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简答题

(12分)如图所示光滑水平直轨道上有三个滑块A、B、C质量分别为mA=mC=2m和mB=m,A、B用细绳相连,中间有一压缩的弹簧(弹簧与滑块不栓接),开始时A、B以共同速度V0向右运动,C静止,某时刻细绳突然断开,A、B被弹开,然后B又与C发生碰撞并粘在一起,最终三者的速度恰好相同。

求:(1)B与C碰撞前B的速度;

(2)弹簧释放的弹性势能多大。

正确答案

(1)

(2)

(1)设三者最后的共同速度为,滑块A与B分开后的速度为,由动量守恒得:

三者动量守恒得:

所以                         (6分)

(2)弹簧释放的弹性势能

(6分)

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简答题

(选修模块3-5)

(1)关于光电效应现象,下列说法中正确的是______

A.在光电效应现象中,入射光的强度越大,光电子的最大初动能越大

B.在光电效应现象中,光电子的最大初动能与照射光的频率成正比

C.对于任何一种金属都存在一个“最大波长”,入射光的波长必须小于此波长,才能产生光电效应

D.对于某种金属,只要入射光的强度足够大,就会发生光电效应

(2)处于激发状态的原子,在入射光的电磁场的影响下,从高能态向低能态跃迁,两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去,这种辐射叫做受激辐射.原子发生受激辐射时,发出的光子频率、发射方向等,都跟入射光子完全一样,这样使光得到加强,这就是激光产生的机理.那么,发生受激辐射时,产生激光的原子的总能量En、电势能Ep、电子动能Ek的变化情况是______

A.Ep增大、Ek减小、En减小

B.Ep减小、Ek增大、En减小

C.Ep增大、Ek增大、En增大

D.Ep减小、Ek增大、En不变

(3)如图所示,质量为m的小球B连接着轻质弹簧,静止在光滑水平面上.质量为m的小球A以某一速度向右运动,与弹簧发生碰撞,当A、B两球距离最近时弹簧的弹性势能为EP,则碰撞前A球的速度v0大小为多少?

正确答案

(1)A、发生光电效应时,光电子的最大初动能与入射光的强度无关.故A错误.

B、根据光电效应方程EKm=hγ-W0,可知最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,不是正比关系.故B错误.

C、入射光的频率大于极限频率时,发生光电效应,因为极限波长λ0=,所以入射光的波长必须小于此波长,才能产生光电效应.故C正确.

D、光电效应与入射光的强度无关.故D错误.

故选C.

(2)发生受激辐射时,向外辐射光子,则原子的总能量En减小,库仑引力做正功,电势能减小.根据k=m,知EK=mv2=,从高能态向低能态跃迁,轨道半径减小,则动能增大.故B正确,A、C、D错误.

故选B.

(3)当弹簧弹性势能最大时,两球的速度相同,根据动量守恒定律得:

mv0=2mv

解得:v=

根据能量守恒定律得:mv02=EP+(2m)v2

解得:v0=2

答:碰撞前A球的速度v0大小为2

故答案为:(1)C    (2)B    (3)2

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简答题

(1)雷蒙德•戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖.他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶.电子中微子可以将一个氯核转变为一个氢核,其核反应方程式为νe+CI→Ar+e.已知Cl核的质量为36.95658u,Ar核的质量为36.95691u,e的质量为0.00055u,1u质量对应的能量为931.5MeV.根据以上数据,可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为______MeV(结果保留两位有效数字).

(2)如图所示,质量为m=1kg的滑块,以v0=5m/s的水平初速度滑上静止在光滑水平面的平板小车,小车足够长,质量M=4kg.求:

①滑块与小车的共同速度v;

②整个运动过程中产生的内能E.

正确答案

(1)反应过程需要能量为:E=mc2=(36.95691u+0.00055u-36.95658u)c2

根据l u质量对应的能量为931.5MeV,得:E≈0.82MeV,所以中微子的能量最小为0.82MeV,

故答案为:0.82

(2)①根据动量守恒定律列出等式:

mv0=(m+M)v

解得:v=1m/s

②根据能量守恒知道整个运动过程中产生的内能等于动能的损失.

