南师附中物理竞赛讲义--10.6光学例题t

10.6费马原理光学例题

费马原理：

光线在两点间的实际路径是使所需的传播时间为极值的路径。在大部分情况下，此极值为极小值。

i i i

t t v ==∑∑

i i

c n v =

可得:i i

n x t c

=∑

我们定义折射率与路径长的乘积为光程,用l 表示,l nx =,于是,费马原理又可表述为:光线在两点之间的实际路径,是使光程为极值的路径.

例1、如图所示，湖中有一小岛A ，A 与直湖岸的距离

为d ，湖岸边的一点B ，B 沿湖岸方向与A 点的距离为l ，一人自A 点出发,要到达B 点。已知他在水中游泳的速度为v 1，在岸上走的速度为v 2，且v 1

【解析】根据费马原理,若要人由A 到B 的时间最短,则所走路径应类似于光线所走路径. 这时的水和岸相当于介质,折射率分别为n 1、n 2.设最短时间为如图所示路径.则等效光线由水到岸满足下式:

1221

sin sin90v n C

v n ==o

sin v i v =

这时的C 实际上为光线发生全反射的临界角. 所以,我们不难得到:

当tan l d C >时,人所走的路径为如图所示的路径.即沿着和垂直于岸的方向成C 的角度游向岸边再在岸上走至B 点.

当tan l d C ≤时,人由A 直接游到B 点.

【点评】本题若从运动学角度分析,也可以作出解答,但比较麻烦.

例1. 一曲率半径R=60cm 的凹面镜水平放置,使其凹面向上,并在其中装满水，水的折射率为4

n =

，假如装满水后水的的深度比半径R 小得多，试问平行光束成像于何处? 【解析】法一:直接用折射定律和反射定律来做,未装水时,平行光束经镜面反射后通过焦点F ′,它离开镜面顶点的距离为30cm,若装有水,当α、β为小角度,由图可知:

图16- 1

2tan sin a a f R αα==

= tan sin a

ββ==

,由折射定律: sin sin 2R

n f

βα=

= 22.52R

f cm n

= 法二:用逐次成像法,物体先经过平面折射成像:

0'n s s -= 再经球面反射成像:

22112's s R

+=- 由于是水很浅,所以:

21's s =

令1s →∞可得:2'2

R s =- 再经平面折射:

3310'n

s s -= 32's s =

3''22.52R

f s cm n

==-

=- d

(b)

(a)

26．如图所示，在焦距f=0.15m 的凸透镜L 主轴上有一小光源S ，凸透镜L 另一侧有两个反

射面相向放置的平面镜OM 1和OM 2．平面镜OM 1和OM 2彼此垂直，且与透镜L 主轴成450

，两平面镜的交线与透镜主轴垂直．已知小光源中心到两平面镜的交线距离SO=O.9m ，透镜到两平面镜的交线距离O 1O=O.3m ，试求：

(1)小光源S 在透镜主轴上共成多少个像? (2)小光源S 在透镜主轴外共成多少个像? 分别指出像的虚实、位置及放大率．

由折射率为n=1.5的玻璃制成的对称的双凸透镜，在空气中焦距为30cm

（1）把它放在平面镜上形成一个折、反射系统，该系统的焦距为多少？

（2）在透镜和平面镜之间注满水，水的折射率为4/3，这个系统的折射率为多少？

【解析】(1)由于平面镜成像的对称性,从S 发出的光线经透镜折射,再经平面镜反射,相当于从镜中对称的像点S ′发出,经镜中透镜像折折射出的,最后再经透镜的折射成像.因此,它相当于两个相同的透镜组成的密接透镜组,如图所示.该透镜组的焦距为:

'152

f cm =

= (2)当在平面镜与透镜间加水后,相当于原透镜跟一个水透镜(平凹)密接,再经平面镜反射就相当于两个双凸透镜与一个双凹水透镜的密接.

在空气中的透镜焦距可按下式求得:

11(1)()

f n r r =--

双凸透镜及水透镜的折射面曲率半径相同,但凸透镜和凹透镜半径的符号相反.设玻璃双凸透镜焦距为f 1,水双凹透镜的焦距为f 2 (均对周围介质为空气来说).则:

211

f n f

n -=-- 式中n 1、n 2分别为玻璃和水的折射率. 密接透镜组等效焦距为f,则有:

1211111f f f f =++ 21111

(2)1

n f n -=

-- 将n 1=1.5,n 2=

,f 1=30cm 代入得: f=22.5cm

【答案】15cm ,22.5cm.

【总结】此题要用到透镜的焦距公式,密接透镜的有关知识.此题非常困难,困难的原因就在于学生对这一块内容不熟悉,平时在这方面的练习不够.

好象有点问题:中间的凹透镜的两个折射面的曲率均应为r 2?,答案题目把一个面的曲率看成是一个是r 1,另一个面的曲率看成是r 2,好象是值得研究了.研究的思路是:用四次平面折射来看看.

例10、如图5所示，两个薄凸透镜12L L 、与一个平面镜及物屏共轴放在光具座上，每个凸透镜的两表面的曲率半径均为R ，12L L 、的焦距分别为12f f 、，它们之间的距离用d 表示，且1L 更靠近物屏。物屏上开有一个箭形小孔，若左右移动物屏，同时改变d 的大小，发现在物屏上可以多次得到倒立的清晰像，且左右移动平面镜对像无影响。问在物屏上能有几次得到这样的像，定量分析得到这些像的条件（在透镜面有部分光线发生反射，不考虑2次以上的反射成像）。

物屏上可以得到4个像。

1、凸透镜L 1的后有面反射达到自准直成像，光路如图，设物屏到L 1的距离为u 1.

