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第二十六届全国中学生物理竞赛（北京赛区）（实验中学杯）获奖名单北京物理学会北京市中学生物理竞赛委员会2009年11月5日简报全国中学生物理竞赛是经教育部批准，在中国科协领导下，由中国物理学会主办，中学生自愿参加的学科竞赛。

竞赛的目的是促进中学生提高学习物理的兴趣、扩大学生的视野、增强学习能力，促进学校开展物理课外活动，为学有余力的学生提供发展空间。

第26届全国中学生物理竞赛（北京赛区）于9月6日举行了预赛（4100人参加）、9月19日举行复赛理论考试（398人参加）、9月27日进行复赛实验操作考试。

经过预赛、复赛，评出北京赛区一等奖34名、二等奖120名、三等奖165名，优秀辅导教师奖多名。

根据教育部有关文件规定，凡荣获全国中学生物理竞赛省市赛区一等奖的学生，将获得下一年度全国高等学校高考保送生资格。

北京市代表队由17名选手组成，于10月31日—11月5日参加在上海市举行的全国中学生物理竞赛决赛。

全国决赛经过理论考试、实验操作考试，评出一等奖50名、二等奖98名、三等奖132名。

人大附中俞颐超、实验中学于乾、清华附中戴哲昊、人大附中生冀明、十一学校周琛同学荣获一等奖；十一学校王鹤、北京八中周叶、北京四中李新然、人大附中段嘉懿、十一学校孙伟伦、杜超同学荣获二等奖；北师大二附中王沫阳、北京四中熊泓宇、十一学校梁辰、北京四中贾弘洋、人大附中张金野、北大附中王焱同学荣获三等奖。

人大附中俞颐超同学荣获决赛总成绩最佳奖（第一名）和理论成绩最佳奖（第一名）。

在国际奥林匹克物理竞赛的成绩：2009年5月，人大附中管紫轩、张思卓同学在第十届亚洲中学生物理竞赛中均获得金牌；2009年7月，人大附中管紫轩同学在墨西哥举行的第四十届国际奥林匹克物理竞赛中获得金牌。

本届竞赛还得到了北师大附属实验中学、北京十一学校大力支持。

在此，北京物理学会、北京市中学生物理竞赛委员会向支持本届物理竞赛工作的单位和个人表示衷心的感谢。

北京物理学会北京市中学生物理竞赛委员会2009年11月5日第二十六届全国中学生物理竞赛（北京赛区）获奖名单一等奖（34名）1 俞颐超人大附中2 王鹤十一学校3 于乾实验中学4 李新然北京四中5 熊泓宇北京四中6 生冀明人大附中周琛十一学校梁辰十一学校9 杜超十一学校10 戴哲昊清华附中11 段嘉懿人大附中12 王沫阳北师大二附中13 贾弘洋北京四中孙伟伦十一学校15 张金野人大附中16 周叶北京八中17 张北辰北京四中18 梅松北师大附中付荣桓十一学校20 李逸杭十一学校21 王冠十一学校何方舟十一学校23 郭嘉楠人大附中分校24 詹托晨人大附中25 谢宇轩实验中学26 余可实验中学27 李思尧十一学校28 孔劭凡101中学战晓林十一学校30 王焱北大附中31 沈憧101中学32 武晔玮北京二中33 金正人大附中秦岭北京四中备注：根据教育部有关文件规定，荣获2009年全国中学生物理竞赛（北京赛区）一等奖的学生将获得2010年全国高等学校高考保送生资格。

第26届全国中学生物理竞赛山东赛区复赛实验试题及参考解答

第26届全国中学生物理竞赛山东赛区复赛实验试题及参考解答一、利用RC 暂态电路充放电特性，测量待测电容的大小【实验仪器和用具】1、实验考试专用仪一台。

实验考试专用仪的（G1）、（H1）两引脚间有一1μF 标准电容C1，(G2)、(H2)两引脚间有一待测电容C2（如图所示）；E1电源输出电压约为5V ，E2电源输出电压约为9V ；K2、K3为单刀双掷开关；W1、W2、W3分别约为47Ω、470K Ω和10K Ω的可调电阻，W3为多圈精密可调电位器；电压表内阻约为Ω，μA 表内阻约为Ω。

2、DT9205数字万用表一块，3位半显示，直流电压档内阻约10M Ω，内阻不随电压档位的变化而变化。

3、秒表一块，精度。

4、导线若干。

【实验要求】1、设计一个测量电容C2的实验方案，根据需要从提供的实验仪器与用具中选择合适器材，采用适当的方法和措施，尽量准确的测量。

2、写出实验原理及必要公式，画出实验电路图。

3、写出实验步骤。

4、详细记录实验数据，重复测量5次，并求出待测电容C2的大小。

5、要求所设计方案应可以尽量精确的测量待测电容的大小。

【注意】1、题目中所给出的阻值及电源输出电压值是不精确的。

2、连接电路时，务必注意电容的极性。

3、不能直接使用数字万用表的电容档测量待测电容【提示】RC 暂态电路放电时电容两端的电压遵循以下规律：对于充电过程，满足：(1)tRCc u E e-=-对于放电过程，满足： t RCc u Ee-=当t RC τ==时： 0.368c u E =。