E=mv02-(m+M)v 2得:E=10J

答:①滑块与小车的共同速度v为1m/s;

②整个运动过程中产生的内能E为10J.

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(12分)静止在匀强磁场中的原子核,俘获一个速度为7.7×104 m/s 的中子而发生核反应放出α粒子后变成一个新原子核,已知中子速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子速度为:2×104m/s,方向与中子速度方向相同,求:

(1)生成的新核是什么?写出核反应方程式。

(2)生成的新核的速度大小和方向。

(3)若α粒子与新核间相互作用不计,则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少?

正确答案

(1)氚核 (2),与速度方向与反应前中子速度方向相反(3)

试题分析:(1)生成的新核是氚核,核反应方程式:

(2)由动量守恒定律

,与速度方向与反应前中子速度方向相反

(3)两粒子均由洛伦兹力提供向心力,其半径之比:

带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期:,故这两个粒子的周期之比为:

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在光滑的地面上,小球A以速率v0向右运动时跟静止的小球B发生碰撞,碰后A球以的速率弹回,而B球以的速率向右运动,求

(1)A、B两球的质量之比;

(2)请你判断该碰撞是否为弹性碰撞。

正确答案

设向右为正方向,A球质量为m,B球质量为M,以A、B球为系统

(1)由动量守恒定律得,

                …………3分

解得:              …………2分

(2)碰前:         …………2分

碰后:    …………2分

E1>E2 ,所以不是弹性碰撞。

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.如图所示,质量为M的长滑块静止在光滑水平面上,左侧固定一劲度系数k足够大的水平轻质弹簧,右侧用一不可伸长的细轻绳连接于竖直墙上,细绳所能承受的最大拉力为T。使一质量为m、初速度为v0的小物块,在滑块上无摩擦地向左滑动,而后压缩弹簧。(弹簧弹性势能的表达式,其中k为劲度系数,x为弹簧的压缩量)

(1)给出细绳被拉断的条件. (2)滑块在细绳拉断后被加速的过程中,所能获得的最大向左加速度为多少.

正确答案

(1)

(2)

(1) 设细绳刚被拉断时弹簧的压缩量为x0,此时有 kx0=T

为使弹簧压缩达到x0,对小物块要求是 

由此得到细细绳被拉断的条件 

(2) 绳断时,小物体速度为v1,则有 

解得 

而后M在弹力作用下由静止开始加速,直至与m达到共同速度v2,此时弹簧压缩时x最大,则由能量、动量守恒关系

mv1=(M+m)v2      

此时该M加速度最大为 

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钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态粒子,而铀核激发态 立即衰变为铀核,并放出能量为0.097MeV的光子。衰变放出的光子的动量可忽略.已知:粒子的质量分别为=239.0521u、=235.0439u和="4.0026u" ,1u相当于931.5MeV

①写出的衰变方程

②求铀核粒子刚产生时动能大小之比

③求粒子的动能(计算结果保留三位有效数字)

正确答案

  (2分)②    ③

试题分析:①  注意粒子是,而且衰变前后的电荷数和质量数守恒。

②因为静止的发生衰变时,根据动量守恒有的动量大小相等,方向相反:

所以动能之比:   (2分)

③质量亏损--="239.0521-235.0439-" 4.0026=0.0056u (1分)

释放能量 (1分)

粒子的动能 (1分)

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如图所示,质量M=0.40kg的靶盒A位于光滑水平导轨上,开始时静止在O点,在O点右侧有范围很广的“相互作用区域”,如图中的虚线区域。当靶盒A进入相互作用区域时便有向左的水平恒力F=20N作用。在P处有一固定的发射器B,它可根据需要瞄准靶盒每次发射一颗水平速度v0=50m/s、质量m=0.10kg的子弹,当子弹打入靶盒A后,便留在盒内,碰撞时间极短。若每当靶盒A停在或到达O点时,就有一颗子弹进入靶盒A内,求:

(1)当第一颗子弹进入靶盒A后,靶盒A离开O点的最大距离

(2)当第三颗子弹进入靶盒A后,靶盒A从离开O点到又回到O点所经历的时间

(3)当第100颗子弹进入靶盒A时,靶盒A已经在相互作用区中运动的时间

正确答案

(1)设第一颗子弹进入靶盒A后,子弹与靶盒的共同速度为v1

根据动量守恒,有:mv0=(m+M)v1  (3分)

