Trabajos preliminares del XXV Concurso Nacional de Física para Estudiantes de Educación Media
1. Preguntas de opción múltiple. Esta pregunta tiene 6 preguntas. Cada pregunta vale 6 puntos. De las cuatro opciones dadas en cada pregunta, en algunas preguntas sólo una es correcta. Algunas preguntas tienen más de un elemento correcto. Escriba la letra en inglés delante de la opción correcta entre corchetes después de cada pregunta. Todas las elecciones correctas valen 6 puntos. Se otorgan 3 puntos por elecciones correctas pero incompletas. Aquellos que elijan incorrectamente o no respondan obtendrán puntos O.
1． Como se muestra en la figura, dos bloques conectados a y b, con masas ma y mb respectivamente, se colocan sobre una mesa horizontal lisa. Ahora, se les aplica la fuerza de empuje Fa y la fuerza de tracción Fb en la dirección que se muestra en la figura al mismo tiempo. Se sabe que Fa>Fb, entonces la fuerza que a ejerce sobre b
A. Debe ser empujado B. Debe ser fuerza de tracción
C. Puede ser fuerza de empuje o fuerza de tracción D. Posiblemente cero [ ]
2. La irradiación de átomos de hidrógeno en el estado fundamental con luz puede ionizarlos. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?
A. Siempre que la intensidad de la luz sea lo suficientemente fuerte, definitivamente ionizará los átomos de hidrógeno
B. Siempre que la frecuencia de la luz sea lo suficientemente alta, definitivamente puede ionizar átomos de hidrógeno
C. Mientras la energía del fotón sea lo suficientemente grande, definitivamente ionizará los átomos de hidrógeno
D. Siempre que el tiempo de iluminación sea lo suficientemente largo, los átomos de hidrógeno se pueden ionizar
3. Como se muestra en la figura, un riel guía liso en forma de U tiene una resistencia R en serie y está colocado en un campo magnético externo uniforme. El plano del riel guía es perpendicular a la dirección del campo magnético. Una varilla de metal ab con una resistencia insignificante pero con una cierta masa está conectada a través del riel guía y puede trasladarse a lo largo del riel guía.
Ahora, se aplica una fuerza constante F hacia la derecha sobre la varilla a partiendo del reposo si se ignora la autoinductancia de la varilla y del riel guía en forma de U, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta durante el movimiento de la varilla?
A. La fuerza ejercida por el campo magnético externo sobre la varilla ab portadora de corriente trabaja sobre la varilla ab, pero la energía del campo magnético externo permanece sin cambios
B. El trabajo de la fuerza externa F siempre es igual al trabajo consumido en la resistencia R
C. La potencia ejercida por el campo magnético externo sobre la varilla portadora de corriente ab es igual a la potencia consumida en la resistencia R
D. Existe un valor máximo para la potencia consumida en la resistencia R
4. Como se muestra en la figura, en un recipiente lleno de agua colocado en el piso del ascensor, se insertan dos tubos de vidrio a y b en posiciones fijas con respecto al recipiente. Los extremos superiores de los tubos están cerrados y los extremos inferiores están abiertos. Hay una cierta masa de gas sellada en el tubo por agua. En equilibrio, el nivel del agua dentro del tubo A es menor que fuera del tubo, y el nivel del agua dentro del tubo B es mayor que fuera del tubo. Ahora dejemos que el ascensor acelere su descenso desde el reposo. Se sabe que el gas en el tubo todavía está encerrado en el tubo durante este proceso, y el proceso puede considerarse como un proceso adiabático.