11/1/1/1f R u =-

得 )/(111f R Rf u +=

此情况一定能通过移动物屏观察到像

2、L 2前表面反射达到自准直成像，光路如图，设物屏到L 1的距离为u 2

12/1)/(1/1f R d u =++ )/()(112f R d f R d u -++=

此情况出现的条件为 R f d ->1

3、L 2后表面反射达到自准直成像，光路如图，设对L 2成像时的物距为u ，物屏与L 1

距离为u 3，则

2/1/1/1f R u =-

311/1/()1/u d u f +-=

联立二式 )/(/)/(2212213f R Rf f d f R Rf d f u +--+-= 此情况出现的条件为：)/()/(22221f R Rf d f R Rf f d +<+->或 4、由平面镜反射达到自准直成像，光路如图，设物屏到L 1的距离为u 4

124/1)/(1/1f f d u =-+

)/()(12124f f d f f d u ---=

出现此情况的条件为：221f d f f d <+>或

例15、在焦距为20.00cm 的薄凸透镜的主轴上离透镜中心30.00cm 处有一小发光点S ，一个厚度可以忽略

的光楔C （顶角a 很小的三棱镜）放在发光点与透镜之间，垂直于轴，与透镜的距离为2.00cm ，如图1-5-54所示，设光楔的折射率n=1.5，楔角a =0.028弧度。在透镜另一侧离透镜中心46.25cm 处放一平面镜M ，其反射面向

着透镜并垂直于主轴。问最后形成的发光点的像相对发

光点的位置在何处（只讨论近轴光线，小角度近似适用。在分析计算过程中应作出必要的光路图）？

分析:这是一个光具成像问题，厚度可忽略的光楔在成像过程中的作用相当于一使光线产生偏折的薄平板，平面镜使光线反射后再次经凸透镜成像，在这一过程中，我们再根据折射定律、透镜成像公式及有关数学近似进行一系列计算，就可得出最后结果。

解:共有五次成像过程。（1）光楔使入射光线偏折，其偏向角（出射光线与入射光C L

M S 图1-5-54

i 1

i '2

i 2

i 'δa n

图1-5-55

线方向的夹角）用δ表示，由图1-5-55可知

1sin sin i n i '=，22sin sin i n i '=，α='+'21i i 对近轴光线，1i 很小，有11i n i '=；因a 也很小，同样有

ni i =' 故有 )()(221

1i i i i -'+'-=δ αα)1(2

1-=-'+=n i i 代入数值，得

rad rad 014.0028.0)15.1(=?-=δ

因δ与入射角大小无关，各成像光线经光楔后

都偏折同样角度δ。又因光楔厚度可忽略，所以作光路图时可画成一使光线产生偏折角δ的薄平板，图1-5-56。

光点S 经光楔成一虚像点1S '。对近轴光线，1S '在S 正上方，到S 的距离为h ，离光楔距离cm l 00.28=。

l n l h αδ)1(-==

代入数据，得

cm h 39.0=

（2）1S '为透镜L 的实物，像点2

S '的位置可由下式求出 f u 1

11=+υ

以u=30.00cm,f=20.00cm 代入，得

cm 00.60=υ

将1S S '视为与光轴垂直的小物，由透镜的放大率公式

u M υ=

1 可求得

S 图1-5-56

图1-5-57

cm h M h 78.012

==' 即像点2S '在光轴下方与光轴的距离为0.78cm ，与透镜的中心距离为60.00cm 处，图1-5-57。

（3）2

S '在平面镜之后，对平面镜是虚物，经平面镜成像，像点3S '与2S '对称于平面镜（图1-5-57）

cm d 75.13=

cm h h 78.023

='=' （4）3

S '作为透镜的实物，经透镜折射后再次成像，设像点2S ''，2S ''及3S '与L 的距离分别为

和u '，则

cm u 50.32='，

f u u f 00.52)(=-'

'υ

S ''在透镜左侧，主轴上方，图1-5-58。 cm h M h 25.1222

='='' （5）第二次经透镜折射后成像的光线还要经光楔偏折，再次成像，像点1S '

'在2S ''正下方，离光楔距离为50cm ，离光轴的距离为（见

图1-5-58）。

cm l h 70.0='=?δ

cm h h h 55.02

=?-''=' 像点1S ''在光轴上的垂足与

S 的距离为

cm l l s 00.22=-'=?

即最后的像点在发光点S 左侧光轴上方，到光轴的距离为0.55cm ，其在光轴上的垂足到S 的距离为22.00cm 。

图1-5-58

全国中学生物理竞赛真题汇编光学

全国中学生物理竞赛真题汇编---光学 1.（19Y5）五、（20分）图预19-5中，三棱镜的顶角α为60?，在三棱镜两侧对称位置上放置焦距均为 30.0cm f =的两个完全相同的凸透镜L 1和 L 2．若在L 1的前焦面上距主光轴下方14.3cm y =处放一单色点光源S ，已知其像S '与S 对该光学系统是左右对称的．试求该三棱镜的折射率． 2.（21Y6）六、（15分）有一种高脚酒杯，如图所示。杯内底面为一凸起的球面，球心在顶点O 下方玻璃中的 C 点，球面的半径R ＝，O 到杯口平面的距离为。在杯脚底中心处P 点紧贴一张画片，P 点距O 点。这种酒杯未斟酒时，若在杯口处向杯底方向观看，看不出画片上的景物，但如果斟了酒，再在杯口处向杯底方向观看，将看到画片上的景物。已知玻璃的折射率n 1＝，酒的折射率n 2＝。试通过分析计算与论证解释这一现象。 3．（22Y3）三、(18分)内表面只反射而不吸收光的圆筒内有一半径为尺的黑球，距球心为2R 处有一点光源S ，球心p 和光源s.皆在圆筒轴线上，如图所示．若使点光源向右半边发出的光最后全被黑球吸收，则筒的内半径r 最大为多少? 4．（16F2）（25分）两个焦距分别是1f 和2f 的薄透镜1L 和 2L ，相距为d ，被共轴地安置在光具座上。 1. 若要求入射光线和与之对应的出射光线相互平行，问该入射光线应满足什么条件？ 2. 根据所得结果，分别画出各种可能条件下的光路示意图。 5．（17F2）如图1所示，在真空中有一个折射率为ｎ（ｎ＞ｎ0，ｎ0为真空的折射率），半径为ｒ的质地均匀的小球，频率为ν的细激光束在真空中沿直线ＢＣ传播，直线BC 与小球球心O 的距离为ｌ（ｌ＜ｒ），光束于小球体表面的点Ｃ经折射进入小球（小球成为光传播的介质），并于小球表面的点D 又经折射进入真空．设激光束的频率在上述两次折射后保持不变．求在两次折射过程中激光束中一个光子对小球作用的平均力的大小．图1 6.（17F6）、普通光纤是一种可传输光的圆柱形细丝，由具有圆形截面的纤芯Ａ和包层Ｂ组成，Ｂ的折射率小于Ａ的折射率，光纤的端面和圆柱体的轴垂直，由一端面射入的光在很长的光纤中传播时，在纤芯Ａ和包层Ｂ的分界面上发生多次全反射．现在利用普通光纤测量流体F 的折射率．实验方法如下：让光纤的一端（出射端）浸在流体F 中．令与光纤轴平行的单色平行光束经凸透镜折射后会聚光纤入射端面的中心Ｏ，经端面折射进入光纤，在光纤中传播．由点Ｏ出发的光束为圆锥形，已知其边缘光线和轴的夹角为α0，如图3甲所示．最后光从另一端面出射进入流体Ｆ．在距出射端面ｈ1处放置一垂直于光纤轴的毛玻璃屏Ｄ，在Ｄ上出现一圆形光斑，测出其直径为ｄ1，然后移动光屏Ｄ至距光纤出射端面ｈ２处，再测出圆形光斑的直径ｄ２，如图3乙所示．

