源的输出电压可调。

若从显微镜中观察发现油滴（带负电）在加速下落，则应如何调整电压以使油滴平衡？（ ）A ．增大电压B ．减小电压7．前问中调整电压时，是否会有电流产生？（ ）A ．没有电流B ．有顺时针电流C ．有逆时针电流8．若将电源改为稳压直流电源（即输出电压恒定），为了方便的调整平行板电容器两极板间的电压，请设计合适的电路，补全电路图。

并标明图中电源的正负极。

可用的器材有：滑动变阻器和电压表。

9．实际上，密立根通过实验得到的元电荷大小经历了数次的修正。

下表为密立根的某些数据，由此数据，我们得到的元电荷量应约为 ；与现代值的相对误差约为 %。

上海市第十八届高二物理竞赛（初赛）说明：1．本卷满分100分，答卷时间90分钟。

2．本卷的解答结果写在答卷纸上。

3．本卷中重力加速度g 取10 m/s 2。

一．单项选择题（每小题3分，共30分）1．一列车队从同一地点先后开出n 辆汽车在平直公路上排成直线行驶，各车均由静止出发先做加速度为a 的匀加速直线运动，达到同一速度v 后入做匀速直线运动，欲使n 辆车都匀速行驶时彼此距离均为x ，则各辆车依次启动的时间间隔为（不计汽车的大小）（）（A ）2v /a（B ）v /2a（C ）x /2v（D ）x /v2．一条形磁铁静止在斜面上，固定在磁铁中心的竖直上方的水平导线中通有垂直纸面向里的恒定电流，如图所示。

若将磁铁的N 极与S 极位置对调后，仍放在斜面上原来的位置，则是磁铁对斜面的压力F N 和摩擦力F f 的变化情况分别是（）（A ）F N 增大，F f 减小 （B ）F N 减小，F f 增大（C ）F N 与F f 都增大（D ）F N 与F f 都减小3．如图所示，一质量为M 、长为L 的木板，放在光滑水平面上，在木板的右端放一质量为m 的小木块，用一根不可伸长的轻绳通过定滑轮分别与M 和m 连接，小木块与木板与间的动摩擦因数为μ，开始时木板与木块均静止。

现用水平向右的拉力F 作用在M 上，将m 拉向木板左端的过程中，拉力至少做功为（）（A ）2μmgL（B ）μmgL /2（C ）μ（M ＋m ）gL（D ）μmgL4．磁带轴未绕磁带时的半径为R 1，设磁带厚度为d ，绕满磁带后的半径为R 2，若磁带以恒定的角速度ω绕磁带，则绕满磁带所用的时间为（ ）（A ）（R 1－R 2）/ω（B ）（R 2－R 1）/d ω （C ）2π（R 2－R 1）/d ω（D ）π（R 2－R 1）/d ω5．一只质量为m 的小猫，跳起来抓住悬挂在天花板上质量为M 的竖直木杆，当小猫抓住木杆的瞬间，悬木杆的绳断了，设木杆足够长，由于小猫不断地向上爬，可使猫离地高度始终不变，则木杆下落的加速度是 -----------（ ）（A ）g （B ）Mg /m （C ）（M ＋m ）g /M （D ）（M －m ）g /M6．如图所示，天平横梁左、右刀口之间的距离2l ＝40cm ，游码刻度间的距离2d ＝30cm ，游码刻度量程0-10g ，则可估算出游码的质量m x 为（ ）（A ）（40/3）g （B ）（20/3）g （C ）（10/3）g （D ）10g 7．如图所示，质量为m 、带正电q 的小球从水平向右的匀强电场中的O 点以初速度v 抛出，初速度方向与竖直线夹θ角，当小球运动到轨迹的最高点P 处时，其速度大小仍为v ，则P 点必在O 点的（）（A ）正上方 （B ）左上方（C ）右上方（D ）以上三种情况都有可能2d8．转动的物体也有动能，物体的转动动能E k ＝I ω2/2，其中I 称为转动惯量，ω为转动的角速度。

上海市进才中学2024-2025学年高二上学期期中（等级）物理试卷一、填空题1．生物体内的每一个细胞在进行生命活动时都伴随着电现象。

某细胞的细胞膜局部如图所示，在正常情况下细胞膜两侧所带电荷会在细胞膜内产生电场，该电场称为跨膜电场。

（1）在未受电刺激时，细胞膜内侧带负电，细胞膜外侧带正电，内外两侧电势差φ内-φ外= U1，细胞膜内产生的电场可视作电场强度大小为E的匀强电场。

①估算该处细胞膜的厚度为。

①a. b两点电势点电势高（选填: A．a B．b）；钠离子从膜外运动到膜内，电势（选填: A．增大B．减小C．不变）。

（2）受到外界剌激后，钠离子开始从细胞外侧移动到内侧，每个钠离子所带电荷量为e。

最初仅少量钠离子穿过细胞膜，膜两侧电势差几乎不变，仍为U1，跨膜电场的电场强度大小仍为E。

钠离子在穿过细胞膜的过程中：①跨膜电场作用于单个钠离子的电场力大小为；①跨膜电场对单个钠离子所做的功为。

（3）随着大量钠离子从细胞膜各处均匀涌入，细胞膜两侧电势差在时间t内由U1迅速变为U2，若将某一局部细胞膜视为电容为C的电容器；①通过该局部细胞膜的电荷量为；①相应的跨膜电流的平均值为。

