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1999年第16届物理竞赛复赛试题答案解析


第 16 届全国中学生物理竞赛复赛试卷参考答案及评分标准
一、参考解答 1 只要有液态水存在,平衡时汽缸中气体的总压强就等于空气压强与饱和水蒸气压强 之和:

p总0 ? p空0 ? p饱 ? 3.0 atm
第一次膨胀后

(1)

V1 ? 2V0

p总1 ? p空1 ? p

饱 ? 2.0 atm
由于第一次膨胀是等温过程,所以

(2)

p空0V0 ? p空1V1 ? 2 p空1V0
解(1)、(2)、(3)三式,得

(3)

p饱 ? 1.0 atm p空0 ? 2.0 atm p空1 ? 1.0 atm
由于 p饱 ? 1.0 atm ,可知汽缸中气体的温度

(4) (5) (6)

T0 ? 373 K
根据题意,经两次膨胀,气体温度未改变。

(7)

2 设水蒸气为 ? 水 mol .经第一次膨胀,水全部变成水蒸气,水蒸气的压强仍为 p饱 , 这时对于水蒸气和空气分别有

p饱V1 ? ? 水 RT0 p空1V1 ? ? 空RT0 ? 2RT0
由此二式及(5) 、 (6)式可得

(8) (9)

? 水 ? 2 mol
3. 在第二次膨胀过程中,混合气体可按理想气体处理,有

(10)

p总2V2 ? p总1V1
由题意知, V2 ? 4V0 , V1 ? 2V0 ,再将(2)式代入,得

(11)

p总2 ? 1.0 atm

(12)

第1页

二、参考解答 l.在所示的光路图(图复解16-2-1)中,人射光 AB 经透镜 L1 折射后沿 BC 射向 L2 , 经 L2 折射后沿 CD 出射. AB 、 BC 、 CD 与透镜主轴的交点分别为 P 、 P ? 和 P ?? ,如果 P 为物点,因由 P 沿主轴射向 O1 的光线方向不变,由透镜性质可知, P ? 为 P 经过 L1 所成的 像, P ?? 为 P ? 经 L2 所成的像,因而图中所示的 u1 、 v1 、 u2 、 v 2 之间有下列关系:

1 1 1 ? ? u1 v1 f1

(1)

1 1 1 ? ? u2 v2 f 2

(2)

d ? u2 ? v1

(3)

当入射光线 PB 与出射光线平行时,图中的 ? ? ? ? ,利用相似三角形关系可求得

h ? v2 ? , h u1
从而求得

h? u2 ? h v1
(4)

v2 u2 ? u1 v1

联立方程(1)、(2)、(3)、(4),消去 v1 、 u2 和 v 2 ,可得

u1 ?

f1d d ? ( f1 ? f 2 )

(5)

由于 d 、 f1 、 f 2 均已给定,所以 u1 为一确定值,这表明:如果入射光线与出射光线平
第2页

行,则此入射光线必须通过主轴上一确定的点,它在 L1 的左方与 L1 相距 u1 ?

f1d d ? ( f1 ? f 2 )

处,又由于 u1 与 ? 无关,凡是通过该点射向 L1 的入射光线都和对应的出射光线相互平行. 2.由所得结果(5)式可以看出,当 d ? f1 ? f 2 时, u1 ? 0 ,此情况下的光路图就是图 复解16-2-1. 当 d ? f1 ? f 2 时, u1 ? ? , ? ? 0 ,此时入射光线和出射光线均平行于主轴,光路如 图复解16-2-2.

当 d ? f1 ? f 2 时, u1 ? 0 ,这表明 P 点在 L1 的右方,对 L1 来说,它是虚物.由(1)式 可知,此时 v1 ? 0 ,由 u2 ? 的光路图如图复解16-2-3.

f2 u v v1 可知, u2 ? 0 ,又由 2 ? 1 ? 0 可知, v2 ? 0 ,所以此时 f1 v2 u2

三、参考解答 根据题中所给的条件,当圆环内通过电流 I 时,圆环中心的磁感应强度

B?

?0 1
2 r

穿过圆环的磁通量可近似为

? ? BS ?

