第33届全国中学生物理竞赛复赛试题及解答

参考解答： 如图 a 所示，光线 1 在上侧柱面 P 点处傍轴垂直入射，入射角为 ，折 射角为 0 ，由折射定律有
n sin n0 sin 0 ①
其中 n 和 n0 分别玻璃与空气的折射率。 光线在下侧柱面 Q 点处反射，入射角 与反射角分别为 i 和 i ，由反射定律有
V1 和 T1 ，相应的状态方程为
p1V1 nRT1
②
式中 T1 297.15K 。空气和水的体积都发生变化，使得观察柱中水位发生变化，此时观察柱内水 位和罐内水位之差为，
h V1 V0 V1 V0 (T1 T0 )( S1 +S2 )l0 S1 S2 S2
③
式中右端第三项是由原罐内和观察柱内水的膨胀引起的贡献， l0 1.00 m 为早上加水后观测柱内 水面的高度， S1 π m 2 、 S2 4π 104 m 2 分别为罐、观察柱的横截面积。由力平衡条件有
g
⑪
由题设数据和前面计算结果可知
(T T0 ) (T1 T0 ) 0.0060
V V0 V1 V0 =0.0057 S1l0 S1l0
R e 和 r 的直角三角形有
R2 = R e r2
2
⑩
即 2 Re e2 r 2 ⑪
在光线傍轴垂直入射时， e R ，可略去⑪式 左端的 e2 ，故
e
r2 2R
⑫
在光线傍轴垂直入射时， 前面已证近似有 PQ//Z 轴。故可将上、下两个柱面上的 P、Q 两 点的坐标取为 P ( x, y , zP ) 、Q ( x, y , zQ ) ，如图 c 所示。根据⑫式可知，P、Q 两点到 XOY 切平面的距离分别为

1 (T T0 )
0
⑩
将②③④式中的 V1 、 T1 和 p1 换为 V 、 T 和 p ，利用⑩式得，罐内空气在温度为 T 时的状态方程为
p p0 V V0 T T0 S1l0 S gS l (V V0 ) / ( S1l0 ) T T0 p0 0 1 0 1 (T T0 ) S
由③⑧式得
⑧
L 2n0 PQ

2
2n0 zP zQ

2
⑨
可以将⑨式右端的 z - 坐标近似用 x - 或 y - 坐标表出。为此，引 入一个近似公式。如图 b 所示，设置于平面上的柱面透镜与平面之 间的空气隙的厚度为 e ，柱面半径为 R 。对三边边长分别为 R 、
⑭
若 P、Q 两点在 XOY 平面的投影点 ( x, y ) 落在第 k 级亮(暗)纹上，则 L 须满足条件
k 1, 2,, 亮环 k , x2 y 2 L n0 1 R1 R2 2 (k ) , k 0,1, 2,, 暗环 2
③ L n( zp ) n0 (PQ PQ) n( zp ) n0 (PQ PQ) n( zp zp ) 2 2
1
式中 为入射光线在真空中的波长， n0 1.00 。由题意， R1 和 R2 远大于傍轴光线干涉区域所对应 的两柱面间最大间隙；因而在傍轴垂直入射情况下有
⑮
⑮式中亮环条件对应于第 k 级亮纹上的点 ( x, y , z ) 的 x -、 y -坐标满足的方程。 更具体地，不妨假设 R1 R2 ，根据⑮式中的亮环条件，可得第 k 级亮纹的方程为
x2 y2 1, k 1, 2 Ak2 Bk2
⑯
它们是椭圆亮环纹，其半长轴与半短轴分别为
1 1 Ak ( k ) R1 / n0 , k 1, 2, ， Bk (k ) R2 / n0 , k 1, 2, 2 2
参考解答： （1）清晨加完水封闭后，罐内空气的状态方程为
p0V0 nRT0
①
式中 n 为罐内空气的摩尔数， p0 、 V0 π m 3 和 T0 277.15K 分别是此时罐内空气的压强、体积和 温度。 至中午时， 由于气温升高， 罐内空气压强增大， 设此时罐内空气的压强、 体积和温度分别为 p1 、
在傍轴条件下， 柱面上 P、Q 两处切平面的法线近似平行，因此
1 i i 0 0
似平行于入射线，因而也近似平行于 Z 轴，从而 P 与 P 点近似重合，即
可见 V / V0 1 ，这说明⑪式是合理的。罐内空气对外做功
W p V 1.889 103 J 1.9 103 J
⑬
（解法二）缓慢升温是一个准静态过程，在封闭水罐后至中午之间的任意时刻，设罐内空气 都处于热平衡状态，设其体积、温度和压强分别为 V 、 T 和 p 。水温为 T 时水的密度为
T1 ) p0V0 0 T0
⑥
⑦
解方程⑥得
( p0 S1 1 gV0 ) ( p0 S1 1 gV0 ) 2 4 1 gS p0V0 ( h 2 1 gS T1 ) T0
0.812m
⑧
另一解不合题意，舍去。由③⑤⑦⑧式和题给数据得
4
V1 V0 S h (T1 T0 ) S1l0 0.0180m3
由上式和题给数据得，中午观察柱内水位为
l1 h V1 V0 +l0 1.82m S1
⑨
（2）先求罐内空气从清晨至中午对外所做的功。 （解法一）早上罐内空气压强 p0 1.01 105 Pa ；中午观察柱内水位相对于此时罐内水位升高
4.00 cm 的透明圆柱形观察柱，底部与罐相连（连接
处很短） ，顶部与大气相通，如图所示。加完水后， 加水员在水面上覆盖一层轻质防蒸发膜（不溶于水， 与罐壁无摩擦） ，并密闭了罐顶的加水口。此时加水 员通过观察柱上的刻度看到罐内水高为 1.00 m 。 （1）从清晨到中午，气温缓慢升至 24.0C ，问此时 观察柱内水位为多少？假设中间无人用水，水的蒸发及罐和观察柱体积随温度的变化可忽略。 （2） 从密闭水罐后至中午， 罐内空气对外做的功和吸收的热量分别为多少？求这个过程中罐内空 气的热容量。
第 33 届全国中学生物理竞赛复赛理论考试试题解答
2016 年 9 月 17 日
一、 （20 分）如图，上、下两个平凸透光柱面的 半径分别为 R1 、R2 ， 且两柱面外切； 其剖面 （平 面）分别平行于各自的轴线，且相互平行；各 自过切点的母线相互垂直。取两柱面切点 O 为 直角坐标系 O-XYZ 的原点， 下侧柱面过切点 O 的母线为 X 轴，上侧柱面过切点 O 的母线为 Y 轴。一束在真空中波长为 的可见光沿 Z 轴负 方向傍轴入射，分别从上、下柱面反射回来的光线会发生干涉；借助于光学读数显微镜，逆着 Z 轴方向，可观测到原点附近上方柱面上的干涉条纹在 X-Y 平面的投影。 R1 和 R2 远大于傍轴光线 干涉区域所对应的两柱面间最大间隙。空气折射率为 n0 1.00 。试推导第 k 级亮纹在 X-Y 平面的 投影的曲线方程。 已知：a. 在两种均匀、各向同性的介质的分界面两侧，折射率较大（小）的介质为光密（疏） 介质；光线在光密（疏）介质的表面反射时，反射波存在（不存在）半波损失。任何情形下，折 射波不存在半波损失。伴随半波损失将产生大小为 π 的相位突变。b. sin x x, 当 x 1 。
2
e1 zP
y2 x2 ， e2 zQ 2 R1 2 R2
⑬
最后，光线在上、下两个柱面反射并相遇时, 其光程差 L 为
L 2n0 zP zQ

