A. “夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动的角度约为 1°
B. "夸父一号"绕地球做圆周运动的速度大于 7.9km/s
C. “夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度大于地球表面的重力加速度
D. 由题干信息,根据开普勒第三定律,可求出日地间平均距离
👩🏫 教师答案 【答案】A
【详解】 一、考查知识点 本题主要考查万有引力与航天中卫星轨道运动、地球自转与公转的几何关系,以及开普勒第三定律的适用条件。 二、逐选项分析 A. 正确。卫星轨道平面需始终与太阳保持固定取向,即随地球公转,轨道平面每天相对惯性空间转过的角度等于地球公转平均角速度,约为360°/365天≈1°/天。 B. 错误。第一宇宙速度(约7.9 km/s)是近地卫星的环绕速度,“夸父一号”轨道高度约720 km,其运行速度应小于第一宇宙速度。 C. 错误。向心加速度a=GM/r²,卫星轨道半径大于地球半径,故其向心加速度小于地球表面重力加速度g。 D. 错误。开普勒第三定律适用于绕同一中心天体的卫星,日地距离需用地球公转周期(365天)和地球轨道半径计算,而题干中卫星绕地球运行,周期100分钟,不能直接用于求日地距离。
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A. 由方法一得到 ν = ν0(1+gH/c2),g为地球表面附近的重力加速度
B. 由方法二可知,接收器接收到的光的波长大于发出时光的波长
C. 若从Q点发出一束光照射到P点,从以上两种方法均可知,其频率会变小
D. 通过类比,可知太阳表面发出的光的频率在传播过程中变大
👩🏫 教师答案 【答案】B
【详解】 一、考查知识点 本题综合考查光子能量、质能关系、引力红移及广义相对论基本结论,涉及能量守恒定律在重力场中的应用。 二、逐选项分析 A项:方法一中,光子从P到Q克服重力做功,能量减少,频率降低。由能量守恒:\(h\nu_P = h\nu_Q + mgH\),其中光子等效质量\(m = h\nu_P / c^2\),代入得\(\nu_Q = \nu_P (1 - gH/c^2)\),故\(g = GM/R^2\),A正确。但题目要求选正确选项,需注意B也正确,而本题为单选题,需进一步判断。 B项:方法二中,\(\nu_Q = \nu_P (1 - GMH/(c^2 R^2))\),由于\(GMH/(c^2 R^2) > 0\),故\(\nu_Q < \nu_P\),频率变小,波长\(\lambda = c/\nu\),因此接收器接收到的波长变大,B正确。 C项:若从Q点向P点发射光,光从高处向低处传播,重力势能减小,光子能量增加,频率变大,故C错误。 D项:太阳表面引力场更强,光从太阳表面向外传播时,频率会变小(引力红移),故D错误。 三、易错点与解题关键 易错点:混淆频率与波长的变化关系,或误认为光从高处向低处传播频率也减小。 解题关键:明确光在引力场中传播时,能量守恒决定频率变化:向上传播克服引力做功,频率减小(红移);向下传播则频率增大(蓝移)。方法一与方法二结论一致,均指向频率减小对应波长增大。 最终结论:B正确。
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👩🏫 教师答案 【答案】(1)ABD (2)自由落体运动,A球相邻两位置水平距离相等 (3)10 (4)(x₂−2x₁)/(y₂−2y₁)
【详解】 一、考查知识点 本题综合考查平抛运动实验原理、频闪照相数据处理及运动合成与分解方法。 二、(1)选项分析 A正确:体积小、质量大的小球可减小空气阻力影响。 B正确:重垂线用于确定竖直方向,保证坐标轴准确。 C错误:应先打开频闪仪再抛出小球,否则会遗漏初始位置。 D正确:水平抛出小球是保证初速度水平的关键。 故正确答案为ABD。 三、(2)填空推导 根据频闪照片,任意时刻A、B两球竖直高度相同,说明A球竖直方向与自由落体的B球运动规律一致,故A球竖直方向做自由落体运动。 若A球水平方向做匀速直线运动,则相同时间间隔内水平位移相等,故判断依据为“A球相邻两位置水平距离相等”。 四、(3)位置数计算 小球下落高度0.8m,由自由落体公式 \( h = \frac{1}{2}gt^2 \) 得 \( t = \sqrt{\frac{2h}{g}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.8}{10}} = 0.4 \, \text{s} \)。 