如圖3-9所示.兩根原長(zhǎng)都是10cm的彈簧.勁度系數(shù)都是100N/m.小球A.B的質(zhì)量相等.均為100g.若不計(jì)彈簧質(zhì)量.而且兩小球的直徑不計(jì).則懸點(diǎn)O到B之間的彈簧總長(zhǎng)度是 cm. 11:把身體的左側(cè)緊靠在豎直的墻上.能否把右腳抬起來堅(jiān)持一會(huì)兒? 查看更多

 

題目列表(包括答案和解析)

【選做題】A.(1)若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變,則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體,
下列說法正確的是
 
.(填寫選項(xiàng)前的字母)
(A)氣體分子間的作用力增大          (B)氣體分子的平均速率增大
(C)氣體分子的平均動(dòng)能減小          (D)氣體組成的系統(tǒng)地熵增加
(2)若將氣泡內(nèi)的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底上升到湖面的過程中,對(duì)外界做了0.6J的功,則此過程中的氣泡
 
(填“吸收”或“放出”)的熱量是
 
J.氣泡到達(dá)湖面后,溫度上升的過程中,又對(duì)外界做了0.1J的功,同時(shí)吸收了0.3J的熱量,則此過程中,氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了
 
J
(3)已知?dú)馀輧?nèi)氣體的密度為1.29kg/m3,平均摩爾質(zhì)量為0.29kg/mol.阿伏加德羅常數(shù)NA=6.02×1023mol-1,取氣體分子的平均直徑為2×10-10m,若氣泡內(nèi)的氣體能完全變?yōu)橐后w,請(qǐng)估算液體體積與原來氣體體積的比值.(結(jié)果保留以為有效數(shù)字)
B.(1)如圖甲所示,強(qiáng)強(qiáng)乘電梯速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c,強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò),則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為
 
.(填寫選項(xiàng)前的字母)
(A)0.4c           (B)0.5c
(C)0.9c             (D)1.0c
(2)在t=0時(shí)刻,質(zhì)點(diǎn)A開始做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),其振動(dòng)圖象如圖乙所示.質(zhì)點(diǎn)A振動(dòng)的周期是
 
s;t=8s時(shí),質(zhì)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)沿y軸的
 
方向(填“正”或“負(fù)”);質(zhì)點(diǎn)B在波動(dòng)的傳播方向上與A相距16m,已知波的傳播速度為2m/s,在t=9s時(shí),質(zhì)點(diǎn)B偏離平衡位置的位移是
 
cm
(3)圖丙是北京奧運(yùn)會(huì)期間安置在游泳池底部的照相機(jī)拍攝的一張照片,照相機(jī)的鏡頭豎直向上.照片中,水利方運(yùn)動(dòng)館的景象呈限在半徑r=11cm的圓型范圍內(nèi),水面上的運(yùn)動(dòng)員手到腳的長(zhǎng)度l=10cm,若已知水的折射率為n=
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,請(qǐng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際身高估算該游泳池的水深h,(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
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C.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出.中微子的性質(zhì)十分特別,因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè).1953年,萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用中微子與水中11H的核反應(yīng),間接地證實(shí)了中微子的存在.
(1)中微子與水中的11H發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生中子(01n)和正電子(+10e),即中微子+11H→01n++10e可以判定,中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是
 
.(填寫選項(xiàng)前的字母)
(A)0和0             (B)0和1        (C)1和 0       (D)1和1
(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇,與電子形成幾乎靜止的整體后,可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚(gè)光子(γ),即+10e+-10e→2γ
已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10-31㎏,反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為
 
J.正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋(gè)光子,原因是
 

(3)試通過分析比較,具有相同動(dòng)能的中子和電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)的大。

