中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 1 第30届全国中学生物理竞赛复赛考试试题解答与评分标准 一、(15分)一半径为R、内侧光滑的半球面固定在地面上，开口水 平且朝上.一小滑块在半球面内侧最高点处获得沿球面的水平速度，其 大小为⑦(。≠0)，求滑块在整个运动过程中可能达到的最大速率.重力 加速度大小为g 参考解答： 以滑块和地球为系统，它在整个运动过程中机械能守恒.滑块沿半球面 内侧运动时，可将其速度)分解成纬线切向（水平方向）分量)，及经线 切向分量)。：设滑块质量为m,在某中间状态时，滑块位于半球面内 侧P处，P和球心O的连线与水平方向的夹角为日.由机械能守恒得 2m=-mgRsin+mm 1 1 2 (1) 这里已取球心O处为重力势能零点.以过O的竖直线为轴.球面对滑块的支持力通过该轴，力矩为 零：重力相对于该轴的力矩也为零.所以在整个运动过程中，滑块相对于轴的角动量守恒，故 mo R=mv Rcos0 (2) 由(1)式，最大速率应与0的最大值相对应 Vmax=0(8nmax） (3) 而由(2)式，B不可能达到π/2.由(1)和(2)式，0的最大值应与v。=0相对应，即 vo(ax)=0. (4) [ (4)式也可用下述方法得到：由(1)、(2)式得 2gRsin0-v tan0=0020. 若sinB≠0，由上式得 sin 2gR cos20 实际上，sin0=0也满足上式。由上式可知 sinma=2gR COS2Omax vo 由(3)式有 vo(mas)=2gRsin emas-vo tanns=0. (4) 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
1 第 30 届全国中学生物理竞赛复赛考试试题解答与评分标准 一、（15分）一半径为 R 、内侧光滑的半球面固定在地面上，开口水 平且朝上. 一小滑块在半球面内侧最高点处获得沿球面的水平速度，其 大小为v0 ( v0 0 ). 求滑块在整个运动过程中可能达到的最大速率. 重力 加速度大小为 g . 参考解答： 以滑块和地球为系统，它在整个运动过程中机械能守恒. 滑块沿半球面 内侧运动时，可将其速度 v 分解成纬线切向 (水平方向)分量 v 及经线 切向分量 q v . 设滑块质量为 m，在某中间状态时，滑块位于半球面内 侧 P 处， P 和球心O 的连线与水平方向的夹角为q . 由机械能守恒得 2 2 2 0 1 1 1 sin 2 2 2 m mgR m m = - + + q q v v v (1) 这里已取球心O 处为重力势能零点. 以过O 的竖直线为轴. 球面对滑块的支持力通过该轴，力矩为 零；重力相对于该轴的力矩也为零. 所以在整个运动过程中，滑块相对于轴的角动量守恒，故 0 m R m Rcos v v = q . (2) 由 (1) 式，最大速率应与q 的最大值相对应 max max v v = ( ) q . (3) 而由 (2) 式，q 不可能达到π 2 . 由(1)和(2)式，q 的最大值应与 0 vq = 相对应，即 max ( ) 0 vq q = . (4) [ (4)式也可用下述方法得到：由 (1)、(2) 式得 2 2 2 0 2 sin tan 0 gR q q - = q v v . 若sin 0 q ，由上式得 2 2 0 sin 2 cos q gR q v . 实际上，sin =0 q 也满足上式。由上式可知 max 2 2 max 0 sin 2 cos q gR q = v . 由(3)式有 2 2 2 max max 0 max v v q( ) 2 sin tan 0 q q q = - = gR . (4’) 0 v O q P 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 2 将0(0)=0代入式(1)，并与式(2)联立，得 76sin20nax-2 gRsin0nax（1-sin20n）=0 (5) 以sin0ms为未知量，方程(5)的一个根是sinO=0,即0=0，这表示初态，其速率为最小值，不 是所求的解.于是sin≠0.约去sin0x,方程(5)变为 2gRsinnas+sin em-2gR=0. (6) 其解为 +16&R2 (7) 4gR 注意到本题中si0≥0，方程(6)的另一解不合题意，舍去.将(7)式代入(1)式得，当0=0时， =+@+16gR）月 (8) 考虑到（④）式有 a=反-G++16gR) (9) 评分标准：本题15分.(1)式3分，(2)式3分，(3)式1分，(4)式3分，(5)式1分，(6)式1分， (7)式1分，(9)式2分 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