设A离开O点的最大距离为s1,由动能定理有:

-Fs1=0-

解得:s1=1.25m(2分)

(2)根据题意,A在恒力F作用下返回O点时第二颗子弹正好打入,由于A的动量与第二颗子弹动量大小相同、方向相反,故第二颗子弹打入后,A将静止在O点。(1分)

设第三颗子弹打入A后,它们的共同速度为v3,由动量守恒得:mv0=(3m+M)v3 (2分)

设A从离开O点到又回到O点所经历的时间为t,取碰后A运动的方向为正方向,由动量定理得:

-F=0-(3分)

解得:t=0.5s(2分)

(3)从第(2)问的计算可以看出,每1、3、5、……(2n+1)颗子弹打入A后,A运动时间均为t="0.5s " 故总时间t=50t=25s(4分)

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简答题

如图所示,A、B为两个大小可视为质点的小球,A的质量M=0.6kg,B的质量m=0.4kg,B球用长l=1.0m的轻质细绳吊起,当B球处于静止状态时,B球恰好与光滑弧形轨道PQ的末端点P(P端切线水平)接触但无作用力.现使A球从距轨道P端h=0.20m的Q点由静止释放,当A球运动到轨道P端时与B球碰撞,碰后两球粘在一起运动.若g取10m/s2,求两球粘在一起后,悬绳的最大拉力为多大?

正确答案

A球沿轨道下滑的过程中,机械能守恒,设其刚与B球碰撞时的速度大小为vA

由机械能守恒定律得:Mgh=MvA2

解得vA==2.0m/s;

两球相碰撞的过程,系统沿水平方向动量守恒,设碰撞后的共同速度大小为v,

由动量守恒定律得:MvA=(M+m)v,解得v=1.2m/s,

设两球碰撞后开始一起运动的瞬间所受细绳的拉力为T,

根据牛顿第二定律对两球碰撞后的瞬间有 T-(M+m)g=(M+m)

解得:T=11.44N,

根据牛顿第三定律可知,两球对细绳的拉力大小T′=11.44N;

答:两小球碰撞后开始一起运动的瞬间,两球对细绳的拉力为11.44N.

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填空题

A.若两颗人造卫星A和B绕地球做匀速圆周运动,角速度之比为8:1,则A和B两颗卫星的轨道半径之比为______,运动的速率之比为______.

B.质量为m1=5kg的小球在光滑水平面上以v1=3m/s的速度向右撞击静止的木块,撞击后小球和木块一起以v2=1m/s的速度向右运动,以小球的运动方向为正方向,则小球动量的改变量为______kg•m/s,木块的质量为______kg.

正确答案

A、根据卫星的速度公式v=得,角速度为ω==,地球的质量M一定,则得A和B两颗卫星的轨道半径之比为  rA:rB==1:4,速率之比这vA:vB=2:1

B、取向右方向为正方向,则小球的初动量P=m1v1=5×3kg•m/s=15kgm/s,末动量P′=m1v2=5×1kg•m/s=5kgm/s,故小球动量的改变量为△P=P′-P=-10kgm/s.

由m1v1=(m1+m2)v2,代入解得,m2=10kg.

故答案为:A、1:4,2:1;B、-10,10

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如图所示,在光滑的水平面上,有一质量为M=20kg的足够长的木板,上表面粗糙,以速度v0=10m/s向右作匀速直线运动.现将质量为m=5kg的小铁块无初速地轻放在木板的前端,求

(1)小铁块与木板相对静止时,它们共同运动的速度为多大?

(2)全过程有多少机械能转化为系统的内能?

正确答案

(1)以小铁块和木板组成的系统为研究对象,根据动量守恒定律得

    Mv0=(M+m)v

得  v==8m/s

(2)根据能量守恒定律,系统损失的机械能全部转化为系统内能

则  Q=-

得  Q==200J

答:

(1)小铁块与木板相对静止时,它们共同运动的速度为8m/s.

(2)全过程有200J机械能转化为系统的内能.