二、单选题2．“风雨过后方能见到彩虹”，彩虹形成的简化示意图如图所示。

设水滴是球形的，图中的圆代表水滴过球心的截面，入射光线在过此截面的平面内，a、b是从水滴射出的两种单色光，则下列说法正确的是（）A．a光的频率小于b光的频率B．在水滴中，a光的波长小于b光的波长C．在水滴中，a光的折射率小于b光的折射率D．在水滴中，a光的传播速度大于b光的传播速度3．用单色红光通过不同形状的小孔，光屏上呈现出如图的图样，则小孔形状，判断正确的是（）A．B．C．D．三、多选题4．以下哪些现象是由于光的全反射形成的（）A．将空玻璃试管插入水中看上去比充满水的试管要亮得多B．夜晚，湖面上映出了岸上的彩灯C．夏天，海面上出现的海市蜃楼D．在炎热的夏天，向远处的柏油马路看去，路面特别明亮光滑，像用水淋过一样四、单选题5．激光束可以看做是粒子流，其中的粒子以相同的动量沿光传播方向运动。

首届上海市高中基础物理知识竞赛复赛试卷(95)一 单选题（每题5分）1 如图所示，两板间夹一木块A ，向左右两板加压力F 时，木块A 静止，若将压力各加大到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 ）因摩擦系数未知无法计算。

2 如图所示，质量 初速大小都相同的A 、B 、C 三个小球，在同一水平面上，A 球竖直上抛，B 球斜向上抛，抛射角为，C 球沿倾角也为 的光滑斜面上滑，若空气阻力不计，用h A 、h B 、h C 表示三球上升的最大高度，则 （ ）（A ）h A ＝h B ＝h C ， （B ）h B ＝h C ＜h A ，（C ）h A ＝h C ＞h B ， （D ）h A ＞h B 和h C 。

3 如图所示，小球被两根细线BA 和AC 拉住，BA 在水平方向，CA 跟竖直方向成 角，此时CA 上的拉力为F 1，现将BA 剪断，小球开始摆动，当小球返回A 点时CA 上拉力为F 2，则F 2／F 1为（ ）（A ）sin 2 ， （B ）cos 2 ， （C ）tg ， （D ）1。

4 如图所示，用力F 推三个搁在光滑水平面上的物体P 、Q 、R ，使这三个物体一起做匀加速直线运动，若Q 的质量为2 Kg ，P和Q 之间的作用力为6 N ，Q 和R 之间的作用力为4 N ，那么R 的质量是 （ ）（A ）2 Kg ， （B ）3 Kg ， （C ）4 Kg ， （D ）5 Kg 。

5 有两个相同小球A 、B 分别拴在细绳的两端，绳子穿过一根光滑管子，B 球在水平面上作半径为r 的匀速圆周运动，A 球静止不动，则 （ ）（A ）B 球受到绳的拉力等于A 球受到绳的拉力，（B ）若A 球静止在较高位置时，B 球角速度较小， （C ）若A 球静止在较低位置时，B 球角速度较小，（D ）B 球角速度改变时，A 球可以不升高也不降低。

