全国中学生物理竞赛名师汇编-原子物理(13页)

百度空间“稚子居”汇集稚言智语志，中庸乃道全国中学生物理竞赛分类集原子物理学第21届预选赛一、(15分钟)填空1.a .原子尺寸的数量水平为_m。b .原子核大小的几个级别是_m。c .氦原子的质量约为_kg。(普朗克常数h=6.6310-34Js )已知某平面镜反射的光能是入射光能的80%。 下面判断一下说法是否正确，简单说明理由吧。a .反射光子数为入射光子数的80%；b .各反射光子的能量为入射光子能量的80%。第二十一届奥运会三、(15分钟) m子在相对静止的惯性基准系统中的平均寿命.宇宙射线和大气在高空的某处发生核反应，产生m子，以v=0.99c的速度(c为真空中的光速)下降而崩溃如果能够到达地面m子数为原来的5%，则估计m子产生部位相对于地面的高度h .第20届预选赛二、(20分钟)一个氢放电管发光，其光谱测定的光谱波长为4.8610-7m。 已知氢原子基态(n=1)的能量为el=13.6ev=-2.1810-18j，普朗克常数为h=6.6310-34Js，该氢原子基态(n=1)是氢原子中的电子从哪个能级转变为哪个能级(以量子数n表示)时产生的第二十届奥运会(无)第十九届预选赛(无)第十九届奥运会(20分钟)对实验室静止的平面直角坐标系中有光子，轴正方向照射坐标原点静止的电子，轴方向检测散射光。 已知电子的静止质量是入射到光子的能量与散射光的能量之差等于电子静止能量的1/101 .电子运动速度的大小、求出电子运动的方向和轴的角度的电子运动是从原点起的距离为(作为已知量)的点为止的经过时间。2 .在电子以1中的速度开始运动时，求出一个观察者相对于坐标系以中电子的运动方向速度运动(即相对于电子静止)时测定的长度。第18届预选赛四、(18分钟)在以铀235为燃料的原子炉中，铀235核吸收动能约为0.025的热中子(低速中子)时，发生核分裂反应，放出能量和23个高速中子，但高速中子不利于铀235的核分裂。 为了继续裂变反应，反应中释放的快中子必须减速。 减速的方法有将石墨(碳12 )作为减速剂使用的方法。 中子和碳的碰撞会弹性地撞击心，动能快的中子听到静止的碳需要撞击多少次，减速到0.025的热中子？第十八届奥运会三、(22分钟)有两个处于基态的氢原子静止，以速度碰撞。 研究表明，在碰撞后的速度和直线上，碰撞过程中一部分动能可能被某些氢原子吸收。 因此，该原子从基态转化为激发态，然后该原子转化为低能级态，发射光子。 如果你想在碰撞后发射光子，试着证明速度至少需要多少。电子的电量是质子的质量。 电子质量对氢原子基态能量的第十七届预选赛七、(20分钟)质量为质点的距离-质量，半径为质量均匀分布的致密天体中心的距离()时，其引力势为其中万有引力常数。 以致密天体为中子星，其半径、质量(为太阳质量)。1.1千克物质从无限距离被吸引到中子星表面时释放的引力势是多少？2 .在氢核聚变反应中，如果参加核反应的原料的质量是，反应中的质量损失是0.0072，1 kg的原料通过核聚变提供的能量和第一题中释放的引力势之比是多少3 .天文学家认为，脉冲星是旋转的中子星，中子星的电磁辐射是连续的，并且沿着其磁轴的电磁辐射是最强的，因而在地球上的接收机接收到的一系列周期中出现的脉冲是脉冲星的电磁辐射，如图17-7中所示。 根据上述观点，估计在地球上接收的两个脉冲之间的时间间隔的下限第十七届奥运会三、(25分钟) 1995年，美国费米国家实验室CDF实验组和DO实验组在质子对质子撞击机TEVATRON实验中观察顶夸克，测定静止质量、寿命。 这是近十多年来粒子物理研究最重要的实验进展之一。1 .正、反顶夸克之间的强交互电势是方程式中正、反顶夸克之间的距离，强交互耦合常数，其为与单位系统相关联的常数，且在国际单位系统中，束缚状态为正、反顶夸克，以推断系统是否能够配置处于束缚状态； 如果可以构成束缚状态，可以尝试玻尔理论来确定处于基态的正、反顶夸克之间的距离。 