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发表于 2009-7-20 22:16:03
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第二十四届全国中学生物理竞赛试题(仙剑版)
全卷共七题,满分160分,答题时间180分钟:
一、奇妙的天蛇杖。(23分)
灵儿与水魔兽同归于尽后,天蛇杖从天空中掉落,立在悬崖边上(如图1-1)。大家都知道这是不可能立住的,现对于这一奇妙的现象有两种假设:1、由于天蛇杖强大的灵力,在杖的下方具有一股灵气,可等效为密度为p的暗物质。2、由于强大的灵力,杖的周围布满了固定杖的真气,可等效为连接在杖质心上的8根弹簧,弹簧对称分布,所组成的平面与杖垂直,劲度系数同为k。已知:杖长为L,质量为M,质心位于顶部L/3处,竖直树立。现有问题如下:
(1)假设1中灵气呈半径为R的半球状分布,球心位于杖底,球冠向下,圆面与杖垂直。试讨论p在什么范围内时天蛇杖处于稳定平衡
(2)假设2中求天蛇杖作微小振动时的周期T
二、镇妖剑的坠落。(27分)
重楼和飞蓬在新仙界对决。两人最后用尽全力相向一击后向两边弹开(如图2-1),镇妖剑掉落人间(如图2-2)。已知重楼质量M1,飞蓬体重M2,镇妖剑质量m(M2>>m),两者以相同的速度v0相撞后分开,重楼速度v1,飞蓬速度v2,碰撞损失能量E。设镇妖剑碰后被平抛出去,并绕其质心以w匀角速转动,其质心在中点。(其角动量造成飞蓬的角度偏离可忽略不计,即碰撞发生在一直线)镇妖剑要插入蜀山的石缝需要动量P,蜀山海拔高度h,不计空气阻力。试求:
(1)要使镇妖剑插入地中,新仙界最小的海拔高度H
(2)此高度对应的新仙界距离蜀山的水平距离S
(3)若直接将镇妖剑从高出自由垂落(不转动),求最小高度L(1、2小题认为新仙界处重力加速度和地面一样为g,第3小题将镇妖剑视作天体。)
三、重楼封印锁妖塔。(22分)
重楼散尽魔力封印锁妖塔,锁妖塔体积为V,当天大气压强为P,空气温度T。重楼腾身跃起,将相当于锁妖塔体积的空气凝成一股真气(此股真气可视为理想气体),重楼把气体凝成原来体积的1/n,温度不变(如图3-1)。然后先控制体积不变,把真气压强加倍;在控制压强不变,把体积变为16倍,最后把真气掷向锁妖塔(如图3-2),一切恢复平静。设真气恢复的原来的状态释放的魔能刚好修复锁妖塔,不考虑和外界的热量交换以及掷出的能量。求:
(1)重楼放出的魔力(能量)W
(2)修复锁妖塔所需的灵力(能量)Q
(3)此循环的效率n
(4)重楼修复锁妖塔的效率k
四、五灵法阵。(22分)
锁妖塔顶强大的五灵法阵,其实是一个看不见的五灵导体大球(原来不带电)中过球心的水平截面。法阵上水火雷风土五灵的圆同样是五个小球的过球心的截面。这五个小球是大球中的五个空腔,中间注满了对应属性的灵力。已知大球半径为R,小球半径为r,五灵圆的圆心离法阵圆心R/2,在小圆圆心到大圆圆心连线上距离小圆圆心r/2处固定有电量分别为q水 q火 q雷 q风 q土 的线度很小的导体(可视为点电荷),所有的灵力便集中在这些电荷上。在蜀山的无极阁的法阵的灵力相当于电量为Q的点电荷,认为它与塔顶五灵法阵共面,到球心的距离为4R,他们之间共同具有的势能维护着蜀山的安定和生息。现火脉被燎日打通,q火 到了火灵圆的圆心。南宫煌一行人不得不人为的打通剩余的地脉。设他们打通地脉后,该属性的电荷被释放。当所有电荷被释放后就可以重置(所谓的否极泰来)。
(1)当火脉刚打通时,q火 的灵力值(电势能)
(2)地脉全部打通直到重置前,各表面的灵力(电荷分布)有何变化?此时q火的灵力值(电势能)为多少?