二、测量金属丝的杨氏模量【仪器与用具】半导体激光器，中心带有小孔的观察屏，光具架2个，小金属夹2个，短尺子，直尺，砝码2个，装有待测金属丝的支架一套。

【内容】利用给定器具，测量金属丝的杨氏模量。

【要求】1. 画出测量光路图，并标明各量，推导计算杨氏模量的公式。

2. 简述调节、测量中的关键步骤和注意事项，尽量准确测量。

3. 完整记录测量数据，并用逐差法求杨氏模量。

第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题解答

第30卷　第4期2010年4月物　理　实　验　PH YSICS EXPERIMEN TATION V ol .30　N o .4　A pr .,2010　收稿日期:2009-11-30;修改日期:2009-12-21　基金项目:国家基础科学人才培养基金资助项目(N o .J0730310)　作者简介:陈元杰(1975-),男,浙江杭州人,复旦大学物理学系工程师,学士,从事半导体物理和物理实验教学研究.＊通讯联系人:马世红(1963-),男,河南温县人,复旦大学物理学系教授,博士,从事功能超薄物理与器件物理实验教学研究.基础教育研究第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评析(续)陈元杰,殷海玮,陆申龙,马世红＊(复旦大学物理学系,上海200433)3　实验试题Ⅱ的解答与评析本实验要求研究光学玻璃材料的物理特性(波长范围为400～700nm ).3.1　实验装置及材料1)玻璃样品1个(利用ZF1光学玻璃制成的三棱镜,其顶角为60°00′,误差为2.0′).2)小型光栅单色仪1个(波长范围为200～800nm ,焦距为72.5mm ,相对口径为1∶4,光栅为1200mm -1,波长精度为±3nm ,波长重复性为±1nm ,外形尺寸为90mm ×68mm ×62mm ),出射狭缝处附带有可插入测角仪(分光计)之准直管的套筒(如图5所示).图5　小型光栅单色仪的外形3)发光光源(已将其与小型光栅单色仪固定在一起,且对准后者的入射狭缝):由4个发光二极管(LED ,白光,3.0V ,5W )及其灯座,1个CX -4403A 型直流电源变压器(附带1个输出端插头和1个输出端插座,后者与LED 灯座相连)组成.4)测角仪(分光计)1台,组成见图6.1.三角底座2.准直管3.水平方向调节螺钉4.倾角调节螺钉5.宽度可调节的狭缝及其套筒(用“小型光栅单色仪”上的“出射缝处的套筒”替代)6.狭缝位置锁定螺钉7.望远镜8.水平方向调节螺钉9.倾角调节螺钉　10.套筒位置锁定螺钉　11.照明灯筒　12.目镜清晰度调节手轮　13.望远镜微调螺钉　14.望远镜与刻度盘联动螺钉　15.望远镜止动螺钉(位于图的背面)　16.圆刻度盘　17.角游标　18.游标盘微调螺钉　19.游标盘止动螺钉　20.载物平台　21.载物台调平螺钉　22.载物台锁定螺钉图6　测角仪(分光计)结构示意图5)平面镜1面.6)直钢尺1把(量程30cm ,分度0.1cm ).7)2张作图用的坐标纸(20cm ×25cm ).8)黑色水笔1支、H B 铅笔1支、橡皮1块.9)含线性拟合功能的计算器1个(CASIO ,fx -82ES 型).3.2　实验要求在初步调好测角仪(分光计)的基础上,首先,将光栅单色仪出射狭缝处的套筒插入分光计的准直管中,接通电源点亮LED 后,前后调节该狭缝的位置以保证其发出平行光,亦即通过测角仪(分光计)的望远镜可观察到出射狭缝清晰的两侧刀口.此时,已经完全能够将小型光栅单色仪与LED 的有机组合视作为平行线光源.转动光栅单色仪的鼓轮(注意:测量过程中应始终顺着一个方向转动),即可得到由准直管射出的波长连续可变的单色平行光.记下鼓轮上的读数刻度值,放大100倍后,就是光栅单色仪输出光所对应光谱线的波长(λ)数值(单位:nm ).根据上述该组合光源的特点,就可以实现仅仅利用气体光源(如:高压汞灯等)时所不能进行的角色散率与波长λ的关系曲线的测量.1)多次测量谱线波长为579.0nm 的最小偏向角(要求:测量次数不少于3次),计算对应的折射率,最后用不确定度表示该测量结果.(25分)2)测定光学玻璃材料的色散曲线.(50分)在可见光范围内,单次测量不同波长λ的最小偏向角(即在400～700nm 之间,至少需要测量20个数据点),并计算其所对应的折射率.将全部测定的λ对应的n 值列成数据表格.以λ为横坐标,n 为纵坐标,画出n -λ的色散关系曲线.最后,给出所求光学玻璃的特征常数C 1和C 2.3)利用在上面的实验中已获得的实验数据值,绘出所求光学玻璃材料的角色散率与波长λ的关系曲线.(25分)在可见光范围内,将2相邻相近的单色光谱线(设波长差为Δλ=10nm )作为1组光谱线对(实验中至少需要10组线对),取其中心波长(指光谱线对的平均波长)作为该光谱线对的波长值.用所选光谱线对已测得的2个最小偏向角,即可得到该光谱线对最小偏向角的差值Δδ,进而可算得各中心波长λ的角色散率Δδ/Δλ值.将全部测定的λ对应的Δδ/Δ值列成数据表格.以λ为横坐标,Δδ/Δλ为纵坐标,画出Δδ/Δλ-λ关系曲线.说明:测角仪的望远镜已聚焦于无穷远处(实验过程中可以微调目镜);已调好准直管的光轴与仪器转轴垂直;望远镜的光轴与仪器转轴已垂直在测量过程中,切勿再作调节.3.3　实验原理光学材料的色散现象是指该材料折射率n 或吸收系数α随光波波长λ变化的宏观表现.由于光与材料相互作用的结果,一般色散规律或n 值随波长λ值的变化呈非线性变化关系.在不同波长λ的单色光波下,利用测角仪(分光计)测出玻璃材料(三棱镜)对应的该单色光波的最小偏向角,进而计算出对应的折射率n 值,就可以获得折射率n 与波长λ关系的色散曲线.最小偏向角方法测定玻璃材料折射率n 的物理原理,可参见图7.当光线经棱镜2次折射,其传播方向总的变化可用入射光线a 和出射光线t 延长线的夹角δ来表示,δ叫做偏向角.理论上可以证明:当入射光线a 和出射光线t 对称地“分布”在棱镜两旁时,偏向角有最小值,叫最小偏向角,常用δm 表示.故折射率n 可由下式表示:n =sinA +δm 2sinA 2.(1)图7　最小偏向角法测量原理常用玻璃棱镜的角色散率D θ来标志分光色散(仪器)的光学性能指标.它的定义是:光波长差Δλ的两条光谱线经棱镜折射后,相应最小偏向角差Δδ与Δλ的比值,即D θ=ΔδΔλ≈d δd λ.(2)D θ单位为:rad /mm 或(°)/mm .亦即D θ值越大,说明波长相差1个单位的两谱线所分开的角度越大,角色散的本领也越大.当光波波长λ增加时,如材料折射率n 和色散率v =d n /d λ都减小,这样的色散现象叫做正常色散现象.反之,则叫反常色散现象.依据一定的物理模型,可以推导出描述正常色散现象的柯西(Cauchy )经验公式:n =C 1+C 2λ2+C 3λ4,(3)式中C 1,C 2或C 3是表征材料特性的常量.3.4　试题的特点 1)少部分参赛学生和领队教师反映该题目的难度不是很大,但是实验的内容似乎较多.对此,笔者不敢苟同.本题要求考生在1.5h 内完成,可以考查学生熟练掌握物理基本仪器的能力,以23第4期　陈元杰,等:第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评析(续)及必备的物理实验技能.2)该题目突出了“新颖”和“综合”两个要求.常见的测角仪(分光计)主要是用来测量角度的,进而可获得一些物理参量,如光栅常量、折射率等.而单色仪的基本物理原理,在竞赛的内容提要或中学物理教材中均有提及,应不会让绝大多数学生感到陌生.但将上述2个实验仪器单元综合在一起,作为本实验试题的考查内容,对所有的参赛学生而言,几乎是没有接触过的(尤其是第3个问题的内容).应该讲这对中学生是一个挑战.相信只有那些少数优秀的、比较灵活的和熟练掌握实验原理的考生,才能得到正确答案.参赛学生的考试成绩分布(见表2)恰好能够说明这一点.考试结果表明,该题能真正考查考生的实验动手能力和技能,符合笔者的命题初衷.3)取材容易.本实验内容所用的仪器绝大部分是国内大部分高等学校物理实验中心必备的一些常规的实验仪器和日常生活中的常见物品,如测角仪(分光计)、平面镜、LED发光二极管、小型直流电源变压器、直钢尺、计算器等.仪器和用品既容易准备,又不容易损坏.4)参加实验试题Ⅱ考试的280名选手得分的统计结果表明,该题有较好的区分度,详见表2.表2　实验试题Ⅱ的区分度题号(满分)最高分(人数)最低分(人数)平均分标准差Ⅱ-1(25分)25.0(36人)0(6人)19.26.4Ⅱ-2(50分)50.0(1人)0(43人)17.913.5Ⅱ-3(25分)23(2人)0(239人)1.33.9总分(100分)92.5(1人)0(6人)38.219.3 注:实验试题Ⅱ的满分仅占竞赛(决赛)总成绩满分200分中的30分.由表2可见:本次决赛实验考试,能将考生的实验成绩拉开,使理论基础扎实、动手能力强的考生能取得较好的竞赛成绩.本次物理竞赛(决赛)一等奖共50名,他(她)们的理论成绩均排在参加决赛的280名选手中的前75名,可见本次实验考试成绩在物理竞赛中起着较重要的参考作用.5)独立研发出全新的实验仪器单元———小型光栅单色仪,突显了题目的新颖性.为此命题者从构思到定型均投入大量的时间和精力.该实验仪器单元能够做到“平赛训三用”,以避免浪费.除作为好的竞赛题目外,还可成为具有研究性的基础物理实验题目.在实验中可加入新的研究内容,如:光栅单色仪校准曲线的测定;通过坐标变换,将色散关系曲线用直线表述出来,进而通过作图法得到玻璃材料的特征常量C1和C2;此外,还可利用计算器的线性回归功能来拟合特征常量,再与作图法相比,探讨它们之间的实验误差不同的原因,并设法减少误差等.该部分内容正在大学二年级的实验教学中实施,深受学生们的欢迎.3.5　考试结果及其评析实验考试于2009年11月1日全天(从上午7:00到晚上21:00)分4批次进行.对于实验过程,笔者主要担心的有几件事情:自制的小型光栅单色仪的物理性能是否非常稳定?玻璃样品是否会被学生不小心打碎?发光光源中LED是否会因长时间的通电而使其发光强度明显地下降?考生是否会因没有注意到试题中的“具体说明”而对测角仪(分光计)中已经调节好的相关部件,再进行大范围的重新调整?因为这4种情况都是参赛学生初次接触该实验时有可能出现的,所以笔者在试卷中特别强调要考生小心注意这些问题,并且对监考教师进行了反复交代.结果,除了个别几例对测角仪进行了较多的调节外,上述其他情况均没有发生,这是我们感到非常欣慰的.这说明:命题组成员前期在相关部件的研发过程中的所有考虑,以及进入零部件的组装和调试阶段的工作均非常到位,后期在考试现场中对已进场的实验仪器准备工作的维护也非常周全,可算达到了“万无一失”的最高要求.中学生物理竞赛的实验考试已经结束.经过监考和阅卷评分后,我们对280名考生以及各省的考试情况进行了统计,通过具体的统计分析,笔者可以得出以下4点结论:1)以试题Ⅱ-1为例,比赛前,笔者曾对该实验题目做了较大程度的更改和增删,事实证明这些做法是必要的.因为该“问题”中的部分要求是带有提示性的,基本上是让参赛学生在做“填空题”,目的是为了“送分”给参赛学生.统计的结果显示,该题的平均成绩高达19.2分,其分数段的分布情况如图8所示(直方图中的曲线是利用原始数据的平均值和标准差生成的正态分布曲线.后面图中的曲线与此一致),完全达到了出题的目的.但是,仍有部分学生对这一问题的回答并不24 物　理　实　验第30卷完全令人满意.尽管有近一半(15个)省(市)的分省平均分在20分以上(满分为25分),但是,分省平均分低于15分(及格线)的仍有6个省(市)(其中3个省市的平均分低于5分)之多.由此可见:国内各省(市)代表队的物理实验的教学水平差距还是相当大的.尽管采取了降低难度的措施,出现了36名学生得到满分的成绩,但仍有不少考生不知如何下手做,甚至有6人在本题未得分.