物理竞赛初赛试题及答案一、选择题（每题4分，共40分）1. 光在真空中的传播速度是（）。

A. 299,792,458 m/sB. 299,792,458 km/hC. 299,792,458 m/hD. 299,792,458 km/s答案：A2. 牛顿第二定律的表达式是（）。

A. F = maB. F = mvC. F = m/aD. F = ma^2答案：A3. 根据热力学第一定律，系统内能的增加量等于（）。

A. 系统吸收的热量B. 系统对外做的功C. 系统吸收的热量减去对外做的功D. 系统吸收的热量加上对外做的功答案：D4. 一个物体在水平面上受到一个恒定的力，使其做匀加速直线运动。

若力的大小为10N，物体的质量为2kg，那么物体的加速度是（）。

A. 5 m/s^2B. 10 m/s^2C. 20 m/s^2D. 4 m/s^2答案：A5. 电磁波的波速在真空中是（）。

A. 299,792,458 m/sB. 300,000,000 m/sC. 3.00 x 10^8 m/sD. 3.00 x 10^5 km/s答案：C6. 一个电阻为10Ω的电阻器，通过它的电流为2A，那么电阻两端的电压是（）。

A. 20VB. 10VC. 5VD. 4V答案：A7. 根据欧姆定律，电流I与电压V和电阻R之间的关系是（）。

A. I = V/RB. I = VRC. I = V + RD. I = V - R答案：A8. 一个物体从静止开始自由下落，忽略空气阻力，其下落的加速度是（）。

A. 9.8 m/s^2B. 10 m/s^2C. 9.7 m/s^2D. 10.1 m/s^2答案：A9. 根据能量守恒定律，一个物体的动能和势能之和在没有外力作用下是（）。

A. 增加B. 减少C. 保持不变D. 无法确定答案：C10. 一个物体在水平面上受到一个恒定的力，使其做匀速直线运动。

若力的大小为10N，物体的质量为2kg，那么物体的加速度是（）。

高二物理竞赛试题及答案一．单项选择题（每小题3分，共30分）1.在核反应堆中，是靠熔化的钠来传递核燃烧产生的热量的。

抽动液态钠的“泵”有传动部分不允许和钠接触，因此常使用一种称为“电磁泵”的机械。

如图所示为这种泵的结构，N、S为磁铁的两极，C为在磁场中的耐热导管，熔融的钠从其中流过，v为钠的流动方向，要使钠液加速，加在导管中钠液的电流方向应为（）[3分]A由下流向上B由上流向下C逆着v的方向D顺着v的方向参考答案：A2.如图所示，一倾斜的金属框架上放着一根金属棒，由于摩擦力的作用，金属棒在没有磁场时处于静止状态，从t0时刻开始，给框架区域加一个垂直框架平面斜向上的逐渐增强的匀强磁场，到时刻t时，棒开始运动，在t0到t这段时间内，金属棒所受的摩擦力（）[3分]A不断增大B不断减小C先减小后增大D先增大后减小参考答案：C3.地球赤道上的重力加速度为g，物体在赤道上随地球自转的向心加速度为a，要使赤道上的物体“飘”起来，则地球的转速应为原来的（）[3分]ABCD参考答案：B4.三个相同的电压表接入电路中，如图所示，已知V1表有示数为8V，V3表有示数为5V，那么，V2表有示数应为（）[3分]A5VB3VC8VD大于3V而小于5V参考答案：B5.一个实心球由两种不同的均匀物质构成，各占一半体积，其密度分别为如图所示。

如果实心球完全浸没入密度为的静水中能保持加速度等于零，则下面哪种情况是正确的（）[3分]ABCD参考答案：D6.甲、乙两容器形状不同，容积却相同，如图所示。

现有两块完全相同的金属块用细线系着，分别浸没入同样深度，这时两容器水面平齐，如果将金属块匀速提出水面，则（）[3分]A从甲容器中把金属块提出水面时拉力做功多些B从乙容器中把金属块提出水面时拉力做功多些从甲、乙容器中把金属块提出水面时拉力做功相同D做功多少无法比较参考答案：A7.如图所示，是某一电场中一根弯曲的电场线，A、B是电场线上的两点，一个正点电荷原来静止在A点，释放后仅在电场力作用下运动，下列说法中正确的是（）[3分]A电荷可能沿电场线运动到B点B电荷可能沿其他路径运动到B点C电荷不可能通过B点D电荷是否通过B点无法判断参考答案：C8.用两根长度相等的绝缘细线系住两个质量相等的带电小球A和B，A带正电，B带负电，且|qA|＝3|qB|，悬挂在水平向右的匀强电场中，保持平衡状态，能正确表示系统平衡状态的图是（）[3分]参考答案：C9.有一弹簧座垫，宽为22.7cm，它的弹簧成对地如图所示排列，所有弹簧的劲度系数均为k ＝10N/m，有一重为100N的物体放在座垫上，座垫的表面将下降10cm，假定当物体放上时，弹簧的长度都相同，则此座垫有多少个弹簧？（）[3分]A400B200C100D80参考答案：A10.粗细相同的同种电阻丝制成的两个半径之比为2:1的圆环置于同一匀强磁场之中，其环面与磁场方向垂直，现以相同速度将两环分别沿垂直于磁场方向匀速拉出磁场，如图所示，则此过程中大小两环中发热量之比是（）[3分]A8:1B4:1C2:1D1:1参考答案：B二．多项选择题（每小题4分，共40分。