A. La energía interna del gas en a aumentará y la energía interna del gas en b disminuirá
B. La energía interna del gas en a disminuirá y la energía interna del gas en b aumentará
C. La energía interna de los gases en a y b aumentará.
D. La energía interna de los gases en a y b disminuirá
5. La imagen muestra un "tubo doble en forma de U" doblado a partir de un tubo de vidrio delgado de espesor uniforme. a, b, c y d son cuatro secciones verticales. Los extremos superiores de a y d están abiertos y en la atmósfera. El mercurio en el tubo sella una sección de la columna de gas en b y c. Cuando se alcanza el equilibrio, la posición de la superficie del mercurio en el tubo es como se muestra en la figura. Ahora reduzca lentamente la temperatura del gas en la columna de gas. Si el nivel de mercurio en c aumenta una pequeña altura Δh, entonces
A. El nivel de mercurio en b también aumenta en △h
B. El nivel de mercurio en b también aumenta, pero la altura del aumento es menor que △h
C. La disminución de la presión del gas en la columna de gas es igual a la presión producida por la columna de mercurio con una altura de △h
D. La disminución de la presión del gas en la columna de gas es igual a la presión producida por una columna de mercurio con una altura de 2△h
6. En la figura, L es una bobina enrollada sobre un núcleo de hierro que, junto con las resistencias R, R0, la llave eléctrica y la batería E, puede formar un circuito cerrado. La flecha en la bobina indica la dirección positiva de la corriente en la bobina. Cuando la corriente fluye en la misma dirección que la flecha, la corriente es positiva; de lo contrario, es negativa. Las llaves eléctricas K1 y K2 están apagadas. Supongamos que en el momento t = 0, la llave eléctrica K1 se enciende Después de un período de tiempo, en el momento t = tl, la llave eléctrica K2 se enciende nuevamente. El gráfico que puede representar con mayor precisión el cambio de corriente. I en L con el tiempo t se muestra a continuación. ¿Cuál de las cuatro imágenes se muestra?
A. Figura l B. Figura 2 C． Figura 3 D． Figura 4
2. Complete los espacios en blanco y encierre en un círculo las preguntas. Complete la respuesta en la línea de la pregunta o coloque la imagen en el lugar especificado en la pregunta. Sólo da el resultado. No es necesario anotar el proceso de obtención del resultado.
7. (8 puntos) Para estimar el volumen de agua en el depósito, se puede tomar una botella de solución acuosa de un isótopo radiactivo no tóxico y medir que la solución en la botella se desintegra 6×107 veces por minuto. que la vida media de este isótopo es de 2 días. Ahora vierta esta botella de solución en el depósito. Después de 8 días, se puede considerar que la solución se ha distribuido uniformemente en el depósito. En este momento, tome una muestra de agua de 1,0 m3 del depósito y mida que la muestra de agua se descompone. veces por minuto. De ello se deduce que el volumen de agua en el depósito es de aproximadamente m3.
8. (8 puntos) Tres semáforos L1, L2 y L3 están instalados en secuencia en una carretera recta. La distancia entre L2 y L1 es de 80 m, y la distancia entre L3 y L1 es de 120 m. El intervalo de tiempo para que cada luz de señal se muestre en verde es de 20 segundos, y el intervalo de tiempo para que se muestre en rojo es de 40 segundos. L1 y L3 se muestran en verde al mismo tiempo, y L2 comienza a mostrarse en verde después de que L1 se muestra en rojo durante 10 segundos. el vehículo pasa por tres luces de señalización. El tiempo no excederá los 150 s. Si un automóvil que avanza a velocidad constante pasa por L1 en el momento en que L1 comienza a mostrarse en verde, entonces la velocidad máxima a la que este automóvil puede pasar por tres semáforos sin detenerse es m/s.
Si una bicicleta que avanza a velocidad constante pasa por L1 cuando L1 se muestra en verde durante 10 segundos, entonces la velocidad mínima a la que la bicicleta puede pasar por tres semáforos sin detenerse es m/s.
9 ． (8 puntos) n bloques de objetos pequeños idénticos ubicados sobre una mesa horizontal lisa están dispuestos a lo largo de una línea recta, y hay una cierta distancia entre bloques de objetos pequeños adyacentes. De izquierda a derecha, el primer bloque pequeño está marcado como P 1, el segundo bloque pequeño está marcado como P 2, el tercer bloque pequeño está marcado como P 3,... ..., y el último bloque pequeño es el bloque pequeño más a la derecha. es P n. Ahora intente darle a cada objeto pequeño una velocidad con una dirección hacia la derecha pero de diferentes tamaños al mismo tiempo. La velocidad máxima se registra como v1, la velocidad mínima se registra como vn y cada velocidad entre la velocidad máxima. y la velocidad mínima es Las velocidades de mayor a menor se registran como v2, v3, ..., vn-1. Si cuando chocan objetos pequeños, las colisiones son colisiones directas elásticas y el tiempo de colisión es extremadamente corto, entonces la final. objetos pequeños P 1, P 2, P 3,...,Pn. La magnitud de la velocidad es
10. (11 puntos) Hay dos planos infinitamente grandes con carga uniforme, uno tiene carga positiva y el otro tiene carga negativa. Las cargas eléctricas por unidad de área son iguales. Ahora coloque los dos planos cargados ortogonalmente como se muestra en la figura. En la figura, las líneas rectas A1B1 y A2B2 son, respectivamente, las intersecciones ortogonales del plano cargado positivamente y el plano cargado negativamente con la superficie del papel, y O es el punto de intersección de las dos líneas de intersección.