因此,如果不降低难度,虽然好的考生仍可以得到高分,但得0分的考生也必然会增加,非常不利于“激发学生学习物理兴趣和主动性”的宗旨.这是今后我们在竞赛命题时需要特别注意的.图8　实验试题Ⅱ-1分数段直方统计图2)测定光学玻璃材料的色散曲线(试题Ⅱ-2)是本试题的主要部分,是真正用来考核参赛学生水平的.这部分的人均平均得分为17.9分(满分为50分),得分在0.5分以下的有48人,得分在45.0分以上的仅有11人.考得较好的6个省(市)代表队的分省平均成绩分别为:29.7分,27.5分,27.4分,26.1分,24.9分和24.3分;且达到上述人均平均分的省(市)有14个之多.分省平均分低于10分的省(市)有7个,其中考得最差代表队的分省平均分仅为1分(涉及2个省市).可见这道试题能够真正把高水平的考生筛选出来(其分数段的分布情况图9所示).图9　实验试题Ⅱ-2分数段直方统计图 3)利用自己所获得的实验数据值,绘出所求光学玻璃材料的角色散率与波长的关系曲线是本试题的第3部分(试题Ⅱ-3),这是用来进一步考核参赛学生处理实验数据的熟练程度的.它的主要要求是在上述第二部分实验测量结果的基础上,以中心波长λ为横坐标,角色散率Δδ/Δλ为纵坐标,在坐标纸上绘出Δδ/Δλ-λ关系曲线.令笔者感到吃惊的是(如图10所示):这一部分的人均平均分仅为1.3分(满分25分).在31个省(市)中,分省平均分高于3.0分仅有3个,在2.0～2.9分之间和1.0～1.9分之间的省(市)均为5个,在0.1～0.9分之间的则有7个,剩余11个省(市)的平均分均为0分.笔者虽不能断言本实验问题对这届竞赛进一步遴选出优秀学生有一定的促进作用,但是至少可以认为在甄别优秀学生的过程中有积极的意义.图10　实验试题Ⅱ-3分数段直方统计图4)本实验试题的人均总分平均为38.3分(满分100分).其中,高于80分的有3人(最高分为92.5分),处于70～79分之间的有14人,60～69分的有28人,50～59分的有30人(该题整体的分数分布情况见图11).统计结果表明:满足及格线60分的人数高达45人(占16.1%,非常接近图11　实验试题Ⅱ总分直方统计图一等奖的获奖比例),而高于35分(接近上述平均分)的人数为153人(占54.6%).同时,由图1125第4期　陈元杰,等:第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评析(续)中的直方图可知,在所有参赛学生的考试分数的分布区间内,他(她)们的考试成绩是完全符合正态分布的,这进一步从总体上佐证了笔者的上述认识:实验试题Ⅱ能够真正地将高水平的考生筛选出来.从上述的得分情况来看,国内东部省(市)或经济较发达区域的优势还是非常明显的,特别是该实验试题总分的前10名中,就有7名均由上述省市的选手获得.这些选手物理概念清楚,思路敏捷,实验操作能力较强.总的来说,是比较满意的.但从本试题的整体回答情况看,国内在实验教学方面还是存在如下问题,值得引以为戒.1)不少考生由于对基本的实验技能掌握不够扎实,或实验操作不规范造成实验结果的失分.引起这种现象的原因相信是与指导教师在指导学生做实验时只注重完成实验结果,不重视实验过程有关.不少参赛学生片面认为,实验只要做过一次就可以了,不重视反复练习.事实上,物理实验说到底就是一门对技能要求极高的基础课程,尤其是像物理竞赛实验考试这种选拔式的考试,提供给考生的时间较短,实验内容较多,进而导致题目的难度较大或有一定的坡(梯)度,需参赛学生在较短的时间内能迅速、熟练地完成各种规定的实验内容.因此,考生只有平时对基本操作反复练习,对基本元件反复使用,才能熟能生巧、运用自如.2)缺乏参赛经验也是造成大多数考生失分较多的直接原因.不少考生答卷时没有作通盘考虑,时间分配不够合理,审题不全面和不仔细.如本试题中仅是寻找“经平面镜反射回望远镜中的十字线”这一项操作就有可能花去整段时间,以至其他内容无法完成(实际上,题中已说明:该部分是不要求学生调节的).还有的考生没有搞清楚实验练习与竞赛的区别,也不懂得“丢卒保车”的策略,在实验考试时,总是慢条斯理,对每一个数据或调节过程均“精益求精”而不作轻重缓急的取舍,如:本题中因精确调节“望远镜的光轴与仪器转轴垂直”和测量“最小偏向角”的角度等而浪费了不少本该可以节约的时间,这也反映出这部分考生理论严重脱离实际,只懂得实验原理.但具体实施时,就不懂得哪些是主要的,哪些是次要的;也不懂得主要误差是来自哪个环节;以至于在各步测量时抓不住要点(本试题着重要求确定色散曲线和角色散率的变化趋势).3)数据处理方面也存在一些问题,如有效数字、作图规则等.不少学生实验结果的有效数字不按不确定度来写,或太多、或太少;作图不规范的学生更多,有的不写坐标轴名、单位,有的标度不等间隔,有的标度值将所有的有效数字都写上去,有的数据点的符号就只点1个点,有的图上没有写实验名称、图名等,各自为政,不一而足.这些都需要在今后的训练中加以注意.4　对策与小结本届物理竞赛决赛的280名考生是从全国各地参加初赛和复赛的几十万名优秀的高中生中选拔出来的,应该说是优中选优.尽管该物理实验试题整体的难度系数不算太高,但考生的考试成绩却不太理想,这种现象确实令人十分担忧,必须引起广大物理教学工作者的认真关注.物理竞赛是物理教学中培养和发现优秀学生的一条重要途径,也是从一个侧面评价各省(市)物理学科实验教学质量的重要指标之一.笔者认为,各级学校今后在物理教学过程中,应切实做好以下几个方面的工作:加强实验教学,培养学生认真、踏实的学风.要充分地认识到:物理实验课程是一门技能课,对技能的培养不是一蹴而就、只花一天半日就可完成的,必须经过长时间的严格训练.所以物理实验教学必须从初中学生抓起,并注重培养学生认真、踏实的学风.特别是对一些看似简单的实验,一定要教育他们养成全面分析的良好习惯.如实验报告的书写一定要规范.在本次实验考试中,我们就发现不少考生因数据记录、数据处理、不确定度的表述及公式表达上的不规范而造成失分.重视实验基本功的训练,培养学生实验基本操作能力.物理实验基本功是指实验的基本理论、基本方法和基本操作技能,良好的实验基本功是参赛考生取得竞赛好成绩和中学生今后持续发展的基础.应该让中学生认真地做好每一个物理实验,通过这些实验来培养和规范学生的基本实验操作能力,提高学生的实验技能技巧.可能有教师认为通常的中学生物理实验内容和难度与竞赛实验相差太大,对竞赛帮助不大.但须知,千里之行始于足下,扎实的物理实验基本功训练和培养是提高学生实验能力的基础,正所谓集腋成裘.26 物　理　实　验第30卷否则,在竞赛中取得好成绩便如无源之水、无本之木,当然也与举办竞赛的目的背道而驰.因此,一定要加强学生的基础实验训练.若有条件,该学生做的实验,尽量让他们去做,且可重复着做.做完实验后一定要让学生总结实验中存在的不足,并在下一次实验时加以改进.此外,适量开展一些课外活动,对开阔学生的视野,提高分析能力会有很好的效果.模拟实验竞赛,提高学生的应变能力.实验操作动手能力除了平时培养和提高外,模拟实验竞赛无疑也是一种很好的方法.指导教师应在统筹全局的前提下,有针对性地指导学生,使学生在不同的阶段得到各种能力的培养和提高.通过模拟实验竞赛的环境,使学生熟悉竞赛规则,做到心中有数,临场不慌不乱.总之,学生实验竞赛能力的提高是一个循序渐进的过程.除了相关部门的硬件投入和支持外,还需要各级学校领导和指导教师的高度重视,采取针对性的措施,使学生在不同的阶段得到各种能力的培养,进而达到提高中学生物理实验竞赛水平的目标.致谢:作者分别与北京大学物理学院吕斯骅教授、复旦大学物理学系蒋平教授和沈元华教授进行了多次有益和深入的讨论,在此一并表示感谢!同时,感谢复旦大学物理系马秀芳、杨敏和范伟民老师在实验准备过程中提供的帮助.参考文献:[1]　吕斯骅.全国中学生物理竞赛实验指导书[M ].北京:北京大学出版社,2006.[2]　郑永令.亚洲物理奥林匹克试题与解答(第1～8届)[M ].上海:华东师范大学出版社,2009.[3]　吕斯骅,段家忯.基础物理实验[M ].北京:北京大学出版社,2002.[4]　贾玉润,王公治,凌佩玲.大学物理实验[M ].上海:复旦大学出版社,1987.[5]　沈元华,陆申龙.基础物理实验[M ].北京:高等教育出版社,2003.[6]　全国中学生物理竞赛委员会办公室.全国中学生物理竞赛专辑2008[M ].北京:北京大学出版社,2008.[7]　全国中学生物理竞赛委员会办公室.全国中学生物理竞赛专辑2009[M ].北京:北京大学出版社,2009.[8]　叶卫平,方安平,于本方.O rigin 7.5科技绘图及数据分析[M ].北京:机械工业出版社,2006.[9]　中国科学院数学研究所统计组.常用数理统计方法[M ].北京:科学出版社,1973.[10]　马秀芳,沈元华.第八届亚洲物理奥林匹克竞赛中实验考题的分析[J ].物理实验,2007,27(12):29-33.[11]　荀坤,王若鹏,陈晓林.第39届国际物理奥林匹克竞赛实验题介绍[J ].物理实验,2008,28(12):21.[12]　罗质华,李保俊.第二十届全国中学生物理竞赛(广东赛区)实验试题解答与启示[J ].中山大学学报论丛,2004,24(3):66.Solutions and result analysis of the problem of experimental finals forthe 26th Chinese Physics OlympiadCHEN Yuan -jie ,YIN Hai -w ei ,LU Shen -long ,M A Shi -hong(Department of Phy sics ,Fudan University ,Shang hai 200433,China )A bstract :The contestant of the 26th Chinese Phy sics Olym piad finals is asked to desig n and m ake a digital clinical thermometer based on the relationship betw een the rm istor with negative temperature coefficient (N TC )and temperature in the ex perimental competition I .Then ,in the experim ental com -petition II ,measurement of minimum deviation ang le and refractive index and dete rmination of disper -sion curve and ang ular dispersion pow er of o ptical g lass are the tw o main parts .The co ntent ,principle invo lved and so me solutions are discussed ,and the ex amination results are analyzed .Key words :Chinese Physics Oly mpiad ;negative temperature coefficient ;thermisto r ;dig ital ther -m ometer ;spectro meter ;refractive inde x ;dispersion curve ;angular disper sion powe r (续完)[责任编辑:尹冬梅]27第4期　陈元杰,等:第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评析(续)。

