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2009年第四届全国高中应用物理竞赛试题


2009 年全国高中应用物理知识竞赛试题
一.本题包括 10 小题, 每小题 5 分, 共 50 分, 在每小题给出的四个选项中, 有的小题只有 一个选项正确, 有的小题有多个选项正确,请把符合题目要求的选项序号填入题后的 ( )内, 全选对的得 5 分, 选不全的得 3 分, 有选错或不选的得 0 分. 1. 有些楼道照明灯的控制电路具有这样的功能, 当楼道里很昏暗时, 出现声音灯就开启, 而在楼道里明亮时, 即使有声音灯也没有反应, 既可以方便照明, 又可以节约用电, 这的照明灯的控制电路中, 一定接入了哪几种传感器( ) A.温度传感器 B.光传感器 C.声音传感器 D.热传感器 2. 计算机中用的光盘驱动器.可使光盘以恒定角速度转动, 光盘上凸凹不平的小坑就是 存贮的数据信息记录, 激光头发出激光在扫描这些凸凹不平的小坑的过程中, 可读取 相就的数据信息, 要求激光头在读取数据过程中, 每秒读取的数据量相同, 那么光盘 上凸凹不平的小坑的密集程度应为 ( ) A.越靠近内圈越密集 B. 越靠近外圈越密集 C.中间位置最密集 D. 各处密集程度相同 3. 一辆卡车如果在如图 1 所示凸凹不平的路面上 以一定速率行驶, 由于载重量过大, 轮胎有可 能发生爆胎现象, 在这段路上最容易发生爆胎 现象的地段应是 ( ) A. a 处 B. b 处 C. c 处 D. d 处 4. 如图 2 所示的装置可将声音信号转化为电信号, 该装置主要由绝缘框架 MN、固定不 动的金属板 a 与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜 b 构成, a、b 通过导线与电源两极相接, 当声源在空气中发出声音, 其输出 端便可得到由声音信号转化成的电信号, 则 ( ) A. b 振动过程中, a、b 板间的电场强度不变 B. b 振动过程中, a、b 板所带电量不变 C. b 振动过程中, 输出端的电流方向始终不变 D. b 向右的位移最大时, a、b 板所构成的电容器的电容最大 5. 研究性学习小组的同学们, 根据物理课上所学的知识讨论 “随着岁月的流逝, 地球 绕太阳公转的周期, 日、 地间的平均距离, 地球接受太阳的辐射能”等问题时, 有下列 结论,你认为其中可能正确的是 ( ) A. 太阳不断向外射大量光子, 太阳质量将不断减小 B. 日、地间的平均距离将不断增大, 地球公转的周期将不断变大 C. 日、地间的平均距离将不断减小, 地球公转的周期将不断变小 D. 地球表面相同时间内接受的太阳辐射能将不断减小 6. 在抽制很细的金属丝的过程中, 可以用激光随时监测抽丝的 粗细情况, 其装置如图 3 甲所示, 在抽丝机的细丝出口附近, 用一束激光沿与细丝垂直的方向照射细丝,在细丝的另一侧