2 ] 将 max ( ) 0 vq q = 代入式(1)，并与式(2)联立，得 ( ) 2 2 2 0 max max max v sin 2 sin 1 sin 0 q q q - - = gR . (5) 以 max sinq 为未知量，方程(5)的一个根是sinq = 0，即q = 0，这表示初态，其速率为最小值，不 是所求的解. 于是 max sin 0 q . 约去 max sinq ，方程(5)变为 2 2 max 0 max 2 sin sin 2 0 gR gR q q + - = v . (6) 其解为 2 2 2 0 max 4 0 sin 1 16 1 4 g R gR q = + - v v . (7) 注意到本题中sin 0 q ，方程(6)的另一解不合题意，舍去. 将(7)式代入(1)式得，当q q = max 时， ( ) 2 2 4 2 2 0 0 1 16 2 v v v = + + g R , (8) 考虑到(4)式有 ( ) 2 2 4 2 2 max 0 0 1 16 2 v v v v = = + + g R . (9) 评分标准：本题 15 分. (1)式 3 分， (2) 式 3 分，(3) 式 1 分，(4) 式 3 分， (5) 式 1 分，(6) 式 1 分， (7) 式 1 分， (9) 式 2 分. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 3 二、(20分)一长为21的轻质刚性细杆位于水平的光滑桌面上，杆的两端分别固定一质量为m的 小物块D和一质量为am(α为常数)的小物块B,杆可绕通过小物块B所在端的竖直固定转轴 无摩擦地转动.一质量为m的小环C套在细杆上(C与杆密接)，可沿杆滑动，环C与杆之间的 摩擦可忽略。一轻质弹簧原长为1，劲度系数为k,两端分别与小环C和物块B相连.一质量为m的 小滑块A在桌面上以垂直于杆的速度飞向物块D,并与之发生完全弹性正碰，碰撞时间极短.碰撞 时滑块C恰好静止在距轴为r(r>1)处 1.若碰前滑块A的速度为)。，求碰撞过程中轴受到的作用力的冲量： 2.若碰后物块D、C和杆刚好做匀速转动，求碰前滑块A的速度。应满足的条件。 参考解答： 1.由于碰撞时间△很小，弹簧来不及伸缩碰撞已结束.设碰后A、C、D的速度分别为)A、c D,显然有 %2之 0c (1) 以A、B、C、D为系统，在碰撞过程中，系统相对于轴不受外力矩作用，其相对于轴的角动量守 恒 mop21+mocr mv 21 =mvo21 (2) 由于轴对系统的作用力不做功，系统内仅有弹力起作用，所以系统机械能守恒.又由于碰撞时间△ 很小，弹簧来不及伸缩碰撞已结束，所以不必考虑弹性势能的变化.故 1212121 2mio6+2m吃+乞m0=2m0 (3) 2 2 由(1)(2)、(3)式解得 4lr 812 r 0c=8P+P0o,0n=82+P,04=8P+r% (4) [代替(3)式，可利用弹性碰撞特点 00=0p-04 (3) 同样可解出(4).】 设碰撞过程中D对A的作用力为F,对A用动量定理有 412+r2 F4=mA-m。=-8P+F2mmw (5) 方向与方向相反.于是，A对D的作用力为F的冲量为 F4山=4+r2 8+2m (6) 方向与。方向相同. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
3 二、（20 分）一长为 2l 的轻质刚性细杆位于水平的光滑桌面上，杆的两端分别固定一质量为 m 的 小物块 D 和一质量为m（ 为常数）的小物块 B，杆可绕通过小物块 B 所在端的竖直固定转轴 无摩擦地转动. 一质量为 m 的小环 C 套在细杆上（C 与杆密接），可沿杆滑动，环 C 与杆之间的 摩擦可忽略. 一轻质弹簧原长为 l，劲度系数为 k，两端分别与小环 C 和物块 B 相连. 一质量为 m 的 小滑块 A 在桌面上以垂直于杆的速度飞向物块 D，并与之发生完全弹性正碰，碰撞时间极短. 碰撞 时滑块 C 恰好静止在距轴为r （ r > l ）处. 1. 若碰前滑块 A 的速度为 0 v ，求碰撞过程中轴受到的作用力的冲量； 2. 若碰后物块 D、C 和杆刚好做匀速转动，求碰前滑块 A 的速度 0 v 应满足的条件. 参考解答： 1. 由于碰撞时间t 很小，弹簧来不及伸缩碰撞已结束. 设碰后 A、C、D 的速度分别为vA 、vC 、 vD ，显然有 D C 2l r v v = . (1) 以 A、B、C、D 为系统，在碰撞过程中，系统相对于轴不受外力矩作用，其相对于轴的角动量守 恒 m l m r m l m l v v v v D C A 0 2 2 2 + + = . (2) 由于轴对系统的作用力不做功，系统内仅有弹力起作用，所以系统机械能守恒. 又由于碰撞时间 t 很小，弹簧来不及伸缩碰撞已结束，所以不必考虑弹性势能的变化. 