第26届全国中学生物理竞赛预赛试题及答案

第26届全国中学生物理竞赛预赛试卷一、选择题．本题共5小题，每小题7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7分，选对但不全的得3分，选错或不答的得0分．1．图中a 、b 和c 、d 分别是两个平行板电容器的极扳，E 为电池，彼此相距较远．用导线将E 的正极与a 、 c 相连，将E 的负极与b 、d相连，待电容器充电后，去掉导线．这时已知a 带的电荷量大于c 带的电荷量，称此状态为原始状态．现设想用两根导线分别都从原始状态出发，进行以下两次连接：第一次用一根导线将a 、c 相连，用另一根导线将b 、d 相连；第二次用一根导线将a 、d 相连，用另一根导线将b 、c 相连，每次连接后都随即移去导线．下面哪种说法是正确的？A ．经过第一次连接，a 、b 间的电压下降，c 、d 间的电压上升B ．经过第一次连接，a 、b 间和c 、d 间的电压都不变C ．经过第二次连接，a 、b 间的电压和c 、d 间的电压中有一个上升，一个下降D ．经过第二次连接，a 、b 间的电压和c 、d 间的电压都下降 [ ]2．两根不同金属导体制成的长度相等、横截面积相同的圆柱形杆，串联后接在某一直流电源两端，如图所示．已知杆a 的质量小于杆b 的质量，杆a 金属的摩尔质量小于杆b 金属的摩尔质量，杆a 的电阻大于杆b 的电阻，假设每种金属的每个原子都提供相同数目的自由电子（载流子）．当电流达到稳恒时，若a 、 b 内存在电场，则该电场可视为均匀电场．下面结论中正确的是A ．两杆内的电场强度都等于零B ．两杆内的电场强度都不等于零，且a 内的场强大于b 内的场强C ．两杆内载流子定向运动的速度一定相等D ．a 内载流子定向运动的速度一定大于b 内载流子定向运动的速度 [ ]3．一根内径均匀、两端开口的细长玻璃管，竖直插在水中，管的一部分在水面上．现用手指封住管的上端，把一定量的空气密封在玻璃管中，以V 0表示其体积；然后把玻璃管沿竖直方向提出水面，设此时封在玻璃管中的气体体积为V 1；最后把玻璃管在竖直平面内转过900，使玻璃管处于水平位置，设此时封在玻璃管中的气体体积为V 2．则有A ．V 1>V 0=V 2B ．V 1>V 0>V 2C ．V 1=V 2>V 0D ．V 1>V 0，V 2>V 0 [ ]4．一块足够长的白板，位于水平桌面上，处于静止状态．一石墨块（可视为质点）静止在白板上．石墨块与白板间有摩擦，滑动摩擦系数为μ．突然，使白板以恒定的速度v 0做匀速直线运动，石墨块将在板上划下黑色痕迹．经过某一时间t ，令白板突然停下，以后不再运动．在最后石墨块也不再运动时，白板上黑色痕迹的长度可能是（已知重力加速度为g ，不计石墨与板摩擦划痕过程中损失的质量）A ．202v g μB ．0v tC ．2012v t gt μ- D ．20v g μ [ ] 5．如图1所示，一个电容为C 的理想电容器与两个阻值皆为R 的电阻串联后通过电键K 连接在电动势为 E 的直流电源的两端，电源的内电阻忽略不计，电键K 是断开的，在t=0时刻，闭合电键K ，接通电路，在图2中给出了六种电压V 随时间t 变化的图线a 、b 、c 、d 、e 、f ，现从其中选出三种图线用来表示图l 所示电路上1、2、3、4四点中某两点间的电压随时间t 的变化，下面四个选项中正确的是A ．a 、b 、fB ．a 、e 、fC ．b 、d 、eD ．c 、d 、e [ ]二、填空题和作图题．把答案填在题中的横线上或把图画在题中指定的地方．只要给出结果，不需写出求得结果的过程．6．（8分）传统的雷达天线依靠转动天线来搜索空中各个方向的目标，这严重影响了搜索的速度．现代的“雷达”是“相位控制阵列雷达”，它是由数以万计的只有几厘米或更小的小天线按一定的顺序排列成的天线阵，小天线发出相干的电磁波，其初相位可通过电子计算机调节，从而可改变空间干涉极强的方位，这就起了快速扫描搜索空中各个方向目标的作用．对下面的简单模型的研究，有助于了解改变相干波的初相位差对空间干涉极强方位的影响．图中a 、b 为相邻两个小天线，间距为d ，发出波长为λ的相干电磁波．O x 轴通过a 、b 的中点且垂直于a 、b 的连线．若已知当a 、b 发出的电磁波在a 、b 处的初相位相同即相位差为O 时，将在与x 轴成θ角（θ很小）方向的远处形成干涉极强，现设法改变a 、b 发出的电磁波的初相位，使b 的初相位比a 的落后一个小量φ，结果，原来相干极强的方向将从θ变为θ＇，则θ－θ＇等于7．（8分）He 一Ne 激光器产生的波长为6.33×10-7m 的谱线是Ne 原子从激发态能级（用E 1表示）向能量较低的激发态能级（用E 2表示）跃迁时发生的；波长为 3.39×10-6m 的谱线是Ne 原子从能级E 1向能级较低的激发态能级（用E 3表示）跃迁时发生的．已知普朗克常量h 与光速c 的乘积h c=1.24×10-6m ·eV ．由此可知Ne 的激发态能级E 3与E 2的能最差为 eV ．8．（8分）一列简谐横波沿x 轴负方向传播，传播速度v =200m/s ．已知位于坐标原点（x =0）处的质元的振动图线如图1所示．试在图2中画出，t=4Oms ，时该简谐波的波形图线（不少于一个波长）．9．（8分）图示为某一圆形水池的示意图（竖直截面）．AB得分阅卷复核得分阅卷复核得分阅卷复核为池中水面的直径，MN 为水池底面的直径，O 为圆形池底的圆心．已知ON 为11.4m , AM 、ＢＮ为斜坡，池中水深5.00m ，水的折射率为4 / 3．水的透明度极好，不考虑水的吸收．图中a 、b 、c 、d 为四个发光点，天空是蓝色的，水面是平的．在池底中心处有一凹槽，一潜水员仰卧其中，他的眼睛位于O 处，仰视水面的最大范围的直径为AB ．（i ）潜水员仰视时所看到的蓝天图象对他的眼睛所张的视角为（ii ）四个发光点a 、b 、c 、d 中，其发出的光能通过全反射到达潜水员眼睛的是三、计算题．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．有数值计算的．答案中必须明确写出数值和单位．10．（19分）试分析下面两个实验操作中的误差（或失误）对实验结果的影响．（i ）用“插针法”测量玻璃的折射率时，要先将透明面平行的玻璃砖放置在铺平的白纸上，然后紧贴玻璃砖的两个透明面，分别画出两条直线，在实验中便以这两条直线间的距离作为透明面之间的距离．如果由于操作中的误差，使所画的两条直线间的距离大于玻璃砖两透明面间的实际距离，问这样测得的折射率与实际值相比，是偏大，偏小，还是相同？试给出简要论证（ii ）在用单摆测量重力加速度g 时，由于操作失误，致使摆球不在同一竖直平面内运动，而是在一个水平面内作圆周运动，如图所示．这时如果测出摆球作这种运动的周期，仍用单摆的周期公式求出重力加速度，问这样求出的重力加速度与重力加速度的实际值相比，哪个大？试定量比较．11．（18分）现有以下器材：电流表一只（量程适当．内阻可忽略不计．带有按钮开关K 1，按下按钮，电流表与电路接通，有电流通过电流表，电流表显出一定的读数），阻值己知为R 的固定电阻一个，阻值未知的待测电阻R x 一个，直流电源一个（电动势ε和内阻r 待测），单刀双掷开关K 一个，接线用的导线若干．试设计一个实验电路，用它既能测量直流电源的电动势ε和内阻r ，又能测量待测电阻的阻值R x （注意：此电路接好后，在测量过程中不许再拆开，只许操作开关，读取数据）．具体要求：（i ）画出所设计的电路图．（ii ）写出测量ε、r 和R x 主要的实验步骤．（iii ）导出用已知量和实验中测量出的量表示的ε、r 和R x 的表达式．12．（18分）一静止的原子核A 发生α衰变后变成原子核B ，已知原子核A 、原子核B 和α粒子的质量分别为m A 、m B ，和m α，光速为c （不考虑质量与速度有关的相对论效应）, 求衰变后原子核B 和α粒子的动能．得分阅卷复核得分阅卷复核得分阅卷复核13．（18分）近代的材料生长和微加工技术，可制造出一种使电子的运动限制在半导体的一个平面内（二维）的微结构器件，且可做到电子在器件中像子弹一样飞行，不受杂质原子射散的影响．这种特点可望有新的应用价值．图l 所示为四端十字形．二维电子气半导体，当电流从l 端进人时，通过控制磁场的作用，可使电流从 2, 3，或4端流出．对下面摸拟结构的研究，有助于理解电流在上述四端十字形导体中的流动．在图 2 中， a 、b 、c 、d 为四根半径都为R 的圆柱体的横截面，彼此靠得很近，形成四个宽度极窄的狭缝1、2、3、4，在这些狭缝和四个圆柱所包围的空间（设为真空）存在匀强磁场，磁场方向垂直于纸面指向纸里．以B 表示磁感应强度的大小．一个质量为m 、电荷量为q 的带正电的粒子，在纸面内以速度v 0沿与a 、b 都相切的方向由缝1射人磁场内，设粒子与圆柱表面只发生一次碰撞，碰撞是弹性的，碰撞时间极短，且碰撞不改变粒子的电荷量，也不受摩擦力作用．试求B 为何值时，该粒子能从缝2处且沿与b 、c 都相切的方向射出．14．（20分）如图所示，M 1N 1N 2M 2是位于光滑水平桌面上的刚性U 型金属导轨，导轨中接有阻值为R 的电阻，它们的质量为m 0．导轨的两条轨道间的距离为l ，PQ 是质量为m 的金属杆，可在轨道上滑动，滑动时保持与轨道垂直，杆与轨道的接触是粗糙的，杆与导轨的电阻均不计．初始时，杆PQ 于图中的虚线处，虚线的右侧为一匀强磁场区域，磁场方向垂直于桌面，磁感应强度的大小为B ．现有一位于导轨平面内的与轨道平行的恒力F 作用于PQ 上，使之从静止开始在轨道上向右作加速运动．已知经过时间t , PQ 离开虚线的距离为x ，此时通过电阻的电流为I 0，导轨向右移动的距离为x 0（导轨的N 1N 2部分尚未进人磁场区域）．求在此过程中电阻所消耗的能量．不考虑回路的自感．得分阅卷复核得分阅卷复核15．（20分）图中M1和M2是绝热气缸中的两个活塞，用轻质刚性细杆连结，活塞得分阅卷复核与气缸壁的接触是光滑的、不漏气的，M1是导热的，M2是绝热的，且M2的横截面积是M1的2倍．M1把一定质量的气体封闭在气缸的L1部分，M1和M2把一定质量的气体封闭在气缸的L2部分，M2的右侧为大气，大气的压强P0是恒定的．K 是加热L2中气体用的电热丝．初始时，两个活塞和气体都处在平衡状态，分别以V10和V20表示L1和L2中气体的体积．现通过K对气体缓慢加热一段时间后停止加热，让气体重新达到平衡态，这时，活塞未被气缸壁挡住．加热后与加热前比，L1和L2中气体的压强是增大了、减小了还是未变？要求进行定量论证．16．（20分）一个质量为m 1的废弃人造地球卫星在离地面h=800km 高空作圆周运动，在某处和一个质量为m 2＝m 1/9的太空碎片发生迎头正碰，碰撞时间极短，碰后二者结合成一个物体并作椭圆运动．碰撞前太空碎片作椭圆运动，椭圆轨道的半长轴为7500km ，其轨道和卫星轨道在同一平面内．已知质量为m 的物体绕地球作椭圆运动时，其总能量即动能与引力势能之和2Mm E G a=-，式中G 是引力常量，M 是地球的质量，a 为椭圆轨道的半长轴．设地球是半径R=6371km 的质量均匀分布的球体，不计空气阻力．（i ）试定量论证碰后二者结合成的物体会不会落到地球上．（ii ）如果此事件是发生在北级上空（地心和北极的连线方向上），碰后二者结合成的物体与地球相碰处的纬度是多少？第26届全国中学生物理竞赛预赛试卷参考解答与评分标准一、选择题．（共35分）答案：1．B , D 2．B 3．A 4．A , C 5．A , B评分标准：每小题7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．全部选对的得7分．选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分．二、填空题和作图题．共32分，每小题8分．按各小题的答案和评分标准给分．6．答案与评分标准：2dφλπ（8分）7．答案与评分标准： 1.59（8分）8．答案：评分标准：8分．有任何错误都给0分．9．答案与评分标准：（i ）97.20 ( 4 分）（ii ）c 、d （两个都对得 4 分，只填一个且正确得2分，有填错的得0分）10．参考解答：（i ）以两条实线代表在白纸上所画出的直线，以两条虚线代表玻璃砖的两个透明面，根据题意，实线间的距离大于虚线间的距离，如图所示．根据实线位置定出的折射角为γ，按实际的玻璃砖两透明面的位置即虚线定出的折射角为γ＇，由图知γ>γ＇ ( l )由折射定律 sin i=nsin γ (2 )令入射角i 相等，当折射角偏大时，测出的折射率将偏小．（ii ）以l 表示摆长，θ表示摆线与竖直方向的夹角，m 表示摆球的质量，F 表示摆线对摆球的拉力，T 表示摆球作题图所示运动的周期．有22sin sin ()F ml Tπθθ= ( l ) cos F mg θ= ( 2 )由（l ）、（2）式得cos 2l T gθπ= ( 3 ) 而单摆的周期公式为 2l T gπ'= 即使在单摆实验中，摆角很小，θ< 50，但cos θ< l ，这表示对于同样的摆长l ，摆球在水平面内作圆周运动的周期T 小于单摆运动的周期T ＇，所以把较小的周期通过（4）求出的重力加速度的数值将大于g 的实际值．评分标准：本题 19 分．第（i ）小题9分．得到（l ）式给4分，得到正确结论给5分．只有结论给0分．第（ii ）小题10分．得到（3）式给5分，得到正确结论给5分．只有结论给0分．11．参考解答：解法一（i ）电路如右图所示，（ii ）实验步骤：（1）将单向双掷开关K 置于空位，按所设计的电路图接线．（2）按下电流表上的按钮开关K 1，读下电流表的示数I 1．（3）将K 打向左侧与a 接通，读下电流表的示数12．（4）将K 打向右侧与b 接通，读下电流表的示数13 ．（iii ）由欧姆定律有11I R I r ε=+ （1）22x x RR I r I R R ε=++ （2）33x xx I R I R RR r R R ε⎛⎫ ⎪⎪=- ⎪+ ⎪+⎝⎭（3）解以上三式得23121()I I I RI I ε-=- （4）1321()I I Rr I I -=- （5）323x I RR I I =- （6）评分标准：本题18分．第（i ）小题9分．若所设计的电路无法根据题的要求测出所有的应测电流，都得0分．第（ii ）题3分．在电路正确的前提下，每测一个电流的步骤占1分．