（25分）圖1所示為楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的示意圖，取紙面為yz平面。y、z軸的方向如圖所示。線光源S通過(guò)z軸，雙縫S₁、S₂對(duì)稱分布在z軸兩側(cè)，它們以及屏P都垂直于紙面。雙縫間的距離為d，光源S到雙縫的距離為l，雙縫到屏的距離為D，，。

　　1.從z軸上的線光源S出發(fā)經(jīng)S₁、S₂不同路徑到P0點(diǎn)的光程差為零，相干的結(jié)果產(chǎn)生一亮紋，稱為零級(jí)亮紋。為了研究有一定寬度的擴(kuò)展光源對(duì)于干涉條紋清晰度的影響，我們先研究位于軸外的線光源S′形成的另一套干涉條紋，S′位于垂直于z軸的方向上且與S平行，兩者相距，則由線光源S′出發(fā)分別經(jīng)S₁、S₂產(chǎn)生的零級(jí)亮紋，與P₀的距離

　　2.當(dāng)光源寬度為的擴(kuò)展光源時(shí)，可將擴(kuò)展光源看作由一系列連續(xù)的、彼此獨(dú)立的、非相干的線光源組成。這樣，各線光源對(duì)應(yīng)的干涉條紋將彼此錯(cuò)開，在屏上看到的將是這些干涉條紋的光強(qiáng)相加的結(jié)果，干涉條紋圖像將趨于模糊，條紋的清晰度下降。假設(shè)擴(kuò)展光源各處發(fā)出的光強(qiáng)相同、波長(zhǎng)皆為。當(dāng)增大導(dǎo)致零級(jí)亮紋的亮暗將完全不可分辨，則此時(shí)光源的寬度

　　3.在天文觀測(cè)中，可用上述干涉原理來(lái)測(cè)量星體的微小角直徑。遙遠(yuǎn)星體上每一點(diǎn)發(fā)出的光到達(dá)地球處都可視為平行光，從星體相對(duì)的兩邊緣點(diǎn)發(fā)來(lái)的兩組平行光之間的夾角就是星體的角直徑。遙遠(yuǎn)星體的角直徑很小，為測(cè)量如些微小的角直徑，邁克爾遜設(shè)計(jì)了測(cè)量干涉儀，其裝置簡(jiǎn)化為圖2所示。M1、M2、M3、M4是四個(gè)平面反射鏡，它們兩兩平行，對(duì)稱放置，與入射光（a、 a′）方向成45°角。S1和S2是一對(duì)小孔，它們之間的距離是d。M1和M2可以同步對(duì)稱調(diào)節(jié)來(lái)改變其中心間的距離h。雙孔屏到觀察屏之間的距離是D。a、 a′和b、 b′分別是從星體上相對(duì)著的兩邊緣點(diǎn)發(fā)來(lái)的平行光束。設(shè)光線a、 a′垂直雙孔屏和像屏，星光的波長(zhǎng)是，試導(dǎo)出星體上角直徑的計(jì)算式。

注：將星體作圓形擴(kuò)展光源處理時(shí)，研究擴(kuò)展光源的線度對(duì)于干涉條紋圖像清晰度的影響會(huì)遇到數(shù)學(xué)困難，為簡(jiǎn)化討論，本題擬將擴(kuò)展光源作寬度為的矩形光源處理。

（25分）地球赤道表面附近處的重力加速度為，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，方向沿經(jīng)線向北。赤道上空的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與成反比（r為考察點(diǎn)到地心的距離），方向與赤道附近的磁場(chǎng)方向平行。假設(shè)在赤道上空離地心的距離（為地球半徑）處，存在厚度為10km的由等數(shù)量的質(zhì)子和電子的等離子層（層內(nèi)磁場(chǎng)可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)），每種粒子的數(shù)密度非常低，帶電粒子的相互作用可以忽略不計(jì)。已知電子的質(zhì)量，質(zhì)子的質(zhì)量，電子電荷量為，地球的半徑。

　　1.所考察的等離子層中的電子和質(zhì)子一方面作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，另一方面因受地球引力和磁場(chǎng)的共同作用會(huì)形成位于赤道平面內(nèi)的繞地心的環(huán)行電流，試求此環(huán)行電流的電流密度。

　　2.現(xiàn)設(shè)想等離子層中所有電子和質(zhì)子，它們初速度的方向都指向地心，電子初速度的大小，質(zhì)子初速度的大小。試通過(guò)計(jì)算說(shuō)明這些電子和質(zhì)子都不可能到到達(dá)地球表面。

（25分）圖中oxy是位于水平光滑桌面上的直角坐標(biāo)系，在的一側(cè)，存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于oxy平面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B。在的一側(cè)，一邊長(zhǎng)分別為和的剛性矩形超導(dǎo)線框位于桌面上，框內(nèi)無(wú)電流，框的一對(duì)邊與x軸平行。線框的質(zhì)量為m，自感為L(zhǎng)。現(xiàn)讓超導(dǎo)線框沿x軸方向以初速度進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域，試定量地討論線框以后可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)情況及與初速度大小的關(guān)系。（假定線框在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持超導(dǎo)狀態(tài)）