五、邪剑仙铸剑(25分)
邪剑仙夺得双剑后在剑冢铸剑,铸剑炉启动时电离空气,形成逐渐增强的磁场。邪剑仙的身体是一个提供邪恶能量的电源,与双剑连通后形成回路。设双剑被对称举起在竖直平面内,邪剑仙双臂同在此平面内,回路是臂长为L的菱形,魔剑和镇妖剑夹角60度(这是我自己设想的画面)。邪剑仙提供的邪念电动势为E,左手位电源正极,内阻为r。磁场均匀增强,B=b+kt,k为已知常量,方向水平指向邪剑仙。设t=0时刻开始铸剑,两剑间没有力的作用,电阻各为R,并且忽略电流周围的磁场。当从双剑的发出的邪能都达到U时,会被激发产生邪剑(如图5-1)。磁场发出的能量不是邪恶的,问铸成邪剑时邪剑仙所做的功A和并请导出邪剑仙双臂各自所用的力关于时间的函数关系式。
六、洞冥宝镜的原理(23分)
洞冥宝镜能够照妖,其原理如下:它的外表面为凸面镜,将远处的妖怪在镜子的后面成像,背面涂抹了一层化妖水结晶后形成的固体,可以使妖怪形成的虚像现形。知道这一原理后,我们不但可以制作照妖镜,还可以制作视妖眼镜等等。现给你足够的折射率为n=1.57的玻璃,塑料长筒,还有一定量的化妖水晶体。假设光不在化妖水晶体屏上成像时可无障碍的透过,请你制作一架开普勒照妖望远镜和一架伽利略照妖望远镜,可以看到很远处的妖怪。分别求出两架望远镜中镜片的直径和焦距,以及相隔的距离,组合的方式。并画出成像光路示意图。
七、来无影去无踪的重楼(18分)
当紫萱发生危险时,魔眼向重楼发出频率100Hz的光频信号,重楼需要在10秒内赶到紫萱身边。收到信号后重楼立即以0.8C的速度赶向人界,刚好救下紫萱。(C为真空中的光速,忽略加速和减速的过程)试求:
(1)人魔两界的距离
(2)重楼认为自己只用了多少时间就赶到了
(3)重楼共收到多少个光频信号
(4)紫萱想要封印锁妖塔时,封印前t秒魔眼向重楼发出信号。重楼以v速赶来,请讨论紫萱结局和非紫萱结局时,v和t满足的关系
最后一题的答案
100Hz指的是发射光信号的频率,而不是光信号的频率...因为光信号的频率不可能那么低的...
(1)人魔两界的距离
这个简单...速度乘时间就行
S=VT=2.4*10^9m
(2)重楼认为自己只用了多少时间就赶到了
因为他以高速(接近光速)运动,根据相对论,他所感受的时间和我们的不同...
T=t/√(1-v平方/c平方)
代入数据,得到T=50/3 S
(3)重楼共收到多少个光频信号
这个和多普勒效应有关...根据题意,他应该是接到信号后出发的...
但是由于他和那个信号都是高速运动,所以不能用普通的速度叠加公式
相对论的速度叠加公式为 U=(V1+V2)/(1+V1V2/C平方)
代入得到合速度为0.9C
共接到信号为0.9C/C*100*10=900个
(4)紫萱想要封印锁妖塔时,封印前t秒魔眼向重楼发出信号。重楼以v速赶来,请讨论紫萱结局和非紫萱结局时,v和t满足的关系
光传到重楼时,时间为0.8C*10/C=8S
重楼恰好救下紫萱时,有
v(t-8)=0.8C*10
v=8c/(t-8)
t要用s做单位
v比那个大点就是紫萱结局
小点就不是(没赶上)
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