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

第八屆全國(guó)高中應(yīng)用物理競(jìng)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(hào)12345678910總分分?jǐn)?shù)復(fù)核得分評(píng)卷人圖1-11.（12分）小明幫媽媽在廚房做菜的時(shí)候經(jīng)常遇到玻璃瓶螺旋瓶蓋擰不開(kāi)的問(wèn)題。他通過(guò)各種途徑了解到三種開(kāi)瓶的技巧：（1）將瓶子到過(guò)來(lái)，一手緊握瓶子，另一手用力拍打瓶底幾下，然后可擰開(kāi)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(kāi)。（3）將瓶子倒過(guò)來(lái)置于碗中，倒少許開(kāi)水使瓶蓋淹沒(méi)，稍待片刻，即可擰開(kāi)瓶蓋。得分評(píng)卷人圖1-1（1）請(qǐng)分別簡(jiǎn)要說(shuō)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(píng)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(yè)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(guò)上方的面，看到被壓部分課本上的字。請(qǐng)解釋?zhuān)簽槭裁磸膫?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(píng)卷人得分評(píng)卷人圖3-13.（15分）圖3-1是一個(gè)家庭用的漏電保護(hù)器的簡(jiǎn)單原理圖，它由兩個(gè)主要部分組成，圖中左邊虛線(xiàn)框內(nèi)是檢測(cè)裝置，右邊虛線(xiàn)框內(nèi)是執(zhí)行裝置。檢測(cè)裝置是一個(gè)特殊的變壓器，它把即將引入室內(nèi)的火線(xiàn)和零線(xiàn)并在一起繞在鐵芯上作為初級(jí)（n1匝），另繞一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈（n2匝）。執(zhí)行裝置是一個(gè)由電磁鐵控制的脫扣開(kāi)關(guān)。當(dāng)電磁鐵的線(xiàn)圈中沒(méi)有電流時(shí)，開(kāi)關(guān)是閉合的，當(dāng)電磁鐵的線(xiàn)圈中的電流達(dá)到或超過(guò)一定值時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，切斷電路，起到自動(dòng)保護(hù)作用。得分評(píng)卷人圖3-1（1）漏電保護(hù)器的檢測(cè)部分又稱(chēng)為“漏電流傳感器”，請(qǐng)回答：什么是漏電流？為什么這個(gè)裝置能感知漏電流的存在并能檢測(cè)其是否超過(guò)某個(gè)閾值？（2）我國(guó)規(guī)定當(dāng)漏電流達(dá)到或超過(guò)30mA時(shí)，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(shí)脫扣開(kāi)關(guān)才斷開(kāi)，則與使用的具體器材有關(guān)，如果本題中的脫扣開(kāi)關(guān)要求電磁鐵中的電流至少達(dá)到80mA才會(huì)脫扣，并且其檢測(cè)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(duì)脫扣開(kāi)關(guān)的要求是：當(dāng)漏電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，脫扣開(kāi)關(guān)即斷開(kāi)，從而切斷電路起到保護(hù)作用，此后即使故障排除，脫扣開(kāi)關(guān)也不會(huì)自己閉合，而必須用手指按一個(gè)“復(fù)位按紐”才能閉合開(kāi)關(guān)而使電路重新導(dǎo)通。請(qǐng)你幫助設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)足要求的脫扣開(kāi)關(guān)，把你設(shè)計(jì)的草圖畫(huà)在下面，必要時(shí)加上簡(jiǎn)單的文字說(shuō)明。得分評(píng)卷人4.（15分）奧地利空中跳傘運(yùn)動(dòng)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(wàn)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(dòng)”世界記錄。早在2023年2月份就有許多媒體報(bào)道他這次跳傘的計(jì)劃。某報(bào)道說(shuō)：他將乘坐經(jīng)過(guò)改裝的氦氣氣象氣球，從美國(guó)新墨西哥州起飛，上升到3.6萬(wàn)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(shí)，阻力突然增加的現(xiàn)象)。接下來(lái)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(jì)最高時(shí)速可達(dá)1100公里。降落至距地面約1500米高度時(shí)，他將打開(kāi)降落傘。請(qǐng)根據(jù)這篇報(bào)導(dǎo)，以及下面給出的資料，回答下面的問(wèn)題：得分評(píng)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(wàn)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(shí)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(shí)的瞬時(shí)加速度與地面處的重力加速度相差約百分之幾？