高中物理奥赛模拟试题一
1. (10分)1961年有人从高度H=22.5m的大楼上向地面发射频率为υ0的光子,并在地面上测量接收到的频率为υ,测得υ与υ0不同,与理论预计一致,试从理论上求出 的值。
2. (15分)底边为a,高度为b的匀质长方体物块置于斜面上,斜面和物块之间的静摩擦因数为μ,斜面的倾角为θ,当θ较小时,物块静止于斜面上(图1),如果逐渐增大θ,当θ达到某个临界值θ0时,物块将开始滑动或翻倒。试分别求出发生滑动和翻倒时的θ,并说明在什么条件下出现的是滑动情况,在什么条件下出现的是翻倒情况。
图1
a
b
θ
3. (15分)一个灯泡的电阻R0=2Ω,正常工作电压U0=4.5V,由电动势U=6V、内阻可忽略的电池供电。利用一滑线变阻器将灯泡与电池相连,使系统的效率不低于η=0.6。试计算滑线变阻器的阻值及它应承受的最大电流。求出效率最大的条件并计算最大效率。
4. (20分)如图2,用手握着一绳端在水平桌面上做半径为r的匀速圆周运动,圆心为O,角速度为ω。绳长为l,方向与圆相切,质量可以忽略。绳的另一端系着一个质量为m的小球,恰好也沿着一个以O点为圆心的大圆在桌面上运动,小球 图2
O
v
·
m
r
ω
l
和桌面之间有摩擦,试求:
⑴ 手对细绳做功的功率P;
⑵ 小球与桌面之间的动摩擦因数μ。
L
图3
A
B
C
R
h
·
5. (20分)如图3所示,长为L的光滑平台固定在地面上,平台中间放有小物体A和B,两者彼此接触。A的上表面是半径为R的半圆形轨道,轨道顶端距台面的高度为h处,有一个小物体C,A、B、C的质量均为m。在系统静止时释放C,已知在运动过程中,A、C始终接触,试求:
⑴ 物体A和B刚分离时,B的速度;
⑵ 物体A和B分离后,C所能达到的距台面的最大高度;
⑶ 试判断A从平台的哪边落地,并估算A从与B分离到落地所经历的时间。
6. (20分)如图4所示,PR是一块长L的绝缘平板,整个空间有一平行于PR的匀强电场E,在板的右半部分有一个垂直于纸面向外的匀强磁场B。一个质量为m、带电量为q的物体,从板的P端由静止开始在电场力和摩擦力的作用下向右做匀加速运动,进入磁场后恰能做匀速运动。当物体碰到板R端挡板后被弹回,若在碰撞瞬间撤去电场,物体返回时在磁场中仍做匀速运动,离开磁场后做匀减速运动停在C点,PC= ,物体与平板间的动摩擦因数为μ。求:
E
B
R
图4
C
P
⑴ 物体与挡板碰撞前后的速度V1和V2;
⑵ 磁感强度B的大小;
⑶ 电场强度E的大小和方向。
7. (20分)一只蚂蚁从蚂蚁洞沿直线爬出,已知爬出速度v的大小与距蚂蚁洞中心的距离L成反比,当蚂蚁到达距蚂蚁洞中心的距离L1=1m的A点时,速度大小为v1=20cm/s,问当蚂蚁到达距蚂蚁洞中心的距离L2=2m的B点时,其速度大小为v2=? 蚂蚁从A点到达B点所用的时间t=?