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A9\A10A 班初中物理竞赛热学训练试题班级________学号_________姓名_________得分________ （时间：60分满分100分） 1.液体表面分界线单位长度上的表面张力叫作表面张力系数，用下面方法可以测量液体的表面张力从而求得液体的表面张力系数.如图所示，容器内盛有肥皂液，AB 为一杠杆，AC=15cm ， BC=12cm.在其A 端挂一细钢丝框，在B 端加砝码使杠杆平衡. 然后先将钢丝框浸于肥皂液中，再慢慢地将它拉起一小段距离 (不脱离肥皂液)，使钢丝框被拉起的部分蒙卜一层肥皂膜，这时需将杠杆B 端砝码的质量增加5.0×10－4kg ，杠杆才重新平衡(钢丝框的钢丝很细，在肥皂中受到的浮力可不计).则肥皂液的表面张力为( ).c (A)6×10－3N (B)14×10－3N (C)4×10－3N (D)3×10－3N 2.如图所示，若玻璃在空气中重为G 1，排开的水重为G 2，则图中弹簧秤的示数为( ). (A )等于G 1 (B )等于G 2 (C )等于(G 1－G 2) (D )大于(G 1－G 2) 3. 两个相同的轻金属容器里装有同样质量的水。一个重球挂在不导热的细线上。放入其中一个容器内，使球位于容器内水的体积中心。球的质量等于水的质量，球的密度比水的密度大得多。两个容器加热到水的沸点，再冷却。已知：放有球的容器冷却到室温所需时间为未放球的容器冷却到室温所需时间的k 倍。试求制作球的物质的比热与水的比热之比c 球:c 两个完全相同的金属球a 、b,其中a 球放在不导热的水平面上,b 球用不导热的细线悬挂起来。现供给两球相同的热量，他们的温度分别升高了△ta 、△tb ，假设两球热膨胀的体积相等，则 A.△ta>△tb B.△ta<△tb C.△ta=△tb D.无法比较 4.水和油边界的表面张力系数为σ=1.8×10-2N ／m ，为了使1.0×103kg 的油在水内散成半径为r =10－6m 的小油滴，若油的密度为900kg ／m 3，问至少做多少功? 5.炎热的夏季，人们通过空调来降低并维持房间较低的温度，在室外的温度为1T 时，要维持房间0T 的温度，空调每小时工作0n 次。已知一厚度d ，面积为S 的截面，当两端截面处的温度分别为a T 、b T ，且b a T T >，则热量沿着垂直于截面方向传递，达到稳定状态时，在t ?时间内通过横截面S 所传递的热量为： t S d T T K Q b a ?-= （其中K 为物质的导热系数。）

高中物理竞赛教程(超详细) 第十一讲物理光学23页

第二讲物理光学 §2.1 光的波动性 2.1.1光的电磁理论 19世纪60年代，美国物理学家麦克斯韦发展了电磁理论，指出光是一种电磁波，使波动说发展到了相当完美的地步。 2.1.2光的干涉 1、干涉现象是波动的特性凡有强弱按一定分布的干涉花样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的最可靠最有力的实验证据。 2、光的相干迭加两列波的迭加问题可以归结为讨论空间任一点电磁振动的力迭加，所以，合振动平均强度为其中1A 、2A 为振幅，1?、2?为振动初相位。 3、光的干涉 (1)双缝干涉在暗室里，托马斯·杨利用壁上的小孔得到一束阳光。在这束光里，在垂直光束方向里放置了两条靠得很近的狭缝的黑屏，在屏在那边再放一块白屏，如图2-1-1所示，于是得到了与缝平行的彩色条纹；如果在双缝前放一块滤光片，就得到明暗相同的条纹。 A 、 B 为双缝，相距为d ，M 为白屏与双缝相距为l ，DO 为AB 的中垂线。屏上距离O 为x 的一点P 到双缝的距离 dx PA PB PA PB 2)()(=+?- 由于d 、x 均远小于l ，因此PB+PA=2l ，所以P 点到A 、B 的光程差为：若A 、B 是同位相光源，当δ为波长的整数倍时，两列波波峰与波峰或波谷与波谷相遇，P 为加强点（亮点）；当δ为半波长的奇数倍时，两列波波峰与波谷相遇，P 为减弱点（暗点）。因此，白屏上干涉明条纹对应位置为) 2,1,0( =??±=k d l k x λ暗条纹对应位置为) 2,1,0()21( =?-±=k l d k x λ。其中k =0的明条纹为中央明条纹，称为零级明条纹；k =1，2…时，分别为中央明条纹两侧的第1条、第2条…明（或暗）条纹，称为一级、二级…明（或暗）条纹。相邻两明（或暗）条纹间的距离 λd l x = ? 。该阳光图2-1-1

