Đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh Vật lí lớp 12 (Có đáp án) - Năm học 2010-2011 - Sở GD & ĐT Bình Thuận

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KÌ THI CHỌN HSG CẤP TỈNH LỚP 12 THPT 
 BÌNH THUẬN	 	Năm học : 2010 - 2011
 	Môn : Vật Lý
 ĐỀ CHÍNH THỨC	 Thời gian làm bài: 180 phút (không kể thời gian giao đề)
 (Đề này có 01 trang)
Bài 1: (5 điểm)
Quả cầu 1 có khối lượng m = 0,3 (kg) được treo vào đầu một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, có chiều dài = 1 (m). Kéo căng dây treo quả cầu theo phương nằm ngang rồi thả tay cho nó lao xuống. Khi xuống đến điểm thấp nhất, quả cầu 1 va chạm đàn hồi xuyên tâm với quả cầu 2, quả cầu 2 có khối lượng m = 0,2 (kg) đặt ở mặt sàn nằm ngang. (Được mô tả như hình vẽ bên)
Sau va chạm, quả cầu 1 lên tới điểm cao nhất thì dây treo lệch góc so với phương thẳng đứng. Quả cầu 2 sẽ lăn được đoạn đường có chiều dài S trên phương ngang.
Biết hệ số ma sát giữa quả cầu 2 và mặt sàn nằm ngang là 0,02 và trong sự tương tác giữa m và m thì lực ma sát tác dụng vào quả cầu 2 là không đáng kể so với tương tác giữa hai quả cầu. Lấy g = 10(m/s).
Tính: và S.
Bài 2: (5 điểm)
Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ.
	Trong đó các điện trở:
R = 3R, R = R = R = R.
Hiệu điện thế giữa hai đầu mạch điện là U không đổi.
Khi biến trở R có một giá trị nào đó thì công suất tỏa nhiệt trên điện trở R là P = 9 (W).
a. Tìm công suất tỏa nhiệt trên điện trở R khi đó.
b. Tìm R theo R để công suất tỏa nhiệt trên R cực đại.
Bài 3: (5 điểm)
	Một xi lanh cách nhiệt nằm ngang, thể tích V + V = V = 60 (lít), được chia làm hai phần không thông với nhau bởi một pittông cách nhiệt (như hình vẽ). Píttông có thể chuyển động không ma sát. Mỗi phần của xi lanh chứa 1 (mol) khí lý tưởng đơn nguyên tử. 
	Ban đầu píttông đứng yên, nhiệt độ hai phần khác nhau. Cho dòng điện chạy qua điện trở R để truyền cho khí ở bên trái nhiệt lượng Q = 90 (J).
	a. Nhiệt độ ở phần bên phải cũng tăng, tại sao ?
	b. Khi đã có cân bằng, áp suất mới trong xi lanh lớn hơn áp suất ban đầu bao nhiêu ?
Biết nội năng của 1 mol khí lý tưởng được xác định bằng công thức U = 3RT/2.
Bài 4: (5 điểm)
	Một thấu kính (L) hai mặt lồi, cùng bán kính cong R = 15 cm, làm bằng thủy tinh có chiết suất n. 
- Một vật phẳng, nhỏ có chiều cao AB đặt trên trục chính của thấu kính, cách thấu kính một khoảng d = 30 cm cho một ảnh thật có chiều cao AB.
- Một bản hai mặt song song (B) làm bằng cùng một thứ thủy tinh như thấu kính có độ dày e.
	Nếu đặt bản giữa vật và thấu kính (như hình a) thì ảnh AB bị dịch chuyển dọc theo trục chính một đoạn bằng 3,75 cm.
	Nếu đặt bản giữa thấu kính và ảnh AB (như hình b) thì ảnh bị dịch một đoạn bằng 3cm. Tính:
	a. Tiêu cự f của thấu kính.
	b. Chiết suất n của thủy tinh.
	c. Độ dày e của bản.
 --------------Hết------------
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 	KÌ THI THÀNH LẬP ĐỘI TUYỂN HSG LỚP 12 THPT 
 BÌNH THUẬN	 	 DỰ THI QUỐC GIA
Năm học : 2010 - 2011
 	Môn : Vật Lý
 ĐỀ CHÍNH THỨC	 Thời gian làm bài: 180 phút (không kể thời gian giao đề)
 (Đề này có 01 trang)
Bài 1: (5 điểm)
	Hai điểm A, B ở trên mặt đất, cách nhau 10 (m). Từ A bắn vật 1 với góc bắn 30. Từ B bắn vật 2 với góc bắn 60 (như hình vẽ). Vận tốc ban đầu của hai vật đều có độ lớn bằng 40 (m/s) và đồng phẳng. Cho biết vật 2 được bắn sau khi bắn vật 1 là (s) và trên đường bay hai vật sẽ va nhau ở điểm M. Lấy g = 10 (m/s)
Xác định và tọa độ điểm M.
