度全国高中物理应用知识竞赛试题.docx
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度全国高中物理应用知识竞赛试题
2018年度全国高中应用物理竞赛试卷
注意事项：
1•请在密封线内填写所在地区、学校、姓名和考号。
2•用蓝色或黑色钢笔、圆珠笔书写。
3•答卷过程中可以使用普通型计算器。
4•本试卷共有三个大题，总分为150分。
5.答卷时间：
2018年4月7日（星期六）上午9:
30?
11:
30。
题号
-一-
-二二
三
总分
1
2
3
4
1
2
3
4
分数
复核人
得分
评卷人
一、本题包括11小题，考生只需做10小题，每小题5分，共50分。
在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有
（）内。
全选对的得5分，选
多个选项正确。
请把符合题目要求的选项的序号填入题后的不全的得3分，有选错或不选的得分。
1•如图1所示，消防队员在进行训练时有一项爬绳练习，如果队员用双手握住竖直的绳索匀速攀上和勻速下滑时，绳索对他的摩擦力分别为F上和F下，那么关于F上和F下的下列说法中正确的是（）
A.F上向上F下向下，F上与F下等大
B.F上向下F下向上，F上大于F下
C.F上向上F下向上，F上与F下等大
D.F上向上F下向下，F上大于F下
2•由乎地磁场的作用，可有效地减少来自宇宙射线中的高能带电粒子对地球的侵袭”若
宇宙射线中一颗带负电的粒子从太空沿指向地心方向射向地面，则哲它在接近地球附近
时的实际运动方向可能是（）
A.竖直向下B.偏西斜向下
C.偏东斜向下D.偏北斜向下
3•电铃的结构原理如图2所示，如果在使角过程中发现这个、
电铃小锤敲击铃的频率过，现要将敲击频率调高一些，则下列措施中一定可行的是（）
A.适当提高电的电压B•增大小锤的质量
C.换用更软一点的簧片D•将电源改用交流电来供电
4•由青岛大学学生自主设计研发的墙壁清洁机器人，利用8只爪子
上的吸盘吸附在接触面上，通过这8只爪子”的交替伸缩吸附，就能在竖直墙壁和玻璃上行走并完成清洁任务。
如图3所示，
假设这个机器人在竖直玻璃墙面上由A点沿直线爬行”到右上
方B点，在这一过程中，若此机器人8只爪子”所受玻璃墙对它的摩擦力的合力为F,
则下列受力分析图中可能正确的是（）
5.天宫一号”目标飞行器于2011年9月9日发射升空，2013年9月已圆满完成了各项预定的任务，并超期服役到2016年3月16日正式终止数据服务，全面完成里其历史使命，预计2018年受控”坠落，坠落过程中由于受轨道上稀薄空气的影响，轨道高度会逐渐降低，最终其主体部分会在大气层中完全烧毁，天宫一号”在进入稠密大气成燃烧前，
随着运行轨道的降低，其（）
A.重力势能逐渐减少，动能逐渐增加B•动能逐渐增加，机械能减少
C.动能、重力势能和机械能均逐渐减少D.绕地球运行一周所用的时间越来越少
6•小明在公园如围墙处避雨时，他观察到由于围墙的挡风作用，雨滴从墙檐土滴落几乎是竖
直向下的，当下落的雨滴经过围墙上的窗口时，有从窗P吹出的风使兩滴的下落方向
发生变化，下图中描述了沿平行于墙壁从西向东方向观察时雨滴的下落轨迹，其中最接
真实情况的是（）
7•如图7所示为一种延时开关的电路原理图，当S1同合时，电磁铁F将衔铁D吸下，通过
触点C线路被接通，当S1断开时，衔铁D并不是立即被弹簧拉起来，而是延迟一段时
间，才被弹簧拉起来，从而触点分离切断C线路，对于这个延时开关的
工作情况，下列说法中正确的是（）
A.由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
B.由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
C.如果断开开关S2,无延时作用
D.如果断开开关S2,延时将变长
