Đề Olympic môn Vật lí Lớp 11 (Có đáp án)

Nội dung text: Đề Olympic môn Vật lí Lớp 11 (Có đáp án)

1. SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN - HỘI VẬT LÍ NGHỆ AN ĐỀ ÔLYMPIC VẬT LÍ LỚP 11 Năm học 2010-2011 Thời gian làm bài: 180 phút (không kể thời gian giao nhận đề) Chú ý: Đề bài có 2 mặt. Bài 1 (3 điểm) Trên hình 1 là đồ thị biểu diễn một quá trình biến đổi đẳng áp của một lượng khí lí tưởng nào đó. 1) Đồ thị này được vẽ trên hệ tọa độ nào? Giải thích. Đoạn đồ thị được vẽ bằng đường nét đứt có ý nghĩa gì? Trên hệ tọa độ này, đường đẳng tích có dạng như thế nào? 2) Em hãy vẽ thêm một đường đẳng áp của lượng khí đó ứng với áp suất lớn hơn áp suất đã cho. Giải thích hình vẽ của em. Hình 1 Bài 2 (2 điểm) 0 Thả vào một cái bình đang chứa đầy nước ở nhiệt độ t0=20 C một vật bằng nhôm có nhiệt độ t=1000C. Sau khi cân bằng nhiệt thì nhiệt độ nước trong bình là 0 t1=30,3 C. Sau đó thí nghiệm được làm lại từ đầu với hai vật nhôm giống như thí 0 nghiệm ban đầu thì nhiệt độ cuối cùng trong bình là t2=42,6 C. Hãy tính nhiệt dung riêng của nhôm. Biết rằng các vật nhôm khi thả vào bình thì chìm hoàn toàn và coi rằng chúng chỉ tỏa nhiệt cho nước còn lại trong bình, nhiệt dung riêng của nước là 3 3 c0=4,2.10 J/(kg.K); khối lượng riêng của nước là 0=1000kg/m ; khối lượng riêng của nhôm là =2700kg/m3. Bỏ qua nhiệt dung của bình và sự mất mát nhiệt. Bài 3 (4 điểm) Hai quả cầu nhỏ giống nhau, trọng lượng của mỗi quả là 600 l P=0,1N, được tích điện giống nhau. 2l 1) Một quả cầu được giữ cố định, quả thứ hai di chuyển theo chu vi của một hình vuông có tâm tại vị trí của quả cầu cố định. Lực cực g đại và lực cực tiểu mà các quả cầu tương tác với nhau trong quá trình Hình 2 di chuyển hơn kém nhau bao nhiêu lần? 2) Hai quả cầu trên được treo lên một điểm bằng hai sợi dây nhẹ, cách điện có chiều dài là l và 2l như hình 2 thì góc lệch giữa hai sợi dây bằng 600. Xác định độ lớn của lực điện mà hai quả cầu tương tác với nhau khi đó. Bài 4 (2,5 điểm) Có ba điện trở R , R và R mà khi mắc lần lượt chúng R3 1 2 3 R vào cùng một hiệu điện thế thì công suất tỏa nhiệt trên chúng 1 R tương ứng là P, P/2 và P/4. Nếu ba điện trở ấy được mắc với 2 nhau thành mạch điện như hình 3 và cũng mắc vào hiệu điện Hình 3 thế ban đầu thì công suất tỏa nhiệt trên mạch này là bao nhiêu? Bài 5 (6,5 điểm) R R Cho mạch điện có sơ đồ như hình 4. Các điện trở R giống 1 nhau và R=4, điện trở trong của nguồn điện r=2. A K B R C 1) Ban đầu khóa K ngắt (như hình vẽ), biến trở R1 được điều chỉnh cho điện trở của nó bằng 4.Nếu đóng khóa K và E r chờ cho mạch ổn định thì năng lượng của tụ điện C sẽ tăng hay giảm bao nhiêu lần? Hình 4 1
