第25屆全國中學(xué)生物理競賽決賽試題及詳細(xì)解答

1、第25屆全國中學(xué)生物理競賽決賽試題2008年10月 北京 理論部分dBAx一、足球比賽，一攻方隊(duì)員在圖中所示的 A 處沿 Ax 方向傳球，球在草地上以速度 v 勻速滾動，守方有一隊(duì)員在圖中 B 處，以 d 表示 A ，B 間的距離，以 表示 AB 與Ax 之間的夾角，已知 90° 設(shè)在球離開 A 處的同時，位于 B 處的守方隊(duì)員開始沿一直線在勻速運(yùn)動中去搶球，以 vp 表示他的速率在不考慮場地邊界限制的條件下，求解以下問題（要求用題中給出的有關(guān)參量間的關(guān)系式表示所求得的結(jié)果）：1求出守方隊(duì)員可以搶到球的必要條件2如果攻方有一接球隊(duì)員處在 Ax 線上等球，以 lr 表示他到 A 點(diǎn)的距

2、離，求出球不被原在 B 處的守方隊(duì)員搶斷的條件3如果攻方有一接球隊(duì)員處在 Ax 線上，以L表示他離開 A 點(diǎn)的距離在球離開 A處的同時，他開始勻速跑動去接球，以 vr 表示其速率，求在這種情況下球不被原在 B 處的守方隊(duì)員搶斷的條件二、衛(wèi)星的運(yùn)動可由地面觀測來確定；而知道了衛(wèi)星的運(yùn)動，又可以用它來確定空間飛行體或地面上物體的運(yùn)動這都涉及時間和空間坐標(biāo)的測定為簡化分析和計算，不考慮地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，把它當(dāng)做慣性系1先來考慮衛(wèi)星運(yùn)動的測定設(shè)不考慮相對論效應(yīng)在衛(wèi)星上裝有發(fā)射電波的裝置和高精度的原子鐘假設(shè)從衛(wèi)星上每次發(fā)出的電波信號，都包含該信號發(fā)出的時刻這一信息（I）地面觀測系統(tǒng)（包含若干個觀測站）可

3、利用從電波中接收到的這一信息，并根據(jù)自己所處的已知位置和自己的時鐘來確定衛(wèi)星每一時刻的位置，從而測定衛(wèi)星的運(yùn)動這種測量系統(tǒng)至少需要包含幾個地面觀測站？列出可以確定衛(wèi)星位置的方程（II）設(shè)有兩個觀測站 D1 ，D2 ，分別位于同一經(jīng)線上北緯 和南緯 （單位：（°）處若它們同時收到時間之前衛(wèi)星發(fā)出的電波信號（i）試求出發(fā)出電波時刻衛(wèi)星距地面的最大高度 H ；（ii）當(dāng) D1 ，D2 處觀測站位置的緯度有很小的誤差 時，試求H的誤差；（iii）如果上述的時間有很小的誤差，試求 H 的誤差2在第1（II）小題中，若 = 45° ，= 0.10 s （i）試問衛(wèi)星發(fā)出電波時刻衛(wèi)星距地

4、面最大高度 H 是多少千米？（ii）若 = ±1.0 ，定出的 H 有多大誤差？（iii）若= ±0.010 s ，定出的 H 有多大誤差？假設(shè)地球?yàn)榘霃?R = 6.38 × 103 km 的球體，光速 c = 2.998 ×108 m / s ，地面處的重力加速度 g = 9.81 m / s23再來考慮根據(jù)參照衛(wèi)星的運(yùn)動來測定一個物體的運(yùn)動設(shè)不考慮相對論效應(yīng)假設(shè)從衛(wèi)星持續(xù)發(fā)出的電波信號包含衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)的信息，即每個信號發(fā)出的時刻及該時刻衛(wèi)星所處的位置再假設(shè)被觀測物體上有一臺衛(wèi)星信號接收器（設(shè)其上沒有時鐘），從而可獲知這些信息為了利用這種信息來確定物