&物理课上，老师作了一个奇妙的跳环实验”，如图8所示，她把带有铁芯的线圈L直
立在水平桌面上，并将其与开关S和电源用导线连接起来后，把一铝
制套环置于线圈L上，且使铁芯穿过套环。
闭合开关s的瞬间，套环
立刻向上跳起。
若铁芯足够长，则（）
A.若保持开关闭合，套球的位置会不断升高
B•若保持开关闭合，套环最终会停留在某一高度上
C.若保持开关闭合，套环跳起到某一高度后将回落
D.套环处于静止后再断开开关，则套环将重新向上跳起
9•冰上表演刚开始时，甲、乙两人都静止不动，随着优美的音乐响起，他们在相互猛推一下对方后分别向相反方向运动，用录像记录两人的运动情况，截取录像中的两帧画面的情况如图9所示。
假定两人的冰鞋与冰面的动摩擦因数相同，则下列说法中正确的是（）
A•在推的过程中，甲推乙的力小于乙推甲的力B.在推的过程中，甲推乙的时间等于乙推甲的时间
C.两人刚分开时，甲的速度比乙的速度小D•两人分开后，甲的加速度比乙的加速度小请考生注意：
下面的第10、11两个小题中，只选择一个题做答。
若两个小题均做答,则只按第10两题的解答情况给分。
io.医院有一种先进的检测技术一一彩超，就是向病人体内发射一定频率的超声波，超声波
F列措施中可行的
经血液反射后被专用仪器接收，测出反射波相对发射波的频率变化
速。
这一技术利用了下列哪个物理学原理（）
A.偏振规象B.波的衍射，C.波的干涉D.多普勒效应
11•如图10所示为一种简易温度计构造示意图，左右两根内径粗细均匀的竖直玻玻璃管下端通过软管相连接，在管中灌入某种液体后环境的温度。
重复上述操作，便可在左管上方标注出不同的温度刻，将左管上端通过橡皮塞插入小烧瓶中。
调节右管的高度，使左右两管的液面相平，在左管液面位置标上相应的温度刻度。
多次改变烧
瓶所在度，为了增大这个温度计在相同温度变化时液面变化的髙度
是（）
A.增大液体的密度B.增大烧瓶的体积C.减小左管的内径D.减小右管的内径
得分
评卷人
简要的回答。
二、本题包括5小题，考生只需做4小题，共40分，请按题目的要求做
1.（10分）音涂喷泉在水泵作用下随着音东的节律坚直向上喷出水柱，粗
细、高低不同的水柱形成美妙的景观。
实际上，当我们仔细观察时，会发现在喷口流量相同且无风的情况下，喷出的水柱在空中上升阶段并不是粗细均匀的，而是在竖直方向上一头粗、一头细。
请你说明上升阶段的水柱是上端较粗还是下端较粗，并说明水柱呈现该形态的原因。
得分
评卷人
2.（10分）在化工厂、制药厂、医学检验等工作中经常需要将在液体中的微小颗粒沉淀析出，为此苛将待分离液体静置一段较长的时间，这种方法称内
重力沉淀”法，也可以使用离心分离器（如图12所示）
在较短时间内将液体中的微小颗粒沉淀析出，称为离心沉淀”法，试分析这种离心沉淀”为什么比重力沉淀快？
得分
评卷人
3.（10分）电磁轨道炮是利用磁场对通电导体的作用使炮弹加速的，其原理示意图如图12所示，图中直流电源电动势为E,电容器的电容为C,两
根固定的平行金属导轨间距为d.长度为I,导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大少为
B的匀强磁场（图中未画出），炮弹可视为质量为m,电阻为R的金属棒MN，垂直放在两导轨间的最左端并处于静止状态，开关S接1,使电容器完全充电，然后将开关S接至2,
MN开始向右加速运动。
在MN沿导轨运动过程中始终与导轨垂直且接触良好，请说明：
（1）开关S接至2后的发射炮弹过程中，电容器中原来储存的电能将转化为哪些能量？
（2）在电源电动势E一定的条件下要想提高炮弹射出时的速度，可以采取哪些措施?
请考生注意：
下面的第4、S两个小题中，只选择一个题做答，若两个小题均做答，則只按第4小题的解答情况给分。
得分
评卷人
4.（10分）在我国北方的冬天，即便气温很低，一些较深的河流、湖泊、池塘里的水一般也不会冻结到底，鱼类还可以在水面结冰的情况下安全过冬，试解释水不会冻结到底的原因？
5.