第（iii ）题6分．（4）、（5）、（6）式各 2 分．解法二（i ）电路如右图所示．（ii ）实验步骤：（1）将单向双掷开关K 置于空位，按所设计的电路图接线．（2）按下电流表上的按钮开关K 1，读下电流表的示数I 1．（3）将K 打向左侧与a 接通，读下电流表的示数I 2．（4）将K 打向右侧与b 接通，读下电流表的示数13．（iii ）由欧姆定律有1()x I R R r ε=++ （1）2()I R r ε=+ （2）3()x I R r ε=+ （3）解以上三式得1331I I RI I ε=- （4）121323231()I I I I I I r R I I I +-=- （5）321231()()x I I I R R I I I -=- （6）评分标准：本题18分．第（i ）小题9分．若所设计的电路无法根据题的要求测出所有的应测电流，都得0分．第（ii ）题3分．在电路正确的前提下，每测一个电流的步骤占1分．第（iii ）题6分．（4）、（5）、（6）式各 2 分．12．参考解答：设α粒子速度的大小为v α，原子核B 速度的大小为v B ，在衰变过程中动量守恒，有m αv α+m B v B =0 (1)衰变过程中能量守恒，有222221122A B B B m c m v m v m c m c ααα=+++ （2）解（l ）、（2）二式得221()2B B A B Bm m v m m m c m m ααα=--+ （3）221()2B A B B m m v m m m c m m αααα=--+ （4）评分标准：本题 18 分．（1）式4分，（2）式8分，（3）、（4）各3分．13．参考解答：解法一在图中纸面内取O xy 坐标（如图），原点在狭缝l 处，x 轴过缝1和缝3．粒子从缝1进人磁场，在洛仑兹力作用下作圆周运动，圆轨道在原点与x 轴相切，故其圆心必在y 轴上．若以r 表示此圆的半径，则圆方程为x 2+(y －r)2=r 2 （1）根据题的要求和对称性可知，粒子在磁场中作圆周运动时应与d 的柱面相碰于缝3、4间的圆弧中点处，碰撞处的坐标为x =2R －R sin450 （2）y=R －R cos450 （3）由（l ）、（2）、（3）式得 r=3R （4）由洛仑兹力和牛顿定律有 200v qv B m r= （5）由（4）、（5）式得 03mv B qR= （6）评分标准：本题 18 分．（1）、（2）、（3）式各4分，（4）、（5）、（6）式各2分．解法二如图所示，A 为a 、b 两圆圆心的连线与缝l 的交点，F 为c 、d 两圆圆心的连线与缝3的交点．从1缝中射人的粒子在磁场作用下与圆柱d 的表面发生弹性碰撞后，反弹进人缝2，这个过程一定对连结b 、d 两圆圆心的直线OP 对称，故直线OP 与d 圆的交点C 必是碰度点．由于粒子在磁场中做圆运动过A 点，因此这个轨道的圆心必在过A 点并垂直于AF的直线AE 上；同时这个轨道经过C 点，所以轨道的圆心也一定在AC 的垂直平分线DE 上．这样AE 与DE 的交点E 就是轨道的圆心，AE 就是轨道的半径r ．过C 点作AF 的垂线与AF 交于H 点，则AHC EDA ∆∆∽有 AC r AD HC =（1）由图可知HC R R =- （2）22AH R R =-（3）AC =（4） 12AD AC = （5）由以上各式得 r=3R （6）由洛仑兹力和牛顿定律有 200v qv B m r= （7）得到 03mv B qR= （8）评分标准：本题 18 分．（1）式8分，（2）、（3）（4）、（5）式各1分，（6）、（7）、（8）式各1分．14．参考解答：杆PQ 在磁场中运动时，受到的作用力有：外加恒力F ，方向向右；磁场的安培力，其大小F B =BIl ，方向向左，式中I 是通过杆的感应电流，其大小与杆的速度有关；摩擦力，大小为F μ，方向向左．根据动能定理，在所考察过程中作用于杆的合力做的功等于杆所增加的动能，即有212B F F F W W W mv μ++= （1）式中v 为经过时间t 杆速度的大小，W F 为恒力F 对杆做的功，W F 安为安培力对杆做的功，W Fμ为摩擦力对杆做的功．恒力F 对杆做的功W F =Fx （2）因安培力的大小是变化的，安培力对杆做的功用初等数学无法计算，但杆克服安培力做的功等于电阻所消耗的能量，若以E R 表示电阻所消耗的能量，则有－W F 安=E R （3）摩擦力F μ是恒力，它对杆做的功W Fμ=－F μx （4）但F μ未知．因U 型导轨在摩擦力作用下做匀加速运动，若其加速度为a ，则有F μ=m 0a （5）而 a =2x 0/t 2 （6）由（4）、（5）、（6）三式得 0022F x x W m tμ=- （7）经过时间t 杆的速度设为v ，则杆和导轨构成的回路中的感应电动势ε=Blv （8）根据题意，此时回路中的感应电流0I R ε=（9）由（8）、（9）式得0I R v Bl= （10）由（l ）、（2）、（3）、（7）、（10）各式得220002221(2)2R x I R E F m x m t B l=-- （11）评分标准：本题20分．（1）式3分，（2）式l 分，（3）式4分，（7）式4分，（10）式5分，（11）式3分．15．参考解答：解法一用n 1和n 2分别表示L 1和L 2中气体的摩尔数，P 1、P 2和 V 1、V 2分别表示L 1和L 2中气体处在平衡态时的压强和体积，T 表示气体的温度（因为 M 1是导热的，两部分气体的温度相等），由理想气体状态方程有p 1V 1=n 1RT （1）P 2V 2=n 2RT （2）式中R 为普适气体常量．若以两个活塞和轻杆构成的系统为研究对象，处在平衡状态时有p 1S 1－p 2S 1+p 2S 2－p 0S 2=0 （3）已知S 2=2S 1 （4）由（3）、（4）式得p 1+p 2=2p 0 （5）由（l ）、（2）、（5）三式得1022111222n p V n p n V V n =+ （6）若（6）式中的V 1、V 2是加热后L 1和L 2中气体的体积，则p 1就是加热后L1中气体的压强．加热前L 1中气体的压强则为10202101102022n p V n p n V V n =+ （7）设加热后，L 1中气体体积的增加量为△V 1，L 2中气体体积的增加量为△V 2，因连结两活塞的杆是刚性的，活塞M 2的横截面积是M 1的2倍，故有△V 1=△V 2=△V （8）加热后，L 1和L 2中气体的体积都是增大的，即△V > 0 .[若△V< 0，即加热后，活塞是向左移动的，则大气将对封闭在气缸中的气体做功，电热丝又对气体加热，根据热力学第一定律，气体的内能增加，温度将上升，而体积是减小的，故L 1和L 2中气体的压强p 1和p 2都将增大，这违反力学平衡条件（5）式］于是有 V 1=V 10+△V （9）V 2=V 20+△V （10）由（6）、（7）、（9）、（10）四式得10102021101110201020222()[()]()n p V V V n p p n n V V V V V V n n -∆-=+∆++∆+ （11）由（11）式可知，若加热前V 10=V 20，则p 1＝p 10，即加热后p 1不变，由（5）式知p 2亦不变；若加热前 V 10＜V 20，则p 1< p 10，即加热后P 1必减小，由（5）式知P 2必增大；若加热前 V 10＞V 20, 则p 1> p 10，即加热后p 1必增大，由（5）式知p 2必减小．评分标准：本题 20 分．得到（5）式得3分，得到（8）式得3分，得到（11）式得8分，最后结论得6分．解法二设加热前L 1和L 2中气体的压强和体积分别为p 10、p 20和V 10、V 20，以p l 、p 2和V 1、V 2分别表示加热后L 1和L 2中气体的压强和体积，由于M 1是导热的，加热前L 1和L 2中气体的温度是相等的，设为T 0，加热后L 1和L 2中气体的温度也相等，设为T ．因加热前、后两个活塞和轻杆构成的系统都处在力学平衡状态，注意到S 2=2S 1，力学平衡条件分别为p 10+p 20=2p 0 （1）p 1+p 2=2p 0 （2）由（l ）、（2）两式得p 1－p 10=－ (p 2－p 20) （3）根据理想气体状态方程，对L1中的气体有1110100p V T p V T = （4）对 L ：中的气体有2220200p V T p V T = （5）由（4）、（5）两式得112210102020p V p V p V p V = （6）（6）式可改写成11011022022010102020(1)(1)(1)(1)p p V V p p V V p V p V ----++=++ （7）因连结两活塞的杆是刚性的，活塞M 2的横截面积是M 1的2倍，故有V 1－V 10=V 2－V 20 （8）把（3）、（8）式代入（7）式得11011011011010102020(1)(1)(1)(1)p p V V p p V V p V p V ----++=-+ （9）若V 10=V 20，则由（9）式得p 1=p 10，即若加热前，L 1中气体的体积等于L 2中气体的体积，则加热后L 1中气体的压强不变，由（2）式可知加热后L 2中气体的压强亦不变．若V 10<V 20，则由（9）式得p 1< p 10，即若加热前，L 1中气体的体积小于L 2中气体的体积，则加热后L 1中气体的压强必减小，由（2）式可知加热后L 2中气体的压强必增大．若V 10>V 20，则由（9）式得p 1> p 10，即若加热前， L 1中气体的体积大于L 2中气体的体积，则加热后 L 1中气体的压强必增大，由（2）式可知加热后L 2中气体的压强必减小．评分标准：本题 20 分．得到（l ）式和（2）式或得到（3）得3分，得到（8）式得3分，得到（9）式得8分，最后结论得6 分．16．参考解答：（i ）图1为卫星和碎片运行轨道的示意图．以v 1表示碰撞前卫星作圆周运动的速度，以M 表示地球E 的质量，根据万有引力定律和牛顿定律有21112()Mm v G m R h R h =++ （1）式中G 是引力常量．由（l ）式得1GM R GM v R h R h R==++ （2）以v 2表示刚要碰撞时太空碎片的速度，因为与卫星发生碰撞时，碎片到地心的距离等于卫星到地心的距离，根据题意，太空碎片作椭圆运动的总能量22222122Mm Mm m v G G R h a-=-+ （3）式中a 为椭圆轨道的半长轴．由（3）式得222GM GM R R GM v R h a R h a R=-=-++ （4）卫星和碎片碰撞过程中动量守恒，有m 1v 1－m 2v 2=(m 1+m 2)v （5）这里v 是碰后二者结合成的物体（简称结合物）的速度．由（5）式得112212m v m v v m m -=+ （6）由（2）、（4）、（6）三式并代人有关数据得0.7520GM v R= （7）结合物能否撞上地球，要看其轨道（椭圆）的近地点到地心的距离r min ，如果r min <R ，则结合物就撞上地球．为此我们先来求结合物轨道的半长轴a '．结合物的总能量2121212()()1()22M m m M m m G m m v G a R h++-=+-'+ （8）代人有关数据得 a '=5259km （9）结合物轨道的近地点到地心的距离r min =2 a '－（R+h ）=3347km <R （10）据此可以判断，结合物最后要撞上地球．（ii ）解法一在极坐标中讨论．取极坐标，坐标原点在地心处，极轴由北极指向南极，如图2所示．碰撞点在北极上空，是椭圆轨道的远地点，结合物轨道的椭圆方程1cos p r e θ=+ （11）式中e 是偏心率，p 是椭圆的半正焦弦，远地点到地心的距离r max =R+h （12）由解析几何有max min (0.3635)2r r e a-==' （13）在轨道的近地点，r=r min ，θ=0，由（11）式得p =r min (1+e)(=4563km ) （14）或有p =r max (1－e) （15）在结合物撞击地球处；r= R ，由（11）式有1cos p R e θ=+ （16）或 cos p R eR θ-= （17）代人有关数据可得cos θ=－0.7807 （18）θ=141.320 （19）这是在北纬51.320 ．评分标准：本题20分．第（i ）小题12分．（1）或（2）、（3）或（4）、（5）或（6）式各2 分，（8）式3分，（10）式3分．第（ii ）小题8分．（11）、（12）、（13）、（14）或（15）、（16）或（17）式各l 分，（19）式2分（答案在1410到1420之间的都给2分），正确指出纬度给l 分．解法二在直角坐标中讨论．取直角坐标系，以椭圆的对称中心为坐标原点O, x 轴通过近地点和远地点并由远地点指向近地点，如图3所示．结合物轨道的椭圆方程是22221x y a b +=''（20）式中a ＇、b ＇分别为结合物椭圆轨道的半长轴和半短轴．远地点到地心的距离r max =R+h （21）根据解析几何，若c 为地心与坐标原点间的距离，c= r max －a ＇(=1912km ) （22）而 22b a c ''=- （23）注意到a ＇由（9）式给出，得b ＇=4899km （24）结合物撞击地面处是结合物的椭圆轨道与地面的交点，设该处的坐标为x p 和y p ，则有x p =R cos θ+c （25）y p =R sin θ （26）式中θ为从地心指向撞击点的矢经与x 方向的夹角．因撞击点在结合物的轨道上，将（24）、（25）式代入轨道方程（20）式，经整理得222222222()cos 2cos 0R b a b cR a b a R θθ''''''-+-+= （27）引人以下符号并代人有关数据得22211()(148410)R b a km α''=-=-⨯2112(584610)b cR km β'==⨯ 22222211(546510)b c a b a R km γ''''=-+=⨯代入（27）式得2cos cos 0αθβθγ++= （28）解得 24cos 2ββαγθα-±-= （29）舍掉不合理的答案，得cos θ=－0.7807 （30）θ=141.320（31）这是在北纬51.320．评分标准：（20）、（21）、（22）、（23）或（24）、（27）式各l分，（31）式2分（答案在1410到1420之间的都给2分），正确指出纬度给1 分．。