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【選做題】A.(1)若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變,則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體,
下列說法正確的是______.(填寫選項(xiàng)前的字母)
(A)氣體分子間的作用力增大          (B)氣體分子的平均速率增大
(C)氣體分子的平均動(dòng)能減小          (D)氣體組成的系統(tǒng)地熵增加
(2)若將氣泡內(nèi)的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底上升到湖面的過程中,對(duì)外界做了0.6J的功,則此過程中的氣泡______(填“吸收”或“放出”)的熱量是______J.氣泡到達(dá)湖面后,溫度上升的過程中,又對(duì)外界做了0.1J的功,同時(shí)吸收了0.3J的熱量,則此過程中,氣泡內(nèi)氣體內(nèi)能增加了______J
(3)已知?dú)馀輧?nèi)氣體的密度為1.29kg/m3,平均摩爾質(zhì)量為0.29kg/mol.阿伏加德羅常數(shù)NA=6.02×1023mol-1,取氣體分子的平均直徑為2×10-10m,若氣泡內(nèi)的氣體能完全變?yōu)橐后w,請(qǐng)估算液體體積與原來氣體體積的比值.(結(jié)果保留以為有效數(shù)字)
B.(1)如圖甲所示,強(qiáng)強(qiáng)乘電梯速度為0.9c(c為光速)的宇宙飛船追趕正前方的壯壯,壯壯的飛行速度為0.5c,強(qiáng)強(qiáng)向壯壯發(fā)出一束光進(jìn)行聯(lián)絡(luò),則壯壯觀測(cè)到該光束的傳播速度為______.(填寫選項(xiàng)前的字母)
(A)0.4c           (B)0.5c
(C)0.9c             (D)1.0c
(2)在t=0時(shí)刻,質(zhì)點(diǎn)A開始做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),其振動(dòng)圖象如圖乙所示.質(zhì)點(diǎn)A振動(dòng)的周期是______s;t=8s時(shí),質(zhì)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)沿y軸的______方向(填“正”或“負(fù)”);質(zhì)點(diǎn)B在波動(dòng)的傳播方向上與A相距16m,已知波的傳播速度為2m/s,在t=9s時(shí),質(zhì)點(diǎn)B偏離平衡位置的位移是______cm
(3)圖丙是北京奧運(yùn)會(huì)期間安置在游泳池底部的照相機(jī)拍攝的一張照片,照相機(jī)的鏡頭豎直向上.照片中,水利方運(yùn)動(dòng)館的景象呈限在半徑r=11cm的圓型范圍內(nèi),水面上的運(yùn)動(dòng)員手到腳的長(zhǎng)度l=10cm,若已知水的折射率為,請(qǐng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際身高估算該游泳池的水深h,(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)

C.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的例子放出.中微子的性質(zhì)十分特別,因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè).1953年,萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用中微子與水中11H的核反應(yīng),間接地證實(shí)了中微子的存在.
(1)中微子與水中的11H發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生中子(1n)和正電子(+1e),即中微子+11H→1n++1e可以判定,中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是______.(填寫選項(xiàng)前的字母)
(A)0和0             (B)0和1        (C)1和 0       (D)1和1
(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇,與電子形成幾乎靜止的整體后,可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚(gè)光子(γ),即+1e+-1e→2γ
已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10-31㎏,反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為______J.正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋(gè)光子,原因是______.
(3)試通過分析比較,具有相同動(dòng)能的中子和電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)的大。

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第十部分 磁場(chǎng)

第一講 基本知識(shí)介紹

《磁場(chǎng)》部分在奧賽考剛中的考點(diǎn)很少,和高考要求的區(qū)別不是很大,只是在兩處有深化:a、電流的磁場(chǎng)引進(jìn)定量計(jì)算;b、對(duì)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了更深入的分析。

一、磁場(chǎng)與安培力

1、磁場(chǎng)

a、永磁體、電流磁場(chǎng)→磁現(xiàn)象的電本質(zhì)

b、磁感強(qiáng)度、磁通量

c、穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)

*畢奧-薩伐爾定律(Biot-Savart law):對(duì)于電流強(qiáng)度為I 、長(zhǎng)度為dI的導(dǎo)體元段,在距離為r的點(diǎn)激發(fā)的“元磁感應(yīng)強(qiáng)度”為dB 。矢量式d= k,(d表示導(dǎo)體元段的方向沿電流的方向、為導(dǎo)體元段到考查點(diǎn)的方向矢量);或用大小關(guān)系式dB = k結(jié)合安培定則尋求方向亦可。其中 k = 1.0×10?7N/A2 。應(yīng)用畢薩定律再結(jié)合矢量疊加原理,可以求解任何形狀導(dǎo)線在任何位置激發(fā)的磁感強(qiáng)度。

畢薩定律應(yīng)用在“無限長(zhǎng)”直導(dǎo)線的結(jié)論:B = 2k ;

*畢薩定律應(yīng)用在環(huán)形電流垂直中心軸線上的結(jié)論:B = 2πkI ;

*畢薩定律應(yīng)用在“無限長(zhǎng)”螺線管內(nèi)部的結(jié)論:B = 2πknI 。其中n為單位長(zhǎng)度螺線管的匝數(shù)。