第十八届全国中学生物理竞赛复赛试卷、参考答案全卷共六题，总分140分。

一、（22分）有一放在空气中的玻璃棒，折射率ｎ＝ 1.5 ，中心轴线长Ｌ＝ 45cm，一端是半径为Ｒ1＝ 10ｃｍ的凸球面．1．要使玻璃棒的作用相当于一架理想的天文望远镜（使主光轴上无限远处物成像于主光轴上无限远处的望远系统），取中心轴线为主光轴，玻璃棒另一端应磨成什么样的球面？2．对于这个玻璃棒，由无限远物点射来的平行入射光束与玻璃棒的主光轴成小角度φ１时，从棒射出的平行光束与主光轴成小角度φ２，求φ２／φ１（此比值等于此玻璃棒望远系统的视角放大率）．解：1．对于一个望远系统来说，从主光轴上无限远处的物点发出的入射光为平行于光轴的光线，它经过系统后的出射光线也应与主光轴平行，即像点也在主光轴上无限远处，如图18－2－6所示，图中Ｃ1为左端球面的球心．图18－2－6由正弦定理、折射定律和小角度近似得（－Ｒ１）／Ｒ１＝ｓｉｎｒ１／ｓｉｎ（ｉ１－ｒ１）≈ｒ１／（ｉ１－ｒ１）＝1／（（ｉ１／ｒ１）－1）≈1／（ｎ－1），①即（／Ｒ１）－1＝1／（ｎ－1）．②光线ＰＦ１射到另一端面时，其折射光线为平行于主光轴的光线，由此可知该端面的球心Ｃ２一定在端面顶点Ｂ的左方，Ｃ２Ｂ等于球面的半径Ｒ２，如图18－2－6所示．仿照上面对左端球面上折射的关系可得（／Ｒ２）－1＝1／（ｎ－1），③又有＝Ｌ－，④由②、③、④式并代入数值可得Ｒ２＝5ｃｍ．则右端为半径等于5ｃｍ的向外凸的球面．图18－2－7．设从无限远处物点射入的平行光线用①、②表示，令①过Ｃ１，②过Ａ，如图18－2－7所示，则这两条光线经左端球面折射后的相交点Ｍ，即为左端球面对此无限远物点成的像点．现在求Ｍ点的位置，在△ＡＣ１Ｍ中，有／ｓｉｎ（π－φ１）＝／ｓｉｎφ１＝Ｒ１／ｓｉｎ（φ１－φ１′），又ｎｓｉｎφ１′＝ｓｉｎφ１，已知φ１、φ１′均为小角度，则有／φ１＝Ｒ１／φ１（1－（1／ｎ））．与②式比较可知，≈，即Ｍ位于过Ｆ１垂直于主光轴的平面上．上面已知，玻璃棒为天文望远系统，则凡是过Ｍ点的傍轴光线从棒的右端面射出时都将是相互平行的光线．容易看出，从Ｍ射出Ｃ２的光线将沿原方向射出，这也就是过Ｍ点的任意光线（包括光线①、②）从玻璃棒射出的平行光线的方向，此方向与主光轴的夹角即为φ２，由图18－2－7可得／φ１＝／＝（－Ｒ１）／（－Ｒ２），由②、③式可得（－Ｒ１）／（－Ｒ２）＝Ｒ１／Ｒ２，则φ２／φ１＝Ｒ１／Ｒ２＝2．二、（22分）正确使用压力锅的方法是：将已盖好密封锅盖的压力锅（如图复18-2-1）加热，当锅内水沸腾时再加盖压力阀Ｓ，此时可以认为锅内只有水的饱和蒸气，空气已全部排除．然后继续加热，直到压力阀被锅内的水蒸气顶起时，锅内即已达到预期温度（即设计时希望达到的温度）．现有一压力锅，在海平面处加热能达到的预期温度为120℃，某人在海拔5000ｍ的高山上使用此压力锅，锅内有足量的水．1．若不加盖压力阀，锅内水的温度最高可达多少？2．若按正确方法使用压力锅，锅内水的温度最高可达多少？3．若未按正确方法使用压力锅，即盖好密封锅盖一段时间后，在点火前就加上压力阀，此时水温为27℃，那么加热到压力阀刚被顶起时，锅内水的温度是多少？若继续加热，锅内水的温度最高可达多少？假设空气不溶于水．已知：水的饱和蒸气压ｐＷ（ｔ）与温度ｔ的关系图线如图18-2-2所示．大气压强ｐ（ｚ）与高度ｚ的关系的简化图线如图18-2-3所示．当ｔ＝27℃时，ｐＷ（27°）＝3.6×10３Ｐａ；ｚ＝ 0处，ｐ（0）＝ 1.013×10５Ｐａ．解：1．由图18－2－8知在海平面处，大气压强ｐ（0）＝101．3×10３Ｐａ．在ｚ＝5000ｍ时，大气压强为ｐ（5000）＝53×10３Ｐａ．