故 2 2 2 2 D C A 0 1 1 1 1 2 2 2 2 m m m m v v v v + + = . (3) 由 (1)、(2)、(3) 式解得 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 4 8 , , 8 8 8 C D A lr l r l r l r l r = = = - + + + v v v v v v (4) [代替 (3) 式，可利用弹性碰撞特点 v v v 0 = - D A . (3’) 同样可解出(4). ] 设碰撞过程中 D 对 A 的作用力为 F1 ¢，对 A 用动量定理有 2 2 1 A 0 0 2 2 4 2 8 l r F t m m m l r + ¢ = - = - + v v v , (5) 方向与v0方向相反. 于是，A 对 D 的作用力为 F1的冲量为 2 2 1 0 2 2 4 2 8 l r F t m l r + = + v (6) 方向与v0方向相同. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 4 以B、C、D为系统，设其质心离转轴的距离为x,则 x=mr+m21_21+r (7) (a+2)ma+2 质心在碰后瞬间的速度为 0=x= 41(21+r) (8 ’(a+28P+可% 轴与杆的作用时间也为△1，设轴对杆的作用力为F,由质心运动定理有 FAI+FAI=(a+2)mo=4(21+r 8P+rmo. (9 由此得 FA=2-22m, (10) 82+2 方向与。方向相同.因而，轴受到杆的作用力的冲量为 5y=-2-2 (11) 82+2 方向与。方向相反.注意：因弹簧处在拉伸状态，碰前轴已受到沿杆方向的作用力：在碰撞过程 中还有与向心力有关的力作用于轴.但有限大小的力在无限小的碰撞时间内的冲量趋于零，已忽 略. [代替(7)-(9)式，可利用对于系统的动量定理 F△1+FA1=mc+oo,] [也可由对质心的角动量定理代替（⑦）(9)式.] 2.值得注意的是，(1)、(2)、(3)式是当碰撞时间极短、以至于弹簧来不及伸缩的条件下才成立的.如果 单簧的弹力恰好提供滑块C以速度，一，绕过B的箱做匀速圆周运动的向心力，即 k(r-e)=m 2162r r (8P+2m (12) 则弹簧总保持其长度不变，(1)、(2)、(3)式是成立的.由(12)式得碰前滑块A的速度0应满足的条 件 k(r-) 41 (13) 可见，为了使碰撞后系统能保持匀速转动，碰前滑块A的速度大小。应满足(13)式 评分标准：本题20分 第1间16分，(1)式1分，(2)式2分，(3)式2分，(4)式2分，(5)式2分，(6)式1分，(7式1 分，(8)式1分，(9)式2分，(10)式1分，(11)式1分： 第2问4分，(12)式2分，(13)式2分. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
4 以 B、C、D 为系统，设其质心离转轴的距离为 x ，则 2 2 ( 2) 2 mr m l l r x m + + = = + + . (7) 质心在碰后瞬间的速度为 C 2 2 0 4 (2 ) ( 2)(8 ) l l r x r l r + = = + + v v v . (8) 轴与杆的作用时间也为t ，设轴对杆的作用力为 F2 ，由质心运动定理有 2 1 0 ( ) 2 2 4 (2 ) 2 8 l l r F t F t m m l r + + = + = + v v . (9) 由此得 2 0 2 2 (2 )2 8 r l r F t m l r - = + v . (10) 方向与v0方向相同. 因而，轴受到杆的作用力的冲量为 2 0 2 2 (2 )2 8 r l r F t m l r - ¢ = - + v , (11) 方向与v0方向相反. 注意：因弹簧处在拉伸状态，碰前轴已受到沿杆方向的作用力；在碰撞过程 中还有与向心力有关的力作用于轴. 但有限大小的力在无限小的碰撞时间内的冲量趋于零，已忽 略. [代替 (7)-(9) 式，可利用对于系统的动量定理 F t F t m m 2 1 C D + = + v v . ] [也可由对质心的角动量定理代替 (7)-(9) 式. ] 2. 值得注意的是，(1)、(2)、(3) 式是当碰撞时间极短、以至于弹簧来不及伸缩的条件下才成立的. 如果 弹簧的弹力恰好提供滑块 C 以速度 2 2 0 4 8 C lr l r = + v v 绕过 B 的轴做匀速圆周运动的向心力，即 ( ) 2 2 C 2 2 2 2 0 16 (8 ) l r k r m m r l r - = = + v v (12) 则弹簧总保持其长度不变，(1)、(2)、(3) 式是成立的. 由(12)式得碰前滑块 A 的速度 0 v 应满足的条 件 ( ) 2 2 0 (8 ) 4 l r k r l mr + - = v (13) 可见，为了使碰撞后系统能保持匀速转动，碰前滑块 A 的速度大小v0应满足(13)式. 评分标准：本题 20 分. 第 1 问 16 分，(1)式 1 分， (2) 式 2 分，(3) 式 2 分，(4) 式 2 分， (5) 式 2 分，(6) 式 1 分，(7) 式 1 分，(8) 式 1 分，(9) 式 2 分，(10) 式 1 分，(11) 式 1 分； 第 2 问 4 分，(12) 式 2 分，(13) 式 2 分. