（生物科技行业）第十七届全国中学生物理竞赛复赛
试题及参考解答
第十七届全国中学生物理竞赛复赛试题及参考解答
题号 壹 二 三 四 五 六 总计
全卷共六题，总分140分
壹、（20分）在壹大水银槽中竖直插有壹根玻璃管，管上端封闭，下端开口．已知槽中水银液面之上的那部分玻璃管的长度，管内封闭有的空气，保持水银槽和玻璃管都不动而设法使玻璃管内空气的温度缓慢地降低10℃，问在此过程中管内空气放出的热量为多少？已知管外大气的压强为汞柱高，每摩尔空气的内能，其中为绝对温度，常量，普适气体常量。 二、（20分）如图复17-2所示，在真空中有壹个折射率为（，为真空的折射率）、半径为的质地均匀的小球。频率为的细激光束在真空中沿直线传播，直线和小球球心的距离为（），光束于小球体表面的点点经折射进入小球（小球成为光传播的介质），且于小球表面的点点又经折射进入真空．设激光束的频率在上述俩次折射后保持不变．求在俩次折射过程中激光束中壹个光子对小球作用的平均力的大小．
三、（25分）1995年，美国费米国家实验室CDF实验组和DO实验组在质子反质子对撞机TEVATRON的实验中，观察到了顶夸克，测得它的静止质量，寿命，这是近十几年来粒子物理研究最重要的实验进展之壹．
1．正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为，式中是正、反顶夸克之间的距离，是强相互作用耦合常数，是和单位制有关的常数，在国际单位制中．为估算正、反顶夸克能否构成壹个处在束缚状态的系统，可把束缚状态设想为正反顶夸克在彼此间的吸引力作用下绕它们连线的中点做匀速圆周运动．如能构成束缚态，试用玻尔理论确定系统处于基态中正、反顶夸克之间的距离．已知处于束缚态的正、反夸克粒子满足量子化条件，即
式中为壹个粒子的动量和其轨道半径的乘积，为量子数，为普朗克常量．
2．试求正、反顶夸克在上述设想的基态中做匀速圆周运动的周期．你认为正、反顶夸克的这种束缚态能存在吗?
四、（25分）宇宙飞行器和小行星都绕太阳在同壹平面内做圆周运动，飞行器的质量比小行星的质量小得很多，飞行器的速率为，小行星的轨道半径为飞行器轨道半径的6倍．有人企图借助飞行器和小行星的碰撞使飞行器飞出太阳系，于是他便设计了如下方案：Ⅰ.当飞行器在其圆周轨道的适当位置时，突然点燃飞行器上的喷气发动机，经过极短时间后立即关闭发动机，以使飞行器获得所需的速度，沿圆周轨道的切线方向离开圆轨道；Ⅱ.飞行器到达小行星的轨道时正好位于小行星的前缘，速度的方向和小行星在该处速度的方向相同，正好可被小行星碰撞；Ⅲ.小行星和飞行器的碰撞是弹性正碰，不计燃烧的燃料质量． 1．试通过计算证明按上述方案能使飞行器飞出太阳系；
2．设在上述方案中，飞行器从发动机取得的能量为．如果不采取上述方案而是令飞行器在圆轨道上突然点燃喷气发动机，经过极短时间后立即关闭发动机，以使飞行器获得足够的速度沿圆轨道切线方向离开圆轨道后能直接飞出太阳系．采用这种办法时，飞行器从发动机取得的能量的最小值用表示，问为多少?
五、（25分）在真空中建立壹坐标系，以水平向右为轴正方向，竖直向下为轴正方向，轴垂直纸面向里（图复17-5）．在的区域内有匀强磁场，，磁场的磁感强度的方向沿轴的正方向，其大小．今把壹荷质比的带正电质点在，，处静止释放，将带电质点过原点的时刻定为时刻，求带电质点在磁场中任壹时刻的位置坐标．且求它刚离开磁场时的位置和速度．取重力加速度。
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