2. 2) Khóa K đóng. Để tổng công suất tiêu thụ trên các điện trở R và R1 đạt cực đại thì điện trở của biến trở R1 cần phải bằng bao nhiêu? 3) Khóa K đóng, giả sử suất điện động của nguồn điện là E =12V, hãy vẽ đồ thị phụ thuộc của hiệu điện thế giữa hai điểm A và B vào cường độ dòng điện chạy qua nguồn điện khi điều chỉnh biến trở R1. 4) Khóa K đóng. Giả sử suất điện động E của nguồn và biến trở R1 có trị số lớn tùy ý, tụ điện C là một tụ phẳng mà khoảng không gian giữa hai bản tụ có nhồi đầy một chất có điện trở suất phụ thuộc vào cường độ điện trường E mà chất này đặt 2 7 3 3 2 trong đó theo quy luật: 0 E . Trong đó 0 10 m; 10 m/ V . Diện tích mỗi bản tụ là S=1m2. a) Khi có dòng điện chạy qua tụ, hãy tìm giá trị lớn nhất Imax mà dòng điện này có thể đạt được. b) Nếu khoảng cách giữa hai bản tụ là d=1cm, hãy xác định công suất tỏa nhiệt cực đại có thể được giải phóng trong tụ khi điểu chỉnh biến trở R1. Bài 6 (2 điểm) Cho một cuộn dây đồng có đường kính trong khoảng từ 0,1mm đến 0,2mm; một cái thước thẳng có độ chia nhỏ nhất là 1mm; một vôn kế; một ampe kế; một biến trở; nguồn điện và dây nối. Em hãy nêu một phương án làm thí nghiệm để có thể xác định điện trở suất của đồng. === Hết === 2
3. ĐÁP ÁN VÀ HƯỚNG DẪN CHẤM ĐIỂM Bài 1 (3 điểm) Nội dung Điểm 1) Trong quá trình đẳng áp thì thể tích V tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Vì vậy đồ thị có dạng đường thẳng đi qua gốc tọa độ trên hệ trục (V,T). Trên các hệ trục (p,T) và (p,V) thì đồ thị có dạng đường thẳng vuông góc với trục áp suất. Vậy 1 đồ thị đã cho là đồ thị vẽ trên hệ tọa độ (V,T). (Trả lời đúng hệ tọa độ: 0,5 điểm; giải thích được: 0,5 điểm) Khi đồ thị chạy về càng gần với gốc tọa độ thì ứng với nhiệt độ càng gần với độ không tuyệt đối. Trong thực tế thì độ không này là không thể thực hiện được. 0,5 Nên đồ thị biểu diễn quá trình biến đổi của khí không thể kéo đến gốc tọa độ. Trên hệ tọa độ này, đường đẳng tích là đường thẳng vuông V góc với trục thể tích (hay song song với trục nhiệt độ) như hình 4. 0,5 T Hình 4 2) Xét ở một nhiệt độ nào đó thì áp suất càng cao sẽ ứng với thể tích càng nhỏ. Nghĩa là điểm trên đồ thị mới (ứng với V I V1 thể tích V2) sẽ nằm thấp hơn điểm nằm trên đồ thị đã cho II (ứng với thể tích V ). Như vậy đồ thị mới ứng với áp suất cao V2 1 1 hơn sẽ cho đồ thị nằm thấp hơn đồ thị ban đầu như hình 5. T (Vẽ được đồ thị là đường thẳng kéo dài qua gốc tọa độ xa trục V hơn đường đường thẳng ban đầu, nghĩa là nếu HS đảo vị các trục Hình 5 V và T thì đường mới thấp hơn đường cũ: 0,5 điểm; giải thích: 0,5 điểm) Bài 2 (2 điểm) Nội dung Điểm Gọi m là khối lượng của vật bằng nhôm, V là thể tích nước ban đầu trong bình, c là nhiệt dung riêng của nhôm. Khi thả vào bình một vật nhôm thì thể tích nước bị trào ra là m / . 0,5 Phương trình cân bằng nhiệt khi thả một vật nhôm vào bình là: m cm( t t1) c0 0 V (t1 t0 ) (1) Phương trình cân bằng nhiệt khi thả hai vật nhôm vào bình là: m 0,5 2cm( t t2 ) c0 0 V 2 (t2 t0 ) (2) Chia (1) cho (t1-t0) và (2) cho (t2-t0) rồi lấy hai phương trình trừ cho nhau ta 0,5 nhận được: 3