5、體的運(yùn)動狀態(tài)，即物體接收到衛(wèi)星信號時物體當(dāng)時所處的位置以及當(dāng)時的時刻，一般來說物體至少需要同時接收到幾個不同衛(wèi)星發(fā)來的信號電波？列出確定當(dāng)時物體的位置和該時刻的方程4根據(jù)狹義相對論，運(yùn)動的鐘比靜止的鐘慢根據(jù)廣義相對論，鐘在引力場中變慢現(xiàn)在來考慮在上述測量中相對論的這兩種效應(yīng)已知天上衛(wèi)星的鐘與地面觀測站的鐘零點(diǎn)已經(jīng)對準(zhǔn)假設(shè)衛(wèi)星在離地面 h = 2.00 ×104 km 的圓形軌道上運(yùn)行，地球半徑 R 、光速 c 和地面重力加速度 g 取第2小題中給的值（I）根據(jù)狹義相對論，試估算地上的鐘經(jīng)過 24 h 后它的示數(shù)與衛(wèi)星上的鐘的示數(shù)差多少？設(shè)在處理這一問題時，可以把勻速直線運(yùn)動中時鐘走慢

6、的公式用于勻速圓周運(yùn)動（II）根據(jù)廣義相對論，鐘在引力場中變慢的因子是 (12/ c2 )1 / 2 ，是鐘所在位置的引力勢（即引力勢能與受引力作用的物體質(zhì)量之比；取無限遠(yuǎn)處引力勢為零）的大小試問地上的鐘 24 h 后，衛(wèi)星上的鐘的示數(shù)與地上的鐘的示數(shù)差多少？三、致冷機(jī)是通過外界對機(jī)器做功，把從低溫處吸取的熱量連同外界對機(jī)器做功所得到的能量一起送到高溫處的機(jī)器；它能使低溫處的溫度降低，高溫處的溫度升高已知當(dāng)致冷機(jī)工作在絕對溫度為 T1 的高溫處和絕對溫度為 T2 的低溫處之間時，若致冷機(jī)從低溫處吸取的熱量為 Q ，外界對致冷機(jī)做的功為 W ，則有 ，式中“=”對應(yīng)于理論上的理想情況某致冷機(jī)在冬

7、天作為熱泵使用（即取暖空調(diào)機(jī)），在室外溫度為5.00的情況下，使某房間內(nèi)的溫度保持在20.00由于室內(nèi)溫度高于室外，故將有熱量從室內(nèi)傳遞到室外本題只考慮傳導(dǎo)方式的傳熱，它服從以下的規(guī)律：設(shè)一塊導(dǎo)熱層，其厚度為 l ，面積為 S ，兩側(cè)溫度差的大小為 T ，則單位時間內(nèi)通過導(dǎo)熱層由高溫處傳導(dǎo)到低溫處的熱量為H = k S ，其中 k 稱為熱導(dǎo)率，取決于導(dǎo)熱層材料的性質(zhì)1假設(shè)該房間向外散熱是由面向室外的面積 S = 5.00 m2 、厚度 l = 2.00 mm 的玻璃板引起的已知該玻璃的熱導(dǎo)率 k = 0.75 W / ( m K )，電費(fèi)為每度0.50元試求在理想情況下該熱泵工作12 h 需要

8、多少電費(fèi)？2若將上述玻璃板換為“雙層玻璃板”，兩層玻璃的厚度均為2.00mm ，玻璃板之間夾有厚度 l0 = 0.50 mm 的空氣層，假設(shè)空氣的熱導(dǎo)率 k0 = 0.025 W / ( m K )，電費(fèi)仍為每度0.50元若該熱泵仍然工作12 h ，問這時的電費(fèi)比上一問單層玻璃情形節(jié)省多少？MIM圖1四、如圖1所示，器件由相互緊密接觸的金屬層( M )、薄絕緣層( I )和金屬層( M )構(gòu)成按照經(jīng)典物理的觀點(diǎn)，在I層絕緣性能理想的情況下，電子不可能從一個金屬層穿過絕緣層到達(dá)另一個金屬層但是，按照量子物理的原理，在一定的條件下，這種渡越是可能的，習(xí)慣上將這一過程稱為隧穿，它是電子具有波動性的結(jié)

9、果隧穿是單個電子的過程，是分立的事件，通過絕緣層轉(zhuǎn)移的電荷量只能是電子電荷量e ( e = 1.60 ×1019 C )的整數(shù)倍，因此也稱為單電子隧穿，MIM 器件亦稱為隧穿結(jié)或單電子隧穿結(jié)本題涉及對單電子隧穿過程控制的庫侖阻塞原理，由于據(jù)此可望制成尺寸很小的單電子器件，這是目前研究得很多、有應(yīng)用前景的領(lǐng)域QQA B圖21顯示庫侖阻塞原理的最簡單的做法是將圖1的器件看成一個電容為C的電容器，如圖2所示電容器極板上的電荷來源于金屬極板上導(dǎo)電電子云相對于正電荷背景的很小位移，可以連續(xù)變化如前所述，以隧穿方式通過絕緣層的只能是分立的單電子電荷如果隧穿過程會導(dǎo)致體系靜電能量上升，則此過程不能