（10分）小明到九寨沟游览后在整理照片时发现，许多风景照片都
有这样的共性：
如图14所示，池水淸澈见底，近处水面下的景物都看得很淸楚，而远处水面下的景物却看不清楚，在远离岸边的水面上只能看到山和树木的倒影，且这些倒影明显没有真实景物那样明亮。
请说明上述两种现象形成的原因。
三、本题包括5小题，考生只需做4小题，每小题15分，共60分。
解答时应写出必要的
文字说明、方程式和重要演算步驟。
只写出最后答案的不能得分。
有数值计算的题，答案
得分
评卷人
中必须明确写出数值和单位。
1.（15分）由于卫星发射场地点不在赤道上，因此在发射地球同步静止轨道卫星时，需要先将卫星发射到与赤道平面有一定夹角的转移轨道上
然后再经过调整使卫星进入地球同步静止轨道。
卫星在转移轨道上的远地点时恰通过赤道上空，并且离地面高度恰等于地球同步静止轨道的高度，此时通过发动机暂短时间点火，给卫
星一个附加的速度，使卫星恰好能沿地球同步静止轨道运行。
如果卫星的质量为1.4t，其
飞经赤道上空时的速度为1.5103m/s（为计算方便，此处数可以改一下），此时卫星的
高度与同步轨道的高度相同，飞行的轨道平面与赤道平面之间的夹角为30，如图15所示若不计大气阻力和卫星质
量的变化，己知地球半径为6.4103m,结果保留1位有效
数字。
求：
（1）为完成这次调整发动机至少需要做多少功
N转弩轨道平面赤道诽CW暫同步轨道平閒平面
（2）调整过程中发动机对卫星所施的冲量
得分
评卷人
2.（15分）在研究跳水运动员在水中所受阻力的情况以及设计跳水场地水池深度时，可以用金属和橡胶制作一个运动员模型，在它头部携带有压力传感器，模型入水后传感器可通过计算机显示出水对模型的等效阻
力f的量值随其入水的深度y变化的函数曲线。
己知这个模型的总质量m=60kg,并可将其
视为长度l=1.65m、直径d=0.25m的圆柱体。
这个模型头向下从高于水面H=10m的跳台自
由落下入水后，计算机上显示出的f-y变化曲线如图16所示。
通过用计算机拟合图线可知,
f轴
J
/
0
h
该曲线可近似看作椭圆的一部分，该椭圆的长、短轴分别与坐标轴Oy和Of办重合。
椭圆与y轴相交于y=h处，与
中水的深度h至少应等于多少?
交于？
?
=处。
为了确保运动员跳水时的安全，估算水池
得分
评卷人
3.（15分）在研究某种未知气体时，有时需要分析气体原子的组成。
如图17所示，让某种中性气体分子进入电离室A,在那里被电离成等离子
体（等离子体就处在高温下电离的气体，其中包含有带正电和带负电的
粒子，中性气体电离后带负电的粒子是电子，带正电的是正离子）。
这些粒子从电离室缝S1
飘出（飘出速度可视为0）,随即进入S1与S2之间的加速电场被加速，然后粒子从缝S2垂直进处入匀强磁场，当双刀双掷开关的触刀掷向1、2时，粒子经
过半个圆周期后打在底片上的P点，己知缝S2与P之间的距离为
d1=2.0cm。
当双刀双掷开关的触刀掷向3、4时，粒子打在底片上
的Q点，己知缝S2与Q点间在平行S2P方向上距离为d2=6.4cm。
磁场宽度d=30cm。
假设种子的质量mn=mp,且约为电子质量me的1800倍，即mn=mp=1800me。
试确定这种气体原子的质子数和中子数。
请考生注意：
下面的第4、5两个小题中，只选择一个题做答。
若两个小
得分
评卷人
题均做答，则只按第4小题的解答情情况给分。
4.（15分）潜水艇的贮气筒与水箱相连，当贮气筒中的空气压入水箱后，水
箱便排出水，使潜水艇浮起。
某潜水艇贮气简的容积是2nt其上的气压表显示内部贮有压
强为2X107Pa的压缩空气，在一次潜到海底作业后的上浮操作中利用简内的压缩空气将水
箱中体积为10m3水排出了潜水艇的水箱，此时气压表显示筒内剩余空气的压强是9.5xio6pa.