（2）他打開(kāi)降落傘之前，下落的最大速度為372.8m/s，而很大一部分時(shí)間下落的速度不超過(guò)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(shí)與最大時(shí)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(bào)導(dǎo)從物理學(xué)的角度說(shuō)相當(dāng)不嚴(yán)謹(jǐn)，甚至是錯(cuò)誤的，請(qǐng)你通過(guò)分析指出不正確的地方。得分評(píng)卷人圖5-15.(18分）有人把圖5-1所示的玩具稱(chēng)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(gè)梭形陀螺就能懸浮著。如果用外力讓梭形陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，由于受阻力很小，它可以轉(zhuǎn)動(dòng)（略有些顫動(dòng)）很長(zhǎng)時(shí)間。得分評(píng)卷人圖5-1這個(gè)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(gè)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(píng)卷人6.（15分）小明選修課選擇的是“物理實(shí)驗(yàn)”，老師布置做一個(gè)簡(jiǎn)易的頻閃光源。主要器材是一個(gè)由220V變換為12V正弦交流電的變壓器和一個(gè)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(xiàn)（正向部分）如圖6-2所示。如果要求通過(guò)發(fā)光二極管的最大電流為40.0mA。得分評(píng)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(shí)，該LED發(fā)光明顯，可以將該值作為L(zhǎng)ED發(fā)光的臨界點(diǎn)。則該LED的發(fā)光時(shí)間占總工作時(shí)間的百分之幾？得分評(píng)卷人7.（12分）離子發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)。工作時(shí)將推進(jìn)劑離子化，使之帶電，然后在靜電場(chǎng)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(dòng)機(jī)壽命長(zhǎng)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(gè)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力。得分評(píng)卷人得分評(píng)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(jì)（測(cè)溫范圍0～100℃、分度值0.1℃），燒杯，酒精燈，連接導(dǎo)線(xiàn)、水等儀器和用具。請(qǐng)用上述元件和用具設(shè)計(jì)一個(gè)溫度報(bào)警裝置，當(dāng)溫度上升到80℃就報(bào)警（蜂鳴器發(fā)聲）。得分評(píng)卷人（1）請(qǐng)畫(huà)出電原理圖。（2）簡(jiǎn)要說(shuō)明應(yīng)當(dāng)如何調(diào)試使溫度為80℃時(shí)報(bào)警。得分評(píng)卷人9.（18分）如圖9-1所示是一個(gè)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁感應(yīng)探究的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。兩個(gè)相同的線(xiàn)圈A、B套在豎直放置的銅管外面并固定，兩線(xiàn)圈中心點(diǎn)的距離為0.322m。兩個(gè)線(xiàn)圈分別用電壓傳感器（量程0.2V）連接到計(jì)算機(jī)。將一塊扁平圓柱形釹鐵硼磁體從銅管的上端無(wú)初速放入管中，磁鐵在下落過(guò)程中先后從銅管內(nèi)部穿過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈，使線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電壓傳感器及電腦組成的系統(tǒng)可采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的圖象并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖9-2是一次實(shí)驗(yàn)采集到的圖線(xiàn)。得分評(píng)卷人（1）請(qǐng)定性分析磁鐵在進(jìn)入銅管后下落的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度和加速度的變化情況，并簡(jiǎn)單說(shuō)明原因。（2）計(jì)算磁體在銅管中部穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的速度。圖9-1圖9-2（3）請(qǐng)?jiān)趫D9-1中標(biāo)出圖9-2中的a、b、c三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)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(píng)卷人10.（18分）數(shù)字萬(wàn)用表的電容測(cè)量擋是用容抗法的原理來(lái)測(cè)電容的。圖10-1是其測(cè)電容部分簡(jiǎn)化的原理圖。表內(nèi)有產(chǎn)生400Hz正弦波信號(hào)的電路作為信號(hào)源E，信號(hào)由被測(cè)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(wàn)用表中的后繼相關(guān)電路測(cè)出Uo便可測(cè)定電容。目前大多數(shù)普通數(shù)字萬(wàn)用表沒(méi)有測(cè)量電感的擋位，但其實(shí)是可以利用其測(cè)電容的原理來(lái)測(cè)量電感的，只要將被測(cè)電感器接入測(cè)電容的A、B間，并選擇合適的測(cè)電容擋位即可。圖10-1