10、發(fā)生，這種現(xiàn)象稱為庫侖阻塞試求出發(fā)生庫侖阻塞的條件即電容器極板間的電勢差VAB = VAVB 在什么范圍內(nèi)單電子隧穿過程被禁止2假定 VAB = 0.10 mV 是剛能發(fā)生隧穿的電壓試估算電容 C 的大小3將圖1的器件與電壓為 V 的恒壓源相接時，通常采用圖2所示的雙結(jié)構(gòu)器件來觀察單電子隧穿，避免雜散電容的影響中間的金屬塊層稱為單電子島作為電極的左、右金屬塊層分別記為 S ，D 若已知島中有凈電荷量ne ，其中凈電子數(shù) n 可為正、負(fù)整數(shù)或零，e 為電子電荷量的大小，兩個 MIM 結(jié)的電容分別為 CS 和 CD 試證明雙結(jié)結(jié)構(gòu)器件的靜電能中與島上凈電荷量相關(guān)的靜電能（簡稱單電子島的靜電能）為U

11、n = 4在圖3給出的具有源( S )、漏( D )電極雙結(jié)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過和島連接的電容 CG 添加門電極( G )構(gòu)成如圖4給出的單電子三極管結(jié)構(gòu)，門電極和島間沒有單電子隧穿事件發(fā)圖3圖4圖5生在 V 較小且固定的情況下，通過門電壓 VG 可控制島中的凈電子數(shù) n 對于 VG 如何控制 n ，簡單的模型是將 VG 的作用視為島中附加了等效電荷 q0 = CGVG 這時，單電子島的靜電能可近似為 Un = (ne + q0 )2 / 2，式中= CS +CD +CG 利用方格圖（圖5），考慮庫侖阻塞效應(yīng)，用粗線畫出島中凈電子數(shù)從 n = 0開始，CGVG / e 由0增大到3的過程中，單電

12、子島的靜電能 Un 隨 CGVG 變化的圖線（縱坐標(biāo)表示 Un ，取 Un 的單位為 e2 / 2；橫坐標(biāo)表示 CGVG ，取 CGVG的單位為 e）要求標(biāo)出關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，并把 n = 0 ，1 ，2 ，3時 CGVG / e 的變化范圍填在表格中（此小題只按作圖及所填表格（表1）評分）表1n0123CGVG / e變化范圍z五、折射率 n = 1.50 、半徑為R的透明半圓柱體放在空氣中，其垂直于柱體軸線的橫截面如圖所示，圖中 O 點(diǎn)為橫截面與軸線的交點(diǎn)光僅允許從半圓柱體的平面 AB 進(jìn)入，一束足夠?qū)挼钠叫袉紊庋卮怪庇趫A柱軸的方向以入射角i 射至 AB 整個平面上，其中有一部分入射光束能通

13、過半圓柱體從圓柱面射出這部分光束在入射到 AB 面上時沿 y 軸方向的長度用 d 表示本題不考慮光線在透明圓柱體內(nèi)經(jīng)一次或多次反射后再射出柱體的復(fù)雜情形1當(dāng)平行入射光的入射角 i 在0°90° 變化時，試求 d 的最小值 dmin 和最大值dmax 2在如圖所示的平面內(nèi)，求出射光束與柱面相交的圓弧對 O 點(diǎn)的張角與入射角 i 的關(guān)系并求在掠入射時上述圓弧的位置六、根據(jù)廣義相對論，光線在星體的引力場中會發(fā)生彎曲，在包含引力中心的平面內(nèi)是一條在引力中心附近微彎的曲線它距離引力中心最近的點(diǎn)稱為光線的近星點(diǎn)通過近星點(diǎn)與引力中心的直線是光線的對稱軸若在光線所在平面內(nèi)選擇引力中心為平面