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初二物理精英班第4讲全国初中应用物理知识竞赛----光现象辅导练习 1．验钞机发出的“光”能使钞票上的荧光物质发光；家用电器的遥控器发出的“光”，能用来控制电风扇、电视机、空调器等电器的开启与关闭。对于它们发出的“光”，下列说法中正确的是 ( ) A.验钞机和遥控器发出的“光”都是紫外线 B.验钞机和遥控器发出的“光”都是红外线 C.验钞机发出的“光”是紫外线，遥控器发出的“光”是红外线 D.验钞机发出的“光”是红外线，遥控器发出的“光”是紫外线 2．下列哪个情景中的“影”是由于光的折射产生的（） A ．立竿见影 B ．毕业合影 C ．湖光倒影 D ．树影婆娑 3.小明的写字台上有一盏台灯。晚上在灯前学习时，铺在台面上的玻璃“发出”刺眼的亮光，影响阅读。在下面的解决方案中，最简单、效果最好的是( ) A ．把台灯换成吊灯 B ．把台灯放在正前方 C ．把台灯移到左臂外侧 D ．把台灯移到右臂外侧 4.成语“白纸黑字”喻指证据确凿，不容抵赖和否认。从物理学角度看( ) A. 黑字比白纸反射光的本领强 B. 白纸和黑字分别发出不同颜色的光进入眼睛 C. 白纸和黑字分别反射出白光和黑光进入眼睛 D. 白纸反射出白光进入眼睛,而黑字不反光 5．如图所示，平面镜M 1和M 2的夹角为60°，物点S 经这两块平面镜所成的清晰像共有( ) A ．2个 B ．3个 C ．4个 D ．5个 6．如图是潜望镜的示意图，观察者通过该潜望镜看到的物体的像的情况是( ) A ．同实际物体上下、左右关系都是一致的 B ．同实际物体的上下、左右关系都是相反的 C ．同实际物体的上下关系是一致的，而左右关系是相反的 D ．同实际物体的上下关系是相反的，而左右关系是一致的 7．一个演员在舞台上演出．当舞台上方的红色追光灯照射到她时，观众看到她一身艳丽的红色服装；当灯光操作员改用绿色追光灯照射她时，观众看到她的上装为绿色而裙子为黑色．那么，

第31届全国中学生物理竞赛决赛试题与解答(word版)

第 31 届全国中学生物理竞赛决赛理论考试试题一、（12 分）一转速测量和控制装置的原理如图所示. 在 O 点有电量为 Q 的正电荷，内壁光滑的轻质绝缘细管可绕通过 O 点的竖直轴在水平面内转动，在管内距离 O 为 L 处有一光电触发控制开关 A ，在 O 端固定有一自由长度为 L/4 的轻质绝缘弹簧，弹簧另一端与一质量为 m 、带有正电荷 q 的小球相连接. 开始时，系统处于静态平衡. 细管在外力矩作用下，作定轴转动，小球可在细管内运动. 当细管转速ω逐渐变大时，小球到达细管的 A 处刚好相对于细管径向平衡，并触发控制开关，外力矩瞬时变为零，从而限制转速过大；同时 O 点的电荷变为等量负电荷－Q.通过测量此后小球相对于细管径向平衡点的位置 B ，可测定转速. 若测得 OB 的距离为 L/2，求（1）弹簧系数0k 及小球在 B 处时细管的转速；（2）试问小球在平衡点 B 附近是否存在相对于细管的径向微振动？如果存在，求出该微振动的周期. 二、（14 分）多弹头攻击系统是破解导弹防御体系的有效手段. 如图所示，假设沿某海岸有两个军事目标 W 和 N ，两者相距 L ，一艘潜艇沿平行于该海岸线的航线游弋，并监视这两个目标，其航线离海岸线的距离为 d . 潜艇接到攻击命令后浮出海面发射一颗可分裂成多弹头的母弹，发射速度为0 v （其大小远大于潜艇在海里游弋速度的大小），假设母弹到达最高点时分裂成三个分弹头，每个分弹头的质量相等，分裂时相对原母弹的速度大小均为 v ，且分布在同一水平面内，分弹头 1、2 为实弹，分弹头 3 迷惑对方雷达探测的假弹头. 如果两个实弹能够分别击中军事目标 W 和 N ，试求潜艇发射母弹时的位置与发射方向，并给出相应的实现条件. 三、（14 分）如图所示，某绝热熔器被两块装有阀门 K 1 和 K 2 的固定绝热隔板分割成相等体积0V 的三室 A 、B 、C ，0A B C V V V V ===.容器左端用绝热活塞 H 封闭，左侧 A 室装有11ν=摩尔单原子分子气体，处在压强为 P 0、温度为 T 0 的平衡态；中段 B 室为真空；右侧 C 室装有ν2 = 2 摩尔双原子分子气体，测得其平衡态温度为 Tc = 0.50 T 0.初始时刻 K 1 和 K 2 都处在关闭状态.然后系统依次经历如下与外界无热量交换的热力学过程：（1）打开 K 1，让 V A 中的气体自由膨胀到中段真空 V B 中；等待气体达到平衡态时，缓慢推动活塞 H 压缩气体，使得 A 室体积减小了 30%（A V ' = 0.70 V 0）.求压缩过程前后，该部分气体的平衡态温度及压强；（2）保持 K 1 开放，打开 K 2，让容器中的两种气体自由混合后共同达到平衡态. 求此时混合气体的温度和压强；（3）保持 K 1 和 K 2 同时处在开放状态，缓慢拉动活塞 H ，使得 A 室体积恢复到初始体积 A V ''=V 0. 求此时混合气体的温度和压强.

热学试题(2).doc

大学物理竞赛训练题热学(2) 一、选择题 1. 一定量的理想气体分别由初态a 经①过程ab 和由初态a ′经②过程a′cb 到达相同的终态b ，如p －T 图所示，则两个过程中气体从外界吸收的热量 Q 1，Q 2的关系为： (A) Q 1<0，Q 1 > Q 2． (B) Q 1>0，Q 1> Q 2． (C) Q 1<0，Q 1< Q 2． (D) Q 1>0，Q 1< Q 2．［］ 2. 有两个相同的容器，容积固定不变，一个盛有氨气，另一个盛有氢气（看成刚性分子的理想气体），它们的压强和温度都相等，现将5J 的热量传给氢气，使氢气温度升高，如果使氨气也升高同样的温度，则应向氨气传递热量是：［］ (A) 6 J. (B) 5 J. (C) 3 J. (D) 2 J. 3. 某理想气体状态变化时，内能随体积的变化关系如图中AB 直线所示．A →B 表示的过程是［］ (A) 等压过程． (B) 等体过程． (C) 等温过程． (D) 绝热过程． 4.在所给出的四个图象中，哪个图象能够描述一定质量的理想气体，在可逆绝热过程中，密度随压强的变化？［］ 5. 气缸中有一定量的氦气(视为理想气体)，经过绝热压缩，体积变为原来的一半，则气体分子的平均速率变为原来的［］ (A) 24/5倍． (B) 22/3倍． (C) 22/5倍． (D) 21/3倍． 6. 对于室温下的双原子分子理想气体，在等压膨胀的情况下，系统对外所作的功与从外界吸收的热量之比W / Q 等于［］ (A) 2/3． (B) 1/2． (C) 2/5． (D) 2/7． 7. 理想气体卡诺循环过程的两条绝热线下的面积大小(图中阴影部分)分别为S 1和S 2，则二者的大小关系是： (A) S 1 > S 2． (B) S 1 = S 2． (C) S 1 < S 2． (D) 无法确定．［］ p ρ p (A) ρ p (C) ρ p (B)ρ p (D)