图18－2－8图18－2－9此处水沸腾时的饱和蒸气压ｐＷ应等于此值．由图18－2－9可知，对应的温度即沸点为ｔ２＝82℃．达到此温度时，锅内水开始沸腾，温度不再升高，故在5000ｍ高山上，若不加盖压力锅，锅内温度最高可达82℃．．由图18－2－9可知，在ｔ＝120℃时，水的饱和蒸气压ｐＷ（120°）＝198×10３Ｐａ，而在海平面处，大气压强ｐ（0）＝101×10３Ｐａ．可见压力阀的附加压强为ｐＳ＝ｐＷ（120°）－ｐ（0）＝（198×10３－101．3×10３）Ｐａ＝96．7×10３Ｐａ．在5000ｍ高山上，大气压强与压力阀的附加压强之和为ｐ′＝ｐＳ＋ｐ（5000）＝（96．7×10３＋53×10３）Ｐａ＝149．7×103Ｐａ．若在ｔ＝ｔ２时阀被顶起，则此时的ｐＷ应等于ｐ′，即ｐＷ＝ｐ′，由图18－2－9可知ｔ２＝112℃．此时锅内水开始沸腾，温度不再升高，故按正确方法使用此压力锅，在5000ｍ高山上锅内水的温度最高可达112℃．．在未按正确方法使用压力锅时，锅内有空气，设加压力阀时，内部水蒸汽已饱和．由图18－2－9可知，在ｔ＝27℃时，题中已给出水的饱和蒸气压ｐＷ（27°）＝3．6×10３Ｐａ，这时锅内空气的压强（用ｐａ表示）为ｐａ（27°）＝ｐ（5000）－ｐＷ（27°）＝（53×10３－3．6×10３）Ｐａ＝49．4×10３Ｐａ．当温度升高时，锅内空气的压强也随之升高，设在温度为ｔ（℃）时，锅内空气压强为ｐａ（ｔ），则有ｐａ（ｔ）／（273＋ｔ）＝ｐａ（27℃）／（273＋27），ｐａ（ｔ）＝（164．7ｔ＋45．0×10３）Ｐａ．若在ｔ＝ｔ′时压力阀刚好开始被顶起，则有ｐＷ（ｔ′）＋ｐａ（ｔ′）＝ｐ′，由此得ｐＷ（ｔ′）＝ｐ′－ｐａ（ｔ′）＝（105×10３－164．7ｔ′）Ｐａ，画出函数ｐ′－ｐａ（ｔ′）的图线，取ｔ＝0℃，有ｐ′－ｐａ（0℃）＝105×10３Ｐａ，取ｔ＝100℃，有ｐ′－ｐａ（100℃）＝88．6×10３Ｐａ．由此二点便可在图18－2－9上画出此直线，此直线与图18－2－9中的ｐＷ（ｔ）－ｔ曲线的交点为Ａ，Ａ即为所求的满足上式的点，由图可看出与Ａ点对应的温度为ｔ′＝97℃．即在压力阀刚开始被顶起时，锅内水的温度是97℃，若继续加热，压力阀被顶起后，锅内空气随水蒸汽一起被排出，最终空气排净，锅内水温仍可达112℃．三、（22分）有两个处于基态的氢原子Ａ、Ｂ，Ａ静止，Ｂ以速度ｖ０与之发生碰撞．已知：碰撞后二者的速度ｖＡ和ｖＢ在一条直线上，碰撞过程中部分动能有可能被某一氢原子吸收，从而该原子由基态跃迁到激发态，然后，此原子向低能级态跃迁，并发出光子．如欲碰后发出一个光子，试论证：速度ｖ０至少需要多大（以ｍ／ｓ表示）？已知电子电量ｅ＝ 1．602×10－19Ｃ，质子质量为ｍｐ＝ 1．673×10－27ｋｇ，电子质量为ｍｅ＝ 0．911×10－31ｋｇ，氢原子的基态能量为Ｅ１＝－13．58ｅＶ．解：为使氢原子从基态跃迁到激发态，需要能量最小的激发态是ｎ＝2的第一激发态．已知氢原子的能量与其主量子数的平方成反比．即Ｅｎ＝ｋ１／ｎ２，①又知基态（ｎ＝1）的能量为－13．58ｅＶ，即Ｅ１＝ｋ１／1２＝－13．58ｅＶ，所以ｋ＝－13．58ｅＶ．ｎ＝2的第一激发态的能量为Ｅ２＝ｋ１／2２＝－13．58×（1／4）＝－3．39ｅＶ．②为使基态的氢原子激发到第一激发态所需能量为Ｅ内＝Ｅ２－Ｅ１＝（－3．39＋13．58）ｅＶ＝10．19ｅＶ．③这就是氢原子从第一激发态跃迁到基态时发出的光子的能量，即ｈν＝Ｅ内＝10．19ｅＶ＝10．19×1．602×10－19Ｊ＝1．632×10－18Ｊ．④式中ν为光子的频率，从开始碰到发射出光子，根据动量和能量守恒定律有ｍｖ０＝ｍｖＡ＋ｍｖＢ＋光子的动量，⑤（1／2）ｍｖ０２＝（1／2）ｍ（ｖＡ２＋ｖＢ２）＋ｈν，⑥光子的动量ｐν＝ｈν／ｃ．