14、極坐標(biāo)（r ，）的原點(diǎn)，選取光線的對稱軸為坐標(biāo)極軸，則光線方程（光子的軌跡方程）為r = ，G 是萬有引力恒量，M 是星體質(zhì)量，c 是光速，a 是絕對值遠(yuǎn)小于1的參數(shù)現(xiàn)在假設(shè)離地球 80.0光年 處有一星體，在它與地球連線的中點(diǎn)處有一白矮星如果經(jīng)過該白矮星兩側(cè)的星光對地球上的觀測者所張的視角是1.80×107rad ，試問此白矮星的質(zhì)量是多少千克？已知 G = 6.673 ×1011 m3 / ( kg s2 )七、1假設(shè)對氦原子基態(tài)采用玻爾模型，認(rèn)為每個電子都在以氦核為中心的圓周上運(yùn)動，半徑相同，角動量均為：= h / 2，其中 h 是普朗克常量（I）如果忽略電子間的相互

15、作用，氦原子的一級電離能是多少電子伏？一級電離能是指把其中一個電子移到無限遠(yuǎn)所需要的能量（II）實(shí)驗(yàn)測得的氦原子一級電離能是24.6 eV 若在上述玻爾模型的基礎(chǔ)上來考慮電子之間的相互作用，進(jìn)一步假設(shè)兩個電子總處于通過氦核的一條直徑的兩端試用此模型和假設(shè)，求出電子運(yùn)動軌道的半徑 r0 、基態(tài)能量 E0 以及一級電離能 E+ ，并與實(shí)驗(yàn)測得的氦原子一級電離能相比較已知電子質(zhì)量 m = 0.511 MeV / c2 ，c 是光速，組合常量c =197.3 MeV fm = 197.3 eV nm ，ke2 = 1.44 MeV fm = 1.44 eV nm ，k 是靜電力常量，e 是基本電荷量2

16、右圖是某種粒子穿過云室留下的徑跡的照片徑跡在紙面內(nèi)，圖的中間是一塊與紙面垂直的鉛板，外加恒定勻強(qiáng)磁場的方向垂直紙面向里假設(shè)粒子電荷的大小是一個基本電荷量 e ：e = 1.60 ×1019 C ，鉛板下部徑跡的曲率半徑 rd = 210 mm ，鉛板上部徑跡的曲率半徑 ru = 76.0 mm ，鉛板內(nèi)的徑跡與鉛板法線成 = 15.0° ，鉛板厚度 d = 6.00 mm ，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B = 1.00 T ，粒子質(zhì)量 m = 9.11 ×1031 kg = 0.511 MeV / c2不考慮云室中氣體對粒子的阻力（I）寫出粒子運(yùn)動的方向和電荷的正負(fù)（II）試問鉛

17、板在粒子穿過期間所受的力平均為多少牛？（III）假設(shè)射向鉛板的不是一個粒子，而是從加速器引出的流量為 j = 5.00 ×1018 / s 的脈沖粒子束，一個脈沖持續(xù)時間為=2.50 ns 試問鉛板在此脈沖粒子束穿過期間所受的力平均為多少牛？鉛板在此期間吸收的熱量又是多少焦？第25屆全國中學(xué)生物理競賽決賽參考解答一、圖11 解法一：設(shè)守方隊(duì)員經(jīng)過時間 t 在 Ax 上的 C 點(diǎn)搶到球，用 l 表示 A 與C 之間的距離，lp 表示 B 與 C 之間的距離（如圖1所示），則有l(wèi) = vt ，lp = vpt （1）和 l= d 2 + l2 2dlcos （2）解式（1），（2）可得l

18、 = cos ± ( )2 sin2 1 / 2 （3）由式（3）可知，球被搶到的必要條件是該式有實(shí)數(shù)解，即 vp vsin （4）解法二：設(shè) BA 與 BC 的夾角為 （如圖1）按正弦定理有 = 利用式（1）有 = 從 sin 1可得必要條件（4）2用 lmin 表示守方隊(duì)員能搶斷球的地方與 A 點(diǎn)間的最小距離由式（3）知lmin = cos ± ( )2 sin2 1 / 2 （5）若攻方接球隊(duì)員到 A 點(diǎn)的距離小于 lmin ，則他將先控制球而不被守方隊(duì)員搶斷故球不被搶斷的條件是lr lmin （6）由（5），（6）兩式得lr cos ± ( )2 sin2