27高中物理竞赛热学习题2整理

高中物理竞赛热学习题热学2 姓名：班级：成绩： 1. 如图所示，一摩尔理想气体，由压强与体积关系的p-V 图中的状态A 出发，经过一缓慢的直线过程到达状态B ，已知状态B 的压强与状态A 的压强之比为1/2 ，若要使整个过程的最终结果是气体从外界吸收了热量，则状态B 与状态A 的体积之比应满足什么条件？已知此理想气体每摩尔的内能为 23RT ，R 为普适气体常量，T 为热力学温度. 2.有一气缸，除底部外都是绝热的，上面是一个不计重力的活塞，中间是一块固定的导热隔板，把气缸分隔成相等的两部分A 和B ，上、下各有1mol 氮气（52 U RT = ），现由底部慢慢地将350J 热量传送给缸内气体，求（1）A 、B 内气体的温度各改变了多少？（2）它们各吸收了多少热量。 3. 使1mol 理想气体实行如图所示循环。求这过程气体做的总功。仅用T 1，T 2和常数R 表示。（在1-2过程，12P T α= ）

4.如图所示，绝热的活塞S 把一定质量的稀薄气体（可视为理想气体）密封在水平放置的绝热气缸内．活塞可在气缸内无摩擦地滑动．气缸左端的电热丝可通弱电流对气缸内气体十分缓慢地加热．气缸处在大气中，大气压强为p0．初始时，气体的体积为V0、压强为p0．已知1 摩尔该气体温度升高1K 时其内能的增量为一已知恒量。，求以下两种过程中电热丝传给气体的热量Q1与Q2之比． 1 ．从初始状态出发，保持活塞S 位置固定，在电热丝中通以弱电流，并持续一段时间，然后停止通电，待气体达到热平衡时，测得气体的压强为p1 . 2 ．仍从初始状态出发，让活塞处在自由状态，在电热丝中通以弱电流，也持续一段时间，然后停止通电，最后测得气体的体积为V 2 ． 5. 图示为圆柱形气缸，气缸壁绝热，气缸的右端有一小孔和大气相通，大气的压强为p0。用一热容量可忽略的导热隔板N和一绝热活塞M将气缸分为A、B、C三室，隔板与气缸固连，活塞相对气缸可以无摩擦地移动但不漏气，气缸的左端A室中有一电加热器Ω。已知在A、B室中均盛有1摩尔同种理想气体，电加热器加热前，系统处于平衡状态，A、B两室中气体的温度均为T0，A、B、C三室的体积均为V0。现通过电加热器对A室中气体缓慢加热，若提供的总热量为Q0，试求B室中气体末态体积和A室中气体的末态温度。设A、B 两室中气体1摩尔的内能 5 2 U RT 。R为普适恒量，T为热力学温度。

高中物理竞赛几何光学

第07部分几何光学 §1 三大定律一、直线传播： 1、条件：同一种均匀介质 2、日食原理： 3、月食原理：二、反射： 1、反射定律：共面、分居两侧、等角 2、平面镜成像：等大、等距、对称的虚像作图法：定律法、对称法 3、反射视场：三、折射： 1、折射定律：共面、分居两侧、斯涅尔公式： 2 1 sin sin θθ为定值 2、折射率：描述介质对光线偏折程度的物理量。从真空射入介质：定义式：21sin sin θθ= n ；决定式：v c n = 从介质1射入介质2：2211sin sin θθn n =；2211v n v n = 介质1对介质2的相对折射率：1 2 122112sin sin v v n n n ===θθ 四、费马原理： 1、光程l ： n n v s v s v s t +++= K 2211；n n n n s n s n s n v cs v cs v cs ct K K ++=+++=22112211 在均匀介质中，光程等于光的几何路程s 与物质的折射率的乘积：ns l =；

在不均匀介质中，取元光程s n l i ??=?，总光程为s n l N i i N ?= ∑=∞→1 lim 光程这光在介质中走过的路程折算成真空中走过的路程。 2、费马原理：在指定的两点之间光实际传播的路径是：光程取极值的路径。在大部分情况下，此极值为最小值，但有时为最大值，有时为恒定值。 3、用原理解释直进、反射、折射：（1）直进：在均匀介质里传播，因为给定两点间直线路径最短，所以光沿直线传播。（2）反射：（3）折射：214页五、全反射： 1、光密介质、光疏介质：两种介质相比较，折射率较大的介质叫光密介质，折射率较小的介质叫光疏介质 2、定义：当光线从光密介质射到光疏介质的界面上时，若入射角大于临界角，则折射光线消失，只产生反射的现象叫全反射 3、条件： ⑴光从光密介质射向光疏介质； ⑵入射角大于或等于临界角．两条件必须同时存在，才发生全反射。 4、应用：全反射棱镜、光导纤维、海市蜃楼：六、棱镜： 1、定义：有两个、两个以上的折射面的透明介质。 2、特点：光线通过棱镜时，出射光将向底面偏折．通过棱镜可看到物体的虚像，像的位置向顶角偏移． 2、光路图：棱镜角为A