2
2n0 e1 e2

2
x2 x2 y 2 y2 n 2n0 0 2 R1 2 R2 2 R1 R2 2
h ，罐内空气压强升高了
p 1 g h 7.913 103 Pa 7.91 103 Pa ⑩
由于 p p0 ，可认为在准静态升温过程中，罐内空气平均压强为
0 ， i i 1
①式成为
n n0 0 ④
亦即
1 0 n 0 ⑤
⑰
评分参考：①②式各 1 分， ③式 2 分， ④⑤式各 1 分， ⑥式 2 分， ⑦式 1 分， ⑧式 2 分， ⑨⑩⑪⑫ 式各 1 分，⑬式 2 分，⑭式 1 分，⑮式（亮环条件正确）2 分。 二、 （20 分）某秋天清晨，气温为 4.0C ，一加水员到 高为 2.00 m 的圆柱形不 实验园区给一内径为 2.00 m 、 锈钢蒸馏水罐加水。罐体导热良好。罐外有一内径为
i i ②
光线在下侧柱面 Q 点的反射线交上侧柱面于 P 点，并由 P 点向上侧柱面折射，折射光线用 1 表 示；光线 1 正好与 P 点处的入射光线 2 的反射光线 2 相遇，发生干涉。考虑光波反射时的半波损 失，光线 1 与光线 2 在 P 点处光程差 L 为
1 p p0 p 1.0495 105 Pa 1.05 105 Pa 2
罐内空气体积缩小了
⑪
V 0.0180m3 ⑫
⑥
从而，在 P、Q 两处，不仅切平面的法线近似平行，而且在上下表面的反射光线、折射光线均近
zp z p
ห้องสมุดไป่ตู้
⑦
且 PQ 近似平行于 Z 轴，因而长度
PQ PQ zP zQ
3
已 知 罐 外 气 压 始 终 为 标 准 大 气 压 p0 1.01 105 Pa ， 水 在 4.0C 时 的 密 度 为
0 1.00 103 kg m 3 ，水在温度变化过程中的平均体积膨胀系数为 3.03 10 4 K 1 ，重力加速度
大小为 g 9.80m s 2 ，绝对零度为 273.15C 。
p1 p0 1 g h1
④
式中
1
0 1 (T1 T0 )
⑤
是水在温度为 T1 时的密度。联立①②③④⑤式得关于 h 的一元二次方程为
1 gS ( h ) 2 ( p0 S1 1 gV0 ) h (
式中
S S1S2 ， 1 (T1 T0 ) S1 S2