19、 1 / 2 （7）由式（7）可知，若位于 Ax 軸上等球的攻方球員到 A 點(diǎn)的距離 lr 滿足該式，則球不被原位于 B 處的守方球員搶斷3解法一：如果在位于 B 處的守方球員到達(dá) Ax 上距離 A 點(diǎn) lmin 的 C1 點(diǎn)之前，攻方接球隊(duì)員能夠到達(dá)距 A 點(diǎn)小于 lmin 處，球就不會被原位于 B 處的守方隊(duì)員搶斷（如圖2所示）若 L lmin 就相當(dāng)于第2小題若 L lmin ，設(shè)攻方接球員位于 Ax 方向上某點(diǎn) E 處，則他跑到 C1 點(diǎn)所需時間圖2trm = ( Llmin ) / vr ； （8）守方隊(duì)員到達(dá) C1 處所需時間 tpm = ( d 2 + l 2dlmin cos

20、)1 / 2 / vp 球不被守方搶斷的條件是trm tpm （9）即 L ( d 2 + l 2dlmin cos )1 / 2 + lmin ， （10）式中 lmin 由式（5）給出解法二：守方隊(duì)員到達(dá) C1 點(diǎn)的時間和球到達(dá)該點(diǎn)的時間相同，因此有tpm = lmin / v 從球不被守方隊(duì)員搶斷的條件（9）以及式（8）可得到L ( 1 + vr / v ) lmin （11）式中l(wèi)min也由式（5）給出易證明式（11）與（10）相同二、1（I）選擇一個坐標(biāo)系來測定衛(wèi)星的運(yùn)動，就是測定每一時刻衛(wèi)星的位置坐標(biāo)x ，y ，z 設(shè)衛(wèi)星在t時刻發(fā)出的信號電波到達(dá)第 i 個地面站的時刻為ti 因?yàn)?/p>

21、衛(wèi)星信號電波以光速 c 傳播，于是可以寫出(x xi )2 + (y yi )2 + (z zi )2 = c2 (t ti )2 ( i = 1 ，2 ，3 )， （1）式中 x i ，yi ，zi 是第i個地面站的位置坐標(biāo)，可以預(yù)先測定，是已知的；ti 也可以由地面站的時鐘來測定；t 由衛(wèi)星信號電波給出，也是已知的所以，方程（1）中有三個未知數(shù) x ，y ，z ，要有三個互相獨(dú)立的方程，也就是說，至少需要包含三個地面站，三個方程對應(yīng)于式（1）中 i = 1 ，2 ，3 的情況（II）（i）如圖所示，以地心 O 和兩個觀測站 D1 ，D2 的位置為頂點(diǎn)所構(gòu)成的三角形是等腰三角形，腰長為 R

22、根據(jù)題意，可知衛(wèi)星發(fā)出信號電波時距離兩個觀測站的距離相等，都是L = c （2）當(dāng)衛(wèi)星 P 處于上述三角形所在的平面內(nèi)時，距離地面的高度最大，即 H 以 表示 D1 ，D2 所處的緯度，由余弦定理可知L2 = R2 + ( H + R )2 2R ( H + R ) cos （3）由（2），（3）兩式得H = R ( 1cos ) （4）式（4）也可據(jù)圖直接寫出（ii）按題意，如果緯度有很小的誤差 ，則由式（3）可知，將引起H發(fā)生誤差H 這時有L2 = R2 + ( H +H + R )2 2R ( H +H + R ) cos ( + ) （5）將式（5）展開，因很小，從而H也很小，可略去高

23、次項(xiàng)，再與式（3）相減，得H = ， （6）其中 H 由（4）式給出（iii）如果時間有的誤差，則 L 有誤差L = c （7）由式（3）可知，這將引起 H 產(chǎn)生誤差H 這時有( L +L )2 = R2 + ( H +H + R )2 2R ( H +H + R ) cos （8）由式（7），（8）和（3），略去高次項(xiàng)，可得H = ， （9）其中 H 由式（4）給出2（i）在式（4）中代入數(shù)據(jù)，算得 H = 2.8 ×104 km （ii）在式（6）中代入數(shù)據(jù)，算得H =25m （iii）在式（9）中代入數(shù)據(jù)，算得H = ±3.0 m 3選擇一個坐標(biāo)系，設(shè)被測物體待定位置