第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评析

第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评
析
陈元杰;殷海玮;陆申龙;马世红
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2010(030)003
【摘要】第26届全国中学生物理竞赛(决赛)中的实验试题为"利用负温度系数(NTC)热敏电阻设计制作数字体温计"和"玻璃材料物理特性的实验研究",本文介绍了两个实验试题的实验内容、实验原理及部分答案,并对参赛学生的实验考试结果进行了分析.
【总页数】4页(P19-21,24)
【作者】陈元杰;殷海玮;陆申龙;马世红
【作者单位】复旦大学,物理学系,上海,200433;复旦大学,物理学系,上海,200433;复旦大学,物理学系,上海,200433;复旦大学,物理学系,上海,200433
【正文语种】中文
【中图分类】G632.479
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第26届全国中学生高中物理竞赛预赛试卷及答案

a b E +- c d 第26届全国中学生物理竞赛预赛试卷一、选择题。

本题共5小题，每小题7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7分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分。

1．图中a 、b 和c 、d 分别是两个平行板电容器的极板，E 为电池，彼此相距较远。

用导线将E 的正极与a 、c 相连，将E 的负极与b 、d 相连，待电容器充电后，去掉导线。

这时已知a 带的电荷量大于c 带的电荷量，称此状态为原始状态。

现设想用两根导线分别都从原始状态出发，进行以下两次连接：第一次用一根导线将a 、c 相连，用另一根导线将b 、d 相连；第二次用一根导线将a 、d 相连，用另一根导线将b 、c 相连，每次连接后都随即移去导线。

下面哪种说法是正确的？[ ]A ．经过第一次连接，a 、b 间的电压下降，c 、d 间的电压上升B ．经过第一次连接，a 、b 间和c 、d 间的电压都不变C ．经过第二次连接，a 、b 间的电压和c 、d 间的电压中有一个上升，一个下降D ．经过第二次连接，a 、b 间的电压和c 、d 间的电压都下降2．两根不同金属导体制成的长度相等、横截面积相同的圆柱形杆，串联后接在某一直流电源两端，如图所示。

已知杆a 的质量小于杆b 的质量，杆a 金属的摩尔质量小于杆b 金属的摩尔质量，杆a 的电阻大于杆b 的电阻，假设每种金属的每个原子都提供相同数目的自由电子（载流子）。

当电流达到稳恒时，若a 、b 内存在电场，则该电场可视为均匀电场。

下面结论中正确的是[ ]A ．两杆内的电场强度都等于零B ．两杆内的电场强度都不等于零，且a 内的场强大于b 内的场强C ．两杆内载流子定向运动的速度一定相等D ．a 内载流子定向运动的速度一定大于b 内载流子定向运动的速度3．一根内径均匀、两端开中的细长玻璃管，竖直插在水中，管的一部分在水面上。