4. t t1 t t2 m cm 2cm c0 0 . t1 t0 t2 t0 c / J Từ đó rút ra: c 0 0 923 . t t t t 0,5 1 2 2 kg. K t1 t0 t2 t0 Bài 3 (4,5 điểm) Nội dung Điểm 1) Gọi a là chiều dài của cạnh hình vuông thì đường chéo là a 2 . Khi hai quả cầu gần nhau nhất, chúng cách nhau một khoảng a/2; khi hai quả cầu xa nhau nhất 0,5 thì cách nhau một khoảng a 2 2 . Khi hai quả cầu gần nhau nhất thì tác dụng lên nhau lực lớn nhất: q2 4q2 0,5 Fmax k k )1( a 2 2 a2 Khi hai quả cầu xa nhau nhất thì tác dụng lên nhau lực nhỏ nhất: q2 2q2 0,5 Fmin k 2 k 2 )2( a 2 2 a F Từ (1) và (2) rút ra: max .2 Vậy lực cực đại lớn hơn lực cực tiểu 2 lần. 0,5 Fmin O 2) Mỗi quả cầu khi cân bằng đều chịu tác dụng của lực l F 2l điện F, lực căng của dây treo và trọng lực P (xem hình 6). 600- B 0,25 P A F P Hình 6 Vì khi cân bằng thì góc giữa hai sợi dây bằng 600 và chiều dài các sợi dây là l 0,25 và 2l nên: OB  AB . Gọi là góc tạo bởi dây treo quả cầu B và phương đứng thì xét hình chiếu các lực tác dụng quả cầu B theo phương nối hai quả cầu: 0,25 F P sin (3) Ngoài ra ta xét sự cân bằng của mômen trọng lực đối với hệ: 0,5 P 2. l sin(600 ) P.l sin (4) 2sin 3 Từ (4) rút ra: cos , do đó: sin ,0 65. 0,5 3 7 Từ (3) ta tính được đội lớn của lực điện: 0,25 F Psin ,0.1,0 65 ,0 065(N) .5,6 10 2 N. Bài 4 (2,5 điểm) Nội dung Điểm Gọi hiệu điện thế mà các điện trở được mắc vào là U. Khi mắc R vào hiệu điện thế U thì: 1 0,5 U 2 U 2 P R1 R1 P 4
5. Tương tự, khi mắc R2 và R3 vào hiệu điện thế U ta có: 2U 2 4U 2 0,5 R ; R 2 P 3 P Khi mắc cả 3 điện trở vào hiệu điện thế U thì điện trở tương đương của R2 và R3 là: 2 R2R3 4U 0,5 R23 . R2 R3 3P U 2 4U 2 7U 2 Nên điện trở tương đương toàn mạch: R R R . 0,5 tđ 1 23 P 3P 3P Vậy công suất tiêu thụ trên mạch là: U 2 3 0,5 Ptm P. Rtđ 7 Bài 5 (6,5 điểm) Nội dung Điểm 1) Khi khóa K ngắt: Điện trở mạch ngoài: R 2R ; nên cường độ dòng điện trong mạch: 01 0,25 E I . 1 2R r Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B cũng chính là hiệu điện thế hai đầu tụ: Er 2ER 0,25 U E I r E ; 1 1 2R r 2R r CU 2 E 2 R2 Năng lượng của tụ khi đó: W 1 2C . 0,5 1 2 (2R r)2 Khi đóng khóa K thì điện trở tương đương của mạch ngoài: R 3 0,25 R R R; 02 2 2 E Dòng điện trong mạch chính: I2 . 0,25 R02 r ER ER Khi đó hiệu điện thế trên tụ: U 2 IR2 1 ; 0,25 R02 r R02 r Năng lượng của tụ: 2 2 2 2 2 CU 2 CE R 2E R 0,25 W2 2 C 2 . 2 (2 R02 r) 3( R 2r) 2 W1 (3R 2r ) Từ đó: 2 2,56. Như vậy năng lượng của tụ giảm đi 2,56 lần. 0,5 W2 (2R r) R 2) Khi K đóng, điện trở tương đương của mạch ngoài R R và dòng td 2 1 0,25 E điện chạy qua nguồn là I ; Rtd r Nên tổng công suất tiêu thụ trên các điện trở R và R1 là: 0,25 5