由⑥式可推得ｍｖ０＞2ｈν／ｖ０，因为ｖ０<<ｃ，所以ｍｖ０>>ｈν／ｃ，故⑤式中光子的动量与ｍｖ０相比较可忽略不计．⑤式变为ｍｖ０＝ｍｖＡ＋ｍｖＢ＝ｍ（ｖＡ＋ｖＢ），⑦符合⑥、⑦两式的ｖ0的最小值可推求如下：由⑥式及⑦式可推得（1／2）ｍｖ０２＝（1／2）ｍ（ｖＡ＋ｖＢ）２－ｍｖＡｖＢ＋ｈν＝（1／2）ｍｖ０２－ｍｖＡ（ｖ０－ｖＡ）＋ｈν，ｍｖＡ２－ｍｖＡｖ０＋ｈν＝0，经配方得ｍ（ｖＡ－（1／2）ｖ０）２－（1／4）ｍｖ０２＋ｈν＝0，（1／4）ｍｖ０２＝ｈν＋ｍ（ｖＡ－（1／2）ｖ０）２，⑧由⑧式可看出，当ｖＡ＝（1／2）ｖ０时，ｖ０达到最小值ｖ０ｍｉｎ，此时ｖＡ＝ｖＢ，ｖ０ｍｉｎ＝2，代入有关数值，得ｖ０ｍｉｎ＝6．25×10４ｍ／ｓ．答：Ｂ原子的速度至少应为6．25×10４ｍ／ｓ．四、（22分）如图18-4所示，均匀磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度Ｂ随时间ｔ变化，Ｂ＝Ｂ０－ｋｔ（ｋ为大于零的常数）．现有两个完全相同的均匀金属圆环相互交叠并固定在图中所示位置，环面处于图中纸面内．圆环的半径为Ｒ，电阻为ｒ，相交点的电接触良好，两个环的接触点Ａ与Ｃ间的劣弧对圆心Ｏ的张角为60°，求ｔ＝ｔ０时，每个环所受的均匀磁场的作用力，不考虑感应电流之间的作用．解：1．求网络各支路的电流．因磁感应强度大小随时间减少，考虑到电路的对称性，可设两环各支路的感应电流Ｉ１、Ｉ２的方向如图18－2－10所示，对左环电路ＡＤＣＦＡ，有图18－2－10Ｅ＝Ｉ１ｒＣＦＡ＋Ｉ２ｒＡＤＣ，因ｒＣＦＡ＝5ｒ／6，ｒＡＤＣ＝ｒ／6，Ｅ＝ｋπＲ２，故ｋπＲ２＝Ｉ１（5ｒ／6）＋Ｉ２（ｒ／6）．①因回路ＡＤＣＥＡ所围的面积为（（2π－3）／12）Ｒ２，故对该回路有ｋ［2（（2π－3）／12）Ｒ２］＝2Ｉ２（ｒ／6），解得Ｉ２＝（（2π－3）Ｒ２／2ｒ）ｋ，代入①式，得Ｉ１＝（（10π＋3）Ｒ２／10ｒ）ｋ．．求每个圆环所受的力．图18－2－11先求左环所受的力，如图18－2－11所示，将圆环分割成很多小圆弧，由左手定则可知，每段圆弧所受的力的方向均为径向，根据对称性分析，因圆弧ＰＭＡ与圆弧ＣＮＱ中的电流方向相反，所以在磁场中受的安培力相互抵消，而弧ＰＱ与弧ＡＣ的电流相对ｘ轴上下是对称的，因而每段载流导体所受的安培力在ｙ方向的合力为零，以载流导体弧ＰＱ上的线段Δｌ′为例，安培力ΔＦ为径向，其ｘ分量的大小表示为｜ΔＦｘ｜＝Ｉ１ＢΔｌ′ｃｏｓα，因Δｌ′ｃｏｓα＝Δｌ，故｜ΔＦｘ｜＝Ｉ１ＢΔｌ，｜Ｆｘ｜＝ΣＩ１ＢΔｌ＝Ｉ１Ｂ＝Ｉ１ＢＲ．由于导体弧ＰＱ在ｙ方向的合力为零，所以在ｔ０时刻所受安培力的合力Ｆ１仅有ｘ分量，即Ｆ１＝｜Ｆｘ｜＝Ｉ１ＢＲ＝（（10π＋3）Ｒ２／10ｒ）ｋＢＲ＝（（10π＋3）Ｒ２／10ｒ）ｋ（Ｂ０－ｋｔ０）Ｒ，方向向左．同理，载流导体弧ＡＣ在ｔ０时刻所受的安培力为Ｆ２＝Ｉ２ＢＲ＝（（2π－3）Ｒ２／2ｒ）ｋＢＲ＝（（2π－3）Ｒ２／2ｒ）ｋ（Ｂ０－ｋｔ０）Ｒ，方向向右．左环所受的合力大小为Ｆ＝Ｆ１－Ｆ２＝（9／5ｒ）ｋ（Ｂ０－ｋｔ０）Ｒ３．方向向左．五、（25分）如图18-5所示，一薄壁导体球壳（以下简称为球壳）的球心在Ｏ点．球壳通过一细导线与端电压Ｕ＝ 90Ｖ的电池的正极相连，电池负极接地．在球壳外Ａ点有一电量为ｑ１＝10×10－9Ｃ的点电荷，Ｂ点有一电量为ｑ２＝16×10－9Ｃ的点电荷．点Ｏ、Ａ之间的距离ｄ１＝ 20ｃｍ，点Ｏ、Ｂ之间的距离ｄ２＝ 40ｃｍ．现设想球壳的半径从ａ＝ 10ｃｍ开始缓慢地增大到50ｃｍ，问：在此过程中的不同阶段，大地流向球壳的电量各是多少？