第26届全国中学生物理竞赛复赛试题标

第26届全国中学生物理竞赛复赛试卷参考解答与评分标准一、填空（问答）题.每小题5分，共25分.按各小题的答案和评分标准评分. 1. 答案与评分标淮：这种分布的静电场不可能存在.因为静电场是保守场，电荷沿任意闭合路径一周电场力做的功等于0，但在这种电场中，电荷可以沿某一闭合路径移动一周而电场力做功不为0．（5分）2．答案与评分标淮： 1.5．（5分）3．答案与评分标淮：测电笔内阻很大，通过与之串联的人体上的电流（或加在人体上的电压）在安全范围内；（2分）市电为交流电，而电工鞋相当于一电容器，串联在电路中仍允许交流电通过．（3分） 4．答案与评分标淮： 002C E ．（5分） 5．答案与评分标淮：该学生未考虑竖直方向木块所受的支持力和重力的力矩.仅根据摩擦力的力矩为零便推出木块的角动量应守恒，这样推理本身就不正确.事实上，此时支持力合力的作用线在重力作用线的右侧，支持力与重力的合力矩不为0，木块的角动量不守恒，与木块作减速运动不矛盾．（5分）二、参考解答：设桌面对四条腿的作用力皆为压力，分别为1F 、2F 、3F 、4F ．因轻质刚性的桌面处在平衡状态，可推得1234F F F F F +++=．(1) 由于对称性，24F F =．(2)考察对桌面对角线BD 的力矩，由力矩平衡条件可得13F cF F =+．(3)根据题意， 10≤≤c ，c =0对应于力F 的作用点在O 点，c =1对应于F 作用点在A 点.设桌腿的劲度系数为k , 在力F 的作用下，腿1的形变为1F k ，腿2和4的形变均为2F k ，腿3的形变为3F k ．依题意，桌面上四个角在同一平面上，因此满足13212F F F k k k⎛⎫+=⎪⎝⎭, 即1322F F F +=．(4)由(1)、(2)、(3)、(4)式，可得 1214c F F +=， (5) 3124c F F -=，(6)当12c ≥时，03≤F .30F =，表示腿3无形变；30F <，表示腿3受到桌面的作用力为拉力，这是不可能的，故应视30F =．此时(2)式(3)式仍成立．由(3)式，可得1F cF =．(7)综合以上讨论得F c F 4121+=, 102c ≤≤ . (8)cF F =1 ， 121≤≤c . (9)评分标准：本题20分.(1)式1分，(2)式1分，(3)式2分，(4)式7分，得到由(8)式表示的结果得4分，得到由(9)式表示的结果得5分．三、参考解答：1.否．原因是墙壁对于该体系而言是外界，墙壁对弹簧有作用力，在运动参考系里此力的作用点有位移，因而要对体系做功，从而会改变这一体系的机械能．2.因地球受月球的引力作用，月球受地球的引力作用，它们相对惯性系都有加速度，故它们都不是惯性参考系．相对非惯性参考系，牛顿第二定律不成立．如果要在非惯性参考系中应用牛顿第二定律，必须引入相应的惯性力；而这两位学生又都未引入惯性力，所以他们得到的结果原则上都是错误的．以地心为参考系来求月球的加速度.地心系是非惯性系，设地球相对惯性系的加速度的大小为e a *，则由万有引力定律和牛顿第二定律有e 2Mm GMa R*=， (1)加速度的方向指向月球．相对地心参考系，月球受到惯性力作用，其大小m ef ma **=， (2)方向指向地球，与月球受到的万有引力的方向相同．若月球相对地心系的加速度为m a ，则有m m 2Mm Gf ma R*+=． (3)由(1)、(2)、(3)三式，得m 2M ma GR +=， (4)加速度的方向指向地球．以月心为参考系来求地球的加速度.月心系也是非惯性系，设月球相对惯性系的加速度的大小为m a *，则由万有引力定律和牛顿第二定律有m 2Mm Gma R*=， (5)加速度的方向指向地球．相对月心参考系，地球受到惯性力作用，惯性力的大小mM f Ma **=， (6)方向指向月球，与地球受到的万有引力的方向相同．若地球相对月心系的加速度为e a ，则有e e 2Mm Gf Ma R*+=． (7)由(5)、(6)、(7)三式得e 2M ma GR+=， (8)加速度的方向指向月球． (4)式与(8)式表明，地球相对月心系的加速度e a 与月球相对地心系的加速度m a 大小相等(方向相反)，与运动的相对性一致．评分标准：本题15分. 第1小问5分.第2小问10分.指出不正确并说明理由，占2分；(1)至(8)式，每式1分．四、参考解答：于火箭燃烧室出口处与喷气口各取截面1A 与2A ，它们的面积分别为1S 和2S ，由题意，21S S >>，以其间管道内的气体为研究对象，如图所示．设经过很短时间t ∆，这部分气体流至截面1B 与2B 之间，11A B 间、22A B 间的微小体积分别为1V ∆、2V ∆，两处气体密度11为1ρ、2ρ，流速为1v 、2v ．气流达到稳恒时，内部一切物理量分布只依赖于位置，与时间无关．由此可知，尽管12B A 间气体更换，但总的质量与能量不变．先按绝热近似求喷气口的气体温度2T ．质量守恒给出1122V V ρρ∆=∆，(1)即22A B 气体可视为由11A B 气体绝热移动所得．事实上，因气流稳恒，11A B 气体流出喷口时将再现22A B 气体状态．对质量1122m V V ρρ∆=∆=∆的气体，利用理想气体的状态方程mp V RT μ∆∆=(2)和绝热过程方程 ()()1122V V VVc R c R c c p V p V ++∆=∆， (3)可得2211V R c Rp T T p +⎛⎫= ⎪⎝⎭．(4)再通过能量守恒求气体的喷射速率2v ．由(1)式及V S t ∆=∆v ，可得2v v 22111S S ρρ=，(5)再利用(1)、(3)式，知221v v v Rc c V V p p S S S S +⎪⎪⎭⎫⎝⎛==12121122ρρ，因12S S <<， 12p p <<，故21v v <<．(6)整个体系经t ∆时间的总能量（包括宏观流动机械能与微观热运动内能）增量E ∆为22A B 部分与11A B 部分的能量差．由于重力势能变化可忽略，在理想气体近似下并考虑到(6)式，有()1221T T c m m E V -∆+∆=∆μ22v ． (7)体系移动过程中，外界做的总功为1122W p V p V =∆-∆．(8)根据能量守恒定律，绝热过程满足 E W ∆=，(9)得()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=+R c RV V p p T R c 12112μ2v ， (10)其中利用了(2)、(4)两式．评分标准：本题20分.(2)式1分，(3)式2分，(4)式3分，(6)式1分，(7)式6分，(8)式4分，(9)式1分，(10)式2分．五、参考解答：旋转抛物面对平行于对称轴的光线严格聚焦，此抛物凹面镜的焦距为22g f ω=． (1)由(1)式，旋转抛物面方程可表示为24r z f=． (2)停转后液面水平静止．由液体不可压缩性，知液面上升．以下求抛物液面最低点上升的高度．抛物液面最低点以上的水银，在半径R 、高2R f 的圆柱形中占据体积为M 的部分，即附图中左图阴影部分绕轴线旋转所得的回转体；其余体积为V 的部分无水银．体M 在高度z 处的水平截面为圆环，利用抛物面方程，得z 处圆环面积()()()222ππ4M S z R r R fz =-=-．(3)将体V 倒置，得附图中右图阴影部分绕轴线旋转所得的回转体Λ，相应抛物面方程变为224R r z f-=， (4)其高度z 处的水平截面为圆面，面积为 ()()()22ππ4M S z r R fz S z Λ==-=．(5)由此可知221π24R M V RfΛ===， (6)即停转后抛物液面最低点上升22π8M R h R f==．(7)因抛物镜在其轴线附近的一块小面积可视为凹球面镜，抛物镜的焦点就是球面镜的焦点，故可用球面镜的公式来处理问题.两次观察所见到的眼睛的像分别经凹面镜与平面镜反射而成，而先后看到的像的大小、正倒无变化，这就要求两像对眼睛所张的视角相同．设眼长为0y ．凹面镜成像时，物距u 即所求距离，像距v 与像长y 分别为f-u fuv =， (8)00y uf f y y -=-=u v ． (9)平面镜成像时，由于抛物液面最低点上升，物距为28R u u h u f'=-=-， (10)像距v '与像长y '分别为 u -v '='， (11)00y y y =''-='u v ．(12)两像视角相同要求 v -u v '''=-y u y ， (13)即2211224u u f u R f=--， (14)此处利用了(8)—(12)诸式．由(14)式可解得所求距离2R u =． (15)评分标准：本题20分.(1)式1分，(7)式4分，(8)、(9)式各2分，(10) 、(11)、 (12)式各1分，(13)式6分，(15)式2分．六、参考解答：1．先求两惯性系中光子速度方向的变换关系．根据光速不变原理，两系中光速的大小都是c ．以θ和θ'分别表示光子速度方向在S 和S '系中与x 和x '轴的夹角，则光速的x 分量为 cos x u c θ=， (1)cos x u c θ''=．(2)再利用相对论速度变换关系，得cos cos 1os c cθθθ'+='+v cv ．(3)S '系中光源各向同性辐射，表明有一半辐射分布于0π2θ'≤≤的方向角范围内，S 系中，此范围对应0θα≤≤．由上式求得cos2arccosarccos 1cos 2παπ+==+vv c v c c ． (4)可以看出，光源的速度v 越大，圆锥的顶角越小．2．S '系中，质点静止，在t '∆时间内辐射光子的能量来自质点静能的减少，即20P t m c '∆=∆，(5)式中0m ∆为t '∆时间内质点减少的质量．S 系中，质点以速度v 匀速运动，由于辐射，其动质量减少m ∆，故动量与能量亦减少．转化为光子的总动量为v m p ∆=∆，即201cm p 2v -v ∆=∆； (6)转化为光子的总能量为2E mc ∆=∆，即2201cc m E 2v -∆=∆． (7)S '系中光源静止，测得的辐射时间t '∆为本征时，在S 系中膨胀为21ct t 2v -'∆=∆， (8)由以上各式可得在S 系中单位时间内辐射的全部光子的总动量与总能量分别为 p t ∆=∆2vP c ， (9)EP t∆=∆． (10)评分标准：本题20分.第1小问7分.(3)式4分，(4)式3分.第2小问13分.(5)、 (6) 、(7)式各2分，(8)式3分，(9) 、(10) 式各2分．七、参考解答：1．光子与反射镜碰撞过程中的动量和能量守恒定律表现为E c MV E c MV ''+=-+，(1)2222E MV E MV ''+=+．(2)其中V '为碰撞后反射镜的速度．从上两式消去V '，得21EE E V c'+=≈+．(3)11V cE EV c -'=+(4)当1V c <<时，111V c V c≈-+，可得()c V E E 21-='．(5)2.考察时刻t 位于垂直于光传播方向的截面A 左侧的长为光在1s 时间内所传播的距离c ⨯1s 、底面积为单位面积柱体内的光子，如图1所示．经过1s 时间，它们全部通过所考察的截面．若单位体积中的光子数为n ，根据光强的定义，入射光的强度ncE =Φ （6）若A 处固定一反射镜，则柱体的底面S 2处的光子在时刻t 到达位于A 处的反射镜便立即被反射，以光速c 向左移动；当柱体的底面S 1在t+1s 到达A 处被反射镜反射时，这柱体的底面S 2已到达A 左边距离A 为c ⨯1s 处，所有反射光的光子仍分布在长为c ⨯1s 、截面积为单位面积的柱体内，所以反射光的强度与入射光的强度相等．如果反射镜不固定，而是以恒定的速度V 向右移动，则在时刻t+1s 柱体的底面S 1到达A 处时，反射镜已移到A 右边距离为V ⨯1s 的N 处，这时底面S 2移到A 左侧离A 的距离为c ⨯1s 处，如图2中a 所示.设再经过时间t ∆，S 1与镜面相遇，但这时镜面己来到N '处，因为在t ∆时间内，镜面又移过了一段距离t V ∆，即在时刻s 1t t ∆++，底面S 1才到达反射镜被反射．亦即原在S 1处的光子须多行进cΔt 的距离才能被反射．因此()1s c t t V ∆∆=+ 得Vc Vt -=∆ (7) 而这时，底面S 2又向左移了一段距离t c ∆．这样反射光的光子将分布在长为12c s c t ⨯+∆的柱体内．因反射不改变光子总数，设n '为反射光单位体积中的光子数，有AS 1S 2图1S ’V c V c cn V c cV c n nc -+'=⎪⎭⎫⎝⎛-+'=2故有Vc Vc n n +-='． (8)根据光强度的定义，反射光的强度n cE Φ'''=． (9) 由(4)、(8)、(9)各式得2c V c V ΦΦ-⎛⎫'= ⎪+⎝⎭． (10)注意到c V <<有41V cΦΦ⎛⎫'=- ⎪⎝⎭． (11) 评分标准：本题20分.第1小问9分. (1)、(2)式各2分，(4)或(5)式5分.第2小问11分.(8)式5分，(9)式3分，(10) 或(11)式3分．八、参考解答：两个相距R 的惰性气体原子组成体系的能量包括以下几部分：每个原子的负电中心振动的动能，每个原子的负电中心因受各自原子核“弹性力”作用的弹性势能，一个原子的正、负电荷与另一原子的正、负电荷的静电相互作用能.以1v 和2v 分别表示两个原子的负电中心振动速度，1x 和2x 分别表示两个原子的负电中心相对各自原子核的位移，则体系的能量2222121211112222E m m kx kx U =++++v v ， (1) 式中U 为静电相互作用能2C 12121111U k q R R x x R x R x ⎛⎫=+--⎪+-+-⎝⎭， (2)C k 为静电力常量．因12121x x R x x R R -⎛⎫+-=+ ⎪⎝⎭，111x R x R R ⎛⎫+=+ ⎪⎝⎭，221x R x R R ⎛⎫-=- ⎪⎝⎭，利用()1211x x x -+≈-+，可将(2)式化为2C 1232k q x x U R=-， (3)因此体系总能量可近似表为222C 12123111122222k q x x E m kx m kx R=+++-v v 2212. (4)注意到()()22222a b a b a b ++-+=和 ()()2222a b a b ab +--=，可将(4)式改写为222222C C 1122331121122222k q k q E m k y m k y R R ⎛⎫⎛⎫=+-+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭u u . (5)式中， ()2121v v +=u ， (6) ()221v v -=2u ，(7)(112y x x =+ (8)(212y x x =-．(9)(5)式表明体系的能量相当于两个独立谐振子的能量和，而这两个振子的固有角频率分别为1ω=(10)2ω=(11)在绝对零度，零点能为()01212E ωω=+，(12)两个孤立惰性气体原子在绝对零度的能量分别表示为10E 和20E ，有 1020012E E ω==， (13)式中0ω=(14)为孤立振子的固有角频率．由此得绝对零度时，所考察的两个惰性气体原子组成的体系的能量与两个孤立惰性气体原子能量和的差为()01020E E E E ∆=-+．(15)利用()1221128x x x +≈+-，可得bb24C 321262k qEk m R∆=-．(16) 0E∆<，表明范德瓦尔斯相互作用为相互吸引．评分标准：本题20分.(1)式1分，(2)式3分，(4)式3分，(10)、(11)式各4分，(12)式2分，(16)式2分，末句说明占1分．。