Bài 2: (5 điểm)
Cho mạch điện có sơ đồ như hình vẽ. 
Điện trở mỗi cạnh của hình vuông là r.
Tìm điện trở giữa hai điểm:
	a. A và B.
	b. C và D.
Bài 3: (5 điểm)
	Một hình trụ đặc đồng chất có bán kính R = 10 (cm), lăn không trượt trên mặt phẳng nằm ngang với độ lớn vận tốc bằng v, rồi đến mặt phẳng nghiêng có góc nghiêng = 45 so với mặt phẳng ngang. Tìm giá trị vận tốc v của hình trụ lăn trên mặt phẳng ngang để không bị nảy lên tại A (xem hình vẽ). 
Lấy g = 10 (m/s), I = mR.
Bài 4: (5 điểm)
	Một thấu kính mỏng phẳng – lồi làm bằng thủy tinh có bán kính mặt lồi R = 20 (cm).
	a. Thấu kính được đặt sao cho mặt phẳng tiếp xúc với mặt nước và mặt lồi tiếp xúc với không khí (hình a). 
Người ta chiếu một chùm tia sáng đơn sắc hẹp song song với trục chính của thấu kính và rất gần trục, đi từ không khí vào nước. Chùm này hội tụ ở điểm M.
Tính khoảng cách từ M đến đỉnh S của thấu kính.
Biết chiết suất của không khí là 1, của thủy tinh là 1,5, của nước là 4/3.
b. Nếu mặt phẳng của thấu kính tiếp xúc với không khí, mặt lồi với nước (hình b) thì SM bằng bao nhiêu ?
 Hết ..
Họ và tên thí sinh:..................................................................................................
Phòng thi:............................Số báo danh :.......................
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 	KÌ THI CHỌN HSG CẤP TỈNH LỚP 12 THPT 
 BÌNH THUẬN	 	Năm học : 2010 - 2011
 	Môn : Vật Lý
 	 	Thời gian : 180 phút ( không kể thời gian phát đề )
ĐÁP ÁN VÀ HƯỚNG DẪN CHẤM
Nội dung
Thang điểm
Bài 1: (5 điểm)
Gọi: 	A là vị trí buông vật m
	B là vị trí thấp nhất (nơi m, m va chạm)
	C là vị trí cao nhất vật 1 lên được sau va chạm
	Chọn gốc thế năng bằng không là ở sàn
So sánh cơ năng của quả cầu 1 ở A và ở B.
	mgh = mv
Vận tốc quả cầu m ngay trước khi va chạm có độ lớn: v = = 2 (m/s)
Gọi v là vận tốc của m ngay sau khi va chạm.
So sánh cơ năng của quả cầu 1 ở B và ở C.
	mv = mgh
 v = 
Động năng của quả cầu 1 trước va chạm chuyển hóa thành thế năng của nó ở C và công thực hiện để thắng ma sát của quả cầu 2 khi lăn.
	mv = mgh + A
 .0,3.20 = 0,3.10.h + 0,02.0,2.10.S
 3 = 3 h + 0,04S	(1)
Đối với hai quả cầu, thì lực ma sát giữa quả cầu 2 và sàn là ngoại lực. Lực ma sát tác dụng vào quả cầu 2 có làm cho động lượng của hệ hai quả cầu giảm đi. Thời gian va chạm giữa hai quả cầu rất ngắn nên xung lực của lực ma sát làm động lượng của quả cầu 2 giảm đi không đáng kể. Như vậy có thể coi thời gian va chạm giữa hai quả cầu thì tổng động lượng của chúng được bảo toàn:
	mv = mv + mv
 0,3. 2 = 0,3. + 0,2. v
 0,6. = 0,3. + 0,2. v	(2)
Áp dụng định lý động năng cho quả cầu 2 ta được:
	0 - mv = - mg.S
 0,5. v = 0,2.S
 S = 	(3)
Thay (3) vào (1) ta được:
	3 = 3 h + 0,04. 