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 5 三、(25分)一质量为m、长为L的匀质细杆，可绕过其一端的光滑水平轴O在竖直平面内自由 转动.杆在水平状态由静止开始下摆， 1.令1=”表示细杆质量线密度。当杆以角速度0绕过其一端的光滑水平轴0在竖直平面内转动 时，其转动动能可表示为 E=k“o 式中，k为待定的没有单位的纯常数.已知在同一单位制下，两物理量当且仅当其数值和单位都相 等时才相等.由此求出α、B和y的值 2.己知系统的动能等于系统的质量全部集中在质心时随质心一起运动的动能和系统在质心系（随 质心平动的参考系)中的动能之和，求常数k的值 3.试求当杆摆至与水平方向成0角时在杆上距O点为r处的横截面两侧部分的相互作用力.重力加 速度大小为g」 提示：如果X(t)是t的函数，而Y(X(t)是X(t)的函数，则Y(X(t)对1的导数为 dy(X()_dy dx dx dr 例如，函数cos(t)对自变量t的导数为 dcos(dcose de dr de dt 参考解答 1.当杆以角速度0绕过其一端的光滑水平轴O在竖直平面内转动时，其动能是独立变量1、。和 L的函数，按题意可表示为 E4=ka“o (1) 式中，k为待定常数（单位为1）.令长度、质量和时间的单位分别为[L]、[M]和[T](它们可视 为相互独立的基本单位)，则1、o、L和E的单位分别为 []=[M[L, [o]=[TT, (2) [L]=[L, [E]=[MI[L[T]2 在一般情形下，若[q]表示物理量g的单位，则物理量q可写为 q=(q)[q] (3) 式中，(q)表示物理量q在取单位[q时的数值.这样，(I)式可写为 (E.)[E]=k(2)(o)P(L)y[][o[LY (4 在由(2)表示的同一单位制下，上式即 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
5 三、（25 分）一质量为m 、长为 L 的匀质细杆，可绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内自由 转动. 杆在水平状态由静止开始下摆， 1. 令 m L l = 表示细杆质量线密度. 当杆以角速度w 绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内转动 时，其转动动能可表示为 E k L k g = l w 式中，k 为待定的没有单位的纯常数. 已知在同一单位制下，两物理量当且仅当其数值和单位都相 等时才相等. 由此求出 、 和g 的值. 2. 已知系统的动能等于系统的质量全部集中在质心时随质心一起运动的动能和系统在质心系（随 质心平动的参考系）中的动能之和，求常数k 的值. 3. 试求当杆摆至与水平方向成q 角时在杆上距O 点为 r 处的横截面两侧部分的相互作用力. 重力加 速度大小为 g . 提示：如果 tX )( 是t 的函数，而 tXY ))(( 是 tX )( 的函数，则 tXY ))(( 对t 的导数为 d ( ( )) d d d d d Y X t Y X t X t = 例如，函数cos ( ) q t 对自变量t 的导数为 d cos ( ) d cos d d d d t t t q q q q = 参考解答： 1. 当杆以角速度w 绕过其一端的光滑水平轴O 在竖直平面内转动时，其动能是独立变量l 、w 和 L 的函数，按题意 可表示为 E k L k g = l w (1) 式中，k 为待定常数（单位为 1）. 令长度、质量和时间的单位分别为[ ] L 、[ ] M 和[ ] T （它们可视 为相互独立的基本单位），则l 、w 、 L 和 Ek 的单位分别为 1 1 2 2 [ ] [ ][ ] , [ ] [ ] , [ ] [ ], [ ] [ ][ ] [ ] k M L T L L E M L T l w - - - = = = = (2) 在一般情形下，若[ ] q 表示物理量q 的单位，则物理量q 可写为 q q q = ( )[ ] (3) 式中，( ) q 表示物理量q 在取单位[ ] q 时的数值. 这样，(1) 式可写为 ( )[ ] ( ) ( ) ( ) [ ] [ ] [ ] E E k L L k k g g = l w l w (4) 在由(2)表示的同一单位制下，上式即 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 6 (E)=k()(o)(L)y (5) [E]=[][o[L' (6) 将(2)中第四式代入(6)式得 [MILIT]=(M]LYT (7 (2)式并未规定基本单位[L]、[M和[T]的绝对大小，因而（⑦）式对于任意大小的[L)、[M和[T]均 成立，于是 au=1,B=2,y=3 (8) 所以 Et=kAoL (9) 2.由题意，杆的动能为 Ex Et.+Ex. (10) 其中， (11) 注意到，杆在质心系中的运动可视为两根长度为片的杆过其公共端（即质心®）的光滑水平轴在铅 直平面内转动，因而，杆在质心系中的动能E,为 -2aa3-2) (12) 将(9)、(11)、(12)式代入(10)式得 ar=位o+2a() (13) 由此解得 (14) 于是 (15) 3.以细杆与地球为系统，下摆过程中机械能守恒 Ex=mg (16) 由(15)、(16)式得 3gsin 0 (17) 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