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简答题

如图所示,质量为m的由绝缘材料制成的球与质量为M=19m的金属球并排悬挂.现将绝缘球拉至与竖直方向成θ=60°的位置自由释放,下摆后在最低点与金属球发生弹性碰撞.在平衡位置附近存在垂直于纸面的磁场.已知由于磁场的阻尼作用,金属球将于再次碰撞前停在最低点处.求经过几次碰撞后绝缘球偏离竖直方向的最大角度将小于45°.

正确答案

设小球m的摆线长度为l

小球m在下落过程中与M相碰之前满足机械能守恒:mgl(1-cosθ)=mv02

m和M碰撞过程是弹性碰撞,故满足:

mv0=MVM+mv1

mv02=mv12+MVM2  ③

联立 ②③得:v1=v0  ④

说明小球被反弹,且v1与v0成正比,而后小球又以反弹速度和小球M再次发生弹性碰撞,满足:

mv1=MVM1+mv2

mv12=mv22+MVM12

解得:

v2=|v1| ⑦

整理得:

v2=-()2v0⑧

故可以得到发生n次碰撞后的速度:

vn=|(

m-M

m+M

)nv0|⑨

而偏离方向为450的临界速度满足:

mgl(1-cos450)=mv临界2

联立①⑨⑩代入数据解得,当n=2时,v2>v临界

当n=3时,v3<v临界

即发生3次碰撞后小球返回到最高点时与竖直方向的夹角将小于45°.

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简答题

质量为M的小船以速度V0行驶,船上有两个质量皆为m的小孩a和b,分别静止站在船头和船尾.现小孩a沿水平方向以速率v(相对于静止水面)向前跃入水中,然后小孩b沿水平方向以同一速率v(相对于静止水面)向后跃入水中.求小孩b跃出后小船的速度.

正确答案

设小孩b跃出后小船向前行驶的速度为V,根据动量守恒定律,有

(M+2m)V0=MV+mυ-mυ

解得

V=(1+)V0

即小孩b跃出后小船的速度为(1+)V0

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填空题

在光滑水平面上沿x轴正方向作直线运动的物体A质量为m1,速度为v1=2m/s;另一个物体B质量为m2,以v2=4m/s的速率沿x轴负方向迎面向A运动,若两物体相碰后粘在一起并且恰好停止运动,则m1:m2=______;若两物体相碰后粘在一起并以v'=1m/s的速度沿x轴正方向运动,则m1:m2=______.

正确答案

以A、B组成的系统为研究对象,

①若两物体相碰后粘在一起并且恰好停止运动

由水平方向上动量守恒得

m1v1=m2v2

所以===

②若两物体相碰后粘在一起并以v'=1m/s的速度沿x轴正方向运动

由水平方向上动量守恒得

m1v1-m2v2=(m1+m2)v′

所以2m1-4m2=m1+m2

m1=5m2

=

故答案为:2:1,5:1.

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简答题

如图所示,在足够长的光滑水平轨道上静止三个小木块A、B、C,质量分别为mA=1kg,mB=1kg,mC=2kg,其中B与C用一个轻弹簧固定连接,开始时整个装置处于静止状态,弹簧处于原长状态;A和B之间有少许塑胶炸药,现在引爆塑胶炸药,若炸药爆炸产生的能量有E=9J转化为A和B沿轨道方向的动能。求:爆炸后弹簧弹性势能的最大值;

正确答案

EP=3J

试题分析:塑胶炸药爆炸瞬间取A和B为研究对象,假设爆炸后瞬间AB的速度大小分别为vA、vB,取向右为正方向

由动量守恒:-mAvA+mBmB=0        

爆炸产生的热量由9J转化为AB的动能: 

带入数据解得:vA = vB = 3m/s         

爆炸后取BC和弹簧为研究系统,当弹簧第一次被压缩到最短时BC达到共速vBC,此时弹簧的弹性势能最大,设为Ep1

由动量守恒:mBvB=(mB+mC)vBC         

由能量定恒定定律:

带入数据得:EP=3J

点评:关键是知道爆炸后取BC和弹簧为研究系统,当弹簧第一次被压缩到最短时BC达到共速vBC,此时弹簧的弹性势能最大,

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