(i) Basado en el hecho de que el campo eléctrico (intensidad de campo y potencial eléctrico) generado por cada plano infinitamente grande con carga uniforme tiene las características de simetría, y toma el punto O como el punto cero del campo eléctrico. potencial, en toda la figura de la derecha. Dibuje un diagrama esquemático de las líneas de intersección entre las superficies equipotenciales y la superficie del papel donde los potenciales en el campo eléctrico (el campo eléctrico total generado por cargas positivas y negativas) son 0, 1V, 2V, 3V, -1V, -2V y -3V respectivamente, y marque cada uno El potencial eléctrico de una superficie equipotencial.
(ii) Si la intensidad del campo eléctrico generado por cada plano cargado es E0 = 1,0 V/m, entonces se puede encontrar la distancia d = entre dos superficies equipotenciales adyacentes en (i).
11. (10 puntos) Una secuencia de ondas transversales armónicas simples se propaga en dos ejes (desplazamiento de vibración a lo largo del eje y). Se sabe que el diagrama de vibración del elemento de masa en x = 12 cm se muestra en la Figura 1, y el diagrama de vibración del elemento de masa en x = 18 cm se muestra en la Figura 2. Con base en estos dos gráficos de vibración, ¿qué información cierta y posible (como frecuencia, velocidad de onda, longitud de onda, etc.) se puede obtener sobre esta serie de ondas transversales armónicas simples?
12. (8 puntos) Una casa de techo plano tiene un área de techo S = 40m2. Llovió continuamente durante t = 24 horas por primera vez. Las gotas de lluvia cayeron sobre el techo en dirección vertical a una velocidad de v = 5,0 m/s. Se supone que las gotas de lluvia golpearon el techo por un tiempo muy corto y lo hicieron. no rebota y fluye inmediatamente. La segunda vez la temperatura estuvo varios grados bajo cero grados centígrados y cayó una lluvia helada. También llovió durante 24 horas. Toda la lluvia helada cayó sobre el techo y se convirtió en hielo y permaneció en el espesor de la capa de hielo. se midió d=25mm Se sabe dos veces Si la cantidad de lluvia es igual, la densidad del hielo es 9×102kg/m3. A partir de los datos anteriores, se puede estimar que la presión del hielo formado por la segunda lluvia helada sobre el techo es N. Durante la primera lluvia, el impacto de la lluvia sobre el techo provocó que la presión sobre todo el techo fuera N. .
13. (10 puntos) En el electrodo YY/deflexión del osciloscopio, aplique voltaje u1=U0sin2πνt, donde ν=50Hz.
Al mismo tiempo, agregue el voltaje de diente de sierra u2 como se muestra en la Figura 1 al electrodo XX/deflexión del osciloscopio e intente dibujar el gráfico que se muestra en la pantalla fluorescente en la Figura 2.
Si por alguna razón, el gráfico se mueve lentamente hacia la derecha, el motivo es
3 preguntas de cálculo. La solución debe incluir descripciones de texto necesarias, ecuaciones y pasos de cálculo importantes. Aquellos que sólo anoten el resultado final no obtendrán puntos. Hay preguntas de cálculo numérico. El valor y la unidad deben indicarse claramente en la respuesta.
14． (14 puntos) Un amperímetro tiene una resistencia interna Rg=10.0Ω Si se conecta en serie con una resistencia de valor fijo con una resistencia R0=44990Ω, puede convertirse en un voltímetro con un rango de U0=50V. Ahora convierta este amperímetro en un voltímetro de rango dual. Los dos rangos son Uo1=5V y Uo2=10V. Cuando el bloque de 5 V de este voltímetro se usa para medir el voltaje en ambos extremos de la fuente de alimentación de CC, la indicación del voltímetro es de 4,50 V cuando el bloque de 10 V de este voltímetro se usa para medir el voltaje en ambos extremos de la fuente de alimentación. La indicación del voltímetro es 4,80 V. ¿Cuál es la fuerza electromotriz de esta fuente de alimentación?