第26届全国中学生物理竞赛决赛试题详细解答

第26届全国物理竞赛决赛试题理论部分及标准答案一、填空题（每题5分，共20分）1.某光滑曲面由曲线()y f x =绕竖直y 轴旋转一周形成，一自然半径为a 、质量为m 、劲度系数为k 的弹性圆环置于该曲面之上，能水平静止于任意高度，则曲线方程为。

参考答案：222()y C x a mgπ=--（C 为任意常数）。

2.如图所示的电阻框架为四维空间中的超立方体在三维空间中的投影模型（可视为内外两个立方体框架，对应顶点互相连接起来），若该结构中每条棱均由电阻R 的材料构成，则AB 节点间的等效电阻为。

参考答案：712R 3.某种蜜蜂的眼睛能够看到平均波长为500nm 的光，它是由5000个小眼构成的复眼，小眼一个个密集排放在眼睛的整个表面上，小眼构造很精巧，顶部有一个透光的圆形集光装置，叫角膜镜；下面连着圆锥形的透明晶体，使得外部入射的光线汇聚到圆锥顶点连接的感光细胞上（入射进入一个小眼的光线不会透过锥壁进入其他小眼），从而造成一个“影像点”（像素）；所有小眼的影像点就拼成了一个完整的像。

若将复眼看作球面圆锥，球面半径1.5r mm =，则蜜蜂小眼角膜镜的最佳直径d 约为（请给出两位有效数字）。

参考答案：30m μ4.开路电压0U 与短路电流SC I 是半导体p-n 结光电池的两个重要技术指标，试给出两者之间的关系表达式：0U = ，式中各符号代表的物理量分别为。

参考答案：0ln 1SCS I kT U e I ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭，式中e 为电子电量的绝对值，k 为波尔兹曼常量，T 为绝对温度，S I 为p-n 结的反向饱和电流。

评分标准：本题共20分。

第1、2题每题填对均得5分，第3题只要答案在27-30m μ之间即得5分，否则0分。

第4题第一空格占4分，第二空格占1分。

二、（15分）天体或微观系统的运动可借助计算机动态模拟软件直观显示。

这涉及几何尺寸的按比例缩放。

为使显示的运动对缩放后的系统而言是实际可发生的，运动时间也应缩放。

(完整版)第26届全国中学生物理竞赛复赛试卷(附详细参考解答与评分标准)答辩

第26届全国中学生物理竞赛复赛试卷（附详细答案）一、填空（问答）题（每题 5分，共25分）1 •有人设想了一种静电场：电场的方向都垂直于纸面并指向纸里, 电场强度的大小自左向右逐渐增大，如图所示。

这种分布的静电场是否可能存在？试述理由。

2.海尔-波普彗星轨道是长轴非常大的椭圆，近日点到太阳中心的距离为 0.914天文单位（1天文单位等于地日间的平均距离），则其近日点速率的上限与地球公转（轨道可视为圆周）速率之比约为（保留 2位有效数字） __________________ 。

3•用测电笔接触市电相线，即使赤脚站在地上也不会触电，原因是___________________________________________________________________ ;另一方面，即使穿绝缘性能良好的电工鞋操作，测电笔仍会发亮，原因是 ___________________4. 在图示的复杂网络中，所有电源的电动势均为 E o ,所有电阻器的电阻值均为 R o ,所有电容器的电容均为C o ,则图示电容器 A 极板上的电荷量为 ______________________________ 。

5. 如图，给静止在水平粗糙地使之开始运动。

一学生利用角动量定理来考察此木块以后的运动过程:“把参考点设于如图所示的地面上一点 O ,此时摩擦力的力矩为0，从而地面木块的角动量将守恒，这样木块将不减速而作匀速运动。

”请指出上述推理的错误，并给出正确的解释： ________________________________________________X X X XX X X X XX X X X XX X X X XX XX X XX面上的木块一初速度,1 二、（20分）图示正方形轻质刚性水平桌面由四条完全相同的轻质细桌腿 1、2、3、4支撑于桌角A 、B 、C 、 D 处，桌腿竖直立在水平粗糙刚性地面上。

第26届全国中学生物理竞赛复赛试题及答案

有
G
由(1)、(2)、(3)三式，得
Mm fm mam ． 2 R
错误!未找到引用源。
am G
加速度的方向指向地球．
M m ， R2
错误!未找到引用源。
以月心为参考系来求地球的加速度.月心系也是非惯性系，设月球相对惯性系的加速度的大
小为 am ，则由万有引力定律和牛顿第二定律有
2
2g
r 2 ，式中 ω 为旋转角速
度，g 为重力加速度（当代已使用大面积的此类旋转水银液面作反射式天文望远镜）。观察者的眼睛位于抛物面最低点正上方某处，保持位置不变，然后使容器停转，待液面静止后，发现与稳定旋转时相比，看到的眼睛的像的大小、正倒都无变化。求人眼位置至稳定旋转水银面最低点的距离。
。 2．若不考虑太阳和其他星体的作用，则地球-月球系统可看成孤立系统。若把地球和月球都看作是质量均匀分布的球体，它们的质量分别为 M 和 m，月心-地心间的距离为 R，万有引力恒量为 G。学生甲以地心为参考系，利用牛顿第二定律和万有引力定律，得到月球相对于
M ；学生乙以月心为参考系，同样利用牛顿第二定律和万 R2 m 有引力定律，得到地球相对于月心参考系的加速度为 ae G 2 。这二位学生求出的地-月 R
2 E0 C0 ．（5 分）
5．答案与评分标淮：该学生未考虑竖直方向木块所受的支持力和重力的力矩.仅根据摩擦力的力矩为零便推出木块的角动量应守恒，这样推理本身就不正确.事实上，此时支持力合力的作用线在重力作用线的右侧，支持力与重力的合力矩不为 0，木块的角动量不守恒，与木块作减速运动不矛盾．（5 分）错误!未找到引用源。二、参考解答：设桌面对四条腿的作用力皆为压力，分别为 F1 、 F2 、 F3 、 F4 ．因轻质刚性的桌面处在平衡状态，可推得

第26届全国中学生物理竞赛复赛试卷(附详细参考解答与评分标准)答辩(最新整理)

称为零点振动能， h / 2 ，h 为普朗克常量， k / m 为振子的固有角频率。试计算
在绝对零度时上述两个有范德瓦尔斯相互作用的惰性气体原子构成的体系的能量，与两个相距足够远的（可视为孤立的、没有范德瓦尔斯相互作用的）惰性气体原子的能量差，并从结果判定范德瓦尔斯相互作用是吸引还是排斥。可利用当|x|<<1 时的近似式(1+x)1/2≈1+x/2-x2/8， (1+x)-1≈1－x+x2。
的电阻值均为 R0，所有电容器的电
容均为 C0，则图示电容器 A 极板上 A
的电荷量为
。
5．如图，给静止在水平粗糙地
面上的木块一初速度，使之开始运动。一学生利用角动量定理来考察此木块以后的运动过
程：“把参考点设于如图所示的地面上一点 O，此时摩擦
力 f 的力矩为 0，从而地面木块的角动量将守恒，这样木块 O
f
v
将不减速而作匀速运动。”请指出上述推理的错误，并给出
正确的解释：
。
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二、（20 分）图示正方形轻质刚性水平桌面由四条完全相同的轻质细桌腿 1、2、3、4 支撑于桌角 A、B、C、D 处，桌腿竖直立在水平粗糙刚性地面上。已知桌腿受力 C 后将产生弹性微小形变。现于桌面中心点 O 至角 A 的连
F
B
A
O P
D
2
1
线 OA 上某点 P 施加一竖直向下的力 F，令 OP c ，求
3
4
OA
桌面对桌腿 1 的压力 F1。
三、（15 分） 1．一质量为 m 的小球与一劲度系数为 k 的弹簧相连组成一体系，置于光滑水平桌面上，
弹簧的另一端与固定墙面相连，小球做一维自由振动。试问在一沿此弹簧长度方向以速度 u 作匀速运动的参考系里观察，此体系的机械能是否守恒，并说明理由。

第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评析(续)

第26届全国中学生物理竞赛(决赛)实验试题的解答与考试评
析(续)
陈元杰;殷海玮;陆申龙;马世红
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2010(030)004
【摘要】@@ 3实验试题Ⅱ的解答与评析rn本实验要求研究光学玻璃材料的物理特性(波长范围为400～700 nm). 3.1实验装置及材料rn 1)玻璃样品1个(利用ZF1光学玻璃制成的三棱镜,其顶角为60°00′,误差为2.0′).
【总页数】6页(P22-27)
【作者】陈元杰;殷海玮;陆申龙;马世红
【作者单位】复旦大学,物理学系,上海,200433;复旦大学,物理学系,上海,200433;复旦大学,物理学系,上海,200433;复旦大学,物理学系,上海,200433
【正文语种】中文
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