 3 = 3 h + 0,1. v
 h = 	(4)
Thế (4) vào (2) ta được:
0,6. = 0,3. + 0,2. v	(5)
Giải phương trình (5) ta được: v = 0 (loại); v = 2,4. (m/s)
Từ (3) S = = 72 (m)
Từ (4) h = = 0,04 (m)
Mặt khác ta có : h = - .cos
 cos = = = 0,96
 16,26
Bài 2: (5 điểm)
a. Tìm công suất tỏa nhiệt trên điện trở R khi đó.
	Chọn chiều dòng điện qua các điện trở trong mạch như hình vẽ.
	* Xét tại nút A ta có: I = I + I	(1)
	Với vòng kín ACDA ta có:
	I.R - I.R - I.R = 0	(2)
Thế (1) vào (2) ta được biểu thức I:
	I.R - I.R - (I - I).R = 0
	I.R - I.R - I .R + I.R = 0
I( R + R) = I.R + I .R 
 I = = 	(3)
* Xét tại nút B ta có : I = I - I	(4)
	Với vòng kín BCDB ta có:
	- I.R - I + I = 0
	- I.R - I + I.R = 0	(5)
Thế (4) vào (5) ta có biểu thức I:
	- (I - I).R - I + I.R = 0
	-I.R + I.R - I + I.R = 0
 I = 	(6)
Từ (3) và (6) ta có :	 = 2
 = = 
Vậy công suất tỏa nhiệt trên R khi đó P = .P = 12 (W)
b. Tìm R theo R để công suất tỏa nhiệt trên R cực đại.
Từ (4) và (5) ta có biểu thức I:
- I.R - I + (I - I).R = 0
- I.R - I + I.R - I.R = 0
 I = 	(7)
Ta có: U = U = U + U = I.R + I.R
	U = I.3R + I.R	(8)
Thế (3) và (7) vào (8) ta được:
	U = ().3R + ().R
	4U = 3.I + 3.I.R + 2I.R - 2I
	4U = 5.I.R + I	(9)
Tính I:
Ta có: I = I + I = I + I + I = 3 I + I
	I = 3() + I
 4.I.R = 3I + 3IR + 4IR
 IR = 3I + 4IR thay vào (9) ta được:
4U = 5.( 3I + 4IR) + I
4U = 15.I + 20. IR + I
4U = 16. I + 20. IR 
 I = 
Ta có: P = R.I = R.()
P = 	(10)
Hai số dương 4 và có tích 4. = 20R = không đổi thì theo bất đẳng thức Co6si, tổng của hai số đó nhỏ nhất khi hai số đó bằng nhau nghĩa là khi 4 = 
 R = 1,25.R; mẫu số ở vế phải của biểu thức (10) nhỏ nhất nghĩa là P cực đại.
Vậy P cực đại khi R = 1,25.R.
Bài 3: (5 điểm)
a. Nhiệt độ ở phần bên phải cũng tăng, tại sao ?
	Nội năng của 1 mol khí lý tưởng được xác định bằng biểu thức U = 3RT/2. Khi ta làm tăng nhiệt độ của khí ở bên trái (do cung cấp nhiệt lượng Q) thì khí giãn nở làm píttông nén khí trong phần bên phải (V); vì nén cách nhiệt nên nhiệt độ của phần bên phải cũng tăng lên.
b. Khi đã có cân bằng, áp suất mới trong xi lanh lớn hơn áp suất ban đầu bao nhiêu ?
	Gọi U và U là nội năng của khí ở hai phần xi lanh, ta có phương trình :
 Q = U + U
	Q = R(T + T) ; ở đây công tổng cộng bằng không.
	Lúc đầu ta có pV = RT và pV = RT (áp suất p như nhau)
	Sau khi cung cấp nhiệt lượng và khi đã có cân bằng thì áp suất ở hai bên là (p + p), thể tích ở hai phần là (V + V) và (V - V) nên các phương trình trạng thái là:
	(p + p) (V + V) = R(T + T)
 pV + Vp + Vp = RT	(1)
	(p + p) (V - V) = R(T + T)
 p V - pV - Vp = RT	(2)
Cộng 2 phương trình (1) và (2) vế theo vế ta được:
	p(V + V) = R(T + T)	(3)
Mặt khác ta có: Q = R(T + T)
T + T = 2Q/3R và V + V = V = 60 (lít) thế vào phương trình (3) ta được:
	p.0,06 = R. 2.90/3R
 p = = 1000 (N/m).