设在排水过程中压缩空气的温度不变，试估算此潜水艇所在海底位置的深度。
5.（15分）小明在参观科技馆时，发现了一张地震波波速与地球内部构造的关系图，如图18
所示。
其中A和B分别表示两列不同的地震波其速度大小随在地下深度的变化，右侧为地球内部结构随深度的分布情况。
在地表下平均33km处（大陆部5000分）（或海洋面下7km），纵横波的传播速度都明显增加,这一不连续面叫莫霍界面。
在地下2900km深处，纵横两列地震波中有一列波速度突然下降，另一列波则完全消失，这一不连续面叫古登堡界面。
由于莫霍界面上下物质都是固态，其力学性质区别不大，所以将地壳和软流圈以上的地幔统称为岩石圈。
地球的中心为地核，半径为3473km左右。
地核又可分为外核和内核。
根据上图回答下列问题：
（1）图中的AB两列波，哪一列是横波？
并说明判断的依据。
（2）中国地震台网正式测定：
2018年2月12日18时31分在河北廊坊市永清县（北纬39.37
度，东经116.67度）发生4.3级地震，震源深度20kmo
①请问当时处于廊坊市永清县的人感到大地是先上下颠簸后左右摇摆，还是先左右摇摆后上
下颠？
②因地震会同时产生图中的A、B两列波，估算当地居民感受到A、B这两列列波的时间差大约多少秒？
并简要说明估算的过程程,结果只要求保留1位有效数字。
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<2）方法简ftl・賞加分；
<3）提出多冲正确解法，应加令；
（4）试柱讒达糊礼奉環淸楚.睫充分利用数学工H，虑加廿.
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用井.每顶1分*共$分）
（2）M小E：
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4.（W井）由于水怕轴抹内部怙构.从4Vj:
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入秋舉节节.代溢卅齢下降•河泓、絢泊、池犯世附水上圧的先吏冷・幣ZK变人而沉到木底‘形磁对汛列达#匸时气沮如果再降低・上輕水反冊腿罠密度变小・刈潦停止*F浮”在水血上常成-f”硃了二而下面的水4nJB热代丹做块内fib但由于木是热的不良导体，这样敝黔是比丹4的*1■3分
裏面水的詛屢先音下|01的水曲至OC*开贻姑冰・冰的密度叱水小•所以一Ti浮在水而上而不下沉.冰卜圍的水.从上到卜淑厦为QC到4C.如果再降詛，就会从上別下追渐跡味2分
由于通过担传导血向上散热I匕较慢.穷：
且有地热山液卜向上仙导*凶此專统的建废Q缓懂的。
只程气謳不衣低我低程时间不长.加之湖汨.池堀中的水牧厳・水量不会玻冻透的，冰就不会一直结到水底3分
5.匕0分）水曲卜妹物反射出来的光，從水与空冗的界面发生反射和折射・水下离卅边越远的亘物反射出来的光射向岸边观察者时的入射角越大，折射出水面的光ftSiJfiHjlffiJ理筋（少），因此与离岸边较近的累物比,看起来会觉再昭一些.斥映到隔片上也栽不太清楚『3分
另外.由于描照时视场的大髀分范的被实际景物和水面下近療嶽物所占据，所以相机晤光时就根据这些肌物的亮度进行了调整，这就（ffflA面下远离岸边的族物的醉丸fit显得不記，因然产生『更暗、也至看不到的當觉;..….二……“••…2分
对面岸上景物在水面上所威倒孝的过程，是景物反射的Jt射到水血上衿反射后进入相机成体的箱果:
2分
景物反射的光直接班入相机成像・比经水面反射后再进入珀机咸條的光笛强度萎杏一垄・所以槪片中丈际毀物比反射后庖像陆“駅物”要显鞫明亮些:
鼻分
*•..一T•宀呎■<..■・
三、本題包括5小廳，君生只需悄4小題・毎小■话分・共60分・
1.门5分）门）设地球同步卫星的屋应为耐*轨诅半检为人运动建睾为m地球质血为M、宰径为/?