2、安培力

a、對(duì)直導(dǎo)體,矢量式為 = I;或表達(dá)為大小關(guān)系式 F = BILsinθ再結(jié)合“左手定則”解決方向問題(θ為B與L的夾角)。

b、彎曲導(dǎo)體的安培力

⑴整體合力

折線導(dǎo)體所受安培力的合力等于連接始末端連線導(dǎo)體(電流不變)的的安培力。

證明:參照?qǐng)D9-1,令MN段導(dǎo)體的安培力F1與NO段導(dǎo)體的安培力F2的合力為F,則F的大小為

F = 

  = BI

  = BI

關(guān)于F的方向,由于ΔFF2P∽ΔMNO,可以證明圖9-1中的兩個(gè)灰色三角形相似,這也就證明了F是垂直MO的,再由于ΔPMO是等腰三角形(這個(gè)證明很容易),故F在MO上的垂足就是MO的中點(diǎn)了。

證畢。

由于連續(xù)彎曲的導(dǎo)體可以看成是無窮多元段直線導(dǎo)體的折合,所以,關(guān)于折線導(dǎo)體整體合力的結(jié)論也適用于彎曲導(dǎo)體。(說明:這個(gè)結(jié)論只適用于勻強(qiáng)磁場(chǎng)。)

⑵導(dǎo)體的內(nèi)張力

彎曲導(dǎo)體在平衡或加速的情形下,均會(huì)出現(xiàn)內(nèi)張力,具體分析時(shí),可將導(dǎo)體在被考查點(diǎn)切斷,再將被切斷的某一部分隔離,列平衡方程或動(dòng)力學(xué)方程求解。

c、勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)線圈的轉(zhuǎn)矩

如圖9-2所示,當(dāng)一個(gè)矩形線圈(線圈面積為S、通以恒定電流I)放入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,且磁場(chǎng)B的方向平行線圈平面時(shí),線圈受安培力將轉(zhuǎn)動(dòng)(并自動(dòng)選擇垂直B的中心軸OO′,因?yàn)橘|(zhì)心無加速度),此瞬時(shí)的力矩為

M = BIS

幾種情形的討論——

⑴增加匝數(shù)至N ,則 M = NBIS ;

⑵轉(zhuǎn)軸平移,結(jié)論不變(證明從略);

⑶線圈形狀改變,結(jié)論不變(證明從略);

*⑷磁場(chǎng)平行線圈平面相對(duì)原磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)α角,則M = BIScosα ,如圖9-3;

證明:當(dāng)α = 90°時(shí),顯然M = 0 ,而磁場(chǎng)是可以分解的,只有垂直轉(zhuǎn)軸的的分量Bcosα才能產(chǎn)生力矩…

⑸磁場(chǎng)B垂直O(jiān)O′軸相對(duì)線圈平面旋轉(zhuǎn)β角,則M = BIScosβ ,如圖9-4。

證明:當(dāng)β = 90°時(shí),顯然M = 0 ,而磁場(chǎng)是可以分解的,只有平行線圈平面的的分量Bcosβ才能產(chǎn)生力矩…

說明:在默認(rèn)的情況下,討論線圈的轉(zhuǎn)矩時(shí),認(rèn)為線圈的轉(zhuǎn)軸垂直磁場(chǎng)。如果沒有人為設(shè)定,而是讓安培力自行選定轉(zhuǎn)軸,這時(shí)的力矩稱為力偶矩。

二、洛侖茲力

1、概念與規(guī)律

a、 = q,或展開為f = qvBsinθ再結(jié)合左、右手定則確定方向(其中θ為的夾角)。安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)。

b、能量性質(zhì)

由于總垂直確定的平面,故總垂直 ,只能起到改變速度方向的作用。結(jié)論:洛侖茲力可對(duì)帶電粒子形成沖量,卻不可能做功;颍郝鍋銎澚墒箮щ娏W拥膭(dòng)量發(fā)生改變卻不能使其動(dòng)能發(fā)生改變。

問題:安培力可以做功,為什么洛侖茲力不能做功?

