[物理——选修 3-3]
在水下气泡内空气的压强大于气泡表面外侧水的压强, 两压强差 Δ p 与气泡半径
r 之间的关系为 Δ p = 2 σ r , 其中 σ = 0 . 070 N / m 。现让水下 10 m 处一半径为 0 . 50 cm 的气泡缓慢上升,已知大气压强 p 0 = 1 . 0 × 10 5 Pa , 水的密度 ρ = 1 . 0 × 10 3 kg / m 3 , 重力加速度大小 g = 10 m / s 2 。
(i) 求在水下 10 m 处气泡内外的压强差;
(ii)忽略水温随水深的变化, 在气泡上升到十分接近水面时, 求气泡的半径与其原来半径之 比的近似值。
如图所示,一定质量的理想气体从状态 A 依次经过状态 B 、 C 和 D 后再回到状态 A 。其中, A®B 和 C®D 为等温过程, B®C 和 D®A 为绝热过程(气体与外界无热量交换)。这就是著名的"卡诺循环"。
(1)该循环过程中,下列说法正确的是. A. A®B 过程中,外界对气体做功 B. B®C 过程中,气体分子的平均动能增大 C. C®D 过程中,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多 D. D®A 过程中,气体分子的速率分布曲线不发生变化 (2)该循环过程中,内能减小的过程是(选填" A®B "、" B®C "、" C®D "或" D®A "). 若气体在 A®B 过程中吸收 63kJ 的热量,在 C®D 过程中放出 38kJ 的热量,则气体完成一次循环对外做的功为 kJ .
(3)若该循环过程中的气体为 1mol ,气体在 A 状态时的体积为 10L ,在 B 状态时压强为 A 状态时的 2 3 。求气体在 B 状态时单位体积内的分子数。(已知阿伏加德罗常数 N A =6.0×1023mol - 1 ,计算结果保留一位有效数字)
对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。 (1)一段横截面积为 S 、长为 l 的直导线,单位体积内有 n 个自由电子,电子电荷量为 e 。该导线通有电流时,假设自由电子定向移动的速率均为 v 。 (a)求导线中的电流 I ;
(b)将该导线放在匀强磁场中,电流方向垂直于磁感应强度 B ,导线所受安培力大小为 F 安 ,导线内自由电子所受洛伦兹力大小的总和为 F ,推导 F 安 =F 。
(2)正方体密闭容器中有大量运动粒子,每个粒子质量为 m ,单位体积内粒子数量 n 为恒量。为简化问题,我们假定:粒子大小可以忽略;其速率均为 v ,且与器壁各面碰撞的机会均等;与器壁碰撞前后瞬间,粒子速度方向都与器壁垂直,且速率不变。利用所学力学知识,导出器壁单位面积所受粒子压力 F 与 m 、 n 和 v 的关系。
(注意:解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量,要在解题时做必要的说明)
如图,质量为M的足够长金属导轨 abcd 放在光滑的绝缘水平面上。一电阻不计,质量为 m 的导体棒 PQ 放置在导轨上,始终与导轨接触良好, PQbc 构成矩形。棒与导轨间动摩擦因数为 μ ,棒左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨 bc 段长为 L ,开始时 PQ 左侧导轨的总电阻为 R ,右侧导轨单位长度的电阻为 R 0 。以 ef 为界,其左侧匀强磁场方向竖直向上,右侧匀强磁场水平向左,磁感应强度大小均为 B 。在 t =0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨的 bc 边上,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度为 a 。
(1)求回路中感应电动势及感应电流随时间变化的表达式; (2)经过多长时间拉力F达到最大值,拉力F的最大值为多少? (3)某过程中回路产生的焦耳热为 Q ,导轨克服摩擦力做功为W,求导轨动能的增加量。
图所示为一种摆式摩擦因数测量仪,可测量轮胎与地面间动摩擦因数,基主要部件有:底部固定有轮胎橡胶片的摆锤和连接摆锤的轻质细杆。摆锤的质量为 m ,细杆可绕轴 O 在竖直平面内自由转动,摆锤重心到 O 点距离为 L 。测量时,测量仪固定于水平地面,将摆锤从与 O 等高的位置处静止释放。摆锤到最低点附近时,橡胶片紧压地面擦过一小段距离 s(s<L) ,之后继续摆至与竖直方向成 θ 角的最高位置。若摆锤对地面的压力可视为大小为 F 的恒力,重力加速度为 g ,求
(1)摆锤在上述过程中损失的机械能;
(2)在上述过程中摩擦力对摆锤所做的功;
(3)橡胶片与地面之间的动摩擦因数。
为了提高自行车夜间行驶的安全性,小明同学设计了一种"闪烁"装置,如图所示,自行车后轮由半径 r 1 =5.0╳10 - 2 m 的金属内圈、半径 r 2 =0.40m 的金属内圈和绝缘辐条构成。后轮的内、外圈之间等间隔地接有4根金属条,每根金属条的中间均串联有一电阻值为R的小灯泡。在支架上装有磁铁,形成了磁感应强度 B=0.10T 、方向垂直纸面向外的"扇形"匀强磁场,其内半径为 r 1 、外半径为 r 2 、张角 θ=π/6 。后轮以角速度ω="2π" rad/s相对于转轴转动。若不计其它电阻,忽略磁场的边缘效应。
(1)当金属条 ab 进入"扇形" 磁场时,求感应电动势 E ,并指出 ab 上的电流方向;
(2)当金属条 ab 进入"扇形" 磁场时,画出"闪烁"装置的电路图;
(3)从金属条 ab 进入"扇形" 磁场开始,经计算画出轮子转一圈过程中,内圈与外圈之间电势差 U a b -t 图象;
(4)若选择的是" 1.5V、0.3A "的小灯泡,该"闪烁"装置能否正常工作?有同学提出,通过改变磁感应强度 B 、后轮外圈半径 r 2 、角速度 ω 和张角 θ 等物理量的大小,优化前同学的设计方案,请给出你的评价。