已知静电力常量ｋ＝9×10９Ｎ·ｍ２/Ｃ２．假设点电荷能穿过球壳壁进入导体球壳内而不与导体壁接触．解：分以下几个阶段讨论：．由于球壳外空间点电荷ｑ１、ｑ２的存在，球壳外壁的电荷分布不均匀，用σ表示面电荷密度．设球壳半径ａ＝10ｃｍ时球壳外壁带的电量为Ｑ１，因为电荷ｑ１、ｑ２与球壳外壁的电量Ｑ１在球壳内产生的合场强为零，球壳内为电势等于Ｕ的等势区，在导体表面上的面元ΔＳ所带的电量为σΔＳ，它在球壳的球心Ｏ处产生的电势为ΔＵ１＝ｋσΔＳ／ａ，球壳外壁所有电荷在球心Ｏ产生的电势Ｕ１为Ｕ１＝ΣΔＵ１＝ｋΣσΔＳ／α＝ｋＱ１／ａ．点电荷ｑ１、ｑ２在球壳的球心Ｏ处产生的电势分别为ｋｑ１／ｄ１与ｋｑ２／ｄ２，因球心Ｏ处的电势等于球壳的电势，按电势叠加原理，即有（ｋｑ１／ｄ１）＋（ｋｑ２／ｄ２）＋（ｋＱ１／ａ）＝Ｕ，代入数值后可解得球壳外壁的电量Ｑ１为Ｑ１＝（ａＵ／ｋ）－ａ（（ｑ１／ｄ１）＋（ｑ２／ｄ２））＝－8×10－９Ｃ．因球壳内壁无电荷，所以球壳的电量ＱⅠ等于球壳外壁的电量Ｑ１，即ＱⅠ＝Ｑ１＝－8×10－9Ｃ．．当球壳半径趋于ｄ１时（点电荷仍在球壳外），设球壳外壁的电量变为Ｑ２，球壳外的电荷ｑ１、ｑ２与球壳外壁的电量Ｑ２在壳内产生的合场强仍为零，因球壳内仍无电荷，球壳内仍保持电势值为Ｕ的等势区，则有（ｋｑ１／ｄ１）＋（ｋｑ２／ｄ２）＋（ｋＱ２／ｄ１）＝Ｕ，解得球壳外壁的电量Ｑ２＝（ｄ１Ｕ／ｋ）－（ｄ１（ｑ１／ｄ１＋ｑ２／ｄ２））＝－16×10－9Ｃ．因为此时球壳内壁的电量仍为零，所以球壳的电量就等于球壳外壁的电量，即ＱⅡ＝Ｑ２＝－16×10－9Ｃ，在ａ＝10ｃｍ到趋于ｄ１的过程中，大地流向球壳的电量为ΔＱⅠ＝ＱⅡ－Ｑ１＝－8×10－9Ｃ．．当点电荷ｑ１穿过球壳，刚进入球壳内（导体半径仍为ｄ１），点电荷ｑ１在球壳内壁感应出电量－ｑ１，因球壳的静电屏蔽，球壳内电荷ｑ１与球壳内壁电荷－ｑ１在球壳外产生的合电场为零，表明球壳外电场仅由球壳外电荷ｑ２与球壳外壁的电荷Ｑ３所决定．由于球壳的静电屏蔽，球壳外电荷ｑ２与球壳外壁的电荷Ｑ３在球壳内产生的合电场为零，表明对电荷ｑ２与Ｑ３产生的合电场而言，球壳内空间是电势值为Ｕ的等势区．ｑ２与Ｑ３在球心Ｏ处产生的电势等于球壳的电势，即（ｋｑ２／ｄ２）＋（ｋＱ３／ｄ１）＝Ｕ，解得球壳外壁电量Ｑ３＝（ｄ１Ｕ／ｋ）－（ｄ１ｑ２／ｄ２）＝－6×10－9Ｃ，球壳外壁和内壁带的总电量应为ＱⅢ＝Ｑ３＋（－ｑ１）＝－16×10－9Ｃ，在这过程中，大地流向球壳的电量为ΔＱⅡ＝ＱⅢ－ＱⅡ＝0．这个结果表明：电荷ｑ１由球壳外极近处的位置进入壳内，只是将它在球壳外壁感应的电荷转至球壳内壁，整个球壳与大地没有电荷交换．．当球壳半径趋于ｄ２时（点电荷ｑ２仍在球壳外），令Ｑ４表示此时球壳外壁的电量，类似前面第3阶段中的分析，可得（ｋｑ２／ｄ２）＋（ｋＱ４／ｄ２）＝Ｕ，由此得Ｑ４＝（ｄ２Ｕ／ｋ）－（ｄ２（ｑ２／ｄ２））＝－12×10－9Ｃ，球壳的电量ＱⅣ等于球壳内外壁电量的和，即ＱⅣ＝Ｑ４＋（－ｑ１）＝－22×10－9Ｃ，大地流向球壳的电量为ΔＱⅢ＝ＱⅣ－ＱⅢ＝－6×10－9Ｃ．．当点电荷ｑ２穿过球壳，刚进入球壳内时（球壳半径仍为ｄ２），球壳内壁的感应电荷变为－（ｑ１＋ｑ２），由于球壳的静电屏蔽，类似前面的分析可知，球壳外电场仅由球壳外壁的电量Ｑ５决定，即ｋＱ５／ｄ２＝Ｕ，可得Ｑ５＝ｄ２Ｕ／ｋ＝4×10－9Ｃ，球壳的总电量是ＱⅤ＝Ｑ５－（ｑ１＋ｑ２）＝－22×10－9Ｃ，（15）在这个过程中，大地流向球壳的电量是ΔＱⅣ＝ＱⅤ－ＱⅣ＝0．（16）．当球壳的半径由ｄ２增至ａ１＝50ｃｍ时，令Ｑ６表示此时球壳外壁的电量，有ｋ（Ｑ６／ａ１）＝Ｕ，（17）可得Ｑ６＝ａ１（Ｕ／ｋ）＝5×10－9Ｃ，球壳的总电量为ＱⅥ＝Ｑ６－（ｑ１＋ｑ２）＝－21×10－9Ｃ，大地流向球壳的电量为ΔＱⅤ＝ＱⅥ－ＱⅤ＝1×10－9Ｃ．