已知满足处于束缚状态正、反夸克粒子式中是粒子的运动量与轨道半径的乘积，是量子数，是普朗克常数2 .求出正、反顶夸克在上述设想的基础状态下进行等速圆周运动的周期。 你认为存在正、反顶夸克这种束缚状态吗？第16届预选赛(无)第十六届奥运会(无)参考答案第21届预选赛一、1. a. 10-10b. 10-15c. 6.610-272. a是对的，b是不对的。 理由：反射时间频率n不变。 这说明光子能量hn不变。评价标准：本题15分，第一题10分，一个空白2分。 第二题5分，其中结论2分，理由3分。第二十一届奥运会三、m子相对静止的惯性系中的平均寿命根据时间膨胀效应，地球上观测到的m子的平均寿命为t(1)代入数据t=1.410-5s(2)相对于地面，设m子到达地面所需的时间为t，则在t时刻剩馀的m子的数量为(3)根据题意(4)在上式等号的两侧取以e为底的对数(5)代入数据(6)根据问题意义，m子的运动可以看作等速直线运动(7)代入数据(8)评估标准：正题15点. (1)式或(2)式6点、(4)式或(5)式4点、(7)式2点、(8)式3点第20届预选赛二、参考解答波长与频率之间的关系是(1)光子的能量是(2)根据式(1)、(2)，能够求出产生波长m光谱光子的能量J (3)氢原子的能级为负值，与量子数的平方成反比、一、二、三、 (4)式中为正比例常数。 氢原子基态量子数1、基态能量是已知的，由式(4)得到(5)如果将式(5)代入式(4)，则可以求出氢原子的2，3，4，5、各能级的能量jjjj。比较以上数据j。 (6)因此，该光谱是在电子从其能级转变为能级时发生的。评价标准：正题20分。式(3)4点、式(4)4点、式(5)4点、式(6)和结论共计8点.第二十届奥运会(无)第十九届预选赛(无)第十九届奥运会六、参考解答(1)从能量和速度的关系和问题点出发，运动电子的能量(1)由此可以解开(2)图解19-6光子散射方向光子入射方向光子入射方向电子q.qa.a入射光子和散射光子的运动量分别为和，方向如解19-6所示。 电子动量是运动电子的相对论质量。 从动量守恒定律中得到的(3)(4)已知(5)可由(2)、(3)、(4)、(5)式求解(6)(7)(8)电子从点运动到所需时间(9)(2)当观察者相对于方向以速度运动时，可通过狭义相对论的长度收缩效应获得(10 )(11 )第18届预选赛四、参考解答中子和碳核的质量分别为和，碰撞前中子的速度为和，碰撞后中子和碳核的速度分别为和，碰撞为弹性碰撞，因此碰撞前后运动量和机械能被保存，或者沿着同一直线(1)(2)解二形(3)因缘代入式(3)(4)负号表示的方向与方向相反，即与碳核碰撞时中子反弹，因此一次碰撞中子的能量所以呢(5)经过2、3、下一次碰撞，中子的能量依次为、有(6)因此(7)广为人知代入(7)式后即可得到(8)初能快中子撞击近54次后，成为能量为0.025的热中子。评价标准：正题18分(1)、(2)、(4)、(6)式各3点(5)、(7)、(8)式各2点.第十八届奥运会三、参考解答为了使氢原子从基态转化为激发态，最需要能量的激发态是第一激发态。 众所周知，氢原子的能量与主量子数的平方成反比(1)基态()的能量为-13.58，即所以呢第一激发状态能量(2)为了将基态氢原子激发成第一激发状态所需的能量(3)这是氢原子从第一激发状态转变为基态时释放的光子的能量(4)式中是光子的频率，从一开始就发射光子，根据动量和能量守恒定律(5)(6)光子的动量。 由于可以从(6)式推测，因此在(5)式中光子的运动量比较可忽略，(5)式为(7)符合(6)、(7)式最小值能够根据(6)式及(7)式推定开了药(8)由(8)式可知，此时达到最小值时(9)(10 )代入关系数据(11 )答：原子的速度至少是第十七届预选赛七、参考解答1 .能量守恒定律，因为质量物质从无穷远被吸引到中子星表面时释放的引力势必须等于对应于部分始终位置的引力势的变化(1)代入关系数据(2)2 .在