2011年第28届全国中学生物理竞赛决赛试题_加_决赛答案

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1、第28届全国中学生物理竞赛决赛试题一、（15分）在竖直面内将一半圆形光滑导轨固定在A、B两点，导轨直径AB=2R，AB与竖直方向间的夹角为60°，在导轨上套一质量为m的光滑小圆环，一劲度系数为k的轻而细的光滑弹性绳穿过圆环，其两端系与A、B两点，如图28决—1所示。当圆环位于A点正下方C点时，弹性绳刚好为原长。现将圆环从C点无初速度释放，圆环在时刻t运动到C'点，C'O与半径OB的夹角为θ，重力加速度为g.试求分别对下述两种情形，求导轨对圆环的作用力的大小：（1）θ=90°（2）θ=30°ABCC'ODθ60°图28决—1二、（15分）如图28决—

2、2所示，在水平地面上有一质量为M、长度为L的小车，车内两端靠近底部处分别固定两个弹簧，两弹簧位于同一直线上，其原长分别为l1和l2，劲度系数分别为k1和k2；两弹簧的另一端分别放着一质量为m1、m2的小球，弹簧与小球都不相连。开始时，小球1压缩弹簧1并保持整个系统处于静止状态，小球2被锁定在车底板上，小球2与小车右端的距离等于弹簧2的原长。现无初速释放小球1，当弹簧1的长度等于其原长时，立即解除对小球2的锁定；小球1与小球2碰撞后合为一体，碰撞时间极短。已知所有解除都是光滑的；从释放小球1到弹簧2达到最大压缩量时，小车移动力距离l3.试求开始时弹簧

3、1的长度l和后来弹簧2所达到的最大压缩量Δl2.k1k2m2m1L图28决—226三、（20分）某空间站A绕地球作圆周运动，轨道半径为rA=6.73×106m.一人造地球卫星B在同一轨道平面内作圆周运动，轨道半径为rB=3rA/2，A和B均沿逆时针方向运行。现从空间站上发射一飞船（对空间站无反冲）前去回收该卫星，为了节省燃料，除了短暂的加速或减速变轨过程外，飞船在往返过程中均采用同样形状的逆时针椭圆转移轨道，作无动力飞行。往返两过程的椭圆轨道均位于空间站和卫星的圆轨道平面内，且近地点和远地点都分别位于空间站和卫星的轨道上，如图28决—3所示。已知地

4、球半径为Re=6.38×106m，地球表面重力加速度为g=9.80m/s2.试求：（1）飞船离开空间站A进入椭圆转移轨道所必须的速度增量ΔvA，若飞船在远地点恰好与卫星B相遇，为了实现无相对运动的捕获，飞船所需的速度增量ΔvA.（2）按上述方式回收卫星，飞船从发射到返回空间站至少需要的时间，空间站A至少需要绕地球转过的角度。AB地球转移轨道图28决—3四、（15分）摩尔质量为μ的某种理想气体，从左向右流过一内壁光滑的长直水平绝热导管，导管内横截面的面积为S，一摩尔绝对温度为T的该气体的内能为5RT/2，式中R为普适气体常量。（1）将一加热装置固定放

5、置在管得中部，以恒定功率W给气体加热，如图28决—4（a）所示。假设该装置对气流的阻力可以忽略，当气流稳定后，管中气体虽然在加热装置附近的状态不均匀，但随着与加热装置距离的增加而逐渐趋于均匀。在加热装置左边均匀稳流区域中，气体的压强为P0，温度为T0，向右流动的速度为v0.已知加热装置右边均匀稳流区域中气体的压强为P1，试求该区域气体的温度T1.（2）现将管中的加热装置换成一多空塞，如图28决—4（b）所示。在气流稳定后，多孔塞左边气体的温度和压强分别为T0和P0，向右流动的速度为v0；多孔塞右边气体的压强为P2（P2

6、的过程中与多孔塞没有任何形式的能量交换，求多孔塞右边气体的流速v2.（a）v0P0,T0P1加热装置（b）P0,T0v0P2多孔塞图28决—4五、（15分）如图28决—5所示，一个三棱镜ABC的顶角α小于90°.假设光线在纸面内以任意入射角入射到AB面上的D点，经一次折射后，又入射到AC面上，且能在AC面上发生全反射。已知光线在AC26面上发生全反射的临界角为Θ（Θ<45°），AC边足够长。试求下列两种情形下分别求三棱镜顶角α的取值范围：（1）如果光线仅从AB面上法线的下方入射；（2）如果光线仅从AB面上法线的上方入射。ABCDα图28决—5六、（

7、20分）一电荷量为q的点电荷产生的电场在距离它为r处的电场强度的大小为，式中ke为常量；一条长直导线中通有电流i时，它产生的磁场在与导线相距为r（远小于长直导线的长度）处的磁感应强度的大小为，式中km也为常量。ABa1C1KuMJNJa2C2h图28决—6上述两常量比值的平方根可用如图28决—6所示的实验装置，通过低频（约几百赫兹）的电场和磁场来测定。图中A、B表示水平放置的、电容为C1的平行板电容器的极板，极板为正方形，边长为a1（极板间距远小于a1）。极板B固定，极板A悬挂在天平臂一端的挂钩上，M、N为两根水平放置的平行长直金属细杆，长度均为a

8、2，两杆间的距离为h（h<