第八屆全國高中應(yīng)用物理競賽北京賽區(qū)決賽試卷(閱卷后修改版)

第八屆全國高中應(yīng)用物理競賽北京賽區(qū)決賽試卷（北京171中學(xué)杯）總分150分.2023年4月21日上午9：30~11：30.題號12345678910總分分?jǐn)?shù)復(fù)核得分評卷人圖1-11.（12分）小明幫媽媽在廚房做菜的時候經(jīng)常遇到玻璃瓶螺旋瓶蓋擰不開的問題。他通過各種途徑了解到三種開瓶的技巧：（1）將瓶子到過來，一手緊握瓶子，另一手用力拍打瓶底幾下，然后可擰開瓶蓋。（2）如圖1-1所示，用麻繩（或布條）在瓶蓋上繞一圈，設(shè)法固定一頭（如系在某固定物上），另一頭讓人拉緊，瓶子與繩垂直。用手緊握瓶子沿繩的方向使力使其平移，則可將瓶蓋擰開。（3）將瓶子倒過來置于碗中，倒少許開水使瓶蓋淹沒，稍待片刻，即可擰開瓶蓋。得分評卷人圖1-1（1）請分別簡要說明三種方法的物理原理；（2）圖1-1中握瓶子的手應(yīng)是用力向左推還是用力向右邊拉？得分評卷人2.（12分）小華將一塊5cm×5cm×8cm的玻璃磚，壓在課本上，他發(fā)現(xiàn)從側(cè)面不能看到被壓部分頁面上的字，而看到呈銀白色反光的底面。他還發(fā)現(xiàn)，只能通過上方的面，看到被壓部分課本上的字。請解釋：為什么從側(cè)面不能看到被壓部分課本上的字。已知：玻璃的折射率為1.485,且。得分評卷人得分評卷人圖3-13.（15分）圖3-1是一個家庭用的漏電保護(hù)器的簡單原理圖，它由兩個主要部分組成，圖中左邊虛線框內(nèi)是檢測裝置，右邊虛線框內(nèi)是執(zhí)行裝置。檢測裝置是一個特殊的變壓器，它把即將引入室內(nèi)的火線和零線并在一起繞在鐵芯上作為初級（n1匝），另繞一個次級線圈（n2匝）。執(zhí)行裝置是一個由電磁鐵控制的脫扣開關(guān)。當(dāng)電磁鐵的線圈中沒有電流時，開關(guān)是閉合的，當(dāng)電磁鐵的線圈中的電流達(dá)到或超過一定值時，開關(guān)斷開，切斷電路，起到自動保護(hù)作用。得分評卷人圖3-1（1）漏電保護(hù)器的檢測部分又稱為“漏電流傳感器”，請回答：什么是漏電流？為什么這個裝置能感知漏電流的存在并能檢測其是否超過某個閾值？（2）我國規(guī)定當(dāng)漏電流達(dá)到或超過30mA時，就要切斷電路以保證人身的安全。至于電磁鐵中的電流達(dá)到多大時脫扣開關(guān)才斷開，則與使用的具體器材有關(guān)，如果本題中的脫扣開關(guān)要求電磁鐵中的電流至少達(dá)到80mA才會脫扣，并且其檢測裝置可以看作理想變壓器，那么，n1與n2的比值應(yīng)等于多少？（3）對脫扣開關(guān)的要求是：當(dāng)漏電流達(dá)到一定數(shù)值時，脫扣開關(guān)即斷開，從而切斷電路起到保護(hù)作用，此后即使故障排除，脫扣開關(guān)也不會自己閉合，而必須用手指按一個“復(fù)位按紐”才能閉合開關(guān)而使電路重新導(dǎo)通。請你幫助設(shè)計一個滿足要求的脫扣開關(guān)，把你設(shè)計的草圖畫在下面，必要時加上簡單的文字說明。得分評卷人4.（15分）奧地利空中跳傘運(yùn)動員費(fèi)利克斯·鮑姆伽特納于2023年10月14日，從距地面高度約3.9萬米的氦氣球攜帶的太空艙上跳下，并成功著陸。打破了“最高海拔自由落體運(yùn)動”世界記錄。早在2023年2月份就有許多媒體報道他這次跳傘的計劃。某報道說：他將乘坐經(jīng)過改裝的氦氣氣象氣球，從美國新墨西哥州起飛，上升到3.6萬米高空，接近太空邊緣，從氣球吊籃中跳出。他用大約35秒突破聲障(指速度達(dá)到音速時，阻力突然增加的現(xiàn)象)。接下來10分鐘，鮑姆伽特納將一直呈自由落體下降，速度逐漸增加，預(yù)計最高時速可達(dá)1100公里。降落至距地面約1500米高度時，他將打開降落傘。請根據(jù)這篇報導(dǎo)，以及下面給出的資料，回答下面的問題：得分評卷人資料：①已知當(dāng)?shù)兀ㄐ履鞲缰萘_斯韋爾）的地球半徑為R=6370km，②在3萬米以上的高空，由于空氣稀薄且溫度低，音速大約是v高空=290m/s。③在最初下落階段，他的速度隨時間的變化情況如下表所示：t/s02224262830323436v/m·s-10201.5219.5236.1251.4265.8278.6289.5299.7t/s384042444648606263v/m·s-1309.1317.5321.7325.0325.8325.8325.8283.1281.1（1）試估算他剛從氣球上跳下時的瞬時加速度與地面處的重力加速度相差約百分之幾？（2）他打開降落傘之前，下落的最大速度為372.8m/s，而很大一部分時間下落的速度不超過130m/s。他是如何控制自己的速度的？（3）在最初的63s內(nèi)，他受到的空氣阻力最小時與最大時大約各為多少？（假設(shè)跳傘者及其裝備總質(zhì)量為M）（4）這段報導(dǎo)從物理學(xué)的角度說相當(dāng)不嚴(yán)謹(jǐn)，甚至是錯誤的，請你通過分析指出不正確的地方。