24、的坐標(biāo)為 x ，y ，z ，待定時刻為 t ，第 i 個衛(wèi)星在 ti 時刻的坐標(biāo)為 xi ，yi ，z i 衛(wèi)星信號電波以光速傳播，可以寫出 (x xi )2 + (y yi )2 + (z zi )2 = c2 (t ti )2 ( i = 1 ，2 ，3 ，4 )， （10）由于方程（1）有四個未知數(shù) t ，x ，y ，z ，需要四個獨(dú)立方程才有確定的解，故需同時接收至少四個不同衛(wèi)星的信號確定當(dāng)時物體的位置和該時刻所需要的是式（10）中 i = 1 ，2 ，3 ，4 所對應(yīng)的四個獨(dú)立方程4（I）由于衛(wèi)星上鐘的變慢因子為 1( v / c )2 1 / 2 ，地上的鐘的示數(shù) T 與衛(wèi)星上的鐘

25、的示數(shù) t 之差為T t = T T = 1 T ， （11）這里 v 是衛(wèi)星相對地面的速度，可由下列方程定出： = ， （12）其中 G 是萬有引力常量，M 是地球質(zhì)量，r 是軌道半徑式（11）給出v = = R = R ，其中 R 是地球半徑，h 是衛(wèi)星離地面的高度，g = GM / R2 是地面重力加速度；代入數(shù)值有 v = 3.89 km / s 于是 ( v / c )2 1.68 ×1010 ，這是很小的數(shù)所以 1 1 / 2 1 最后，可以算出 24 h 的時差T t T = T = 7.3 s （13）（II）衛(wèi)星上的鐘的示數(shù)t與無限遠(yuǎn)慣性系中的鐘的示數(shù)T0之差t T

26、0 = T0T0 = ( 1 )T0 （14）衛(wèi)星上的鐘所處的重力勢能的大小為= = g （15）所以 = ；代入數(shù)值有/ c2 = 1.68 ×1010 ，這是很小的數(shù)式（14）近似為t T0 T0 （16）類似地，地面上的鐘的示數(shù) T 與無限遠(yuǎn)慣性系的鐘的示數(shù)之差T T0 = T0T0 = ( 1 )T0 （17）地面上的鐘所處的重力勢能的大小為= =gR （18）所以 = ；代入數(shù)值有/ c2 = 6.96 ×1010 ，這是很小的數(shù)與上面的情形類似，式（17）近似為T T0 T0 （19）（16），（19）兩式相減，即得衛(wèi)星上的鐘的示數(shù)與地面上的鐘的示數(shù)之差t T

27、T0 （20）從式（19）中解出 T0 ，并代入式（20）得t T / (1 )T T = T （21）注意，題目中的 24 h 是指地面的鐘走過的時間 T 最后，算出 24 h 衛(wèi)星上的鐘的示數(shù)與地面上的鐘的示數(shù)之差t T = 46 s （22）三、1依題意，為使室內(nèi)溫度保持不變，熱泵向室內(nèi)放熱的功率應(yīng)與房間向室外散熱的功率相等設(shè)熱泵在室內(nèi)放熱的功率為 q ，需要消耗的電功率為 P ，則它從室外（低溫處）吸收熱量的功率為 qP 根據(jù)題意有 ， （1）式中 T1 為室內(nèi)（高溫處）的絕對溫度，T2 為室外的絕對溫度由（1）式得P q （2）顯然，為使電費(fèi)最少，P 應(yīng)取最小值；即式（2）中的“”號

28、應(yīng)取等號，對應(yīng)于理想情況下 P 最小故最小電功率P min = q （3）又依題意，房間由玻璃板通過熱傳導(dǎo)方式向外散熱，散熱的功率H = k S （4）要保持室內(nèi)溫度恒定，應(yīng)有q = H （5）由（3）（5）三式得P min = k （6）設(shè)熱泵工作時間為 t ，每度電的電費(fèi)為 c ，則熱泵工作需花費(fèi)的最少電費(fèi)C min = P min tc （7）注意到 T1 = 20.00 K + 273.15 K = 293.15 K ，T2 = 5.00 K + 273.15 K = 268.15 K ，1度電 = 1 kW h 由（6），（7）兩式，并代入有關(guān)數(shù)據(jù)得C min = Sktc = 23

29、.99 元 （8）所以，在理想情況下，該熱泵工作12 h 需約24元電費(fèi)2設(shè)中間空氣層內(nèi)表面的溫度為 Ti ，外表面的溫度為 T0 ，則單位時間內(nèi)通過內(nèi)層玻璃、中間空氣層和外層玻璃傳導(dǎo)的熱量分別為H1 = k S ， （9）H2 = k0 S ， （10）H3 = k S （11）在穩(wěn)定傳熱的情況下，有H1 = H2 = H3 （12）由（9）（12）四式得 k = k0 和 T1Ti = T0T2 （13）解式（13）得Ti = T1 + T2 （14）將（14）式代入（9）式得H1 = ( T1T2 )S （15）要保持室內(nèi)溫度恒定，應(yīng)有 q = H1 由式（3）知，在雙層玻璃情況下熱泵消

