第17届全国中学生物理竞赛预复赛试题及答案

1、第十七届全国中学生物理竞赛预赛试题2000年全卷共八题，总分为140分。一、（10分）1（5分）1978年在湖北省随县发掘了一座战国早期（距今大约2400多年前）曾国国君的墓葬曾侯乙墓，出土的众多墓葬品中被称为中国古代文明辉煌的象征的是一组青铜铸造的编钟乐器（共64件），敲击每个编钟时，能发出音域宽广、频率准确的不同音调。与铸造的普通圆钟不同，圆钟的横截面呈圆形，每个编钟的横截面均呈杏仁状。图预17-1-1为圆钟截面的，图预17-1-2为编钟的截面，分别敲击两个钟的、和、三个部位，则圆钟可发出_个基频的音调，编钟可发出_个基频的音调。2.（5分）我国在1999年11月20日用新型运载火箭成功地

2、发射了一艘实验航天飞行器，它被命名为_号，它的目的是为_作准备。 二、（15分）一半径为的水平光滑圆桌面，圆心为，有一竖直的立柱固定在桌面上的圆心附近，立柱与桌面的交线是一条凸的平滑的封闭曲线，如图预17-2所示。一根不可伸长的柔软的细轻绳，一端固定在封闭曲线上的某一点，另一端系一质量为的小物块。将小物块放在桌面上并把绳拉直，再给小物块一个方向与绳垂直、大小为的初速度。物块在桌面上运动时，绳将缠绕在立柱上。已知当绳的张力为时，绳即断开，在绳断开前物块始终在桌面上运动 1问绳刚要断开时，绳的伸直部分的长度为多少?2若绳刚要断开时，桌面圆心到绳的伸直部分与封闭曲线的接触点的连线正好与绳的伸直部分垂

3、直，问物块的落地点到桌面圆心的水平距离为多少？已知桌面高度物块在桌面上运动时未与立柱相碰取重力加速度大小为三、（15分）有一水平放置的平行平面玻璃板，厚3.0 cm，折射率。在其下表面下2.0 cm处有一小物；在玻璃扳上方有一薄凸透镜，其焦距，透镜的主轴与玻璃板面垂直；位于透镜的主轴上，如图预17-3所示。若透镜上方的观察者顺着主轴方向观察到的像就在处，问透镜与玻璃板上表面的距离为多少?四、（20分）某些非电磁量的测量是可以通过一些相应的装置转化为电磁量来测量的。一平板电容器的两个极扳竖直放置在光滑的水平平台上，极板的面积为，极板间的距离为。极板1固定不动，与周围绝缘；极板2接地，且可在水平平

4、台上滑动并始终与极板1保持平行。极板2的两个侧边与劲度系数为、自然长度为的两个完全相同的弹簧相连，两弹簧的另一端固定图预17-4-1是这一装置的俯视图先将电容器充电至电压后即与电源断开，再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀的向左的待测压强；使两极板之间的距离发生微小的变化，如图预17-4-2所示。测得此时电容器的电压改变量为。设作用在电容器极板2上的静电作用力不致引起弹簧的可测量到的形变，试求待测压强。五、（20分）如图预17-5-1所示，在正方形导线回路所围的区域内分布有方向垂直于回路平面向里的匀强磁场，磁感应强度随时间以恒定的变化率增大，回路中的感应电流为已知、两边的电阻皆为零；边的电阻，

5、边的电阻。 1试求两点间的电压、两点间的电压、两点间的电压、两点间的电压。 2若一内阻可视为无限大的电压表V位于正方形导线回路所在的平面内，其正负端与连线位置分别如图预17-5-2、图预17-5-3和图预17-5-4所示，求三种情况下电压表的读数、。 六、（20分）绝热容器经一阀门与另一容积比的容积大得很多的绝热容器相连。开始时阀门关闭，两容器中盛有同种理想气体，温度均为30，中气体的压强为中的2倍。现将阀门缓慢打开，直至压强相等时关闭。问此时容器中气体的温度为多少？假设在打开到关闭阀门的过程中处在中的气体与处在中的气体之间无热交换已知每摩尔该气体的内能为，式中为普适气体恒量，是热力学温度七、