6 ( ) ( ) ( ) ( ) E k L k g = l w (5) [ ] [ ] [ ] [ ] E L k g = l w (6) 将 (2)中第四 式代入 (6) 式得 2 2 [ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] M L T M L T - - - g = (7) (2)式并未规定基本单位[ ] L 、[ ] M 和[ ] T 的绝对大小，因而(7)式对于任意大小的[ ] L 、[ ] M 和[ ] T 均 成立，于是 g = = = 1, 2, 3 (8) 所以 2 3 E k L k = lw (9) 2. 由题意，杆的动能为 E E E k k k = + ,c ,r (10) 其中， 2 2 ,c c 1 1 ( ) 2 2 2 k L E m Ll w = = v (11) 注意到，杆在质心系中的运动可视为两根长度为 2 L 的杆过其公共端（即质心）的光滑水平轴在铅 直平面内转动，因而，杆在质心系中的动能 Ek,r 为 3 2 ,r 2 ( , , ) 2 2 2 k k L L E E k l w lw = = (12) 将(9)、 (11)、 (12)式代入(10)式得 2 3 2 3 2 1 2 2 2 2 L L k L L k lw l w lw = + (13) 由此解得 1 6 k = (14) 于是 Ek = 1 6 lw2 L3 . (15) 3. 以细杆与地球为系统，下摆过程中机械能守恒 sin 2 k L E mg q = (16) 由(15)、(16)式得 w = 3gsinq L . (17) 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 7 以在杆上距O点为r处的横截面外侧长为(L-）的那一段为研究对象，该段质量为(L-), 其质心速度为 -oriL-oLir 2 (18) 设另一段对该段的切向力为T(以日增大的方向为正方向)，法向（即与截面相垂直的方向）力为 N(以指向O点方向为正向)，由质心运动定理得 T+(L-r)gcose=(L-r）a (19) N-(L-r)gsine=(L-r)a (20) 式中，a,为质心的切向加速度的大小 a=o=L+rdo=L+r do do_3(L+r)gco50 (21) dr 2 dr 2 de dt 4L 而a,为质心的法向加速度的大小 a=o2L+r=3L+r）gsin0 (22) 2 2L 由(19)、(20)、(21)、(22)式解得 T=(L-r)(Br-L) -mg cos 23) 4L2 N-亿-r5L+3n）mg sin0 (24) 2L2 评分标准：本题25分 第1问5分，(2)式1分，(6)式2分，(7)式1分，(8)式1分： 第2问7分，(10)式1分，(11)式2分，(12)式2分，(14)式2分：不依赖第1问的结果，用其他 方法正确得出此问结果的，同样给分： 第3问13分，(16)式1分，(17)式1分，(18)式1分，(19)式2分，(20)式2分，(21)式2分，(22) 式2分，(23)式1分，(24)式1分：不依赖第1、2问的结果，用其他方法正确得出此问结果的， 同样给分 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
7 以在杆上距O 点为r 处的横截面外侧长为(L r - ) 的那一段为研究对象，该段质量为l (L r - ) ， 其质心速度为 2 2 c L r L r w w r - + ¢ = + = v . (18) 设另一段对该段的切向力为T (以q 增大的方向为正方向)， 法向(即与截面相垂直的方向)力为 N (以指向O 点方向为正向)，由质心运动定理得 T L r g L r a + - = - l q l ( ) cos ( ) t (19) N L r g L r a - - = - l q l ( ) sin ( ) n (20) 式中， t a 为质心的切向加速度的大小 d d d d 3 cos ( ) d 2 d 2 d dt 4 c t L r L r L r g a t t L w w q q q ¢ + + + = = = = v (21) 而an 为质心的法向加速度的大小 ( ) 2 3 sin 2 2 n L r L r g a L q w + + = = . (22) 由(19)、(20)、(21)、(22)式解得 ( )( ) 2 3 cos 4 L r r L T mg L q - - = (23) ( )( ) 2 5 3 sin 2 L r L r N mg L q - + = (24) 评分标准：本题 25 分. 