全国中学生物理竞赛真题汇编热学

全国中学生物理竞赛真题汇编---热学 1.（19Y4）四、（20分）如图预19-4所示，三个绝热的、容积相同的球状容器A 、B 、C ，用带有阀门K 1、K 2的绝热细管连通，相邻两球球心的高度差 1.00m h =．初始时，阀门是关闭的，A 中装有1mol 的氦（He ）,B 中装有1mol 的氪（Kr ）,C 中装有lmol 的氙（Xe ），三者的温度和压强都相同．气体均可视为理想气体．现打开阀门K 1、K 2，三种气体相互混合，最终每一种气体在整个容器中均匀分布，三个容器中气体的温度相同．求气体温度的改变量．已知三种气体的摩尔质量分别为 31He 4.00310kg mol μ--=?? 在体积不变时，这三种气体任何一种每摩尔温度升高1K ，所吸收的热量均为 3/2R ，R 为普适气体常量． 2．（20Y3）（20分）在野外施工中，需要使质量m ＝4.20 kg 的铝合金构件升温；除了保温瓶中尚存有温度t ＝90.0oC 的1.200kg 的热水外，无其他热源。试提出一个操作方案，能利用这些热水使构件从温度t 0＝10.0oC 升温到66.0oC 以上(含66.0oC)，并通过计算验证你的方案．已知铝合金的比热容c ＝0.880×103J ·(k g·oC)－1 ，水的比热容c ＝ 4.20×103J ·(kg ·oC)－1 ，不计向周围环境散失的热量． 3．（22Y6）(25分)如图所示。两根位于同一水平面内的平行的直长金属导轨，处于恒定磁场中。磁场方向与导轨所在平面垂直．一质量为m 的均匀导体细杆，放在导轨上，并与导轨垂直，可沿导轨无摩擦地滑动，细杆与导轨的电阻均可忽略不计．导轨的左端与一根阻值为尺0的电阻丝相连，电阻丝置于一绝热容器中，电阻丝的热容量不计．容器与一水平放置的开口细管相通，细管内有一截面为S 的小液柱(质量不计)，液柱将l mol 气体(可视为理想气体)封闭在容器中．已知温度升高1 K 时，该气体的内能的增加量为5R ／2(R 为普适气体常量)，大气压强为po ，现令细杆沿导轨方向以初速V 0向右运动，试求达到平衡时细管中液柱的位移． 4．（16F1）20分）一汽缸的初始体积为0V ，其中盛有2mol 的空气和少量的水（水的体积可以忽略）。平衡时气体的总压强是3.0atm ，经做等温膨胀后使其体积加倍，在膨胀结束时，其中的水刚好全部消失，此时的总压强为2.0atm 。若让其继续作等温膨胀，使体积再次加倍。试计算此时： 1.汽缸中气体的温度； 2.汽缸中水蒸气的摩尔数； 3.汽缸中气体的总压强。假定空气和水蒸气均可以当作理想气体处理。 5．（17F1）在一大水银槽中竖直插有一根玻璃管，管上端封闭，下端开口．已知槽中水银液面以上的那部分玻璃管的长度ｌ＝76ｃｍ，管内封闭有ｎ＝1．0×10－3 ｍｏｌ的空气，保持水银槽与玻璃管都不动而设法使玻璃管内空气的温度缓慢地降低10℃，问在此过程中管内空气放出的热量为多少?已知管外大气的压强为76ｃｍＨｇ，每摩尔空气的内能Ｕ＝ＣＶＴ，其中Ｔ为绝对温度，常量ＣＶ＝20．5Ｊ·（ｍｏｌ·Ｋ）－1 ，普适气体常量Ｒ＝8．31Ｊ·（ｍｏｌ·Ｋ）－1 31Kr 83.810kg mol μ--=??31Xe 131.310kg mol μ--=??

高中物理竞赛十年复赛真题-热学(含答案)

十年真题－热学（复赛） 1．（34届复赛7）如气体压强-体积图所示，摩尔数为ν的双原子理想气体构成的系统经历一正循环过程（正循环指沿图中箭头所示的循环），其中自A 到B 为直线过程，自B 到A 为等温过程．双原子理想气体的定容摩尔热容为52 R ， R 为气体常量．（1）求直线AB 过程中的最高温度；（2）求直线AB 过程中气体的摩尔热容量随气体体积变化的关系式，说明气体在直线AB 过程各段体积范围内是吸热过程还是放热过程，确定吸热和放热过程发生转变时的温度T c ；（3）求整个直线AB 过程中所吸收的净热量和一个正循环过程中气体对外所作的净功．解析：（1）直线AB 过程中任一平衡态气体的压强p 和体积V 满足方程p －p 0p 0－p 02＝V －V 02V 02 －V 0 此即 p ＝32p 0－p 0V 0 V ① 根据理想气体状态方程有：pV ＝νRT ② 由①②式得： T ＝1νR ????－p 0V 0V 2＋32p 0V ＝－p 0νR ????V －34V 02＋9p 0V 016νR ③ 由③式知，当V ＝34 V 0时， ④ 气体达到直线AB 过程中的最高温度为：T max ＝9p 0V 016νR ⑤ （2）由直线AB 过程的摩尔热容C m 的定义有：dQ ＝νC m dT ⑥ 由热力学第一定律有： dU ＝dQ －pdV ⑦ 由理想气体内能公式和题给数据有：dU ＝νC V dT ＝ν52 RdT ⑧ 由①⑥⑦⑧式得：C m ＝C V ＋p νdV dT ＝52R ＋????32 p 0－p 0V 0V 1νdV dT ⑨ 由③式两边微分得：dV dT ＝2νRV 0p 0(3V 0－4V ) ⑩ 由⑩式带入⑨式得：C m ＝21V 0－24V 3V 0－4V R 2 ? 由⑥⑩?式得，直线AB 过程中，在V 从V 02增大到3V 04的过程中，C m ＞0，dV dT ＞0，故dQ dV ＞0，吸热 ? 在V 从3V 04增大到21V 024的过程中，C m ＜0，dV dT ＜0，故dQ dV ＞0，吸热 ? 在V 从21V 024增大到V 0的过程中，C m ＞0，dV dT ＜0，故dQ dV ＜0，放热 ?