6、（20分）当质量为的质点距离个质量为、半径为的质量均匀分布的致密天体中心的距离为() 时，其引力势能为，其中为万有引力常量设致密天体是中子星，其半径，质量（，为太阳的质量) 11Kg的物质从无限远处被吸引到中子星的表面时所释放的引力势能为多少? 2在氢核聚变反应中，若参加核反应的原料的质量为，则反应中的质量亏损为0.0072 ，问1kg的原料通过核聚变提供的能量与第1问中所释放的引力势能之比是多少?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，沿其磁轴方向最强，磁轴与中子星的自转轴方向有一夹角（如图预17-7所示），在地球上的接收器所接收到的一连串周期出现的脉冲是脉冲星的电磁

7、辐射。试由上述看法估算地球上接收到的两个脉冲之间的时间间隔的下限八、（20分）如图预17-8所示，在水平桌面上放有长木板，上右端是固定挡板，在上左端和中点处各放有小物块和，、的尺寸以及的厚度皆可忽略不计，、之间和、之间的距离皆为。设木板与桌面之间无摩擦，、之间和、之间的静摩擦因数及滑动摩擦因数均为；、（连同挡板）的质量相同开始时，和静止，以某一初速度向右运动试问下列情况是否能发生？要求定量求出能发生这些情况时物块的初速度应满足的条件，或定量说明不能发生的理由（1）物块与发生碰撞；（2）物块与发生碰撞（设为弹性碰撞）后，物块与挡板发生碰撞；（3）物块与挡板发生碰撞（设为弹性碰撞）后，物块与在木板

8、上再发生碰撞；（4）物块从木板上掉下来；（5）物块从木板上掉下来第十七届全国中学生物理竞赛预赛题参考解答一、参考解答1. 1， 2 2. 神舟，载人飞行二、参考解答1因桌面是光滑的，轻绳是不可伸长的和柔软的，且在断开前绳都是被拉紧的，故在绳断开前，物块在沿桌面运动的过程中，其速度始终与绳垂直，绳的张力对物块不做功，物块速度的大小保持不变。设在绳刚要断开时绳的伸直部分的长度为，若此时物块速度的大小为，则有 （1）绳对物块的拉力仅改变物块速度的方向，是作用于物块的向心力，故有 （2）由此得 （3）代入数据得 （4）2. 设在绳刚要断开时，物块位于桌面上的点，是绳的伸直部分，物块速度的方向如图预解1

9、7-2所示由题意可知，因物块离开桌面时的速度仍为，物块离开桌面后便做初速度为的平抛运动，设平抛运动经历的时间为，则有 （5）物块做平抛运动的水平射程为 （6）由几何关系，物块落地地点与桌面圆心的水平距离为 （7）解（5）、（6）、（7）式，得 (8)代人数据得 三、参考解答物体通过平行玻璃板及透镜成三次像才能被观察到。设透镜的主轴与玻璃板下表面和上表面的交点分别为和，作为物，通过玻璃板的下表面折射成像于点处，由图预解17-3，根据折射定律，有 式中是空气的折射率，对傍轴光线，、很小，则 式中为物距，为像距，有 （1）将作为物，再通过玻璃板的上表面折射成像于点处，这时物距为同样根据折射定律可得像

10、距 （2）将作为物，通过透镜成像，设透镜与上表面的距离为，则物距根据题意知最后所成像的像距，代入透镜成像公式，有 （3）由（1）、（2）、（3）式代入数据可求得 （4）即应置于距玻璃板上表面1.0 cm 处。四、参考解答因电容器充电后与电源断开，极板上的电量保持不变，故两板之间的电压应与其电容成反比；而平板电容器的电容又与极板间的距离成反比；故平板电容器的两板之间的电压与距离成正比，即 （1）式中为比例系数。极板2受压强作用而向左移动，并使弹簧变形。设达到平衡时，极板2 向左移动的距离为，电容器的电压减少了，则有 （2）由（1）与（2）式得 （3）极板2移动后，连接极板2的弹簧偏离其原来位置角