第 1 问 5 分， (2) 式 1 分， (6) 式 2 分，(7) 式 1 分，(8) 式 1 分； 第 2 问 7 分， (10) 式 1 分，(11) 式 2 分，(12) 式 2 分， (14) 式 2 分；不依赖第 1 问的结果，用其他 方法正确得出此问结果的，同样给分； 第 3 问 13 分，(16) 式 1 分，(17) 式 1 分，(18) 式 1 分，(19) 式 2 分，(20) 式 2 分，(21) 式 2 分，(22) 式 2 分，(23) 式 1 分，(24) 式 1 分；不依赖第 1、2 问的结果，用其他方法正确得出此问结果的， 同样给分. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 8 四、(20分)图中所示的静电机由一个半径为R、与环境绝缘的开口（朝 上)金属球壳形的容器和一个带电液滴产生器G组成.质量为m、带电量为 q的球形液滴从G缓慢地自由掉下（所谓缓慢，意指在G和容器口之间总 是只有一滴液滴).液滴开始下落时相对于地面的高度为h.设液滴很小， 容器足够大，容器在达到最高电势之前进入容器的液体尚未充满容器.忽略 G的电荷对正在下落的液滴的影响重力加速度大小为g,若容器初始电势为 零，求容器可达到的最高电势'x F 参考解答： 设在某一时刻球壳形容器的电量为Q.以液滴和容器为体系，考虑从一滴液滴从带电液滴产生器G 出口自由下落到容器口的过程.根据能量守恒有 h-R=2mo+2mgR+k mgh+k 0g=Im (1) R 式中，⑦为液滴在容器口的速率，k是静电力常量.由此得液滴的动能为 2m=mg(h-2R)-k2q(h-2R) 1 (2) (h-R)R 从上式可以看出，随着容器电量Q的增加，落下的液滴在容器口的速率)不断变小：当液滴在容器 口的速率为零时，不能进入容器，容器的电量停止增加，容器达到最高电势.设容器的最大电量为 Qax,则有 mgh-2R)-k2=9h-2R-0. (h-R)R (3) 由此得 O=mg(h-R)R (4) kg 容器的最高电势为 VrurOma (5) R 由(4)和(5)式得 Viun =mg(h-R) (6) 评分标准：本题20分.(1)式6分，(2)式2分，(3)式4分，(4)式2分，（⑤）式3分，(6)式3分. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
8 四、（20 分）图中所示的静电机由一个半径为 R 、与环境绝缘的开口（朝 上）金属球壳形的容器和一个带电液滴产生器 G 组成. 质量为m 、带电量为 q 的球形液滴从 G 缓慢地自由掉下（所谓缓慢，意指在 G 和容器口之间总 是只有一滴液滴）. 液滴开始下落时相对于地面的高度为h . 设液滴很小， 容器足够大，容器在达到最高电势之前进入容器的液体尚未充满容器. 忽略 G 的电荷对正在下落的液滴的影响.重力加速度大小为 g . 若容器初始电势为 零，求容器可达到的最高电势Vmax . 参考解答： 设在某一时刻球壳形容器的电量为Q . 以液滴和容器为体系，考虑从一滴液滴从带电液滴产生器 G 出口自由下落到容器口的过程. 根据能量守恒有 1 2 2 2 Qq Qq mgh k m mgR k h R R + = + + - v . (1) 式中，v 为液滴在容器口的速率，k 是静电力常量. 由此得液滴的动能为 1 ( 2 ) 2 ( 2 ) 2 ( ) Qq h R m mg h R k h R R - = - - - v . (2) 从上式可以看出，随着容器电量Q 的增加，落下的液滴在容器口的速率v 不断变小；当液滴在容器 口的速率为零时，不能进入容器，容器的电量停止增加，容器达到最高电势. 设容器的最大电量为 Qmax ，则有 max ( 2 ) ( 2 ) 0 ( ) Q q h R mg h R k h R R - - - = - . (3) 由此得 max mg h R R ( ) Q kq - = . (4) 容器的最高电势为 max max Q V k R = (5) 由(4) 和 (5)式得 max mg h R ( ) V q - = (6) 评分标准：本题 20 分. (1)式 6 分， (2) 式 2 分，(3) 式 4 分，(4) 式 2 分， (5) 式 3 分，(6) 式 3 分. 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 9 五、(25分)平行板电容器两极板分别位于：=±的平面 内，电容器起初未被充电.整个装置处于均匀磁场中，磁感 d/2× 应强度大小为B,方向沿x轴负方向，如图所示 + 1,在电容器参考系S中只存在磁场：而在以沿y轴正方向的 恒定速度(0,0,0)（这里(0,0,0）表示为沿x、y、轴正方向的 -d/2x 速度分量分别为0、0、0，以下类似)相对于电容器运动的 参考系S”中，可能既有电场(E:,E,E)又有磁场(B,B,B).