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第21届全国中学生物理竞赛复赛试题.doc

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1本卷共七题,满分 140 分.一、(20 分) 薄膜材料气密性能的优劣常用其透气系数来加以评判.对于均匀薄膜材料,在一定温度下,某种气体通过薄膜渗透过的气体分子数 ,其中 t 为渗透持续时间,S 为薄dPtkN膜的面积,d 为薄膜的厚度, 为薄膜两侧气体的压强差.k称为该薄膜材料在该温度下对该气体的透气系数.透气系数愈小,材料的气密性能愈好.图为测定薄膜材料对空气的透气系数的一种实验装置示意图.EFGI 为渗透室,U 形管左管上端与渗透室相通,右管上端封闭;U 形管内横截面积 A=0.150cm 2.实验中,首先测得薄膜的厚度 d =0.66mm,再将薄膜固定于图中 处,从而把渗透室C分为上下两部分,上面部分的容积 ,下面部分连30cm.5V同 U 形管左管水面以上部分的总容积为 V1,薄膜能够透气的面积 S =1.00cm2.打开开关 K1、K 2 与大气相通,大气的压强 P1=1.00atm,此时 U 形管右管中气柱长度 , .关闭 K1、K 2 后,打开开关 K3,对渗透室上部cm0.H3.分迅速充气至气体压强 ,关闭 K3 并开始计时.两小时后, U 形管左管中的atP水面高度下降了 .实验过程中,始终保持温度为 .求该薄膜材料在. C0时对空气的透气系数. (本实验中由于薄膜两侧的压强差在实验过程中不能保持恒定,C0在压强差变化不太大的情况下,可用计时开始时的压强差和计时结束时的压强差的平均值来代替公式中的 .普适气体常量 R = 8.31Jmol-1K-1,1.00atm = 1.013×105Pa) .P第 21 届全国中学生物理竞赛复赛题试卷题号 一 二 三 四 五 六 七 总分得分阅卷人K3K2P1 V1 C C΄P0 V0EF GIHK12二、(20 分) 两颗人造卫星绕地球沿同一椭圆轨道同向运动,它们通过轨道上同一点的时间相差半个周期.已知轨道近地点离地心的距离是地球半径 R 的 2 倍,卫星通过近地点时的速度,式中 M 为地球质量, G 为引力常量.卫星上装有同样的角度测量仪,可测出RG43v卫星与任意两点的两条连线之间的夹角.试设计一种测量方案,利用这两个测量仪测定太空中某星体与地心在某时刻的距离. (最后结果要求用测得量和地球半径 R 表示)3三、(15 分) 子在相对自身静止的惯性参考系中的平均寿命 .宇宙射线与大气在s10.260高空某处发生核反应产生一批子,以 v = 0.99c 的速度( c 为真空中的光速)向下运动并衰变.根据放射性衰变定律,相对给定惯性参考系,若 t = 0 时刻的粒子数为 N(0), t 时刻剩余的粒子数为 N(t),则有 ,式中 为相对该惯性系粒子的平均寿命.若能到达地面的tNte0子数为原来的 5%,试估算子产生处相对于地面的高度 h.不考虑重力和地磁场对子运动的影响.四、(20 分) 目前,大功率半导体激光器的主要结构形式是由许多发光区等距离地排列在一条直线上的长条状,通常称为激光二极管条.但这样的半导体激光器发出的是很多束发散光束,光能分布很不集中,不利于传输和应用.为了解决这个问题,需要根据具体应用的要求,对光束进行必需的变换(或称整形) .如果能把一个半导体激光二极管条发出的光变换成一束很细的平行光束,对半导体激光的传输和应用将是非常有意义的.为此,有人提出了先把多束发散光会4聚到一点,再变换为平行光的方案,其基本原理可通过如下所述的简化了的情况来说明.如图,S 1、S 2、S 3 是等距离(h)地排列在一直线上的三个点光源,各自向垂直于它们的连线的同一方向发出半顶角为  =arctan 的圆锥形光束.请使4用三个完全相同的、焦距为 f = 1.50h、半径为 r =0.75 h 的圆形薄凸透镜,经加工、组装成一个三者在同一平面内的组合透镜,使三束光都能全部投射到这个组合透镜上,且经透镜折射后的光线能全部会聚于 z 轴(以 S2 为起点,垂直于三个点光源连线,与光束中心线方向相同的射线)上距离 S2 为 L = 12.0 h 处的 P 点. (加工时可对透镜进行外形的改变,但不能改变透镜焦距. )1.求出组合透镜中每个透镜光心的位置.2.说明对三个透镜应如何加工和组装,并求出有关数据.LS1S3PS2 hh z5五、(20 分) 如图所示,接地的空心导体球壳内半径为 R,在空腔内一直径上的 P1 和 P2 处,放置电量分别为 q1 和 q2 的点电荷,q 1=q 2=q,两点电荷到球心的距离均为 a.由静电感应与静电屏蔽可知:导体空腔内表面将出现感应电荷分布,感应电荷电量等于-2q.空腔内部的电场是由 q1、q 2 和两者在空腔内表面上的感应电荷共同产生的.由于我们尚不知道这些感应电荷是怎样分布
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