、自转周期为丁.根每万有引力定徘和向心力公式則有GMmQTfrR、2■井
又因GAfoi伏芯吨*二，'
■1■■'»!
S
联直箏待r^43*10Tm:
:
、「”・：
-…•……二:
…/分
M!
=2]t7Zr=3J^IOWs“鳥：
122分
根班动能定理可知*从初連度w=1.5KItfni/s变为未速度軒=3」KltPm/s’发动机養婆除的功卿二10*〕-.十“…………"•…•匸…匸”……了井Av
⑵初連度vb=l."【OWw沿挙的含谨厘为正东方向的于玄冷1%的[燃后根据这一抽象出的模型画■出图」」比岂
新示的矢就图》便可根据余弦宦彗行计箕-"图】“、
上“=肩"；_2歹代莎=l.g】WM3分
根据动最定理可知，所施冲皇大小/=mAv-3xl伊鸩血其方向为东債南・设偏南的箱度为的根犯正弦定理有siiid4tf=sin30*Ziv,.„.^」分，
解得沪arcsinO.4…」分,
2.（15分）运动员的运幼可分为三个过程（如图2」所示）：
Hfff运动员仅受无力吨（恒力）作用•做自由帶体运处该过程中專丸做正珈初始逮度心・
•“.'.%.■--•:
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錮2页共4页
—C运动员刚接触水新到全身浸入水中・殳朮力帼（怛力，做低功人阴丿〃（辛力'佈负功）和浮力£（变力”做负功）的竹用.所愛附力和浮力都期羽人体入水澤愎的增加和变化"
CJ”运动员个q没入水中到刚接剋水池底而・受眾力叫H恒力・熾正功）・阴力/（卷力・做加功人浮力鬥（tfi力，做负功）牌怦用・丄-工亠.击乂込
依趣盘*为保证迄妙员的安全.水池屮水的星小陳度为机舐为远朋员檢触水曲辰而时漣"为皋
即VD=O・
根据上面分析，对运劝员运动的幣个过畀*由动能:
定珅沿：
FKr+IF«+**……3分
其中”Hb为璽力的功；』陀=朗/“彳方）2分
陥为浮力形的功匸
井”=-pgSLfh~L）——xd^pgL（h-£J
肌i为浮力鬥的功，"分为K1力/的妙・浮力尺利阻力/均为变力，它们的功可用图象袪求解.
对F-C■过秤，以运动员入水时的位JK为零戊*监苴向下为正方向建立労坐标如阳2-2所示.当人体入水深度为”时.Fi-^Sy,S为圆柱体截面积・浮力尺罰运功员入水輝度y的变化艾系如图23示.
門做助的帯估対于團2-3舶线下的面积
■二：
-■■・、・'■--'■1f-.u■
畴1—+网£口=-扌jt—li^pg—+«J^p[g£a严"*同理，由图鎌法求得：
^7=-—K^mgh=--^imgh”*・*"*・
联立上述方程，井代入数誓得：
〔曲"十丄JtpVd2「二
h=—-4.«m；g“2分":
51t,2••“
—打科+——nptd-m
84..._...h:
..iu.
Ip.■■I9TJ„t"oa-fc.^'",
3.（【予吩）当取刀就掷开关的絶刀掷向】、2吋.$所在擞板接吨諒或根，血所在扱板鶴电源正
极’因此只有负离子〔卯电子）从电髙室爨$进入加遼电场被加速，之宕从缝&垂直进入匀强战场，
依左手定则判断出电子进入磁扬时受洛仑兹力方向向右・由此可知电子打在尸直2分
电子在歳场中做匀速囲周运动的半轻为n^-LOcm1分
对于电子在破场中运动乂eVi3=m^-】分
电子在电场中加速*I分
2*1
H1"（C”由）却屮….*+2分
解ft#r；=73*5cm】分
为双刀双掷开关的就刀掷向人4时・$所SF摄板接电源正极，M质在极板摄电源负轨因此只
有正离子从电离璧线跖进入加速电场粧加速，再从缝笑垂直进入匀强雄场1分
如图3-1所示，设打到盘点的正禹子在融场中做匀速殴周运幼的半径为壮.楡据几何关系有.
设正薦子的殛员为m同理得，
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