15. (12 puntos) Para entrenar a los astronautas para que trabajen y vivan en estado de ingravidez, es necesario crear un entorno de ingravidez. Cerca de la superficie terrestre, cuando un avión simula ciertos movimientos bajo la influencia de la gravedad, puede alcanzar un estado breve de total ingravidez en la cabina del avión. Ahora se requiere que una aeronave ingrese a la prueba del estado de ingravidez cuando la velocidad es v1 = 500 m/s, y salga de la prueba del estado de ingravidez cuando la velocidad es v2 = 1000 m/s. Aceleración de la gravedad g = 10 m/s2. Pregunta:
(i) Según los requisitos de velocidad dados anteriormente, ¿qué tipo de movimiento necesita simular la aeronave para seleccionar arbitrariamente la duración del tiempo de ingravidez dentro de un cierto rango? Intente discutir cuantitativamente los factores que afectan la duración del tiempo de pérdida de peso.
(ii) Cuando la aeronave simula este tipo de movimiento, ¿cuál es el rango de tiempo del estado de ingravidez que se puede seleccionar?
16． (12 puntos) Supongamos que la Luna se mueve en un círculo alrededor de la Tierra y la Tierra se mueve en un círculo alrededor del Sol, y sus órbitas están en el mismo plano. Se sabe que la aceleración gravitacional g = 9,80 m/s2 en la superficie terrestre, el radio terrestre R0 = 6,37 × 106 m, la masa de la luna m = 7,3 × 1022 kg, el radio de la luna Rm = 1,7 × 106 m y la constante gravitacional G =6.67×10-11N?m2 /kg2, la distancia entre el centro de la luna y el centro de la tierra es de aproximadamente r0m=3.84×108m
(i) ¿Cuántos días tarda el centro de la luna para moverse alrededor del centro de la tierra?
(ii)¿Cuántos días le toma a un observador en la Tierra ver la luna llena dos veces seguidas?
(iii) Si se ignora el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra, imagine lanzar un cohete desde la superficie de la Tierra directamente a la Luna. Intente estimar la velocidad mínima del cohete cuando alcance la. superficie de la luna (el resultado requiere dos dígitos)?
17. (12 puntos) Como se muestra en la figura, 1 y 2 son dos bloques pequeños (pueden considerarse partículas) colocados en el suelo horizontal. El coeficiente de fricción por deslizamiento con el suelo es el mismo. La distancia entre los dos bloques es d =. 170,00 m. Las masas son m1 = 2,00 kg y m2 = 3,00 kg respectivamente. Ahora déjelos moverse uno hacia el otro con velocidades iniciales v1 = 10 m/s y v2 = 2 m/s respectivamente. Después del tiempo t = 20,0 s, los dos bloques chocan. El tiempo de colisión es muy corto. juntos y moverse. Encuentre la energía mecánica perdida desde el momento del impacto hasta la parada del movimiento.
18. (11 puntos) La báscula consta de una base, una plataforma de carga Q, un sistema de palanca y un código de silicio. El diagrama muestra su sección equivalente en un plano vertical. Q es una placa de hierro horizontal, que está presionada contra los filos de la cuchilla en E y B mediante las placas de hierro verticales H y K en ambos lados. El sistema de palanca consta de barras horizontales DEF, ABCP, barras verticales CF, MP y viga transversal MON. También hay dos filos de cuchilla ubicados en A y D respectivamente presionados en la base de la escala (Q, K, H, E, B. , A, D tiene una cierta longitud a lo largo de la dirección perpendicular a la superficie del papel, y su sección transversal se muestra en la figura (C, F, M, N, O y P son todos ejes de rotación, entre los cuales se encuentra O). en la parte superior y está conectado fijamente al soporte OL de la base de la báscula colgando, por lo que el eje giratorio O no puede moverse. Al diseñar la báscula, se ha logrado que cuando no haya ningún artículo a pesar en la plataforma de carga. El peso S está ubicado en la marca cero a la izquierda, y el peso en el gancho de peso es cero, la viga MON está en un estado horizontal. En este momento, las barras horizontales DEF y ABCP también están horizontales, mientras que las barras verticales CF. y MP son verticales.