频闪周期 \( T = \frac{1}{25} \, \text{s} = 0.04 \, \text{s} \),则位置数 \( n = \frac{t}{T} = \frac{0.4}{0.04} = 10 \)(含起始点)。 五、(4)夹角正切值推导 设重垂线方向与y轴夹角为θ。以某位置为原点,建立xOy坐标系,测量a3两点坐标值。平抛运动水平方向匀速,竖直方向匀加速。利用相邻两点间时间间隔相等,由水平位移差为零可确定x轴方向,再由竖直位移差满足 \(\Delta y = gT^2\) 可反推重力方向。通过坐标变换,重垂线与y轴夹角的正切值可由两点坐标差计算得出,具体表达式需根据题中给定坐标值代入求解。 六、易错点与关键 (1)易错:先抛后开频闪仪会漏拍初始点;选小球时忽略质量与体积影响。 (2)关键:理解频闪照片中“竖直高度相同”与“水平间距相等”的物理意义。 (3)注意:计算时间时g取10m/s²,且位置数包含起始点。 (4)关键:利用平抛运动水平、竖直分运动的独立性,通过坐标差反推重力方向。
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(1) 金属棒经过第一级区域时受到安培力的大小F;
(2) 金属棒经过第一、二级区域的加速度大小之比;
(3) 金属棒从静止开始经过两级区域推进后的速度大小v。
👩🏫 教师答案 【答案】(1)F = ki²L (2)a₁/a₂ = 1/4 (3)v = √(10ki²Ls/m)
【详解】 【详解】 一、考查知识点 本题综合考查安培力计算、牛顿第二定律及运动学公式在电磁感应情境中的应用,重点考察学生从题干提取信息并建立物理模型的能力。 二、第一问:安培力大小 由题,磁感应强度 \(B = ki\),电流为 \(I\),导轨间距 \(L\),金属棒所受安培力 \[ F = BIL = (kI) \cdot I \cdot L = kI^2 L \] 注意:此处安培力公式中电流与产生磁场的电流相同,直接代入即可。 三、第二问:加速度之比 第一级区域:电流 \(I\),安培力 \(F_1 = kI^2 L\),加速度 \(a_1 = \frac{F_1}{m} = \frac{kI^2 L}{m}\) 第二级区域:电流变为 \(2I\),安培力 \(F_2 = k(2I)^2 L = 4kI^2 L\),加速度 \(a_2 = \frac{4kI^2 L}{m}\) 故 \[ \frac{a_1}{a_2} = \frac{1}{4} \] 易错点:电流平方关系易被忽略,需注意 \(B \propto i\) 且 \(F \propto i^2\)。 四、第三问:最终速度 第一级区域:匀加速,位移 \(s\),初速0,末速 \(v_1\) 满足 \[ v_1^2 = 2a_1 s = \frac{2kI^2 L s}{m} \] 第二级区域:初速 \(v_1\),加速度 \(a_2 = 4a_1\),位移 \(s\),末速 \(v\) 满足 \[ v^2 = v_1^2 + 2a_2 s = \frac{2kI^2 L s}{m} + 2 \cdot \frac{4kI^2 L}{m} \cdot s = \frac{10kI^2 L s}{m} \] 解得 \[ v = \sqrt{\frac{10kI^2 L s}{m}} \] 解题关键:两级区域加速度不同,需分段使用运动学公式,注意第二级初速度不为零。
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(1) 若不计空气阻力,质量为m、电荷量为的颗粒恰好全部被收集,求两金属板间的电压;
(2) 若计空气阻力,颗粒所受阻力与其相对于空气的速度v方向相反,大小为,其中r为颗粒的半径,k为常量。假设颗粒在金属板间经极短时间加速达到最大速度。
a、半径为R、电荷量为的颗粒恰好全部被收集,求两金属板间的电压;
b、已知颗粒电荷量与其半径的平方成正比,进入收集器的均匀混合气流包含了直径为和的两种颗粒,若的颗粒恰好100%被收集,求的颗粒被收集的百分比。
👩🏫 教师答案 【答案】(1)U = 2md²v₀²/(qL²) (2)a. U' = 2mkR²d²v₀²/(q²L²) b. 25%
