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计算题专项练(三)
1.(10分)(2025山西太原模拟)如图所示,取一块截面半径R=6 cm、高度h=16 cm的圆柱体冰块,用烧红的细铁条将冰块穿上小孔,在冰块的中心O安装一个发黄色光的LED灯就做成了一个冰灯。用遮光罩罩住冰灯的侧面,将冰灯提到下表面距地h'=30 cm高处,此时冰灯的下表面全面发光,且在地面形成的光斑半径R'=46 cm。不考虑光的多次反射。
(1)求该冰块对黄光的折射率。
(2)取下遮光布,仅改变冰灯的高度可实现其外表面全面发光,求冰灯的最大高度。(LED灯位于冰灯中心)
2.(12分)(2025山东山师附中模拟)某型号离子实验装置的工作原理可简化为图甲所示。M为竖直放置的屏,以垂直于屏为x轴、平行于屏为y轴建立直角坐标系,y轴到屏的距离为d,屏的左侧存在平行于y轴向下的匀强电场和平行于x轴向右的匀强磁场,电场和磁场的大小和分布范围可调节。质量为m、电荷量为q的带正电粒子从坐标原点O以初速度v0进入xOy平面第一象限,初速度v0与x轴正方向的夹角为53°。若空间只存在匀强电场E=,粒子打到屏上P点(未画出)。已知sin 53°=0.8,cos 53°=0.6,不计粒子重力,忽略电场、磁场的边界效应。
(1)求P点的y坐标;
(2)若空间只存在磁场B1=,粒子打到屏上Q点,求P、Q间的距离L;
(3)如图乙所示,分界面N把区域分为左右两部分:N的左侧充满电场E,N的右侧充满平行于x轴向右的匀强磁场B2,若使粒子仍然打到屏上P点,求分界面N到y轴的距离x及B2的大小。
3.(16分)(2025河北石家庄模拟)某公园的台阶如图甲所示,已知每级台阶的水平距离s=30 cm,高度h=20 cm。台阶的侧视图如图乙所示,虚线AB恰好通过每级台阶的顶点。某同学将一小球置于最上面台阶边缘的A点,并沿垂直于台阶边缘将其以初速度v水平抛出,重力加速度g取10 m/s2,空气阻力不计。
甲
乙
(1)要使小球落到第1级台阶上,求初速度v的范围。
(2)若小球可直接击中B点,求此种情况下小球从抛出到离虚线AB最远所经历的时间。
(3)若v=5 m/s,每次与台阶或地面碰撞时,竖直方向的速度大小都变为原来的一半,方向与原方向相反,试求小球从抛出到与台阶或地面第4次碰撞所经历的总时间。
参考答案
1.答案 (1)
(2) cm
解析 (1)设黄光从冰块下表面边缘射出时入射角为r,折射角为i,如图所示,由几何关系有
sin r=
sin i=
设该冰块对黄光的折射率为n,由折射定律有
n=
解得n=。
(2)设黄光由冰块射向空气的临界角为C
sin C=
设冰块的最大高度为H,由几何关系有
sin C=
解得H= cm。
2.答案 (1)d
(2)d
(3)d (n=1,2,3,…)
解析 (1)带电粒子在电场中做类平抛运动,沿x方向有d=v0cos θ·t
沿y方向有y=v0sin θ·t-at2
根据牛顿第二定律有qE=ma
联立解得y=d。
(2)粒子在磁场中的运动轨迹为等距螺旋线运动,半径为r=
解得r=
周期为T=
粒子运动的时间t=T
P、Q间的距离L=
解得L=d。
(3)设粒子在电场中运动的时间为t1,在磁场中运动的时间为t2,在电场中运动时,则有d=v0sin θ·t1-
分界面N的x坐标为
x=v0cos θ·t1
解得x=d,t1=
粒子在电场和磁场中的运动时间t=t1+t2
t2=nT'
粒子在磁场运动的周期T'=
解得B2=(n=1,2,3,…)。
3.答案 (1)0<v≤1.5 m/s
(2) s
(3) s
解析 (1)速度最大时,小球恰好落到第一台阶边缘,则有h=gt2,s=vt
解得v=1.5 m/s
要使小球落到第1级台阶上,初速度v的范围为0<v≤1.5 m/s。
(2)小球可直接击中B点,则有6h=,6s=vt1
解得t1= s,v= m/s
当速度方向平行于AB时,小球离虚线AB最远,则有tan α=
解得t2= s。
(3)因为v= m/s<5 m/s,小球直接落到地面上
落地时,竖直分速度为vy1=gt1=2 m/s
从第一次碰撞到第二次碰撞,有
vy1-=gt3
从第二次碰撞到第三次碰撞,有
vy1-=gt4
从第三次碰撞到第四次碰撞,有
vy1-=gt5
总时间为t总=t1+t3+t4+t5= s。
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