11、，弹簧伸长了，如图预解17-4所示，弹簧的弹力在垂直于极板的方向上的分量与加在极板2上的压力平衡，即有 （4）因为是小角，由几何关系知 （5）解（3）、（4）、（5）式得 （6）五、参考解答1. 设回路中的总感应电动势为，根据楞次定律可知，电路中的电流沿逆时针方向，按欧姆定律有 （1）由对称性可知，正方形回路每条边上的感应电动势相等，设为，等效电路如图预解17-5-1所示。有 （2）根据含源电路欧姆定律，并代入数值得 （3） （4） （5） （6）2. 三种情况下的等效电路分别如图预解17-5-2、17-5-3、17-5-4。对图预解17-5-2中的回路，因磁通量变化率为零，回路中的总电动势为

12、零，这表明连接两端的电压表支路亦为含源电路，电压表的读数等于由正端（）到负端（一）流过电压表的电流乘以电压表的内阻，因阻值为无限大，趋近于零（但为有限值），故得 解得 （7）同理，如图预解17-5-3所示，回路的总电动势为，故有 （8）解得 （9）代入数据得 （10）如图预解17-5-4所示，回路的总电动势为零，而边中的电阻又为零，故有 （11）六、参考解答设气体的摩尔质量为，容器的体积为，阀门打开前，其中气体的质量为。压强为，温度为。由 得 （1）因为容器很大，所以在题中所述的过程中，容器中气体的压强和温度皆可视为不变。根据题意，打开阀门又关闭后，中气体的压强变为，若其温度为，质量为，则有

13、（2）进入容器中的气体的质量为 （3）设这些气体处在容器中时所占的体积为，则 （4）因为中气体的压强和温度皆可视为不变，为把这些气体压入容器，容器中其他气体对这些气体做的功为 （5）由（3）、（4）、（5）式得 （6）容器中气体内能的变化为 （7）因为与外界没有热交换，根据热力学第一定律有 （8）由（2）、（6）、（7）和（8）式得 （9）结果为 七、参考解答1. 根据能量守恒定律，质量为的物质从无限远处被吸引到中子星的表面时所释放的引力势能应等于对应始末位置的引力势能的改变，故有 （1）代入有关数据得 （2）2. 在氢核聚变反应中，每千克质量的核反应原料提供的能量为 （3）所求能量比为 （4

14、）3根据题意，可知接收到的两个脉冲之间的时间间隔即为中子星的自转周期，中子星做高速自转时，位于赤道处质量为的中子星质元所需的向心力不能超过对应的万有引力，否则将会因不能保持匀速圆周运动而使中子星破裂，因此有 （5）式中 （6）为中子星的自转角速度，为中子星的自转周期由（5）、（6）式得到 （7）代入数据得 （8）故时间间隔的下限为八、参考解答1. 以表示物块、和木板的质量，当物块以初速向右运动时，物块受到木板施加的大小为的滑动摩擦力而减速，木板则受到物块施加的大小为的滑动摩擦力和物块施加的大小为的摩擦力而做加速运动，物块则因受木板施加的摩擦力作用而加速，设、三者的加速度分别为、和，则由牛顿第二

15、定律，有 事实上在此题中，即、之间无相对运动，这是因为当时，由上式可得 （1）它小于最大静摩擦力可见静摩擦力使物块、木板之间不发生相对运动。若物块刚好与物块不发生碰撞，则物块运动到物块所在处时，与的速度大小相等因为物块与木板的速度相等，所以此时三者的速度均相同，设为，由动量守恒定律得 （2）在此过程中，设木板运动的路程为，则物块运动的路程为，如图预解17-8所示由动能定理有 （3） （4）或者说，在此过程中整个系统动能的改变等于系统内部相互间的滑动摩擦力做功的代数和（3）与（4）式等号两边相加），即 （5）式中就是物块相对木板运动的路程解（2）、（5）式，得 （6）即物块的初速度时，刚好不与发

16、生碰撞，若，则将与发生碰撞，故与发生碰撞的条件是 （7）2. 当物块的初速度满足（7）式时，与将发生碰撞，设碰撞的瞬间，、三者的速度分别为、和，则有 （8）在物块、发生碰撞的极短时间内，木板对它们的摩擦力的冲量非常小，可忽略不计。故在碰撞过程中，与构成的系统的动量守恒，而木板的速度保持不变因为物块、间的碰撞是弹性的，系统的机械能守恒，又因为质量相等，由动量守恒和机械能守恒可以证明（证明从略），碰撞前后、交换速度，若碰撞刚结束时，、三者的速度分别为、和，则有 由（8）、（9）式可知，物块与木板速度相等，保持相对静止，而相对于、向右运动，以后发生的过程相当于第1问中所进行的延续，由物块替换继续向右