Vậy khi đã có cân bằng, áp suất mới trong xi lanh lớn hơn áp suất ban đầu là 1000 (N/m).
Bài 4: (5 điểm)
	Theo đề bài ta có hai trường hợp:
	Trường hợp 1:
 = d + d = e
d = d - d
Trường hợp 2:
 = d + d = e
Tiêu cự f của thấu kính.
	Trong cả hai trường hợp, khoảng cách vật - ảnh tạo bởi bản song song là:
	 = = e
Theo đề bài ta có = 3 cm = - 3 cm.
Áp dụng công thức về sự tạo ảnh của thấu kính (với = - 3 cm; d = d = 30 cm) ta có: 
	 = 
 = = 
 f - 285f + 4050 = 0	(1)
	Giải phương trình (1) ta được nghiệm f = 270 cm và f = 15 cm.
	Vì ảnh thật nên chỉ nhận giá trị f < d f = 15 cm.
	b. Chiết suất n của thủy tinh.
	Công thức tính tiêu cự của thấu kính:
	 = (n - 1)
 = (n - 1)
 1 = 2n - 2
 n = 1,5.
c. Độ dày e của bản.
Ta có: = e
 3 = e
 3 = .e
 e = 9 cm.
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
1,5đ
0,25đ
0,5đ
0,5đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,5đ
0,25đ
0,5đ
0,25đ
0,25đ
0,5đ
0,5đ
0,25đ
0,25đ
0,5đ
0,5đ
0,25đ
0,25đ
Hết
( Học sinh có thể giải cách khác )
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KÌ THI THÀNH LẬP ĐỘI TUYỂN HSG LỚP 12 THPT 
 BÌNH THUẬN	 	 DỰ THI QUỐC GIA
 Năm học : 2010 - 2011
 	 Môn : Vật Lý
 	 	Thời gian : 180 phút ( không kể thời gian phát đề )
ĐÁP ÁN VÀ HƯỚNG DẪN CHẤM
Nội dung
Điểm
Bài 1: (5 điểm)
Chọn hệ trục tọa độ 0x, 0y, gốc tọa độ 0 trùng với điểm A.
Chọn gốc thời gian (t = 0) lúc bắt đầu vật 1 đi.
Theo phương 0x:
Vận tốc vật 1 là :
V = V.cos30
 = 40. = 20 (m/s)
Vận tốc vật 2 là :
v = v.cos60
 = 40. = 20 (m/s)
Theo phương 0y:
Vận tốc ban đầu của vật 1 là:
V = V.sin30
 = 40. = 20 (m/s)
Vận tốc ban đầu của vật 2 là :
v = v.sin60
 = 40. = 20 (m/s)
Theo phương 0x:
Phương trình chuyển động của vật 1: X = V.t = 20.t
Phương trình chuyển động của vật 2: x = v(t - ) + 10
	 = 20(t - ) + 10
Theo phương 0y:
Phương trình chuyển động của vật 1: H = 20t - gt
	 = 20t - 5t
Phương trình chuyển động của vật 2: h = 20(t - ) - g(t - )
	 = 20(t - ) - 5(t - )
Khi hai vật gặp nhau thì tọa độ của chúng giống nhau:
X = x 20.t = 20(t - ) + 10	(1)
H = h 20t - 5t = 20(t - ) - 5(t - )	(2)
Biến đổi phương trình (1) ta được: 20.t = 20t - 20 + 10
	 t = = 	(3)
Thế (3) vào phương trình (2) ta được:
20() - 5() = 20( - ) - 5( - )
Ta có phương trình bậc hai theo như sau :
(10 + 10) + 70 - (20 - 20) = 0
Giải phương trình ta được hai nghiệm như sau :
 0,2 (s) và - 2,75 (s) (Loại)
Với 0,2 (s) thế vào (3) ta được : t = = 0,4 (s)
Tọa độ giao điểm M là :
H = 20t - 5t = 20.0,4 - 5.(0,4) = 7,2 (m)
X = 20.t = 20.0,4 = 13,8 (m)
 Bài 2: (5 điểm)
a. Tìm điện trở giữa hai điểm A và B.
	Giả sử cho dòng điện đi vào mạng từ A, đi ra khỏi B và chiều các dòng điện như hình vẽ.
 	Gọi V là giá trị điện thế tại các nút. Do đối xứng nên ta có:
V = V; V= V = V; V = V = V= V; 
V = V = Vvà V = V. Nên ta có thể chập các nút có cùng điện thế với nhau tạo thành mạch điện mới như hình vẽ: (hình a).