得分評卷人圖5-15.(18分）有人把圖5-1所示的玩具稱為磁陀螺，它能展示磁懸浮的現(xiàn)象。梭形陀螺左端為一尖端，頂在左邊豎直的玻璃板上，放手后，整個梭形陀螺就能懸浮著。如果用外力讓梭形陀螺轉(zhuǎn)動起來，由于受阻力很小，它可以轉(zhuǎn)動（略有些顫動）很長時間。得分評卷人圖5-1這個磁陀螺的構(gòu)造如圖5-2、5-3、5-4所示；圖5-3是陀螺的剖面照片；圖5-4是底座反面的照片。圖5-2中的A與B是兩個磁環(huán)，底座的C、D、E、F處兩兩成120°角，臥著四塊與磁環(huán)等寬的短條形磁鐵，G是玻璃板，固定在底座的小槽中。圖5-25-35-4圖4-3圖4-4圖4-3圖4-4得分評卷人6.（15分）小明選修課選擇的是“物理實驗”，老師布置做一個簡易的頻閃光源。主要器材是一個由220V變換為12V正弦交流電的變壓器和一個發(fā)白光的發(fā)光二極管（LED）。電路如圖6-1所示。發(fā)光二極管的伏安特性曲線（正向部分）如圖6-2所示。如果要求通過發(fā)光二極管的最大電流為40.0mA。得分評卷人圖6-2圖6-1（1）與LED串聯(lián)的定值電阻R0阻值應(yīng)為多少？圖6-2圖6-1（2）當(dāng)電流大于1mA時，該LED發(fā)光明顯，可以將該值作為LED發(fā)光的臨界點(diǎn)。則該LED的發(fā)光時間占總工作時間的百分之幾？得分評卷人7.（12分）離子發(fā)動機(jī)是利用電能加速工質(zhì)（工作介質(zhì)）形成高速射流而產(chǎn)生推力的航天器發(fā)動機(jī)。工作時將推進(jìn)劑離子化，使之帶電，然后在靜電場作用下推進(jìn)劑得到加速后噴出，從而產(chǎn)生推力。這種發(fā)動機(jī)壽命長但推力小,適用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持等。設(shè)航天器質(zhì)量M，單個離子質(zhì)量m，帶電量q，離子的加速電壓為U，離子總電流I。試求該發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力。得分評卷人得分評卷人8.（15分）給出下列元件：常溫幾百歐的熱敏電阻RT，有源蜂鳴器BZ，施密特觸發(fā)器集成電路（74LS14），1～2kΩ電位器，5V直流電源，標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計（測溫范圍0～100℃、分度值0.1℃），燒杯，酒精燈，連接導(dǎo)線、水等儀器和用具。請用上述元件和用具設(shè)計一個溫度報警裝置，當(dāng)溫度上升到80℃就報警（蜂鳴器發(fā)聲）。得分評卷人（1）請畫出電原理圖。（2）簡要說明應(yīng)當(dāng)如何調(diào)試使溫度為80℃時報警。得分評卷人9.（18分）如圖9-1所示是一個用數(shù)字化實驗系統(tǒng)進(jìn)行電磁感應(yīng)探究的實驗裝置示意圖。兩個相同的線圈A、B套在豎直放置的銅管外面并固定，兩線圈中心點(diǎn)的距離為0.322m。兩個線圈分別用電壓傳感器（量程0.2V）連接到計算機(jī)。將一塊扁平圓柱形釹鐵硼磁體從銅管的上端無初速放入管中，磁鐵在下落過程中先后從銅管內(nèi)部穿過兩個線圈，使線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電壓傳感器及電腦組成的系統(tǒng)可采集感應(yīng)電動勢的圖象并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖9-2是一次實驗采集到的圖線。得分評卷人（1）請定性分析磁鐵在進(jìn)入銅管后下落的整個運(yùn)動過程中的速度和加速度的變化情況，并簡單說明原因。（2）計算磁體在銅管中部穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)動的速度。圖9-1圖9-2（3）請在圖9-1中標(biāo)出圖9-2中的a、b、c三點(diǎn)對應(yīng)的時刻磁體（中心）在銅管中所在的大體位置。圖9-1圖9-2圖10-1得分評卷人10.（18分）數(shù)字萬用表的電容測量擋是用容抗法的原理來測電容的。圖10-1是其測電容部分簡化的原理圖。表內(nèi)有產(chǎn)生400Hz正弦波信號的電路作為信號源E，信號由被測電容Cx、運(yùn)算放大器IC、反饋電阻Rf組成的放大電路放大后輸出（Uo）。放大電路的放大倍數(shù)由Rf和A、B兩點(diǎn)之間的阻抗Z之比決定，即Uo∝Rf/Z（圖10-1的情形Z為電容的容抗Xc）。從而由萬用表中的后繼相關(guān)電路測出Uo便可測定電容。目前大多數(shù)普通數(shù)字萬用表沒有測量電感的擋位，但其實是可以利用其測電容的原理來測量電感的，只要將被測電感器接入測電容的A、B間，并選擇合適的測電容擋位即可。圖10-1