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用光屏接收激光.工作人员通过光屏上明暗相间亮斑的情况(如图乙所示为沿激光传播 方向看到的光屏情况), 便可知道抽制出的细丝是否合格. 对于这种监控抽丝机的装 置, 下列说法中正确的是 ( ) A. 这是利用了光的直线传播规律 B. 这是利用光的衍射现象 C. 如果屏上条纹变宽, 表明细丝粗了 D. 如果屏上条纹变宽, 表明细丝细了 7. 一航天探测器完成对月球的探测任务后要返回地球, 若在离开月球过程的开始阶段, 由静止开始沿着与月球表面成一倾斜角的直线飞行, 先加速运动, 再匀速运动, 探测 器通过喷气而获得推动力, 下列关于探测器喷气方向的描述中正确的是 ( ) A. 探测器加速运动时, 向正后方喷气 B. 探测器加速运动时, 竖直向下喷气 C. 探测器匀速运动时, 竖直向下喷气 D. 探测器匀速运动时, 不需要喷气 8. 每当彗星的碎屑高速运行并与地球相遇时, 常有部分落入大气层燃烧, 形成划过天空 的“流星雨”, 关于流星的下列说中, 正确的是 ( ) A. 流星对地球的引力和地球对流星的引力大小相等,但流星质量小、 加速度大, 所以 改变运动方向落向地球 B. 流星对地球的引力远小于地球对流星的引力, 所以流星落向地球 C. 流星进入地球大气层中后, 速度越来越大, 机械能不断增加 D. 流星是因受到彗星斥力而落向地球的 9. 指针式石英钟的步进电机原理如图 4 甲所示, 在由硅钢片迭压而成的定子上绕有线圈, 由永磁体构成的圆柱形转子, 可绕垂直线圈的转 轴 O 转动,其两磁极分布在柱面上, 当电路产生的 脉冲电信号(如图 4 乙所示)输入到线圈时, 线圈就 产生磁场, 且线圈两端的磁极随着输入电流方向 的变化而变化,使转子每次按预定的方向(弧形箭头 方向)旋转 180?,转子带动齿轮, 齿轮带动秒针转过 一秒, 则图 4 乙中脉冲电信号的频率为( ) A.4.0Hz B. 2.0Hz C. 1.0Hz D. 0.5Hz 10. 扫描隧道显微镜(STM)是根据量子力学原理中的隧道效应而设计成 的, 当原子尺度的探针针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时, 在针尖与样品之间加一大小在 2mV~2V 之间的电压, 针尖与样品之 间产生隧道效应而有电子逸出, 形成隧道电流, 电流 I 随针尖与样品 间的距离 r 的增大而指数减小(如图 5 甲所示).当探针沿物质表面按给 定高度匀速扫描时, 因样品表面原子的凹凸不平,使探针与物质表间 的距离不断发生改变, 从而引起隧道电流随时间不断发生改变, 这 种变化便反映了样品表面原子水平的凹凸形态.如果在某次扫描中

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隧道电流如图 5 乙所示, 那么样品表面可能是图 6 中的 (



二.本题包括 3 小题, 共 25 分, 请按题目的要求做简要的回答 1.(8 分)将从自来水管龙头流出的水调成很细的水流, 你会发现, 在靠近出水口处的水流 是连续的且较粗, 而在远离龙头的出水口处水流会变得很细,甚至会发生间断的现象, 这是为什么? 2.(8 分)小刚和小明放学后一同骑车回家,经过一段下坡路的过程中, 尽管不再用力蹬车, 但车速仍越来越快, 为了安全, 要求到达坡路底端时速度不能超过某一定值, 因此在 下坡过程中一定要采取剎车措施. 对于采取怎样的剎车措施更有利于减少闸皮的磨损, 小刚和小明提出不同的看法:小刚认为应在下坡的全过程一直轻捏剎车;小明认为应在 接近坡底时急剎车, 你认为谁的看法正确?并简述理由. 3.(9 分)有一种电流天平的主要结构包括螺线管, 横梁(含 U 型电路)、直流电源、滑动变阻 器及电流表等, 其构造示意如图 7 所示, 螺线管水平放置, 横梁可绕固定的螺线管端 口且垂直螺线的水平轴 OO’摆动(水平轴 OO’在横梁的中间, 不挂重物 m 时横梁处 于水平位置保持平衡,包括 U 电路在内的横梁的 重心位于 OO’的正下方附近),摆动过程中 OO’ 轴处的摩擦可忽略不计, U 型电路通过导电的转 轴与接线柱 a、b 相连, 且一直在螺线管内, 在横 梁左端悬挂一定质量的物体, 当螺线管中通以电 流 I1、 型电路中通以电流 I2 时, 可使横梁水平平 U 衡. (1)请简述这种电流天平测量质量的原理 (2)为提高这种电流天平的灵敏度, 可以从哪些方面进行改进. 三、本题包括 5 小题, 共 75 分, 解答时就写出必要的文字说明, 方程式和重要演算步骤, 只写出最后答案的不能得分, 有数值计算的题, 答案中必须明确写出数值和单位. 1.(12 分)一个喷漆桶能够向外喷射不同速度的油漆雾滴, 某同学要 测量雾滴的喷射速率, 他采用如图 8 所示的装置, 一个直径为 d 的纸带环安放在一个可以按照不同转速转动的固定转台上, 纸 带环上刻有一条狭缝 A,狭缝 A 的正对面的纸带环的内侧画一 条标志线.在转台开始转动达到稳定转速时, 向侧面开有同样 狭缝 B 的纸盒中喷射油漆雾滴,当狭缝 A 转至 与狭缝 B 正对平行时, 雾滴便通过狭缝 A 在 纸带的内侧面留下痕迹.将纸带从转台上取下 来, 展开平放, 并用毫米刻度尺进行测量, 如 图 9 所示
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(1)简述侧面开有狭缝 B 的纸盒子的作用 (2)如果转台转动的周期为 T, 写出这些雾滴喷射速率的范围(用字母表示) 2.(13 分)如图 10 所示为静电喷漆过程的原理图, 由喷嘴 K 喷出的油 漆, 形成带负电的雾状液滴 (初速度可忽略不计), 在被 P 与 K 之间的电场加速后射到 P(被喷漆的零件)上并附着在其上, 已 知 P 与 K 之间的加速电压 U=500V,每分钟可将 60g 的油漆喷至 零件上, 为了使油漆喷到零件上后能较牢固地附着在零件上, 要求油漆对零件表面的平均压力不小于 1.0N, 求此喷漆装置耗电的最小功率. 3.(15 分)图 11 所示电路是在环境温度为 10℃左右的条件下工作的某自动恒温箱原理简图: 箱内电阻 R1=20KΩ , R2=10KΩ ,R3=30KΩ ,R1 为热敏电阻, 其阻值随温度变化的图线如 图 12 所示, 电源电动势为 12V,内电阻不计, 当电压临别器的两接入点 a、b 间的电势 差 Uab 小于 0.5V 时, 临别器将使开关 S 接通, 使恒温箱内的电热丝通电而发热, 从而使 箱内温度升高;当 Uab 大于 1.0V 时, 临别器将使 S 断开, 停止加热.