17、运动。若物块刚好与挡板不发生碰撞，则物块以速度从板板的中点运动到挡板所在处时，与的速度相等因与的速度大小是相等的，故、三者的速度相等，设此时三者的速度为根据动量守恒定律有 （10）以初速度开始运动，接着与发生完全弹性碰撞，碰撞后物块相对木板静止，到达所在处这一整个过程中，先是相对运动的路程为，接着是相对运动的路程为，整个系统动能的改变，类似于上面第1问解答中（5）式的说法等于系统内部相互问的滑动摩擦力做功的代数和，即 （11）解（10）、（11）两式得 （12）即物块的初速度时，与碰撞，但与刚好不发生碰撞，若，就能使与发生碰撞，故与碰撞后，物块与挡板发生碰撞的条件是 （13）3. 若物块的初速

18、度满足条件（13）式，则在、发生碰撞后，将与挡板发生碰撞，设在碰撞前瞬间，、三者的速度分别为、和，则有 （14）与碰撞后的瞬间，、三者的速度分别为、和，则仍类似于第2问解答中（9）的道理，有 （15）由（14）、（15）式可知与刚碰撞后，物块与的速度相等，都小于木板的速度，即 （16）在以后的运动过程中，木板以较大的加速度向右做减速运动，而物块和以相同的较小的加速度向右做加速运动，加速度的大小分别为 （17）加速过程将持续到或者和与的速度相同，三者以相同速度向右做匀速运动，或者木块从木板上掉了下来。因此物块与在木板上不可能再发生碰撞。4. 若恰好没从木板上掉下来，即到达的左端时的速度变为与相同

19、，这时三者的速度皆相同，以表示，由动量守恒有 （18）从以初速度在木板的左端开始运动，经过与相碰，直到刚没从木板的左端掉下来，这一整个过程中，系统内部先是相对的路程为；接着相对运动的路程也是；与碰后直到刚没从木板上掉下来，与相对运动的路程也皆为整个系统动能的改变应等于内部相互间的滑动摩擦力做功的代数和，即 （19）由（18）、（19）两式，得 （20）即当物块的初速度时，刚好不会从木板上掉下若，则将从木板上掉下，故从上掉下的条件是 （21）5. 若物块的初速度满足条件（21）式，则将从木板上掉下来，设刚要从木板上掉下来时，、三者的速度分别为、和，则有 （22）这时（18）式应改写为 （23）（

20、19）式应改写为 （24）当物块从木板上掉下来后，若物块刚好不会从木板上掉下，即当的左端赶上时，与的速度相等设此速度为，则对、这一系统来说，由动量守恒定律，有 （25）在此过程中，对这一系统来说，滑动摩擦力做功的代数和为，由动能定理可得 （26）由（23）、（24）、（25）、（26）式可得 （27）即当时，物块刚好不能从木板上掉下。若，则将从木板上掉下，故物块从木板上掉下来的条件是 （28）第十七届全国中学生物理竞赛复赛试题题 号一二三四五六总 计全卷共六题，总分140分一、（20分）在一大水银槽中竖直插有一根玻璃管，管上端封闭，下端开口已知槽中水银液面以上的那部分玻璃管的长度，管内封闭有的

21、空气，保持水银槽与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，在真空中有一个折射率为（，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，直线与小球球心的距离为（），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），并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两次折射后保持不变求在两次折射过程中激光束中一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CD

22、F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一 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，是与单位制有关的常数，在国际单位制中为估算正、反顶夸克能否构成一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 式中为一个粒子的动量与其轨道半径的乘积，为量子数，为普朗克常量 2试

23、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一平面内做圆周运动，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与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：. 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；. 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；. 小行星与

24、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）在真空中建立一坐标系，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，其大小今把一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

