第31届全国中学生物理竞赛复赛理论考试试题和解答.doc

第31届全国中学生物理竞赛复赛理论考试试题
2014年9月20日

说明：所有答案 （包括填空）必须写在答题纸上，写在试题纸上无效。

一、（12分）2013年6月20日，“神舟十号”女航天员王亚平在“天宫一号”目标飞行器里成功进行了我国首次太空授课. 授课中的一个实验展示了失重状态下液滴的表面张力引起的效应. 视频中可发现漂浮的液滴处于周期性的“脉动”中（平时在地球表面附近，重力的存在会导致液滴下降太快，以至于很难观察到液滴的这种“脉动”现象）. 假设液滴处于完全失重状态，液滴的上述“脉动”可视为液滴形状的周期性的微小变化（振动），如图所示.
（1）该液滴处于平衡状态时的形状是__________；
（2）决定该液滴振动频率 的主要物理量是________________________________________；
（3）按后面括号中提示的方法导出液滴振动频率与上述物理量的关系式.（提示：例如，若认为 是决定该液滴振动频率的相互独立的主要物理量，可将液滴振动频率 与 的关系式表示为 ，其中指数 是相应的待定常数.）
二、(16分) 一种测量理想气体的摩尔热容比 的方法（Clement-Desormes方法）如图所示：大瓶G内装满某种理想气体，瓶盖上通有一个灌气（放气）开关H，另接出一根U形管作为压强计M．瓶内外的压强差通过U形管右、左两管液面的高度差来确定. 初始时，瓶内外的温度相等，瓶内气体的压强比外面的大气压强稍高，记录此时U形管液面的高度差 ．然后打开H，放出少量气体，当瓶内外压强相等时，即刻关闭H. 等待瓶内外温度又相等时，记录此时U形管液面的高度差 ．试由这两次记录的实验数据 和 ，导出瓶内气体的摩尔热容比 的表达式．（提示：放气过程时间很短，可视为无热量交换；且U形管很细，可忽略由高差变化引起的瓶内气体在状态变化前后的体积变化）

三、（20分）如图所示，一质量为m、底边AB长为b、等腰边长为a、质量均匀分布的等腰三角形平板，可绕过光滑铰链支点A和B的水平轴x自由转动；图中原点O位于AB的中点，y轴垂直于板面斜向上，z轴在板面上从原点O指向三角形顶点C. 今在平板上任一给定点 加一垂直于板面的拉力Q.
（1）若平衡时平板与竖直方向成的角度为j，求拉力Q以及铰链支点对三角形板的作用力NA和NB；
（2）若在三角形平板上缓慢改变拉力Q的作用点M的位置，使平衡时平板与竖直方向成的角度仍保持为j，则改变的作用点M形成的轨迹满足什么条件时，可使铰链支点A或B对板作用力的垂直平板的分量在M变动中保持不变？

四、（24分）如图所示，半径为R、质量为m0的光滑均匀圆环，套在光滑竖直细轴OO¢上，可沿OO¢轴滑动或绕OO¢轴旋转．圆环上串着两个质量均为m的小球. 开始时让圆环以某一角速度绕OO¢轴转动，两小球自圆环顶端同时从静止开始释放．
（1）设开始时圆环绕OO¢轴转动的角速度为w0，在两小球从环顶下滑过程中，应满足什么条件，圆环才有可能沿OO¢轴上滑？
（2）若小球下滑至 （q是过小球的圆环半径与OO¢轴的夹角）时，圆环就开始沿OO¢轴上滑，求开始时圆环绕OO¢轴转动的角速度w0、在 时圆环绕OO¢轴转动的角速度w和小球相对于圆环滑动的速率 .

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