	Ta có: R = r/2; R = r/4; R = r/6; R = r/6; R= r/4; R = r/2.
	Vậy R = r/2 + r/4 + r/6 + r/6 + r/4 + r/2 = 11r/6.
b. Tìm điện trở giữa hai điểm C và D.
	Giả sử cho dòng điện đi vào mạng từ C, đi ra khỏi D và chiều các dòng điện như hình vẽ.
	Do tính chất đối xúng nên ta có: V = V; V= V; 
V = V = V= V; V = V và V = V.
	Ta có sơ đồ mạch điện như hình vẽ:(hình b).
	Do V = V và V = V nên không có dòng diện chạy qua đoạn 1A1 và 5B5 . 
Ta có sơ đồ mạch điện như hình vẽ:(hình b).
 (hình b)
Ta có: R = 2r; R = r/2 R = 5r/2.
	R = = 5r/7.
 R = 10r/7.
 R = 5r/7.
Bài 3: (5 điểm)
Tìm giá trị vận tốc v của hình trụ lăn trên mặt phẳng ngang để không bị nảy lên tại A
	* Ta có động năng của vật trên mặt phẳng ngang:
	W = mv + I
	Vì lăn không trượt nên v = R.
	Mặt khác I = mR
Suy ra W = mv + .mR. = mv.
	* Tại đỉnh A của mặt phẳng nghiêng:
- Khi hình trụ đang ở trên mặt phẳng ngang, năng lượng là:
	W = mv + mgh.
- Khi hình trụ ở trên mặt phẳng nghiêng có tốc độ khối tâm v; năng lượng là: 
W = mv.
- Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: 
	mv + mgh = mv	(1)
- A là tâm quay tức thời: Vận tốc tiếp tuyến là v nên lực hướng tâm F = ma = m.
	Phân tích trọng lực P làm hai thành phần: F = P.sin và F = P.cos 
	(có tác dụng gây áp lực lên mặt phẳng nghiêng)
- Hình trụ không nảy lên khỏi A nếu: F F	(2)
- Từ hình vẽ ta có: h = R - R.cos = R(1 - cos).
	Phương trình (1) v + g R(1 - cos) = v
 v = v + g R(1 - cos)	(3)
	Từ phương trình (2) và (3) ta được: m. P.cos
 m. mg.cos
 v + g R(1 - cos) g.R.cos	
 v g.R.cos - g R(1 - cos)
 v (7cos -4)
 v 0,6 (m/s)
Vậy để không bị nảy lên tại A vận tốc v của hình trụ lăn trên mặt phẳng ngang có giá trị bằng 0,6 (m/s).
Bài 4: (5 điểm)
a. Tính khoảng cách từ M đến đỉnh S của thấu kính.
	- Gọi A là ảnh của vật A.
	- SC = R là bán kính của mặt cầu
	- Chiều dương từ trái sang phải (như hình vẽ)
- Ta nhận thấy có thể coi như ánh sáng đi qua một lưỡng chất cầu (không khí – Thủy tinh) rồi lưỡng chất phẳng (thủy tinh – nước). (như hình vẽ)
	- Công tác chung về lưỡng chất cầu là:
	 = - 	(1)
	trong đó n, n là chiết suất của các môi trường.
	- Với lưỡng chất không khí – thủy tinh ta có:
	 = 20 cm; n = 1; n = 1,5; SA = vì chùm tia tới song song
 = = = 60 cm.
	- trong trường hợp lưỡng chất phẳng thủy tinh – nước ta có:
	SC = từ (1) công thức lưỡng chất phẳng thủy tinh – nước là:
 = 	(2)
Trong đó SA là = 60 cm; A là điểm M; n = 1,5; n = 4/3.
	Phương trình (2) SM = 	(3)
 = = 160/3 35,56 cm.
b. Nếu mặt phẳng của thấu kính tiếp xúc với không khí, mặt lồi với nước (hình b) thì SM bằng bao nhiêu ?
Trường hợp này chùm ánh sáng đi qua lưỡng chất phẳng không khí – thủy tinh vẫn là chùm song song đến gặp lưỡng chất cầu thủy tinh – nước ta có:
SC = - 20 cm; n = 1,5; n = 4/3; SA = .
 SM = = = = 160 cm. 
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,25đ
0,5đ
0,25đ
0,5đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,5đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,25đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
0,5đ
Hết
( Học sinh có thể giải cách khác )