25、刻，求带电质点在磁场中任一时刻的位置坐标并求它刚离开磁场时的位置和速度取重力加速度。六、（25分）普通光纤是一种可传输光的圆柱形细丝，由具有圆形截面的纤芯和包层组成，的折射率小于的折射率，光纤的端面和圆柱体的轴垂直，由一端面射入的光在很长的光纤中传播时，在纤芯和包层的分界面上发生多次全反射现在利用普通光纤测量流体的折射率实验方法如下：让光纤的一端（出射端）浸在流体中令与光纤轴平行的单色平行光束经凸透镜折射后会聚光纤入射端面的中心，经端面折射进入光纤，在光纤中传播由点出发的光束为圆锥形，已知其边缘光线和轴的夹角为，如图复17-6-1所示最后光从另一端面出射进入流体在距出射端面处放置一垂直于光纤轴

26、的毛玻璃屏，在上出现一圆形光斑，测出其直径为，然后移动光屏至距光纤出射端面处，再测出圆形光斑的直径，如图复17-6-2所示 1若已知和的折射率分别为与，求被测流体的折射率的表达式 2若、和均为未知量，如何通过进一步的实验以测出的值?第十七届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答一、参考解答设玻璃管内空气柱的长度为，大气压强为，管内空气的压强为，水银密度为，重力加速度为，由图复解17-1-1可知 （1）根据题给的数据，可知，得 （2）若玻璃管的横截面积为，则管内空气的体积为 （3）由（2）、（3）式得 （4）即管内空气的压强与其体积成正比，由克拉珀龙方程得 （5）由（5）式可知，随着温度降低，管内空气

27、的体积变小，根据（4）式可知管内空气的压强也变小，压强随体积的变化关系为图上过原点的直线，如图复解17-1-2所示在管内气体的温度由降到的过程中，气体的体积由变到，体积缩小，外界对气体做正功，功的数值可用图中划有斜线的梯形面积来表示，即有 （6）管内空气内能的变化 （7）设为外界传给气体的热量，则由热力学第一定律，有 （8）由（5）、（6）、（7）、（8）式代入得 （9）代入有关数据得 表示管内空气放出热量，故空气放出的热量为 （10）评分标准：本题20分（1）式1分，（4）式5分，（6）式7分，（7）式1分，（8）式2分，（9）式1分，（10）式3分。二、参考解答在由直线与小球球心所确定的平

28、面中，激光光束两次折射的光路如图复解17-2所示，图中入射光线与出射光线的延长线交于，按照光的折射定律有 （1）式中与分别是相应的入射角和折射角，由几何关系还可知 （2）激光光束经两次折射，频率保持不变，故在两次折射前后，光束中一个光子的动量的大小和相等，即 （3）式中为真空中的光速，为普朗克常量因射入小球的光束中光子的动量沿方向，射出小球的光束中光子的动量沿方向，光子动量的方向由于光束的折射而偏转了一个角度，由图中几何关系可知 （4）若取线段的长度正比于光子动量，的长度正比于光子动量，则线段的长度正比于光子动量的改变量，由几何关系得 （5）为等腰三角形，其底边上的高与平行，故光子动量的改变量

29、的方向沿垂直的方向，且由指向球心光子与小球作用的时间可认为是光束在小球内的传播时间，即 （6）式中是光在小球内的传播速率。按照牛顿第二定律，光子所受小球的平均作用力的大小为 （7）按照牛顿第三定律，光子对小球的平均作用力大小，即 （8）力的方向由点指向点由（1）、（2）、（4）及（8）式，经过三角函数关系运算，最后可得 （9）评分标准：本题20分（1）式1分，（5）式8分，（6）式4分，（8）式3分，得到（9）式再给4分。三、参考解答1相距为的电量为与的两点电荷之间的库仑力与电势能公式为 （1）现在已知正反顶夸克之间的强相互作用势能为 根据直接类比可知，正反顶夸克之间的强相互作用力为 （2）设

30、正反顶夸克绕其连线的中点做匀速圆周运动的速率为，因二者相距，二者所受的向心力均为，二者的运动方程均为 （3）由题给的量子化条件，粒子处于基态时，取量子数，得 （4）由（3）、（4）两式解得 （5）代入数值得 （6）2. 由（3）与（4）两式得 （7）由和可算出正反顶夸克做匀速圆周运动的周期 （8）代入数值得 （9）由此可得 （10）因正反顶夸克的寿命只有它们组成的束缚系统的周期的15，故正反顶夸克的束缚态通常是不存在的评分标准：本题25分1. 15分。（2）式4分，（5）式9分，求得（6）式再给2分。2. 10分。（8）式3分。（9）式1分，正确求得（10）式并由此指出正反顶夸克不能形成束缚态