?0
2

? Ir

(1)

根据法拉第电磁感应定律,电流变化产生的感生电动势的大小

E?
圆环的电阻

?? ?0 ?I ? ?r ?t 2 ?t E ? ? r ?I R? ? 0 I 2I ?t

(2) (3)

根据题设条件

r ? 0.05 m , ?0 ? 4? ?10-7 N ? A-2 , I ? 100 A ,
第3页

?I ? 10-6 A/s ? 3 ?10-14 A/s ,代入(3)式得 ?t
R ? 3 ?10-23 ?
由电阻与电阻率 ? 、导线截面积 S 、长度 L 的关系 (4)

L S 及已知导线的直径 d ? 1 mm ,环半径 r ? 5 cm ,得电阻率 R??

??R

S d2 ?R ? 7.5 ? 10-29 ? ? m L 8r

(5)

四、参考解答 1.双星均绕它们的连线的中点做圆周运动,设运动速率为 v ,向心加速度满足下面的 方程:

M

v2 GM 2 ? 2 L/2 L

(1)

v?
周期

GM 2L

(2)

T计算=

2? ( L / 2) 2L ?? L v GM

(3)

2.根据观测结果,星体的运动周期 1 T观察= T ?T (4) N 计算 计算 这说明双星系统中受到的向心力大于本身的引力, 故它一定还受到其他指向中心的作用力, 按题意这一作用来源于均匀分布的暗物质,均匀分布在球体内的暗物质对双星系统的作用 与一质量等于球内暗物质的总质量 M ? 位于中点处的质量点相同. 考虑暗物质作用后双星的 速度即为观察到的速度 v ,则有

2 v观

M

L/2

?

GM 2 MM ? ?G 2 L ( L / 2)2

(5)

v观=

G ( M ? 4M ?) 2L

(6)

因为在轨道一定时,周期和速度成反比,由(4)式得

1 1 1 = v观 N v
把(2)、(6)式代入(7)式得

(7)

M? ?

N ?1 M 4

(8)
第4页

设所求暗物质的密度为 ? ,则有

4 ? L? N ?1 ?? ? ?? M 3 ?2? 4


3

??

3( N ? 1)M 2? L3

(9)

五、参考解答 解法一: 1.(1)电阻图变形. 此题连好的线路的平面图如图预解16-5-1所示. 现将电阻环改画成三角形,1、3、5三 点为顶点,2、4、6三点为三边中点,如图 预解1—5-2与图预解16-5-3所示.整个连好 的线路相当于把 Dn 的三个顶点分别接到

Dn?1 的三个中
点上,图预解 16-5-1 变 为 图 预解16-5-4. 这 样第1问归结 为求图预解 16-5-4 中 最 外 层三角环任意 两顶点间的等 效电阻。

(2)递推公式.
第5页

为使图形简化,讨论如何将接好的两个电阻环化简成为一个单环。由六个阻值为 r 的 电阻构成一个三角环, 将其顶点接在另一由六个阻值为 R 的电阻构成的三角环的中点上 (如 图预解16-5-5所示)。 图预解16-5-6是由六个阻值为 R ? 的电阻构成的三角环。若图预解16-5-5顶点1、3间的 电阻与图预解16-5-6顶点l、3间的电阻阻值相等,我们称图预解16-5-6中的 R ? 为等效单环 电阻.

用符号“//”表示电阻的并联,如

RA // RB ?

1 (1/ RA ) ? (1/ RB )

由图预解16-5-5中的对称性可知l、3两顶点间的电阻 R 1, 3 等于图 预解16-5-7中1、0间的电阻 R1, 0 的2倍,即

R 1, 3 = 2 R 1, 0 ? 2{[ R // r //(2r )] ? R}// R 1 ? ? ? R? ? ?2 1 1 1 // R ? ? ? ? ? R r 2r ? 2 4rR ? 3R ?2 // R 2r ? 3R 1 4r ? 3R ? R 3 r?R

1 ? R ? r // R 3
同理,图预解16-5-6中1、3两顶点间的电阻 R 1, 3 为

(1)

4 R1, 3 ? 2[(2R?) // R?] ? R? 3
由(1)、(2)式得等效单环电阻 R ? 为

(2)

第6页

3 1 R? ? R ? r // R 4 4
2. 第一问

(3)

现在考虑把 D1 、 D2 、 D3 、 D4 、 D5 按相反的次序,由内向外依次连接的情况.首先 将 D4 接在 D5 外面, 求双环 D4 ? D5 的等效单环电阻 R (2)〔即 (3) 式中的 R ? 〕 . 这时 r ? R . 由 (3)式得到 R (2) 为

3 1 7 R (2) ? R ? R // R ? R 4 4 8
其次,在双环 D4 ? D5 外面接上 D3 ,这时 r ? R (2) .三环 D3 ? D4 ? D5 的等效单环电 阻 R (3) 为

R (3) ?

