第26屆全國物理競賽決賽試題理論部分及標準答案

2022-05-28 02:39:05 字數 2145 閱讀 5175

一、填空題(每題5分,共20分)

1(c為任意常數)。

2. 3.

4.,式中e為電子電量的絕對值,k為波爾茲曼常量,t為絕對溫度,為p-n結的反向飽和電流。

評分標準:本題共20分。

第1、2題每題填對均得5分,第3題只要答案在27-30之間即得5分,否則0分。第4題第一空格佔4分,第二空格佔1分。

二、1.設位矢、時間縮放分別為故速度、加速度滿足關係

1)2)

縮放前後質點均滿足牛頓運動方程,即

3)4)

利用(2)式及,(4)式化簡為

5)對照(3)式,得

6)2.萬有引力場中,有,設想軌道尺寸按

7)縮放,則週期按

8)縮放,故有

9)評分標準: 本題共15分

第一小題佔10分,正確得出(6)式得得10分,其中正確得出(5)式得5分。

第二小題佔5分。正確得出(9)式得5分。

三、 兩質點的相對位矢為,記其單位向量為。由於質點約束在管內運動,所受合力必定沿運動方向,即靜電力沿運動方向的分力,兩質點運動方程

1)相減可得

2)其中為b相對於a的加速度。(2)式表明,b相對於a的運動即力心固定之庫侖勢場中質點的m運動,其電勢能為:

3)中心力場中運動質點的角動量、能量守恆。此處角動量與能量均應為b相對a的運動的值,可由初始條件定出:

4)5)

所求量即近力心點到力心的距離,該點速度必與矢徑垂直,故有:

6)7)

從而解得

8)評分標準: 本題共20分

正確得出(3)式得10分;(4)、(5)、(6)、(7)與(8)各佔2分。

四、 為表述方便,以下熱量均用絕對值表示。

可以採用熱機熱幫浦聯合供暖方案:利用熱機從鍋爐吸收熱量,轉化為功;此功驅動熱幫浦,從戶外吸熱,向室外放熱。

熱機的高溫熱源鍋爐,低溫熱源可選室內或戶外環境。以室外為例,設熱機從鍋爐吸熱,向室外放熱,則有

1)熱幫浦的高、低溫熱源分別為室內、戶外環境。設熱幫浦從戶外吸熱向室外放熱則有

(2)通過熱機、熱幫浦聯合工作,室內獲得的總能量為

3)將(1)、(2)兩式相加,得

4)若熱機以戶外環境為低溫熱源,同理可得上式。

由能量守恆定律給出

5)直接供暖時,給室內供熱鍋爐所釋放的熱量為

6)聯立(4)(5)兩式,可得熱機熱幫浦供暖鍋爐釋放的熱量為

7)能耗下降率為

8)理論極限為上式取等號。

本題共10分,其中(4)式佔4分。

五、列出x和y方向的二維電子的牛頓方程如下:

1)2)

在穩態,不隨時間變化,電子無加速度,。因此由(2)式得

3)代入(1)式得

4)根據定義

5)6)

可見在垂直於電場的方向上也產生電流。

評分標準:本題共15分

其中(1)式與(2)式各佔2分,其中各佔2分,(3)式與(4)式各佔1分;(5)式(6)式共佔3分;(7)式與(8)各佔1分。

六、1.已知兩板間的電磁波的電場強度e為

1)由於是理想導體板,當z=0和d時應有e=0。從而

2)2.對於(1)式描述的電磁波,可以通過

3)表達為兩列平面電磁波的疊加,

4)式中兩列電磁波的波長都可表達為

5) 當m=1,

6)3.因此,x方向的波速為

7)如圖所示,設板堆左端任一點p到波源的距離op=r,op與水平線的交角為。要使得輸出為沿水平方向的平面波,應滿足,

8)由此可得,

9)評分標準:本題共25分

第一小題5分,第二小題10分,第三小題10分;

其中(2)式佔5分,(5)式佔6分,(6)式佔4分;(8)式佔6分。

七、由方程1)

2)3)

可推導出電子的總能量為

4)由條件推導出氫原子的軌道半徑和運動速度分別為:

5)6)

由拉莫爾公式得初始發射功率

7)在微小的時間間隔中,輻射使電子的總能量u減少

8)9)

其中為電子軌道半徑的減少量,由此可匯出時間和半徑r的變化方程:

10)其中。

構造乙個半徑為r0 的球體,則即為距離球心為r的薄球殼的體積,在到0的求和過程中可以算出球的體積為。對應本題情況解出電子軌道從減少到0所需的時間為

11)代入資料,得:12)

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