31、给6分。四、参考解答1设太阳的质量为，飞行器的质量为，飞行器绕太阳做圆周运动的轨道半径为根据所设计的方案，可知飞行器是从其原来的圆轨道上某处出发，沿着半个椭圆轨道到达小行星轨道上的，该椭圆既与飞行器原来的圆轨道相切，又与小行星的圆轨道相切要使飞行器沿此椭圆轨道运动，应点燃发动机使飞行器的速度在极短的时间内，由变为某一值设飞行器沿椭圆轨道到达小行星轨道时的速度为，因大小为和的这两个速度的方向都与椭圆的长轴垂直，由开普勒第二定律可得 （1）由能量关系，有 （2）由牛顿万有引力定律，有 或 （3）解（1）、（2）、（3）三式得 （4） （5）设小行星绕太阳运动的速度为，小行星的质量，由牛顿万有引力定

32、律 得 （6）可以看出 （7）由此可见，只要选择好飞行器在圆轨道上合适的位置离开圆轨道，使得它到达小行星轨道处时，小行星的前缘也正好运动到该处，则飞行器就能被小行星撞击可以把小行星看做是相对静止的，飞行器以相对速度为射向小行星，由于小行星的质量比飞行器的质量大得多，碰撞后，飞行器以同样的速率弹回，即碰撞后，飞行器相对小行星的速度的大小为，方向与小行星的速度的方向相同，故飞行器相对太阳的速度为 或将（5）、（6）式代入得 （8）如果飞行器能从小行星的轨道上直接飞出太阳系，它应具有的最小速度为，则有 得 （9）可以看出 （10）飞行器被小行星撞击后具有的速度足以保证它能飞出太阳系2. 为使飞行器能

33、进入椭圆轨道，发动机应使飞行器的速度由增加到，飞行器从发动机取得的能量 （11）若飞行器从其圆周轨道上直接飞出太阳系，飞行器应具有的最小速度为，则有 由此得 （12）飞行器的速度由增加到，应从发动机获取的能量为 （13）所以 （14）评分标准：本题25分1. 18分。其中（5）式6分，求得（6）式，说明飞行器能被小行星碰撞给3分；（8）式5分；得到（10）式，说明飞行器被小行星碰撞后能飞出太阳系给4分。2. 7分。其中（11）式3分，（13）式3分，求得（14）式再给1分。五、参考解答解法一：带电质点静止释放时，受重力作用做自由落体运动，当它到达坐标原点时，速度为 （1）方向竖直向下带电质点进

34、入磁场后，除受重力作用外，还受到洛伦兹力作用，质点速度的大小和方向都将变化，洛伦兹力的大小和方向亦随之变化我们可以设想，在带电质点到达原点时，给质点附加上沿轴正方向和负方向两个大小都是的初速度，由于这两个方向相反的速度的合速度为零，因而不影响带电质点以后的运动在时刻，带电质点因具有沿轴正方向的初速度而受洛伦兹力的作用。 （2）其方向与重力的方向相反适当选择的大小，使等于重力，即 （3） (4)只要带电质点保持（4）式决定的沿轴正方向运动，与重力的合力永远等于零但此时，位于坐标原点的带电质点还具有竖直向下的速度和沿轴负方向的速度，二者的合成速度大小为 （5）方向指向左下方，设它与轴的负方向的夹角为，如图复解17-5-1所示，则 （6）因而带电质点从时刻起的运动可以看做是速率为，沿轴的正方向的匀速直线运动和在平面内速率为的匀速圆周运动的合成圆周半径 （7）带电质点进入磁场瞬间所对应的圆周运动的圆心位于垂直于质点此时速度的直线上，由图复解17-5-1可知，其坐标为 （8） 圆周运动的角速度 （9）由图复解17-5-1可知，在带电质点离开磁场区域前的任何时刻，质点位置的坐标为 （10） （11）式中、已分别由（4）、（7）、（9）、（6）、（8）各式给出。带电质点到达磁场区域下边界时，代入（11）式，再代入有关数值，解得 （