全国高中物理竞赛波动光学专题

波动光学【知识点】一、光的干涉 1、光波定义光波是某一波段的电磁波，是电磁量E 和H 的空间的传播． 2、光的干涉定义满足一定条件的两束（或多束）光波相遇时，在光波重叠区域内，某些点合光强大于分光强之和，在另一些点合光强小于分光强之和，因而合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布，称为光的干涉现象，光波的这种叠加称为相干叠加，合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布称为干涉条纹，其中强度极大值的分布称为明条纹，强度极小值的分布称为暗条纹． 3、相干条件表述两束光波发生相干的条件是：频率相同，振动方向几乎相同，在相遇点处有恒定的相位差． 4、光程差与相位差定义两列光波传播到相遇处的光程之差称为光程差；两列光波传播到相遇处的相位之差称为相位差． 5、双光束干涉强度公式表述在满足三个相干条件时，两相干光叠加干涉场中各点的光强为 12122cos I I I I I ?=++? 式中，相位差 122()π ???δλ ?=-- 保持恒定，若120I I I ==，则 2 002(1cos )4cos 2 I I I ? ??=+?= 6、杨氏双缝干涉实验实验装置与现象如图1所示，狭缝光源S 位于对称轴线上，照明相距为a 的两个狭缝 1S 和2S ，在距针孔为D 的垂轴平面上观察干涉图样，装置放置在空气(1)n =中，结构满足 ,,sin tan d D D x θθ≈ ．

在近轴区内，屏幕上的是平行、等间距的明暗相间的直条纹，屏幕上P 点的光程差δ为 21sin x r r d d D δθ=-≈≈ 相应明暗纹条件是 (21)2 k x d D k λδλ ?? ==?+??，干涉加强，，干涉减弱，干涉条纹的位置是 0,1,2,(21)2D k d x k D k d λλ???==±±??+?? ，明纹中心位置，，暗纹中心位置，式中，整数k 称为干涉级数，用以区别不同的条纹． 7、薄膜干涉实验装置如图2所示，扩展单色光源照射到薄膜上反射光干涉的情况，光源发出的任一单条光线经薄膜上下两个面反射后，形成两条光线○ 1、○2，在实验室中可用透镜将它们会聚在焦平面处的屏上进行观察，在膜的上下两个表面反射的两束光线○1和○2的光程差为 222 21 2sin 2 e n n i λ δ=-+ 1 r 1 r P x O 2 S a 1 S S D 1 O E 图1 1 n 2 n l C ① ② 图 2 3 n

物理竞赛专题训练(光学)

初中竞赛专项训练—光的反射（每空8分共计120分） 1.为了能迅速地判断出日食的食相，我们用线段MN 、PQ 分别表示太阳、月亮，地球上的观察者在A 点。从A 点作射线AP 、AQ ，则可出现下列四种情况，如图所示。观察者在A 点看到的食相情况是：甲图中可看到____________，乙图中可看到 ______________，丙图中可看到___________，丁图中可看到 _________________________。 2.如图所示，A 、B 两个平面镜平行放置，一束光线入射A 镜，反射后从B 镜射出．若保持入射光线不变，而只让B 镜转动θ角，则转动后从B 镜射出的光线与A 镜的反射间的夹角为____________________。 3.如图，在圆筒中心放一平面镜，光点Ｓ1发光射到镜面上，反射光在筒壁上呈现光斑Ｓ2，当平面镜绕筒的中轴线Ｏ以角速度ω匀速旋转一小角度时，光点Ｓ1在平面镜里的像Ｓ1′的角速度等于，光斑Ｓ2在平面镜里的像Ｓ2′的角速度等于。 4.如图所示,平面镜OM 1与OM 2成θ角,A 为OM 1上一点,光线从A 点出发,对于OM 2的入射角i 1是50o,经过来回四次反射后跟OM 2 平行,则θ角为__________度。 5.如图所示，一发光点Ｓ从Ａ点沿ＡＢ连线方向做匀速直线运动，速度为ｖ＝ 3ｍ／ｓ，与出发点Ａ相距Ｌ＝3ｍ处有一垂直于纸面的轴Ｏ，ＯＡ垂直于ＡＢ，平面镜ＭＮ可绕Ｏ点旋转，为使发光点Ｓ经平面镜成的像始终处于与ＡＢ平行的ＰＯ连线上，经时间ｔ＝1ｓ后平面镜转过的角度是。 6.如图所示，平面镜M 开始时与天花板AB 平行，M 与墙的距离为h 。一束光线沿垂直天花板面方向射到平面镜上的O 点。现让平面镜绕O 点且垂直纸面的轴以角速度ω匀速转动，当M 转过θ角时，其反射光射到天花板上，形成一光点P 。此时光点P 运动速度的_________m/s 。 7.如图所示,如xoy 平面内的S 点(位置坐标为x=100cm,y=50cm) 有一射灯发出一束发散角为15度的光束，此光束在xoy 平面内匀速转动,转动为每分钟120圈.此光束转至某位置时,经位于x 轴上的平面镜反射后便可射到y 轴上的刻度尺MN 上(M,.N 两点的 y 坐标分别为123cm 和50cm).图中PQ 为挡光板,使这些光束不能直接照射到MN 上,每次有镜面反射光照射到MN 上（包括MN 全部被照射和部分被照射）的时间为_________秒（3＝1.73） 8.图所示，在X 轴的原点放一点光源S ，距点光源为 a 处放一不透光的边长为a 的正方体物块。若在X 轴的上方距X 轴为2a 处 A B θ S 1 S 2 O

第29届全国中学生物理竞赛决赛试题及答案(word版)

29届全国中学生物理竞赛决赛试题 panxinw 整理一、(15分) 如图，竖直的光滑墙面上有A 和B 两个钉子，二者处于同一水平高度，间距为l ，有一原长为l 、劲度系数为k 的轻橡皮筋，一端由A 钉固定，另一端系有一质量为m=g kl 4的小球，其中g 为重力加速度．钉子和小球都可视为质点，小球和任何物体碰撞都是完全非弹性碰撞而且不发生粘连．现将小球水平向右拉伸到与A 钉距离为2l 的C 点，B 钉恰好处于橡皮筋下面并始终与之光滑接触．初始时刻小球获得大小为20gl v 、方向竖直向下的速度，试确定此后小球沿竖直方向的速度为零的时刻．

二、(20分) 如图所示，三个质量均为m的小球固定于由刚性轻质杆构成的丁字形架的三个顶点A、B和C处．AD ⊥BC，且AD=BD=CD=a，小球可视为质点，整个杆球体系置于水平桌面上，三个小球和桌面接触，轻质杆架悬空．桌面和三小球之间的静摩擦和滑动摩擦因数均为μ，在AD杆上距A点a／4 1．试论证在上述推力作用下，杆球体系处于由静止转变为运动的临界状态时，三球所受桌面的摩擦力都达到最大静摩擦力； 2．如果在AD杆上有一转轴，随推力由零逐渐增加，整个装置将从静止开始绕该转轴转动．问转轴在AD杆上什么位置时，推动该体系所需的推力最小，并求出该推力的大小．

三、(20分) 不光滑水平地面上有一质量为m的刚性柱体，两者之间的摩擦因数记为μ．柱体正视图如图所示，正视图下部为一高度为h的矩形，上部为一半径为R的半圆形．柱体上表面静置一质量同为m的均匀柔软的链条，链条两端距地面的高度均为h／2，链条和柱体表面始终光滑接触．初始时，链条受到微小扰动而沿柱体右侧面下滑．试求在链条开始下滑直至其右端接触地面之前的过程中，当题中所给参数满足什么关系时， 1．柱体能在地面上滑动； 2．柱体能向一侧倾倒； 3．在前两条件满足的情形下，柱体滑动先于倾倒发生．

高中物理竞赛辅导习题热学部分..

