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简答题

如图,半径R=0.8m的四分之一光滑圆弧轨道位于竖直平面内,与长CD=2.0m的绝缘水平面平滑连接,水平面右侧空间存在互相垂直的匀强电场和匀强磁场,电场强度E=40N/C,方向竖直向上,磁场的磁感应强度B=1.0T,方向垂直纸面向外。两个质量无为m=2.0×10-6kg的小球a和b,a球不带电,b球带q=1.0×10-6C的正电并静止于水平面右边缘处。将a球从圆弧轨道顶端由静止释放,运动到D点与b球发生正碰,碰撞时间极短,碰后两球粘合在一起飞入复合场中,最后落在地面上的P点,已知小球a在水平面上运动时所受的摩擦阻力f=0.1mg,,取g=10m/s2。a、b均可作为质点。求:

(1)小球a与b相碰后瞬间速度的大小v;

(2)水平面离地面的高度h;

(3)从小球a开始释放到落地前瞬间的整个运动过程中,ab系统损失的机械能△E。

正确答案

解:(1)设a球到D点时的速度为vD,从释放至D点根据动能定理:

对a、b球,根据动量守恒定律:mvD=2mv

解得:v=m/s=1.73m/s

(2)两球进入复合场后,由计算可知Eq=2mg,两球在洛仑兹力作用下做匀速圆周运动轨迹示意图如下图所示

洛仑兹力提供向心力:

由图可知:r=2h

解得:

(3)ab系统损失的机械能

解得

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1919年卢瑟福用α粒子撞击核发现了质子。

(1)写出这个核反应的方程式___________。

(2)上述核反应可以用如下的模型来认识,运动的α粒子撞击一个静止的核,它们暂时形成一个整体(复合核),随即复合核迅速转化成一个质子和另一个原子核,已知复合核发生转化需要能量1.19 MeV。那么要想发生上述核反应,入射的α粒子的动能至少要多大?

(3)英国物理学家威耳逊在1911年发明了“云室”,带电粒子在云室中运动时,可以显现出运动的径迹。把云室放在匀强电场中,分别将质子和α粒子垂直于电场方向打入同一匀强电场中,观察它们运动的径迹,如果质子和α粒子运动的径迹相同(电场方向和质子、α粒子运动径迹所在平面平行)。求:质子和α粒子进入电场时的动能之比是多少?

正确答案

解:(1)

(2)α粒子撞击核形成复合核,动量守恒,即m0v0=(m1+m2)v

系统损失的动能变成复合核发生转化所需要的能量,即=1.19 MeV

入射α粒子的动能

(3)带电粒子垂直于电场方向射入匀强电场中,在匀强电场中做类平抛运动,设它沿入射方向的位移是x,沿电场方向的位移为y,有

质子和α粒子的径迹相同,即它们沿入射方向通过相同的位移x时,沿电场方向的位移y也相同

质子和α粒子动能之比

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简答题

两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素).已知氘核的质量m0=2.0136u ,氦核的质量mHe=3.0150u ,中子的质量mn=1.0087u .  

(1) 写出聚变方程并算出释放的核能( 已知1u=931.5MeV) ;  

(2) 若反应前两氘核的动能均为Ek0=0.35MeV ,它们正面对撞发生核聚变,且反应后释放的核能全部转变为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大?

正确答案

解:(1) 聚变的核反应方程为    

这个核反应中的质量亏损为

△m=2m0-(mHe+mn)=(2×2.0136-3.0150 -1.0087)u=0.0035u

释放的核能为△E=0.0035×931.5MeV=3.26MeV.

(2)把两个氘核作为一个系统,对撞过程中动量守恒

由于反应前两氘核动能相同,其动量大小相等,方向相反

因此反应前后系统的总动量恒为零,即  

0=mHevHe+mnv      ①  

又由于反应前后总能量守恒,故反应后氦核和中子的总动能为

    ②

因为mHe:mn=3:1

所以氦核和中子的速率之比为

把①③代入②式,得

即(3.26+2×0.35)MeV=4EkHe

则氦核的动能和中子的动能分别为

Ekn = 3EkHe=2.97MeV.

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(1)氢原子第n能级的能量为,其中E1是基态能量,而n=1,2……若一氢原子发射能量为的光子后处于比基态能量高出的激发态,则氢原子发射光子前后分别处于第几能级?

(2)一速度为v的高速α粒子与同方向运动的氖核发生弹性正碰,碰后α粒子恰好静止。求碰撞前后氖核的速度。(不计相对论修正)

正确答案

解:(1)设氢原子发射光子前后分别位于第l与第m能级,则依题意有

 ①

由②式解得m=2 ③

由①③式得l=4 ④

(2)设α粒子与氖核的质量分别为mα和mNe,氖核在碰撞前后的速度分别为vNe与vNe',由动量守恒与机械能守恒定律,有

mαv+mNevNe=mNevNe' ①

解得③,

已知

将⑤式代入③④式得

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两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量mD=2.013 6 u,氦核质量mHe=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 u。

(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知l u= 931.5 MeV);

(2)若反应前两氘核的动能均为EkD=0.35 MeV,它们正面对撞发生聚变,且反应后释放的核能全部转变为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大?

正确答案

解:(1)聚变的核反应方程为

这个核反应中的质量亏损△m=2mD-(mHe+mn)=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7)u=0.003 5 u

释放的核能△E=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV

(2)把两个氘核作为一个系统,对撞过程中动量守恒,由于反应前两氘核动能相同,其动量等值反向,因此反应前后系统的总动量守恒为零,即0=mHevHe+mnvn又由于反应前后总能量守恒,故反应后氦核和中子的总动能

因为,所以氦核和中子的速率之比为

把这两个关系式代入①式得

即(3.26+2×0.35)MeV=4EkHe得氦核的动能和中子的动能分别为

Ekn=3EkHe=2.97 MeV

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