6. 2 2 2 Rtd .E E P IR. td 2 2 . Rtd r r R td Rtd Tử số là số cố định, mẫu số là tổng của 2 số dương mà tích của chúng không đổi nên mẫu số sẽ đạt cực tiểu (tức là P đạt cực đại) khi hai số đó bằng nhau: 0,5 r 1 R Rtd r Rtd RR 1 r R1 r 0. Rtd 2 2 3) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là hiệu điện thế mạch ngoài, theo định luật Ôm cho mạch kín: 0,25 U E Ir 12 2I U AB E Ir 12 2I Khi điều chỉnh biến trở R1, cường độ dòng điện qua nguồn thay đổi, làm cho 0,25 UAB thay đổi. Khi I=0 thì UAB=-12V. Khi U=0 thì I=6A. Đồ thị là một đường thẳng cắt trục tung tại điểm UAB(V) (-12V) và cắt trục hoành tại điểm 6A như hình 8. Tuy nhiên thực tế thì điện trở mạch ngoài và dòng 3 6 điện qua nguồn luôn luôn khác không, nên đồ thị là một I(A) 1 đoạn thẳng như hình vẽ nhưng không cắt trục tung và 6 không cắt trục hoành. Khi R1 = 0 thì dòng điện qua nguồn là 3A nên đồ thị kéo theo trục hoành chỉ đến điểm 3A (khi -12 Hình 8 đó UAB = 6V). 4) Khi chất giữa hai bản tụ dẫn điện: a) Nếu suất điện động E và biến trở R1 có trị số rất lớn và khóa K đóng thì khi điều chỉnh biến trở, hiệu điện thế giữa hai bản tụ cũng có thể biến thiên từ 0 đến giá trị rất lớn. 0,25 Biến đổi lại biểu thức của điện trở suất: 2 0 2 2 2 0 5 0 E E (E0 E ); trong đó: E0 10 V/. m Giả sử đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế U. Khi đó ta tìm biểu thức của dòng điện chạy qua tụ: U Ed S E 0,25 I . 2 2 (1) R d/ S E0 E Trong đó d là bề dày của lớp chất giữa hai bản tụ. Từ (1) ta biểu diễn cường độ E như là một hàm của I: 2 0,25 2 S 2 S S 2 E 2 EE 0 0 E1,2 E0 . 2 I 2 I 2 I 2 S 2 Phương trình sẽ có nghiệm nếu: E0 0. 2 I 0,25 S S Từ đó tìm được Imax 5mA. 2 E0 2 0 b) Gọi U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ thì công suất giải phóng trong tụ: U 2 S U 2 Sd U 2 0,25 PU() . 2 2 . 2 2 ; U0 E0 d 1kV. R d E0 E U0 U 6
7. U 2 Khi hiệu điện thế tăng thì tiến dần đến 1 nên công suất tiến dần đến U 2 U 2 0 0,25 Sd giá trị cực đại: P 10W . max Bài 5 (2 điểm) Nội dung Điểm - Dùng thước đo và cắt lấy một chiều dài dây đồng nào đó, ta gọi chiều dài này là l 0,25 (chiều dài này nên lấy lớn). - Cuốn nhiều vòng dây đồng sát nhau lên thước rồi đếm số vòng trên một đoạn có chiều dài l0 nào đó, gọi số vòng đếm được là n0 thì đường kính của dây là: 0,5 d l0 n0 . 2 2 2 d l0 - Diện tích tiết diện ngang của dây là: S r 2 . 0,25 4 4n0 - Lắp mạch điện (chẳng hạn như hình vẽ) gồm nguồn điện, biến trở, vôn kế, ampe kế và sợi dây đã cắt ra để đo A điện trở R của cuộn dây thông qua số chỉ của vôn kế U và 0,5 ampe kế I: V U l R . I S Hình 3b - Từ đó suy biểu thức xác định điện trở suất của đồng: 2 US U l0 2 . 0,5 Il 4Il .n0 Trong đó các đại lượng U, I, l0, l và n0 xác định được qua các phép đo. 7