高中物理竞赛热学部分题选 1．一个老式的电保险丝，由连接在两个端纽之间的一根细而均匀的导线构成。导线按斯特藩定律从其表面散热。斯特藩定律指出:辐射功率P 跟辐射体表面积S 以及一个与温度有关的函数成正比，即 () ,4 4外辐T T S P -∞ 试说明为什么用保险丝时并不需要准确的长度。解：设l 为保险丝长度，r 为其半径，P 为输至整个保险丝上的功率。若P 增大，保险丝的温度将上升，直到输入的电功率等于辐射的功率。所以当P 超过某一值max P 时，在一定的时间内，保险丝将烧毁，而 ( ) ,2144 max l r c T T kS P ??=-=π外熔式中k 为一常数，S 为表面积，1c 为一常数。由于P=I 2R ，假设保险丝的电阻R 比它所保护的线路电阻小很多，则I 不依赖于R ，而 ρρ ,S l R =为常数，2 r S π=为保险丝的横截面积。 ,/22 r l I P πρ= 当rl c r l I 22 2/=时(这里2c 为另一常数)，保险丝将熔化。 .3 22 r c I = 可见，保险丝的熔断电流不依赖于长度，仅与其粗细程度(半径r)有关。 2．有两根长度均为50cm 的金属丝A 和B 牢固地焊在一起，另两端固定在牢固的支架上（如图21-3）。其线胀系数分别为αA =1.1×10-5/℃，αB =1.9×10-5/℃，倔强系数分别为K A =2×106N/m ，K B =1×106 N/m ；金属丝A 受到450N 的拉力时就会被拉断，金属丝B 受到520N 的拉力时才断，假定支架的间距不随温度改变。问：温度由+30°C 下降至-20°C 时，会出现什么情况？（A 、B 丝都不断呢，还是A 断或者B 断呢，还是两丝都断呢？）不计金属丝的重量，在温度为30°C 时它们被拉直但张力为零。解：金属A 和B 从自由状态降温，当温度降低t ?时的总缩短为 t l l l l B A B A ?+=?+?=?0)(αα （1）而在-20°C 时，若金属丝中的拉力为F ，则根据胡克定律，A 、B 的伸长量分别为F/K A 和F/K B ，所以 l K E K E B A ?=+ （2） t l K K F B A B A ?+-? ??? ??+0)(11αα （3）所以 N K K t l F B A B A 50011)(0=+?+=αα 因为N F 450>，所以温度下降到-20°C 前A 丝即被拉断。A 丝断后。F=0，即使温度再下降很多，B 丝也不会断。 3．长江大桥的钢梁是一端固定，另一端自由的。这是为什么？如果在-10℃时把两端都固定起来，当温度升高到40℃时，钢梁所承担的胁强（压强）是多少？（钢的线胀系数为12×10-6/℃，弹性模量为2.0×105N/mm 2，g=10m/s 2）解：长1m 、横截面积为1mm 2的杆，受到10N 拉力后伸长的量，叫伸长系数，用a 来表示，而它的倒数叫弹性模量E ，./1a E =当杆长为L 0m ，拉力为F ，S 为横截面积（单位为mm 2），则有伸长量

初中物理竞赛测试题声学与光学附答案

初中物理竞赛测试题: 声学与光学（附答案）一、选择题 1、有一种自行车尾灯设计得很巧妙。当后面汽车的灯光以任何方向射到尾灯时，它都能把光钱“反向射回”。下图是4种尾灯的剖面示意图，其中用于反光的镜面具有不同的形状。能产生上述效果的镜面是( ) A B C D 2、图4中画的是王小刚同学的眼镜，从眼镜判断，他的眼睛( ) A．是远视眼。 B．是近视眼。 C．视力正常，眼镜是太阳镜。 D．一只眼视力基本正常，另一只是近视眼。 3、这张试卷是白纸上印有黑字，每个人都看得特别清楚。我们之所以能看清楚这些字的主要原因是( ) A．白纸和黑字分别发出了不同颜色的光进入眼睛。 B．白光照到试卷上，白纸和黑字分别反射出白光和黑光进入眼睛。 C．白光照到试卷上，白纸仅射出白光进入眼睛，而黑字不反光。 D．黑字比白纸反射光的本领强。

4、一种手电筒上所有的聚光小电珠如图2所示，其前端相当于一个玻璃制成的凸透镜，灯丝（可看作一个点光源）发出的光通过它出射时，出射光束（图中实线所示）比无此透镜时的光束（图中虚线所示）要窄，即它可减小光束的发散，有聚光功能。在这种小电珠中，灯丝应位于( ) A．凸透镜的焦点以内。 B．凸透镜的一倍焦距和两倍焦距之间。 C．凸透镜的焦点处。 D．凸透镜的两倍焦距处。 5、为了防盗，在门上装上一个“猫眼”，使屋内的人能看清屋外的人是一个正立缩小的像，屋外面的人却看不清屋内的人，则“猫眼”应该是：( ) A．凸镜B．凹镜 C．凹透镜D．凸透镜 6、在暗室的红灯下看一张白纸和白纸上的红字，得到的感觉是：( ) A．纸是白色的，字能看清楚 B．纸是白色的，字看不清楚 C．纸是红色的，字能看清楚 D．纸是红色的，字看不清楚 7、在没有任何其他光照的情况下，舞台追光灯发出的绿光照在穿白上衣、红裙子的演员身上，观众看到她( ) A．全身呈绿色。C．上衣呈绿色，裙子呈紫色。 B．上衣呈绿色，裙子不变色。D．上衣呈绿色，裙子呈黑色。