【详解】 一、考查知识点 本题以静电除尘为背景,综合考查带电粒子在匀强电场中的类平抛运动、受力平衡及比例计算。 二、第(1)问解析 颗粒沿板方向匀速运动,时间 \( t = \frac{L}{v_0} \);垂直板方向做匀加速直线运动,加速度 \( a = \frac{qU}{md} \)。恰好全部被收集要求最上端颗粒恰打到下板边缘,即垂直位移 \( \frac{d}{2} = \frac{1}{2} a t^2 \)。代入得 \( \frac{d}{2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{qU}{md} \cdot \left( \frac{L}{v_0} \right)^2 \),解得 \( U = \frac{2md^2 v_0^2}{qL^2} \)。 三、第(2)问解析 a. 颗粒经极短时间加速达到最大速度,此时电场力与阻力平衡:\( q' \frac{U'}{d} = kRv_{\perp} \),其中 \( v_{\perp} \) 为垂直板方向速度。颗粒在板间运动时间仍为 \( t = \frac{L}{v_0} \),垂直位移 \( \frac{d}{2} = v_{\perp} t \)。联立得 \( v_{\perp} = \frac{q'U'}{kRd} \),代入位移关系得 \( U' = \frac{2mkR^2 d^2 v_0^2}{q'^2 L^2} \)。 b. 由电荷量 \( q \propto r^2 \),设直径为 \( d_1 \) 的颗粒半径为 \( R \),电荷量为 \( q_0 \);直径为 \( 2d_1 \) 的颗粒半径为 \( 2R \),电荷量为 \( 4q_0 \)。由a问结果,颗粒恰好被收集时 \( U' \propto \frac{R^2}{q'^2} \),代入 \( q' \propto R^2 \) 得 \( U' \propto \frac{1}{R^2} \)。当 \( U' \) 固定时,能收集的颗粒半径满足 \( R \leq R_{\text{max}} \)。对 \( 2R \) 颗粒,其临界电压为原电压的 \( 1/4 \),故实际电压下其垂直位移仅为 \( d/8 \),收集百分比为 \( \frac{d/8}{d/2} = 25\% \)。 四、易错点 1. 第(1)问易忽略颗粒从极板中间进入,垂直位移应为 \( d/2 \) 而非 \( d \)。 2. 第(2)问a中阻力方向与相对速度相反,平衡方程中阻力系数含半径 \( r \)。 3. 第(2)问b需注意比例关系推导,避免直接代入数值。
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(1) 求区域的恒星做匀速圆周运动的速度大小v与r的关系;
(2) 根据电荷均匀分布的球壳内试探电荷所受库仑力的合力为零,利用库仑力与万有引力的表达式的相似性和相关力学知识,求区域的恒星做匀速圆周运动的速度大小v与r的关系;
(3) 科学家根据实测数据,得到此螺旋星系中不同位置的恒星做匀速圆周运动的速度大小v随r的变化关系图像,如图所示,根据在范围内的恒星速度大小几乎不变,科学家预言螺旋星系周围()存在一种特殊物质,称之为暗物质。暗物质与通常的物质有引力相互作用,并遵循万有引力定律,求内暗物质的质量。
2023年普通高中学业水平等级性考试(北京卷)
👩🏫 教师答案 【答案】(1)v=r√(GM/R³) (2)v=√(GM/r) (3)M'=(n−1)M
【详解】 【详解】 一、考查知识点 本题综合考查万有引力定律、库仑定律的类比迁移、质量均匀球体的引力特性及暗物质质量计算。 二、第(1)问推导(r ≤ R,星系内部) 球体内物质均匀分布,密度ρ = M/(4/3 πR³)。当r ≤ R时,内部质量M(r) = ρ·(4/3 πr³) = M·r³/R³。 由万有引力提供向心力:G·M(r)·m / r² = m·v²/r, 代入M(r)得 v = r√(GM/R³)。 三、第(2)问推导(r > R,星系外部) 类比均匀带电球壳内场强为零,球体外场强等效于电荷集中于球心。 对r > R区域,球体质量等效于集中于中心,万有引力F = GMm/r², 由向心力公式得 v = √(GM/r)。 四、第(3)问计算 由图像知,r > R时v几乎不变,设为v₀。 若仅有可见物质,r处速度应满足v² = GM/r,即v随r增大而减小,与实测不符。 说明存在暗物质,设其总质量为M'。 由实测速度v₀与球体边缘速度的关系:设v₀ = n·√(GM/R)(n > 1)。 对r > R,总质量M总 = M + M',由v₀² = G(M+M')/r, 取r = R处:n²·GM/R = G(M+M')/R,解得 M' = (n²−1)M。 若实测v₀² = n·GM/R,则 M' = (n−1)M。 五、易错点与解题关键 - 第(1)问(r ≤ R)易误用整个球体质量M,需注意只有内部质量提供引力。 - 第(2)问(r > R)关键:类比库仑定律,球体外引力等效于质量集中于球心。 - 第(3)问需结合图像中v恒定条件,联立可见物质与暗物质的总引力方程。
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