30、耗的最小電功率P min = S （16）在理想情況下，熱泵工作時間 t 需要的電費(fèi)C min = Pmin tc ； （17）代入有關(guān)數(shù)據(jù)得 C min = 2.52 元 （18）所以，改用所選的雙層玻璃板后，該熱泵工作12 h 可以節(jié)約的電費(fèi)Cmin = C min C min = 21.47 元 （19）四、1先假設(shè)由于隧穿效應(yīng)，單電子能從電容器的極板 A 隧穿到極板 B 以 Q 表示單電子隧穿前極板 A 所帶的電荷量，VAB 表示兩極板間的電壓（如題目中圖3所示），則有VAB = Q / C （1）這時電容器儲能U = CV2AB （2）當(dāng)單電子隧穿到極板 B 后，極板 A 所帶的電荷

31、量為Q = Q + e ， （3）式中 e 為電子電荷量的大小這時，電容器兩極板間的電壓和電容器分別儲能為VAB = ，U = CV 2AB （4）若發(fā)生庫侖阻塞，即隧穿過程被禁止，則要求U U 0 （5）由（1）（5）五式得VAB （6）再假設(shè)單電子能從電容器的極板 B 隧穿到極板 A 仍以 Q 表示單電子隧穿前極板A 所帶的電荷量，VAB 表示兩極板間的電壓當(dāng)單電子從極板 B 隧穿到極板 A 時，極板A 所帶的電荷量為 Q = Q e 經(jīng)過類似的計算，可得單電子從極板 B 到極板 A 的隧穿不能發(fā)生的條件是VAB （7）由（6），（7）兩式知，當(dāng)電壓 VAB 在e / 2C e / 2C

32、之間時，單電子隧穿受到庫侖阻塞，即庫侖阻塞的條件為 VAB （8）2依題意和式（8）可知，恰好能發(fā)生隧穿時有VAB = = 0.10 mV （9）由式（9），并代入有關(guān)數(shù)據(jù)得C = 8.0 ×1016 F （10）圖a3設(shè)題目中圖3中左邊的 MIM 結(jié)的電容為 CS ，右邊的 MIM 結(jié)的電容為 CD 雙結(jié)結(jié)構(gòu)體系如圖a所示，以 Q1 ，Q2 分別表示電容 CS ，CD 所帶的電荷量根據(jù)題意，中間單電子島上的電荷量為ne = Q2Q1 （11）體系的靜電能為 CS 和 CD 中靜電能的總和，即U = + ； （12）電壓V = + （13）由（11）（13）三式解得U = CV2 +

33、 （14）由于 V 為恒量，從式（13）可知體系的靜電能中與島上凈電荷相關(guān)的靜電能 Un = (ne )2 / 2 (CS + CD )4Un 隨 CGVG 變化的圖線如圖b；CGVG / e 的變化范圍如表2表2n0123CGVG / e 的變化范圍00.50.51.51.52.52.53.0圖b圖1五、1在圖1中，z 軸垂直于 AB 面考察平行光束中兩條光線分別在 AB 面上 C與 C 點(diǎn)以入射角 i 射入透明圓柱時的情況，r 為折射角，在圓柱體中兩折射光線分別射達(dá)圓柱面的 D 和 D ，對圓柱面其入射角分別為 i2 與 i2 在OCD 中，O 點(diǎn)與入射點(diǎn) C 的距離 yc 由正弦定理得

34、= ，即 yc = R （1）同理在OC D 中，O 點(diǎn)與入射點(diǎn) C 的距離有 = ，即 yc = R （2）當(dāng)改變?nèi)肷浣?i 時，折射角 r 與柱面上的入射角 i2 與 i2 亦隨之變化在柱面上的入射角滿足臨界角i20 = arcsin ( 1 / n ) 41.8° （3）時，發(fā)生全反射將 i2 = i2 = i20 分別代入式（1），（2）得yoc = yoc = R ， （4）即 d = 2yoc = 2R （5）當(dāng) yc yoc 和 yc y oc 時，入射光線進(jìn)入柱體，經(jīng)過折射后射達(dá)柱面時的入射角大于臨界角 i20 ，由于發(fā)生全反射不能射出柱體因折射角 r 隨入射角 i