试在非相对论情形下，从伽利略速度 变换，求出在参考系S中电场(E:,E,E)和磁场(B,B,B)的表达式.己知电荷量和作用在物体上 的合力在伽利略变换下不变 2.现在让介电常数为ε的电中性液体（绝缘体）在平行板电容器两极板之间匀速流动，流速大小为 。,方向沿y轴正方向.在相对液体静止的参考系（即相对于电容器运动的参考系）S”中，由于液 体处在第1问所述的电场(E,E,E)中，其正负电荷会因电场力作用而发生相对移动（即所谓极化 效应)，使得液体中出现附加的静电感应电场，因而液体中总电场强度不再是(E:,E,E),而是 (E:,E,E),这里6，是真空的介电常数.这将导致在电容器参考系S中电场不再为零.试求电容 器参考系S中电场的强度以及电容器上、下极板之间的电势差.（结果用6。、6、）、B或（和） d表出.) 参考解答： 1.一个带电量为q的点电荷在电容器参考系S中的速度为(u,山，4)，在运动的参考系S”中的速度 为(，，).在参考系S中只存在磁场(B,B,B)=(-B,0,0),因此这个点电荷在参考系S中所受 磁场的作用力为 F=0, F,=-qu.B, (1) F:=qu,B 在参考系S”中可能既有电场(E,E,E)又有磁场(B,B,B),因此点电荷q在S参考系中所受 电场和磁场的作用力的合力为 F:='(E:+u,BuB F=q'(E:-u B:+uB:), (2) F:=g(E:+uB,-u,B:) 两参考系中电荷、合力和速度的变换关系为 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
9 五、（25 分）平行板电容器两极板分别位于 2 d z = 的平面 内，电容器起初未被充电. 整个装置处于均匀磁场中，磁感 应强度大小为 B ，方向沿 x 轴负方向，如图所示. 1. 在电容器参考系 S 中只存在磁场；而在以沿y轴正方向的 恒定速度(0, ,0) v （这里(0, ,0) v 表示为沿x、y、z轴正方向的 速度分量分别为0、 v 、0，以下类似）相对于电容器运动的 参考系S¢中，可能既有电场( , , ) E E E x y z ¢ ¢ ¢ 又有磁场( , , ) B B B x y z ¢ ¢ ¢ . 试在非相对论情形下，从伽利略速度 变换，求出在参考系S¢中电场( , , ) E E E x y z ¢ ¢ ¢ 和磁场( , , ) B B B x y z ¢ ¢ ¢ 的表达式. 已知电荷量和作用在物体上 的合力在伽利略变换下不变. 2. 现在让介电常数为 的电中性液体（绝缘体）在平行板电容器两极板之间匀速流动，流速大小为 v ，方向沿 y 轴正方向. 在相对液体静止的参考系（即相对于电容器运动的参考系） S¢中，由于液 体处在第1问所述的电场( , , ) E E E x y z ¢ ¢ ¢ 中，其正负电荷会因电场力作用而发生相对移动（即所谓极化 效应），使得液体中出现附加的静电感应电场，因而液体中总电场强度不再是( , , ) E E E x y z ¢ ¢ ¢ ，而是 0 ( , , ) E E E x y z ¢ ¢ ¢ ，这里 0 是真空的介电常数. 这将导致在电容器参考系 S 中电场不再为零. 试求电容 器参考系 S 中电场的强度以及电容器上、下极板之间的电势差. （结果用 0 、 、 v 、 B 或（和） d 表出. ） 参考解答： 1. 一个带电量为 q 的点电荷在电容器参考系 S 中的速度为 ( , , ) x y z u u u ，在运动的参考系 S¢中的速度 为( , , ) x y z u u u ¢ ¢ ¢ . 在参考系S 中只存在磁场( , , ) ( ,0,0) B B B B x y z = - ，因此这个点电荷在参考系 S 中所受 磁场的作用力为 0, , x y z z y F F qu B F qu B = = - = (1) 在参考系S¢中可能既有电场( , , ) E E E x y z ¢ ¢ ¢ 又有磁场( , , ) B B B x y z ¢ ¢ ¢ ，因此点电荷q 在S¢参考系中所受 电场和磁场的作用力的合力为 ( ), ( ), ( ) x x y z z y y y x z z x z z x y y x F q E u B u B F q E u B u B F q E u B u B ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ = + - ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ = - + ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ = + - (2) 两参考系中电荷、合力和速度的变换关系为 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 10 q=9, (F,F,F)=(F,F,F) (3) (4,,)=(ux,4,4)-(0,,0) 由(1)、(2)、(3)式可知电磁场在两参考系中的电场强度和磁感应强度满足 E:+(,-o)B-4.B,=0 E)-4B+B=-u.B, (4) E!