（生物科技行业）第届全国中学生物理竞赛复赛试卷
第23届全国中学生物理竞赛复赛试卷
壹、（23分）有壹竖直放置、俩端封闭的长玻璃管，管内为真空，管内有壹小球自某处自由下落（初速度为零），落到玻璃管底部时和底部发生弹性碰撞．以后小球将在玻璃管内不停地上下跳动。现用支架固定壹照相机，用以拍摄小球在空间的位置。每隔壹相等的确定的时间间隔T拍摄壹张照片，照相机的曝光时间极短，可忽略不计。从所拍到的照片发现，每张照片上小球都处于同壹位置。求小球开始下落处离玻璃管底部距离（用H表示）的可能值以及和各H值相应的照片中小球位置离玻璃管底部距离的可能值。 二、（25分）如图所示，壹根质量能够忽略的细杆，长为2，俩端和中心处分别固连着质量为的小球B、D和C，开始时静止在光滑的水平桌面上。桌面上另有壹质量为的小球A，以壹给定速度沿垂直于
杆DB的方间和右端小球B作弹性碰撞。求刚碰后小球A,B,C,D的速度，且详细讨论以后可能发生的运动情况。
三、（23分）有壹带活塞的气缸，如图1所示。缸内盛有壹定质量的气体。缸内仍有壹可随轴转动的叶片，转轴伸到气缸外，外界可使轴和叶片壹起转动，叶片和轴以及气缸壁和活塞都是
绝热的，它们的热容量都不计。轴穿过气缸处不漏气。
如果叶片和轴不转动，而令活塞缓慢移动，则在这种过程中，由实验测得，气体的压强和体积遵从以下的过程方程式图1
其中,均为常量,＞1（其值已知）。能够由上式导出，在此过程中外界对气体做的功为
式中和,分别表示末态和初态的体积。
如果保持活塞固定不动，而使叶片以角速度做匀角速转动，已知在这种过程中，气体的压强的改变量和经过的时间遵从以图2 下的关系式
式中为气体的体积，表示气体对叶片阻力的力矩的大小。
上面且没有说气体是理想气体，现要求你不用理想气体的状态方程和理想气体的内能只和温度有关的知识，求出图2中气体原来所处的状态和另壹已知状态之间的内能之差（结果要用状态、的压强、和体积、及常量表示）
四、（25分）图1所示的电路具有把输人的交变电压变成直流电压且加以升压、输出的功能，称为整流倍压电路。图中图1
和是理想的、点接触型二极管（不考虑二极管的电容），
和是理想电容器，它们的电容都为C，初始时都不带电，G点接地。当下A、G间接上壹交变电源，其电压，随时间t变化的图线如图2所示．试分别在图3和图4中准确地画出D点的电压和B点的电压在t＝0到t=2T时间间隔内随时间t变化的图线，T为交变电压的周期。
图2
图3 图4
五、（25分）磁悬浮列车是壹种高速运载工具。它具有俩个重要系统。壹是悬浮系统，利用磁力（可由超导电磁铁提供）使车体在导轨上悬浮起来和轨道脱离接触。另壹是驱动系统，在沿轨道上安装的三相绕组（线圈）中，通上三相交流电，产生随时间、空间作周期性变化的磁场，磁场和固连在车体下端的感应金属板相互作用，使车体获得牵引力。 为了有助于了解磁悬浮列车的牵引力的来由，我们求解下面的问题。
设有壹和轨道平面垂直的磁场，磁感应强度B随时间t和空间位置x变化规律为
式中、、均为已知常量，坐标轴x和轨道平行。在任壹时刻t，轨道平面上磁场沿x方向的分布是不均匀的，如图所示。图中Oxy平面代表轨道平面，“×”表示磁场的方向垂直Oxy平面指向纸里，“·”表示磁场的方向垂直Oxy平面指向纸外。规定指向纸外时B取正值。“×”和“·”的疏密程度表示沿着x轴B的大小分布。壹和轨道平面平行的具有壹定质量的金属矩形框MNPQ处在该磁场中，已知和轨道垂直的金属框边MN的长度为，和轨道平行的金属框边MQ的长度为d，金属框的电阻为R，不计金属框的电感。1．试求在时刻t，当金属框的MN边位于x处时磁场作用于金属框的安培力，设此时刻金属框沿x轴正方向移动的速度为。
2.试讨论安培力的大小和金属框几何尺寸的关系。 六、（23分）有壹种被称为直视分光镜的光谱学仪器。所有光学元件均放在壹直长圆筒内。筒内有：三个焦距分别为、和的透镜,,，；观察屏P，它是壹块带有刻度的玻璃片；由三块形状相同的等腰棱镜构成的图1
分光元件（如图1所示），棱镜分别用折射率不同的玻璃制成，俩侧棱镜的质料相同，中间棱镜则和它们不同，棱镜底面和圆筒轴平行。圆筒的壹端有壹和圆筒轴垂直的狭缝，它和圆筒轴的交点为S，缝平行于棱镜的底面．当有狭缝的壹端对准筒外的光源时，位于圆筒另壹端的人眼可观察到屏上的光谱。
已知：当光源是钠光源时，它的黄色谱线（波长为589.3nm，称为D线）位于圆筒轴和观察屏相
交处。制作棱镜所用的玻璃，壹种为冕牌玻璃，它对钠D线的折射率＝1.5170;另壹种为火石玻璃，它对钠D线的折射率=1.7200。
1.试在图2中绘出圆筒内诸光学元件相对位置的示意图且说出各元件的作用。
2.试论证三块棱镜各应由何种玻璃制成且求出三棱镜的顶角的数值。 图2
七、（16分）串列静电加速器是加速质子、重离子进行核物理基础研究以及核技术应用研究的设备，右图是其构造示意图。S是产生负离子的装置，称为离子源；中间部分N为充有氮气的管道，通过高压装置H使其对地有V的高压。现将氢气通人离子源S，S的作用是使氢分子变为氢原子，且使氢原子粘附上壹个电子，成为带有壹个电子电量的氢负离子。氢负离子（其初速度为0)在静电场的作用下，形成高速运动的氢负离子束流，氢负离子束射入管道N后将和氮气分子发生相互作用，这种作用可使大部分的氢负离子失去粘附在它们上面的多余的电子而成为氢原子，又可能进壹步剥离掉氢原子的电子使它成为质子。已知氮气和带电粒子的相互作用不会改变粒子的速度。质子在电场的作用下由N飞向串列静电加速器的终端靶子T。试在考虑相对论效应的情况下，求质子到达T时的速度。
电子电荷量C，质子的静止质量kg。
第23届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答及评分标准
壹、参考解答：
解法壹
小球沿竖直线上下运动时，其离开玻璃管底部的距离h随时间t变化的关系如图所示．设照片拍摄到的小球位置用A表示，A离玻璃管底部的距离为hA，小球开始下落处到玻璃管底部的距离为H.小球能够在下落的过程中经过A点，也可在上升的过程中经过A点.现以表示小球从最高点（即开始下落处）落到玻璃管底部所需的时间（也就是从玻璃管底部反跳后上升到最高点所需的时间），表示小球从最高点下落至A点所需的时间（也就是从A点上升至最高点所需的时间），表示小球从A点下落至玻璃管底部所需的时间（也就是从玻璃管底
2020年(生物科技行业)第届全国中学生物理竞赛复赛试卷