3 1 3 1 ? 7 ? 13 R ? R // R (2) ? R ? R // ? R ? ? R 4 4 4 4 ? 8 ? 15
( s ?1)

由此可得一般公式, ( s ? 1) 环的等效单环电阻 R

可由 R (s ) 求出 (4)

3 1 R (s?1) ? R ? R // R (s) 4 4
于是

R ( 4) ?

3 1 3 1 13 ? 97 R ? R // R (3) ? R+ R // ? R ? R? ? 4 4 4 4 ? 15 ? 112 3 1 3 1 97 ? 181 R ? R // R ( 4) ? R+ R // ? R? ? R ? 4 4 4 4 ? 112 ? 209

R (5) ?

由 ( 2 ) 式 R1 , 3? ( 4 / 3) R? 得 出 由 一 个 环 ( D5 ) 、 两 个 环 ( D5 ? D4 ) 直 至 五 个 环 ( D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 )构成的线路1、3点间的电阻为

4 4 (1) R 1, 3 ? R' ? R 3 3
4?7? 7 (2) R 1, R 3 ? ? ?R ? 3?8? 6 4 ? 13 ? 52 (3) R 1, R ?R ? 3 ? ? 3 ? 15 ? 45 4 ? 97 ? 97 (4) R 1, R ?R ? 3 ? ? 3 ? 112 ? 84 4 ? 181 ? 724 (5) R 1, R ?R ? 3 ? ? 3 ? 209 ? 627
第7页

答:所求的五个环的1与3间的等效电阻确为

724 R .证毕。 627

3. 第二问 根据五个 D 组成的圆柱形网络的对称性, D5 的l、3两点等价于 D1 的2、4两点.等价 线路如图预解16-5-8与图预解16-5-9所示.设二图等价,求图预解16-5-9中的 R ?? 即可.

图复解 16-5-8

图复解 16-5-9

R?? ? (2 R) //(2 R (4) ) ?
所以

1 194 ? R 1 56 209 ? 2 R 97 R

2 388 (5) ?? ?? ?? R 2, R 4 ? R // 2R ? R ? 3 627 388 答:所求值为 R。 627
解法二: 第一问 图预解16-5-3可看做 D5 的接线图,其一半如图预解16-5-10所示,竖直粗线为一短路
(1) (1) 线. 一个环 ( D5 ) 构成线路的1与0点间的阻值用 R1, 根据对称性, R 1, 0 表示, 0 ?

1 (1) 2 R 1, 3 ? R 。 2 3

第8页

当 D5 接入 D4 后,由两个环(类似图预解16-5-5)构成线路图的一半如图预解16-5-11 所示.三个带阴影的电阻与短路线围成的三角形( 2 ? 0 '? 0 )中的2与 0 ' 间的阻值就是图预
(1) 解16-5-10中1与0间的阻值 R1, (或图 0 。其等效电路如图预解16-5-12所示.图预解16-5-11 (1) 预解16-5-12)中的l与0点间的阻值用 R1, 0 表示.有

?? ? 2 ? 7 (2) (1) R 1, R 0 ? [( R // R 1, 0 ) ? R]// R ? ?? R // R ? ? R ? // R ? 3 ? 12 ?? ?
再将双环 D5 ? D4 接入 D3 ,其一半如图预解16-5-13所示, 三个带阴影的电阻与短路线围成的三角形中含有六个电阻,其2
(2) 与 0 ' 间的阻值就对应为 R1, 0 ,参看图预解16-5-12的等效电路,


(3) (2) R 1, 0 ? [( R // R 1, 0 ? R )]// R

?? ? 7 ? ? ?? R // R ? ? R ? // R 12 ? ?? ? 26 ? R 45
同理,得

?? ? 26 ? 97 (4) (3) R 1, R ? ? R ? // R ? R 0 ? [( R // R 1, 0 ? R)]// R ? ?? R // 45 ? 168 ?? ?