六、（27分）一玩具“火箭”由上下两部分和一短而硬（即劲度系数很大）的轻质弹簧构成．上部分Ｇ１的质量为ｍ１，下部分Ｇ２的质量为ｍ２，弹簧夹在Ｇ１与Ｇ２之间，与二者接触而不固连．让Ｇ１、Ｇ２压紧弹簧，并将它们锁定，此时弹簧的弹性势能为已知的定值Ｅ０．通过遥控可解除锁定，让弹簧恢复至原长并释放其弹性势能，设这一释放过程的时间极短．第一种方案是让玩具位于一枯井的井口处并处于静止状态时解除锁定，从而使上部分Ｇ１升空．第二种方案是让玩具在井口处从静止开始自由下落，撞击井底（井足够深）后以原速率反弹，反弹后当玩具垂直向上运动到离井口深度为某值ｈ的时刻解除锁定．1．在第一种方案中，玩具的上部分Ｇ１升空到达的最大高度（从井口算起）为多少？其能量是从何种形式的能量转化而来的？2．在第二种方案中，玩具的上部分Ｇ１升空可能达到的最大高度（亦从井口算起）为多少？并定量讨论其能量可能是从何种形式的能量转化而来的．解：1．在弹簧刚伸长至原长的时刻，设Ｇ１的速度的大小为ｖ，方向向上，Ｇ２的速度大小为ｖ１，方向向下，则有ｍ１ｖ１－ｍ２ｖ２＝0，①（1／2）ｍ１ｖ１２＋（1／2）ｍ２ｖ２２＝Ｅ０，②解①、②两式，得ｖ１＝，③ｖ２＝．④设Ｇ１升空到达的最高点到井口的距离为Ｈ１，则Ｈ１＝ｖ１2／2ｇ＝（（ｍ２／ｍ１ｇ（ｍ１＋ｍ２））Ｅ０，⑤Ｇ１上升到最高点的重力势能为Ｅｐ1＝ｍ１ｇＨ１＝（ｍ２／（ｍ１＋ｍ２））Ｅ０．⑥它来自弹簧的弹性势能，且仅为弹性势能的一部分．．在玩具自井底反弹向上运动至离井口的深度为ｈ时，玩具向上的速度为ｕ＝．⑦设解除锁定后，弹簧刚伸长至原长时，Ｇ１的速度大小为ｖ１′，方向向上，Ｇ２的速度大小为ｖ，方向向下，则有ｍ１ｖ１′－ｍ２ｖ２′＝（ｍ1＋ｍ2）ｕ，⑧（1／2）ｍ１ｖ１′＋（1／2）ｍ２ｖ２′＝（1／2）（ｍ１＋ｍ２）ｕ2＋Ｅ０，⑨消去⑧、⑨两式中的ｖ２′，得ｖ１′的方程式为ｍ１（1＋（ｍ１／ｍ２））ｖ１′－2ｍ１（1＋（ｍ１／ｍ２））ｕｖ１′＋ｍ１（1＋ｍ１／ｍ２）ｕ2－2Ｅ０＝0，由此可求得弹簧刚伸长至原长时，Ｇ１和Ｇ２的速度分别为ｖ１′＝ｕ＋，ｖ２′＝－ｕ＋，设Ｇ１从解除锁定处向上运动到达的最大高度为Ｈ２′，则有Ｈ２′＝ｖ１′／2ｇ＝（1／2ｇ）（ｕ＋）2＝ｈ＋（ｍ2Ｅ０／ｍ１ｇ（ｍ１＋ｍ２））＋2，从井口算起，Ｇ1上升的最大高度为Ｈ２＝Ｈ２′－ｈ＝（ｍ２Ｅ０／ｍ１ｇ（ｍ１＋ｍ２））＋2．讨论：可以看出，在第二方案中，Ｇ１上升的最大高度Ｈ２大于第一方案中的最大高度Ｈ１，超出的高度与解除锁定处到井口的深度ｈ有关．到达Ｈ２时，其重力势能为Ｅｐ2＝ｍ１ｇＨ２＝（ｍ２Ｅ０／（ｍ１＋ｍ２））＋2，（ｉ）若Ｅｐ2＜Ｅ0，即2＜ｍ１Ｅ０／（ｍ１＋ｍ２），这要求ｈ＜Ｅ０ｍ１／4ｍ２ｇ（ｍ１＋ｍ２）．这时，Ｇ１升至最高处的重力势能来自压紧的弹性势能，但仅是弹性势能的一部分．在这一条件下上升的最大高度为Ｈ２＜Ｅ０／ｍ１ｇ．（ｉｉ）若Ｅｐ2＝Ｅ０，2＝ｍ１Ｅ０／（ｍ１＋ｍ２），这要求ｈ＝Ｅ０ｍ１／4ｍ２ｇ（ｍ１＋ｍ２）．此时Ｇ１升至最高处的重力势能来自压紧的弹簧的弹性势能，且等于全部弹性势能．在这一条件下，Ｇ１上升的高度为Ｈ２＝Ｅ０／ｍ１ｇ．（ｉｉｉ）若Ｅｐ2＞Ｅ０，2＞ｍ１Ｅ０／（ｍ１＋ｍ２），这要求ｈ＞Ｅ０ｍ１／4ｍ２ｇ（ｍ１＋ｍ２）．此时Ｇ１升至最高处的重力势能大于压紧的弹簧的弹性势能，超出部分的能量只能来自Ｇ２的机械能．在这个条件下，Ｇ１上升的最大高度为Ｈ２＞Ｅ０／ｍ１ｇ．。

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