2025年第42届全国中学生物理竞赛预赛物理试题

第42届全国中学生物理竞赛预赛试题 (2025年9月6日9：00-12：00) 考生须知 1.考生考试前务必认真阅读本须知。 2.本试题共4页，总分为400分。 3.需要阅卷老师评阅的内容必须要写在答题纸上相应题号后面的空白处；阅卷老师只评 阅答题纸上的内容；选择题和填空题也必须在答题纸上作答；写在试题纸和草稿纸上 的解答都不能给分。 一、选择题（本题60分，共5小题，每小题12分。在每小题给出的4个选项中，有的小题只有一项 符合题意，有的小题有多项符合题意。将符合题意的选项前面的英文字母写在答题纸上相应小题题号 后面的括号内。全部选对的给12分，选对但不全的给6分，有选错或不答的给0分。) 1.一顶端开口、竖直放置的大口径圆柱体内装有一定高度的理想流体，圆柱体底部有一小孔。若将流 体的高度增加为原来的4倍，则流体完全流完的时间为原来的()倍。 A.1 B.2 C.4 D.8 2.一理想气体系统经历一循环过程a→b→c→d→e→a,其P-V图如图2a所 示。该循环过程中，系统对外做功以及吸、放热情况分别是() A.正功，吸热B.负功，放热C.正功，放热D.负功，吸热 图2a 3.一带正电荷的粒子以某一初速度进入匀强电场中。忽略重力影响，为了使粒子的速度方向在最短的 时间内发生”的偏转，则电场方向与粒子的初速度方向之间的夹角是() 3 B月 Cπ D. 4 4.1953年诺贝尔物理学奖授予荷兰科学家弗里茨·泽尔尼克，以表彰他提出相衬显微技术。该技术可 清晰分辨两种折射率相近的透明介质。现考虑一束光线经过含有细胞的培养液，产生三种不同光线1、 2和3，其中光线3穿过细胞，光线2经过细胞边缘附近，光线1和2相干，光线2和3相干，如图4a 所示。已知培养液的折射率为h。,细胞的折射率为n（n>n。)。由于边 目镜 应，光线2在培养液中的光程相对于光线1的增加了，(2为 相位补偿板 在培养液中的波长)：为增大细胞和培养液的对比度，在所有光线穿出培 养液后，再通过相位补偿板使光线2又额外增加了%子的等效光程。假设 no 细胞n 培养液 细胞的等效厚度为d,若通过目镜观测到光线1和2的干涉条纹为暗条纹， 123 光线2和3的干涉条纹为亮条纹，则细胞的折射率可能为( 图4a A%+ B.%+C.+》D.%1+a 第1页/共4页 5.原子核外只有一个电子的离子，称为类氢离子，其电子的能级可以用玻尔理论类比于氢原子推出。 He*是典型的类氢离子。He*静止时，其电子从能级n=3跃迁至能级n=2发射出的光子能量记为EHe+。 H朝向静止的氢原子高速运动的速度达到某个临界值。时，上述跃迁发射出的光子刚好可以电离处于 基态的氢原子。基态氢原子电离能为13.6V。已知光源朝向接收器高速运动时，接收器测得的光子频 率y与光源发出的光子频率V存在如下关系：y=y, C+u :(c为真空中的光速，u为相对运动速率)。 c-u 以下表述正确的是() A.EHe+=1.89 eV B.EHe+=7.56 eV C.he=0.29c D.uc=0.53c 二、填空题（本题100分，共5小题，每小题20分，每空10分。把答案填在答题纸相应题号后面的 下横线上。只需给出结果，不要写出求得结果的过程。) 6.如图6a,平行金属长直导轨与水平面成8角并固定，两导轨之间的距离 为L,导轨用导线与固定电阻R1、R2相连，匀强磁场垂直穿过导轨平面， 磁感应强度大小为B.一质量为m的导体棒b置于导轨上，它与导轨间的 动摩擦因数为μ；导体棒接入电路部分的电阻与R1、R2的阻值均为R.