8. (20分)在倾角为30°的斜面上,固定两条足够长的光滑平行导轨,一个匀强磁场垂直于斜面向上,磁感强度B=0.4T,导轨间距L=0.5m,两根金属棒ab、cd水平地放在导轨上,金属棒质量mab=0.1kg,mcd=0.2kg,两根金属棒总电阻r=0.2Ω,导轨电阻不计(如图5)。现使金属棒ab以v=2.5m/s的速度沿斜面向上匀速运动。求:
30°
30°
d
c
a
b
B
v
图5
⑴ 金属棒cd的最大速度;
⑵ 在cd有最大速度时,作用在ab上的外力做功的功率。
高中物理奥赛模拟试题一答案
1. 解:光子的重力势能转化为光子的能量而使其频率变大,有
mgH=h(υ-υ0)
而根据爱因斯坦的光子说和质能方程,对光子有
hυ0=mc2
答图1
θ
b
a
φ
解以上两式得:
2. 解:刚开始发生滑动时,mgsinθ0=μmgcosθ0
tanθ0=μ,即θ0=arctanμ
刚开始发生翻倒时,如答图1所示,有θ1=φ,
tanφ= ,φ=arctan
即θ1≥arctan 时,发生翻倒。
综上所述,可知:
当μ> 时,θ增大至arctan 开始翻倒;
当μ< 时,θ增大至arctanμ开始滑动。
E
R1
答图2
×
R2
R0
3. 解:如答图2所示,流过灯泡的电流为I0=U0/R 0=2.25A,其功率为P0= U0 I0=U02/R 0=10.125W。用R 1和R2表示变阻器两个部分的电阻值。系统的总电流为I1,消耗的总功率为P1= U I1,
效率为 ………………………①
因U0、U和R 0的数值已给定,所以不难看出,效率与电流I1成反比。若效率为0.6,则有 ………………②
变阻器的上面部分应承受这一电流。利用欧姆定律,有
………………③
变阻器下面部分的阻值为 ………………④
变阻器的总电阻为8.53Ω。
式①表明,本题中效率仅决定于电流I1。当I1最小,即I1=0时效率最大,此时R1=∞(变阻器下面部分与电路断开连接),在此情形下,我们得到串联电阻为 ,
f
ω
答图3
r
R
T
φ
ω
v
效率为
4. 解:⑴ 设大圆为R。由答图3分析可知R=
设绳中张力为T,则
Tcosφ=m Rω2,cosφ=
故T= ,
P=T·V=
⑵ f =μmg=Tsinφ
T=
sinφ=
所以,μ=
5. 解:⑴ 当C运动到半圆形轨道的最低点时,A、B将开始分开。在此以前的过程中,由A、B、C三个物体组成的系统水平方向的动量守恒和机械能守恒,可得:
mVA+mVB +mVC=0
mgR= mVA2+ mVB2+ mVC2
而VA=VB
可解得:VB=
⑵ A、B分开后,A、C两物体水平方向的动量和机械能都守恒。C到最高点时,A、C速度都是V,C能到达的最大高度为l,则
mVB=2mV
mg(l+R-h)+ (2m)V2= mVA2+ mVC2
可解得:l=h-
⑶ 很明显,A、C从平台左边落地。因为L>>R,所以可将A、C看成一个质点,速度为 VB,落下平台的时间
6. 解:物体碰挡板后在磁场中做匀速运动,可判断物体带的是正电荷,电场方向向右。
⑴ 物体进入磁场前,在水平方向上受到电场力和摩擦力的作用,由静止匀加速至V1。
…………………①
物体进入磁场后,做匀速直线运动,电场力与摩擦力相等
…………………②
在碰撞的瞬间,电场撤去,此后物体仍做匀速直线运动,速度为V2,不再受摩擦力,在竖直方向上磁场力与重力平衡。
…………………③
离开磁场后,物体在摩擦力的作用下做匀减速直线运动
…………………④
由④式可得:
代入③式可得: …………………⑤
解以上各方程可得:
⑵ 由③式得:
⑶ 由②式可得:
7. 解:由已知可得:蚂蚁在距离洞中心上处的速度v为v=k ,代入已知得:k=vL=0.2×1m2/s=0.2 m2/s,所以当L2=2m时,其速度v2=0.1m/s
由速度的定义得:蚂蚁从L到L+ΔL所需时间Δt为
……………………①
类比初速度为零的匀加速直线运动的两个基本公式
在t到t+Δt时刻所经位移Δs为 ………………②
比较①、②两式可以看出两式的表述形式相同。
据此可得蚂蚁问题中的参量t和L分别类比为初速度为零的匀加速直线运动中的s和t,而 相当于加速度a。
于是,类比s= a t2可得:在此蚂蚁问题中
令t1对应L1,t2对应L2,则所求时间为
代入已知可得从A到B所用时间为:
Δt=t2-t1= =7.5s
8. 解:开始时,cd棒速度为零,ab棒有感应电动势,此时可计算出回路中的电流,进而求出cd棒所受到的安培力F(可判断出安培力方向沿斜面向上)。
如果F>mcdgsin30°,cd将加速上升,产生一个跟电流方向相反的电动势,回路中的电流将减小,cd棒所受到的安培力F随之减小,直到F=mcdgsin30°。
如果F<mcdgsin30°,cd将加速下滑,产生一个跟电流方向相同的电动势,回路中的电流将增大,cd棒所受到的安培力F随之增大,直到F=mcdgsin30°。
⑴ 开始时,cd棒速度为零,回路中的电流
这时cd棒受到平行斜面向上的安培力F=I lB=2.5×0.5×0.4N=0.5N
而mcdgsin30°=0.2×10×0.5N=1N
故cd将加速下滑。当cd的下滑速度增大到vm时,需要有安培力F=mcdgsin30°
此时回路中的电流
cd受到的安培力F=ImlB=mcdgsin30°
所以
即金属棒cd的最大速度为2.5m/s。
⑵ 当cd棒速度达到最大值vm时。回路中的电流
作用在ab棒上的外力
F=ImlB+mabgsin30°=(5×0.5×0.4+0.1×10×0.5)N=1.5N
外力做功的功率PF=Fv=1.5×2.5W=3.75W