(1)根据以上说明, 判定该恒温箱内的温度将保持在怎样的范围? (2)若想使此恒温箱内的温度变化范围在第(1)问的基础上降低一些, 在临别器功能和热 敏电阻不变的条件下, 可采取怎样的措施? 4.(17 分)暑假期间, 物理老师带物理小组的同学乘 “动车组”参加夏令营的活动, 火车 开动前, 广播里传来了列车员对 “动车组”运行情况的介绍, 从广播里他们了解到, “动车组”运行的最高时速可达 240km/h,于是,老师给小组的同学们提出了这样的课 题:在列车开动的过程中, 用手边的物品估测一下列车加速过程的加速度大小, 于是同 学们开始讨论起来, 并在列车启动后开始了测量, 其中有两个同学的测量过程如下: 小刚同学用塑料绳把一只小铁锁吊在行李架上, 使悬挂点正好在小桌边缘的正上 方,他测出悬挂点至小铁锁的距离 L 及加速阶段小铁锁偏离桌子边缘的水平距离 d 后 说, 我已能算出火车的加速度了. 小明同学坐在窗边不动声色, 时而抬头看看窗外铁路边的里程碑(每隔 100m 有一 个里程碑), 时而看看自己的手表, 往复了几次, 依次记录下列车通过相邻里程碑之间 距离所用时间 t1、2、 3…….在别人还在忙碌时, 小明宣布说 “我已测出了火车的加速 t t 度” 请你判断一下, 以上同学的方法能否测出加速度, 如果不能, 请说明理由;如果能, 请通过计算说明他们的测量结果各是什么,并对于小刚和小明的测量方法说出评价. 5.(18 分)已知地球和火星都在同一平面上绕太阳做圆周运动, 火星轨道半径 Rm 为地球轨 道半径 R0 的 1.5 倍, 若要从地球向火星发射探测器, 可以先用火箭对探测器进行加速,

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使之成为一个沿地球轨道绕太阳运行的人造行星(此时地球对探测器的引力可以忽略 不计), 然后在适当时刻点燃与探测器连在一起的火箭发动机,在短时间内使探测器沿 原运动方向加速, 当其速度增到适当值时, 探测器沿着一个椭轨道运动, 这个椭圆轨 道的近日点和远日点分别与地球轨道和火星轨道相切, 并且在探测器到达远日点时, 恰好火星也运动到该点, 从而使探测器正好射到火星上, 如图 13 所示. 当探测器脱离地球并沿地球公转轨道稳定运动后, 在某年 3 月 1 日零时,经观测计 算知火星与探测器对太阳所张角度为 60?, 如图 14 所示, 问应在何年何月何日点燃探 测器上的火箭发动机方能使探测器恰好落在火星表面(时间计算仅需精确到日)已知地 球半径为 Re=6.4×106m,重力加速度 g 取 9.8m/s2

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