?? ? 97 ? 362 (5) (4) R 1, R ? ? R ? // R ? R 0 ? [( R // R 1, 0 ? R)]// R ? ?? R // 168 ? 627 ?? ?
由此得
(5) (5) R1, 3 ? 2R1, 0 ?

724 R 627
第9页

第二问 五个电阻环构成线路后,最外层环( D1 )上 2 点与 4 点间的等效电阻可借用图预解
(1) (4) 16-5-12求得,将图中 R 2, 0' 换成 R 2, 0' ,五个环构成的线路中2与4间阻值可如下求得:


(5) (4) R 2, 0' ? 2R // R1, 0 // R ? 2R //

97 194 R // R ? R 168 627


(5) (5) R 2, 4 ? 2R 2, 0' ?

388 R 627

六、参考解答 设所加匀强电场的场强为 E ,它在 y 方向和 z 方向的分量分别为 E y ? ? E sin? ,

Ez ? E cos? 。
由于物块带负电,电场作用于物块的电力的两个分量分别为

Fy ? ?qEy ? qE sin?
Fz ? ?qEz ? ?qE cos?

(1) (2)

方向沿 y 轴正方向.Fz 垂直于 xy 平面, 被绝缘平面的支持力所平衡, Fy 在 xy 平面内, 故物块对绝缘平面的正压力的大小 N 和 Fz 的大小相等,即

N ? qE cos?
绝缘平面作用于物块的摩擦力

f ? ? N ? qE tan? cos? ? qE sin? ? Fy

(3)

f 的方向决定于物块移动的方向. 根据题意,物块在 xy 平面内的运动可看做是一种在力平衡下的缓慢移动.作用于物块
的三个力 Fy 、 f 和线的拉力 T 都在 xy 平面内.物块在任一位置达到平衡时的受力情况如 图预解16-6所示。 ? 为细线与 x 轴的夹角。把 T 沿 x 和 y 方向分解得

Tx ? ?T cos? , Ty ? ?T sin ?
用 f x 和 f y 表示 f 的两个分量,物块平衡时, 有

Fy ? T sin ? ? f y ? 0

(4)
第 10 页

?T cos ? ? f x ? 0
由(4) 、 (5)式得

(5)

(Fy ? T sin ? )2 ? T 2 cos2 ? ? f 2
注意到(3)式,得

T (T ? 2Fy sin ? ) ? 0

T ? 0 或 T ? 2Fy sin ?

(6)

因要小物块缓慢移动,需要细线牵引, T ? 0 不符合题意,应舍去.因 0 ? ? ? ? ,

T ? 2Fy sin ? ? 0 ,将 T 代入(4)、(5)式,


f y ? T sin ? ? Fy ? ?Fy cos2 ?
f x ? T cos? ? Fy sin 2?
摩擦力方向的斜率

k?

fy fx

? ? cot ?

(7)

k 是摩擦力方向与 x 轴夹角的正切,即摩擦力方向的斜率,因摩擦力始终沿轨道的切 线方向,故 k 也就是轨道切线的斜率.下面,通过对(7)式的分析来寻找轨道方程. 当中一0,k-co即在起点A时,轨道的切线与x轴垂直 当 ? ? 0 , k ? ? ,即在起点 A 时,轨道的切线与 x 轴垂直。

当? ?

?
2

, k ? ? ,一种情况是小物块运动到 y 轴上后,沿 y 轴做直线运动到 O 点,但

这与题设轨迹移动是一条二次曲线不符,因而它一定表示轨道在 O 点的切线与 x 轴垂直. 在二次曲线中,曲线上两点切线相互平行的只有椭圆或圆.又因为 A 、 O 两点的切线 与它们的连线相垂直,这连线应为曲线的轴线,且在 Ox 轴上,另一轴在它的垂直平分线上 且与 y 轴平行。曲线与此轴线的交点的切线的斜率为0.代入(7)式得 ? ? 圆,其方程为
2 x0 ? x0 ? 2 x ? ? y ? ? 2? 4 ? ? 2

?
4

,故该曲线为

(8)

第 11 页


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