2011西安第28届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案
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2011西安第28届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案
2011西安第28届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案
28届决赛试题及答案
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°
二、(15分)如图28决—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1的长度l和后来弹簧2所达到的最大压
图28决—
2 缩量Δl2.
2011西安第28届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案
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ΔvB. (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。
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<P0).假设气体在经过多孔塞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
.
第28届物理决赛第 1 页 共 23 页
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