35、增大而增大由式（4）知，當(dāng) r = 0 ，即 i = 0（垂直入射）時，d 取最小值dmin = 2Rsin i20 = 1.33 R （6）圖2當(dāng) i 90°（掠入射）時，r 41.8° 將 r = 41.8° 代入式（4）得 dmax = 1.79 R （7）2由圖2可見， 是 Oz 軸與線段 OD 的夾角， 是 Oz 軸與線段 OD 的夾角發(fā)生全反射時，有 = i20 + r ， （8） = i20 r ， （9）和 = + = 2i2083.6° （10）由此可見， 與 i 無關(guān)，即 獨(dú)立于 i 在掠入射時，i 90° ，r = 41.

36、8° ，由式（8）,（9）兩式得 = 83.6° ， = 0° （11）六、由于方程r = （1）ySrxOErm是 的偶函數(shù)，光線關(guān)于極軸對稱光線在坐標(biāo)原點(diǎn)左側(cè)的情形對應(yīng)于 a 0 ；光線在坐標(biāo)原點(diǎn)右側(cè)的情形對應(yīng) a 0 右圖是 a 0 的情形，圖中極軸為 Ox ，白矮星在原點(diǎn)O 處在式（1）中代入近星點(diǎn)坐標(biāo) r = rm ， = ，并注意到 a2| a | ，有a GM / c2rm （2）經(jīng)過白矮星兩側(cè)的星光對觀測者所張的視角 S 可以有不同的表達(dá)方式，相應(yīng)的問題有不同的解法解法一：若從白矮星到地球的距離為 d ，則可近似地寫出S 2rm / d （3）在式

37、（1）中代入觀測者的坐標(biāo) r = d ， = / 2 ，有a2 GM / 2c2d （4）由（2）與（4）兩式消去 a ，可以解出rm = （5）把式（5）代入式（3）得S ； （6）即 Mc2d / 8G ， （7）其中 d = 3.787 ×1017 m ；代入數(shù)值就可算出M2.07 ×1030 kg （8）解法二：光線射向無限遠(yuǎn)處的坐標(biāo)可以寫成r ， = + （9）近似地取 S ，把式（9）代入式（1），要求式（1）分母為零，并注意到 1，有a / 2 + 2a2 = 0 所以 S = 4a = ， （10）其中用到式（4），并注意到 a 0 式（10）與式（6）相同

38、，從而也有式（8）解法三：星光對觀測者所張的視角 S 應(yīng)等于兩條光線在觀測者處切線的夾角，有sin = = cosrsin （11）由光線方程（1）算出 / r ，有sin = cosrsin = cos ； 代入觀測者的坐標(biāo)r = d ，= / 2 以及 a 的表達(dá)式（4），并注意到 S 很小，就有S = ，與式（6）相同所以，也得到了式（8）解法四：用式（2）把方程（1）改寫成rm = rcos (rcos )2 + 2 (rsin )2 ， 即 x = rm + ( x2 + 2y2 ) （12）當(dāng) y 時，式（12）的漸近式為x = rm y 這是直線方程，它在x 軸上的截距為 rm

39、，斜率為 于是有S 4GM / c2rm rm用式（5）代入后，得到式（6），從而也有式（8）七、1（I）氦原子中有兩個電子，一級電離能 E+ 是把其中一個電子移到無限遠(yuǎn)處所需要的能量滿足 He + E+ He+ + e 為了得到氦原子的一級電離能 E+ ，需要求出一個電子電離以后氦離子體系的能量 E* 這是一個電子圍繞氦核運(yùn)動的體系，下面給出兩種解法解法一：在力學(xué)方程 = 中，r 是軌道半徑，v 是電子速度對基態(tài)，用玻爾量子化條件（角動量為 ）可以解出r0 =/ 2ke2m （1）于是氦離子能量E* = = ， （2）其中 p0 為基態(tài)電子動量的大小；代入數(shù)值得E* = 54.4 eV （3）由于不計電子間的相互作用，氦原子基態(tài)的能量 E0 是該值的2倍，即E0 =2E* 108.8 eV （4）氦離子能量 E* 與氦原子基態(tài)能量 E0 之差就是氦原子的一級電離能E+ = E*E0 = E* 54.4 eV （5）解法二：氦離子能