第21届全国中学生物理竞赛决赛试卷

第21届全国中学生物理比赛决赛试卷一、（20分）有一光光导纤维，光芯折射率n=1.500的透明度极好的介质，其截面半径为r；光芯外面包层的折射率n=1.400。有一半导体激光器S，位于光纤轴线的延伸上，发出半角宽为30o的光束。为便于使此光束所有进入光纤，在光纤端面处烧结了一个其资料与光芯同样的、半径为R的球冠QAQ＇，端面邻近的构造如下图（包层未画出），S可看作点光源，光纤放在空气中，空气的折射率n0按1.000计算。1、若要半导体激光器发出的光能够所有射到球冠上，则光源S离A的距离x应知足什么条件？2、假如R=1.8r,光源S与A的距离为R，入射与轴的夹角用α表示，则α角分别为α1=30o、α2=25o和α3＝20o的三根光芒可否经过全反射在光纤中流传？二、（20分）试从相对论能量和动量的角度剖析论证1、一个光子与真空中处于静止状态的自由电子碰碰撞时，光子的能量不行能完整被电子汲取。光子射到金属表面时，其能量有可能完整被汲取被使电子逸出金属表面，产生光电效应。三、（25）如下图，一质量M=30.0Kg的楔形木块OABC静止在水平川面上，其斜面段AB的倾角，BC段的倾角α=45o，AB段与BC段连结处（B）为一特别短的圆滑圆弧，现将一质量的m=4.00Kg小物块（可视为质点），放在斜面上离地面高h1=2.80m的A处，然后松手，令小物块从静止开始斜面下滑，已知小物块与斜面之间无摩擦，木块与地面间的最大静摩擦系数和滑动摩擦系数为μ=6.00*10-2，B处离桌面的高度h2=2.00m，假如不计小物块经过处B时(β=60o)物块及木块速度大小的改变，求小物块从斜面上A处滑动到斜面底部C处整个过程中小物块对木块所做的功（取重力加快度g=10.0ms-2）-1-四、（25分）由如下图的电路，此中E为内阻能够忽视的电源的电动势，R为电阻的阻值；K为开关；A、B右边是如图所标的8个完整同样的容量均为C的理想电容器组成的电路，问从合上K到各电容器充电完成，电阻R上发热耗费的能量是多少？（在解题时，要求在图上标出你所设定的各个电容器极板上电荷的正负）五、（25分）如下图，K为一带电粒子发生器，从中能够不停地射出各样不一样速率的带电粒子，它们都带正电，电量为q，质量为m，速度的方向都沿图中的虚线，D1、D2为两块档板,可准时开启和封闭。C1、C2为两扇“门”,C1紧靠D1，两门之间的距离为l，两个门上都加上交变电压u=U0sin(2лt/T)，T为交变电压的周期，已知只有当上电压的值为零邻近的无穷短的时间内，粒子才能经过该门，G为能量增减器，它紧靠档板D，到门2C的距离为l/2，当带电粒子在t时刻经过G时，粒子获取必定的能量E=Esin(2лt/T20+л/4),但速度的方向不变，式中E0=(21/2/4)ml2/T2，经过G的粒子从O点进入G右边的匀强磁场地区，磁场的磁感觉强度大小为B，方向垂直面向里（整个装置都放在真空中）。在磁场区成立以O作为原点的如下图的直角坐标系oxy，MN为磁场地区的界限，它平行于x轴，此刻的t=0时刻，同时翻开D1与D2，让粒子进入C1，在时刻t＝3T/4，封闭档板D1，使粒子没法进入C1，在时刻t＝10T/4，再封闭档板D2，使粒子没法进入G，已知从O进入磁场中速度最大的粒子经过坐标为(3cm,3cm)的Q点，问：若是要使从O进入磁场中速度最小的粒子能经过Q点，则应将磁场界限MN在平面内oxy平移到什么地点。-2-六、（25分）如图，a、b、c、d是位于圆滑水平桌面上的四个小物块，它们的质量均为m。a、b间有一自然长度为l,劲度系数为k1的弹簧联络；c、d之间有一自然长度为l,劲度系数为k2的弹簧联络；四个物块的中心在同向来线上。假如b、c发生碰撞，碰撞是完整弹性的，且碰撞时间极短，开始时，两个弹簧都处在自然长度状态，