解說:應(yīng)該注意“安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)”這句話的確切含義——“宏觀體現(xiàn)”和“完全相等”是有區(qū)別的。我們可以分兩種情形看這個(gè)問題:(1)導(dǎo)體靜止時(shí),所有粒子的洛侖茲力的合力等于安培力(這個(gè)證明從略);(2)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí),粒子參與的是沿導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)v1和導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)v2的合運(yùn)動(dòng),其合速度為v ,這時(shí)的洛侖茲力f垂直v而安培力垂直導(dǎo)體棒,它們是不可能相等的,只能說安培力是洛侖茲力的分力f1 = qv1B的合力(見圖9-5)。

很顯然,f1的合力(安培力)做正功,而f不做功(或者說f1的正功和f2的負(fù)功的代數(shù)和為零)。(事實(shí)上,由于電子定向移動(dòng)速率v1在10?5m/s數(shù)量級(jí),而v2一般都在10?2m/s數(shù)量級(jí)以上,致使f1只是f的一個(gè)極小分量。)

☆如果從能量的角度看這個(gè)問題,當(dāng)導(dǎo)體棒放在光滑的導(dǎo)軌上時(shí)(參看圖9-6),導(dǎo)體棒必獲得動(dòng)能,這個(gè)動(dòng)能是怎么轉(zhuǎn)化來的呢?

若先將導(dǎo)體棒卡住,回路中形成穩(wěn)恒的電流,電流的功轉(zhuǎn)化為回路的焦耳熱。而將導(dǎo)體棒釋放后,導(dǎo)體棒受安培力加速,將形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(反電動(dòng)勢(shì))。動(dòng)力學(xué)分析可知,導(dǎo)體棒的最后穩(wěn)定狀態(tài)是勻速運(yùn)動(dòng)(感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于電源電動(dòng)勢(shì),回路電流為零)。由于達(dá)到穩(wěn)定速度前的回路電流是逐漸減小的,故在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)的焦耳熱將比導(dǎo)體棒被卡住時(shí)少。所以,導(dǎo)體棒動(dòng)能的增加是以回路焦耳熱的減少為代價(jià)的。

2、僅受洛侖茲力的帶電粒子運(yùn)動(dòng)

a、時(shí),勻速圓周運(yùn)動(dòng),半徑r =  ,周期T = 

b、成一般夾角θ時(shí),做等螺距螺旋運(yùn)動(dòng),半徑r =  ,螺距d = 

這個(gè)結(jié)論的證明一般是將分解…(過程從略)。

☆但也有一個(gè)問題,如果將分解(成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ,如圖9-7所示),粒子的運(yùn)動(dòng)情形似乎就不一樣了——在垂直B2的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)?

其實(shí),在圖9-7中,B1平行v只是一種暫時(shí)的現(xiàn)象,一旦受B2的洛侖茲力作用,v改變方向后就不再平行B1了。當(dāng)B1施加了洛侖茲力后,粒子的“圓周運(yùn)動(dòng)”就無法達(dá)成了。(而在分解v的處理中,這種局面是不會(huì)出現(xiàn)的。)

3、磁聚焦

a、結(jié)構(gòu):見圖9-8,K和G分別為陰極和控制極,A為陽極加共軸限制膜片,螺線管提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

b、原理:由于控制極和共軸膜片的存在,電子進(jìn)磁場(chǎng)的發(fā)散角極小,即速度和磁場(chǎng)的夾角θ極小,各粒子做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)可以認(rèn)為螺距彼此相等(半徑可以不等),故所有粒子會(huì)“聚焦”在熒光屏上的P點(diǎn)。

4、回旋加速器

a、結(jié)構(gòu)&原理(注意加速時(shí)間應(yīng)忽略)

b、磁場(chǎng)與交變電場(chǎng)頻率的關(guān)系

因回旋周期T和交變電場(chǎng)周期T′必相等,故 =

c、最大速度 vmax = = 2πRf

5、質(zhì)譜儀

速度選擇器&粒子圓周運(yùn)動(dòng),和高考要求相同。

第二講 典型例題解析

一、磁場(chǎng)與安培力的計(jì)算

【例題1】?jī)筛鶡o限長(zhǎng)的平行直導(dǎo)線a、b相距40cm,通過電流的大小都是3.0A,方向相反。試求位于兩根導(dǎo)線之間且在兩導(dǎo)線所在平面內(nèi)的、與a導(dǎo)線相距10cm的P點(diǎn)的磁感強(qiáng)度。

【解說】這是一個(gè)關(guān)于畢薩定律的簡(jiǎn)單應(yīng)用。解題過程從略。

【答案】大小為8.0×10?6T ,方向在圖9-9中垂直紙面向外。

【例題2】半徑為R ,通有電流I的圓形線圈,放在磁感強(qiáng)度大小為B 、方向垂直線圈平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,求由于安培力而引起的線圈內(nèi)張力。

【解說】本題有兩種解法。

方法一:隔離一小段弧,對(duì)應(yīng)圓心角θ ,則弧長(zhǎng)L = θR 。因?yàn)棣?u> →

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