+4B,-(u-o)B=4,B 它们对于任意的(4，u,4)都成立，故 (E,E,E)=(0,0,0B), (5) (B,B,B)=(-B,0,0) 可见两参考系中的磁场相同，但在运动的参考系S”中却出现了沿：方向的匀强电场 2.现在，电中性液体在平行板电容器两极板之间以速度(0，)，0)匀速运动.电容器参考系S中的磁场 会在液体参考系S中产生由（⑤）式中第一个方程给出的电场.这个电场会把液体极化，使得液体中 的电场为 (E,E,E)=(0,0,B) (6) 为了求出电容器参考系S中的电场，我们再次考虑电磁场的电场强度和磁感应强度在两个参考 系之间的变换，从液体参考系S中的电场和磁场来确定电容器参考系S中的电场和磁场.考虑一带 电量为q的点电荷在两参考系中所受的电场和磁场的作用力.在液体参考系S”中，这力(F,F,F) 如(2)式所示.它在电容器参考系S中的形式为 F =q(E,+u,B.-u.B,). F=q(E,-4B.+4B) (7) F:=g(E.+u,B,-u,B.) 利用两参考系中电荷、合力和速度的变换关系(3)以及(6)式，可得 E+4B-4B,=0, E,-4B+4B=-B (8) E+4,B-4,B=B +(4,-v)B 对于任意的(u,4,4)都成立，故 (E,E,E)=(0,0,(色-10oB), (9) (B,B,B)=(-B,0,0) 可见，在电容器参考系S中的磁场仍为原来的磁场，现由于运动液体的极化，也存在电场，电场强 度如(9)中第一式所示 注意到(9)式所示的电场为均匀电场，由它产生的电容器上、下极板之间的电势差为 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理
10 , ( , , ) ( , , ), ( , , ) ( , , ) (0, ,0) x y z x y z x y z x y z q q F F F F F F u u u u u u ¢ = ¢ ¢ ¢ = ¢ ¢ ¢ = - v (3) 由(1)、 (2)、 (3)式可知电磁场在两参考系中的电场强度和磁感应强度满足 ( ) 0, , ( ) x y z z y y x z z x z z x y y x y E u B u B E u B u B u B E u B u B u B ¢ ¢ ¢ + - - = ¢ ¢ ¢ - + = - ¢ ¢ ¢ + - - = v v (4) 它们对于任意的( , , ) x y z u u u 都成立，故 ( , , ) (0,0, ), ( , , ) ( ,0,0) x y z x y z E E E B B B B B ¢ ¢ ¢ = ¢ ¢ ¢ = - v (5) 可见两参考系中的磁场相同，但在运动的参考系S¢中却出现了沿z方向的匀强电场. 2. 现在，电中性液体在平行板电容器两极板之间以速度(0, ,0) v 匀速运动. 电容器参考系S 中的磁场 会在液体参考系 S¢中产生由(5)式中第一个方程给出的电场. 这个电场会把液体极化，使得液体中 的电场为 0 ( , , ) (0,0, ) E E E B x y z ¢ ¢ ¢ = v . (6) 为了求出电容器参考系S 中的电场，我们再次考虑电磁场的电场强度和磁感应强度在两个参考 系之间的变换，从液体参考系S¢中的电场和磁场来确定电容器参考系S 中的电场和磁场. 考虑一带 电量为 q 的点电荷在两参考系中所受的电场和磁场的作用力. 在液体参考系 S¢中，这力( , , ) F F F x y z ¢ ¢ ¢ 如(2)式所示. 它在电容器参考系S 中的形式为 ( ), ( ), ( ) x x y z z y y y x z z x z z x y y x F q E u B u B F q E u B u B F q E u B u B = + - = - + = + - (7) 利用两参考系中电荷、合力和速度的变换关系(3)以及(6)式，可得 0 0, , ( ) x y z z y y x z z x z z x y y x y E u B u B E u B u B u B B E u B u B u B + - = - + = - + - = + - v v (8) 对于任意的( , , ) x y z u u u 都成立，故 0 ( , , ) (0,0,( 1) ), ( , , ) ( ,0,0) x y z x y z E E E B B B B B = - = - v (9) 可见，在电容器参考系S 中的磁场仍为原来的磁场，现由于运动液体的极化，也存在电场，电场强 度如(9)中第一式所示. 注意到(9)式所示的电场为均匀电场，由它产生的电容器上、下极板之间的电势差为 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理 中国科学技术大学物理学院叶邦角整理