棒 在从静止开始沿导轨向下滑动的过程中，始终与导轨垂直并密接，其最终 图6a 速度为 棒达到最终速度时整个装置消耗的机械功率为 。已知重力加速度大小为g不计导轨和导线的电阻。 7.如图7a,三个质量均为m的质点由三根长度均为l的轻质细杆相连，组 成一个位于竖直平面内的△OAB,此系统可绕过O点且垂直于△OAB的轴 转动，C为△OAB的中心。初始时OC水平静止；系统在重力作用下，OC 从水平位置转到竖直位置时，质点A的速度大小为 ,O点的支持 力大小为。已知重力加速度大小为g.不计摩擦。 图7a 8.近地卫星入轨时，对入轨角度的要求极高。假设原计划卫星处于一个圆轨道。若卫星入轨时其速度 方向相对圆轨道的切线方向有一小偏角8，则会导致其轨道偏离圆轨道，而变成一个椭圆轨道。此小偏 角可能导致其近地点过低，影响卫星正常工作。现欲发射一圆轨道人造卫星，其轨道高度为300k, 卫星准确入轨后的运行速率应是 k/s.假设该卫星实际入轨时速度大小仍为原设计的值，但 速度方向在圆轨道所在平面内有1°的偏离，该卫星的近地点高度为 km.已知地球半径为 6400km,重力加速度大小为9.8m/s2,不考虑空气阻力。 9.冷藏泡沫塑料箱通常用于日常保温。现有一封闭泡沫箱内壁总面积为0.80m2,壁厚为2.0cm,内部 放满水、足量的冰块和一瓶可乐，并整体处于0℃，箱外温度为30℃。泡沫塑料箱的热导率为0.020 W/(mK),冰的熔化热为3.34×105J/kg。传入泡沫箱的热传导功率是W,在一天内融化的冰为 g。(已知单位时间内通过导热层由高温处传导到低温处的热量H=大S,其中太、d和S分别 为导热层的热导率、厚度和横截面积，△T为导热层两侧的温度差。) 10.自然界铀矿中的铀主要有两种同位素：235U和238U,其它同位素含量极少，可忽略。前者半衰期约 为7.0亿年，后者半衰期约为45亿年，235U在自然界铀元素中所占的原子数百分比称为占比，其现代 值为0.72%，由此推断出20亿年前铀矿的235U占比为 %。许多放射性核素并非一次衰变后就 第2页/共4页 稳定，而是经过多次衰变，最后生成稳定核素，这个过程称为级联衰变。一个235U核经历数次α衰变、 阝衰变和y衰变，最后生成的稳定核素为207Pb,问其间所经历的α衰变为 次。不计铀元素与 任何其他元素之间的转化。 三、计算题（本题240分，共6小题，每小题40分。计算题的解答应写出必要的文字说明、方程式和 重要的演算步骤，只写最后结果的不给分。有数值计算的，答案中必须明确写出数值，有单位的必须 写出单位。) 11.如图11a,三种透明介质1、2和3的交界面为相互平行的无限大平面，两平 面之间的距离为d；介质1、2的折射率分别为h、n2。一束单色光自介质1入 射到介质1、2的交界面上的A点。 (1)当光线在A点的反射光线和折射光线相互垂直时，其折射光线到达介质2、 图11a 3的交界面上刚好能发生全反射。求介质3的折射率m· (2)如图11b,一束波长为入（为真空中的波长）的单色光以某一初始入射角 入射到介质1、2的交界面，反射光为光线a,经介质2、3交界面上的B点反射 后再经介质1、2交界面上的C点折射后的出射光为光线b:两光线a和b经凸透 镜汇聚后在其焦平面上发生干涉，观察到第一级亮条纹。假设>2，求初始入 射角。 图11b 12空间中存在恒定的匀强电场和匀强磁场，其电场强度E=E1,磁感应强度B=B方(+)，E和B 分别表示电场强度和磁感应强度的大小，这里，和k分别表示坐标轴x、y和z方向的单位矢量，坐标 原点记为0，如图12所示(z轴未画出)。不计重力。考虑此空间中一个质量为m、 带正电荷g的粒子。 (1)试选择合适的新坐标系O-Xyz,使得粒子所受到的磁场力在新坐标系的某基矢 E 方向为零；列出在此坐标系中粒子的运动方程，并证明粒子沿磁场方向的运动和垂直 图12a 于磁场方向的运动相互独立。 (2)若将粒子从O点在t=0时刻由静止释放，P为此后该粒子运动轨迹上的一点，其x-坐标和y-坐标 之和为c.计算该粒子由O点运动到P点所用的时间。 (3)若将粒子从O点在t=0时刻由静止释放，P为此后该粒子运动轨迹上的一点，其x坐标和y-坐标 之差为c'.计算该粒子在P点所受的磁场力的大小。 (4)若将粒子从O点在t=0时刻以某一非零初速率⑦沿某一特定方向释放，发现该粒子的运动轨迹 始终处在同一个平面内。计算该粒子在时刻t的位置(x(t),y(t),z(t)。 13.如图13，一滑块（可视为质点)以初速度v。沿光滑水平地面向右运动，滑块右方有一倾角为0的 光滑斜面（斜面足够长）处于静止状态，斜面与地面光滑接触，其交线 过地面O点。滑块遇到斜面后能继续沿斜面向上运动。已知滑块和斜 面的质量分别为m和M,重力加速度大小为g求 图13a (1)滑块上升至最高点时离地面的高度和速度大小： (2)滑块在斜面上升高至离地面高度h处时，斜面的速度大小和滑块相对于斜面的速度大小： (3)滑块从O点运动到最高点所需时间，此过程中斜面运动的加速度和滑块相对于斜面运动的加速度。 第3页/共4页 14.如图14a,光滑水平地面上方有匀强电场，其场强方向水平向 右，大小E=100V/m;地面上一质量m1=0.010kg的小物块a k a 0000my1 与一水平轻质弹簧相连，弹簧的另一端固定在竖直墙面上，弹簧 的劲度系数k=0.16N/m.将弹簧处于原长时a的位置记为原点 图14a O,水平向右记为x正方向。将物块a从原点左移4.0m后由静止释放，以释放时刻为计时起点t=0。 此时，另一质量m2=0.030kg、电荷量q=+1.6×10-3C的小物块b,以大小为16.7m/s的速度)，向左 运动，经过s与a发生完全非弹性碰撞，碰撞时间极短，碰后两物块组成新物块。已匆碰撞中没有 电荷损失。求 (1)碰撞前物块a在t(t≥0)时刻的坐标x,(t)和速度v,(t); (2)物块c在t时刻的坐标x.(t). 15.半径为a、单位长度匝数为n的长直密绕螺线管中，通有随时间t变化的励磁电流i(t)=lo cos(ωt), 在t=0时刻，磁场的方向垂直纸面向外。如图15a,一等腰梯形闭合回路ABCDA由均匀导线构成，其 上底长为a,下底长为2a,导线总电阻为R;梯形回路平面在螺线管的横截面 内，A、D两点在螺线管区域的边缘。 (1)求梯形各边上的感应电动势，以及整个回路中的感应电动势： (2)求B、C两点间的电势差和CD段消耗的平均功率； (3)若在梯形回路的A、D两点间沿圆弧AD也接入同样导线，那么通过直 导线段AD的电流是多大？ 闭合回路和圆弧导线均不与螺线管的导线连通。己知真空磁导率为： 图15a 16.太空中有一没有大气的球形行星，该行星有一沿圆形轨道运行的小卫星，其质量m=1.00×103kg, 运行周期T=258.4min。此卫星运行至轨道上的A点时，瞬间分裂成沿原速度方向的两块P和Q,P 在前，Q在后。在分裂后的瞬间，P相对Q的速度u=3.00×103m/s。此后，Q沿着紧贴行星表面的 B点的轨道运行(Q不与行星表面接触).已知行星半径R=7.00×106m,行星表面的“重力加速度”g。 =11.3m/s2。 (1)求卫星分裂前的运行速率及距行星表面的高度： (2)求P、Q的质量及Q到达B点时的速率； (3)Q从B点飞出后还能成为该行星的卫星吗？若能，求出Q的运动周期：若不能，写出Q的轨迹 方程。 第4页/共4页