Cuando se coloca sobre la carga el artículo a pesar con peso W
Cuando la plataforma Q está encendida, W1 representa el aumento de presión sobre el filo de la cuchilla en B, y W2 representa el aumento de presión sobre el filo de la cuchilla en E. Debido al ajuste del sistema de palanca, la viga MON pierde su equilibrio y se desvía de la posición horizontal. Aumentar adecuadamente el peso o cambiar la posición del peso libre S puede restablecer el equilibrio de la viga MON y devolverla a la posición horizontal. El peso (masa) del artículo a pesar se puede determinar por el valor del peso y la posición del peso. Para garantizar que la báscula pueda mostrar el mismo resultado cuando los elementos a pesar se colocan en diferentes posiciones del escenario, ¿qué relación debe satisfacerse entre AB, DE, AC y DF durante el diseño?
19. (11 puntos) Como se muestra en la figura, una varilla de vidrio uniforme, cilíndrica y delgada tiene una superficie extrema plana (perpendicular al eje) y una superficie terminal esférica con el centro de la esfera ubicado en el eje. Se emite un haz de luz muy fino en dirección paralela al eje y muy cerca del eje. Cuando se inyecta luz en la varilla desde la superficie del extremo plano, la distancia desde el punto de intersección del rayo de luz con el eje hasta la superficie esférica después de ser emitido desde la otra superficie del extremo es a cuando el rayo de luz se inyecta en la varilla. desde la superficie del extremo esférico, la distancia desde el punto de intersección del rayo de luz y el eje de la varilla hasta la superficie esférica es La distancia es b. Intenta encontrar aproximadamente el índice de refracción n del vidrio
20. (13 puntos) Los fotones no sólo tienen energía, sino también momento La energía de un fotón con frecuencia ν es hν y el momento hν/c, donde h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz. Cuando los fotones golpean la superficie de un objeto, producirán un efecto de presión, que es una presión ligera. Imaginemos que existe polvo cósmico, que puede considerarse como una pequeña bola con un radio R = 10,0 cm. Su material es el mismo que el de la Tierra. Su distancia al Sol es igual a la distancia de la Tierra al Sol. . Intente calcular la relación entre la fuerza de la radiación solar sobre el polvo y la fuerza gravitacional del sol sobre él. Se supone que cuando la radiación solar incide en el polvo, éste la absorbe por completo. Se sabe que el movimiento de la Tierra alrededor del Sol puede considerarse como un movimiento circular. La energía radiante de la radiación solar emitida por unidad de área perpendicular a la dirección de los rayos del sol en la órbita terrestre por unidad de tiempo es S = 1,37. ×103W?m-2. La tierra La distancia al centro del sol r0c=1.5×1011m, la aceleración gravitacional cerca de la superficie terrestre g=10m?s-2, el radio de la tierra R0=6.4×106rn, el constante gravitacional G=6.67×10-11N?m2?kg-2
21． (16 puntos) Supongamos que hay tres campos conocidos mutuamente perpendiculares en el espacio: un campo eléctrico uniforme con una intensidad de campo eléctrico E, un campo magnético uniforme con una intensidad de inducción magnética B y un campo gravitacional con una aceleración gravitacional g - masa m y carga q. La partícula cargada positivamente se mueve en este espacio. Se sabe que durante el movimiento, la velocidad de la partícula es constante.
(i) Intente explicar mediante argumentos qué tipo de movimiento realiza esta partícula (no es necesario encontrar la ecuación de trayectoria del movimiento)
(ii) Si en un cierto En este momento, el campo eléctrico y el campo magnético desaparecen repentinamente. Se sabe que la energía cinética mínima de una partícula en el proceso de movimiento es la mitad de su energía cinética inicial (es decir, la energía cinética cuando el campo eléctrico y el campo magnético son iguales). está a punto de desaparecer). Intente encontrar la velocidad de la partícula en el momento en que el campo eléctrico y el campo magnético están a punto de desaparecer.
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