（20分）如圖所示，一容器左側(cè)裝有活門，右側(cè)裝有活塞B，一厚度可以忽略的隔板M將容器隔成a、b兩室，M上裝有活門。容器、隔板、活塞及活門都是絕熱的。隔板和活塞可用銷釘固定，拔掉銷釘即可在容器內(nèi)左右平移，移動(dòng)時(shí)不受摩擦作用且不漏氣。整個(gè)容器置于壓強(qiáng)為P₀、溫度為T₀的大氣中。初始時(shí)將活塞B用銷釘固定在圖示的位置，隔板M固定在容器PQ處，使a、b兩室體積都等于V₀；、關(guān)閉。此時(shí)，b室真空，a室裝有一定量的空氣（容器內(nèi)外氣體種類相同，且均可視為理想氣體），其壓強(qiáng)為4P₀/5，溫度為T₀。已知1mol空氣溫度升高1K時(shí)內(nèi)能的增量為C_V，普適氣體常量為R。

　　1.現(xiàn)在打開，待容器內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)迅速關(guān)閉（假定此過(guò)程中處在容器內(nèi)的氣體與處在容器外的氣體之間無(wú)熱量交換），求達(dá)到平衡時(shí)，a室中氣體的溫度。

　　2.接著打開，待a、b兩室中氣體達(dá)到平衡后，關(guān)閉。拔掉所有銷釘，緩慢推動(dòng)活塞B直至到過(guò)容器的PQ位置。求在推動(dòng)活塞過(guò)程中，隔板對(duì)a室氣體所作的功。已知在推動(dòng)活塞過(guò)程中，氣體的壓強(qiáng)P與體積V之間的關(guān)系為＝恒量。

（25分）圖中所示為用三角形剛性細(xì)桿AB、BC、CD連成的平面連桿結(jié)構(gòu)圖。AB　和CD桿可分別繞過(guò)A、D的垂直于紙面的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，A、D兩點(diǎn)位于同一水平線上。BC桿的兩端分別與AB桿和CD桿相連，可繞連接處轉(zhuǎn)動(dòng)（類似鉸鏈）。當(dāng)AB桿繞A軸以恒定的角速度轉(zhuǎn)到圖中所示的位置時(shí)，AB桿處于豎直位置。BC桿與CD桿都與水平方向成45°角，已知AB桿的長(zhǎng)度為，BC桿和CD桿的長(zhǎng)度由圖給定。求此時(shí)C點(diǎn)加速度的大小和方向（用與CD桿之間的夾角表示）。

（20分）示波器的核心部分為示波管，如圖甲所示, 真空室中電極K發(fā)出電子(初速不計(jì))，經(jīng)過(guò)電壓為U₁的加速電場(chǎng)后，由小孔S沿水平金屬板A、B間的中心線射入板中。板長(zhǎng)L ，相距為d ，在兩板間加上如圖21乙所示的正弦交變電壓，前半個(gè)周期內(nèi)B板的電勢(shì)高于A板的電勢(shì)，電場(chǎng)全部集中在兩板之間，且分布均勻。在每個(gè)電子通過(guò)極板的極短時(shí)間內(nèi)，電場(chǎng)可看作恒定的。在兩極板右側(cè)且與極板右端相距D處有一個(gè)與兩板中心線垂直的熒光屏，中心線正好與屏上坐標(biāo)原點(diǎn)相交。當(dāng)?shù)谝粋�(gè)電子到達(dá)坐標(biāo)原點(diǎn)O時(shí)，使屏以速度v沿－x方向運(yùn)動(dòng)，每經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)它又跳回到初始位置，然后重新做同樣的勻速運(yùn)動(dòng)。 (已知電子的質(zhì)量為m ，帶電量為e , 不計(jì)電子重力)。求：

（1）電子進(jìn)入A、B板時(shí)的初速度；要使所有的電子都能打在熒光屏上，圖乙中電壓的最大值U₀需滿足什么條件?

  （2）要使熒光屏上始終顯示一個(gè)完整的波形，熒光屏必須每隔多長(zhǎng)時(shí)間回到初始位置? 計(jì)算這個(gè)波形的峰值和長(zhǎng)度. 在如圖丙所示的x -y坐標(biāo)系中畫出這個(gè)波形。

（20分）某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種測(cè)定風(fēng)力的裝置，其原理如圖所示，迎風(fēng)板與一輕彈簧的一端Ｎ相連接，穿在光滑的金屬桿上。彈簧是絕緣材料制成的，其勁度系數(shù)k=1300N/m，自然長(zhǎng)度為Ｌ₀＝０.５m，均勻金屬桿用電阻率較大的合金制成，迎風(fēng)板面積Ｓ=0.5m²，工作時(shí)總是正對(duì)著風(fēng)吹來(lái)的方向。電路中左端導(dǎo)線與金屬桿Ｍ端相連，右端導(dǎo)線接在Ｎ點(diǎn)并可隨迎風(fēng)板在金屬桿上滑動(dòng)，且與金屬桿接觸良好。限流電阻的阻值Ｒ=1，電源的電動(dòng)勢(shì)Ｅ=12Ｖ，內(nèi)阻r=0.5。合上開關(guān)，沒(méi)有風(fēng)吹時(shí)，彈簧處于原長(zhǎng)，電壓表示數(shù)為Ｕ₁=3.0Ｖ；如果某時(shí)刻由于風(fēng)吹使迎風(fēng)板向左壓縮彈簧，電壓表的示數(shù)為Ｕ₂ =2.0V，求：

（1）金屬桿單位長(zhǎng)度的電阻；

（2）此時(shí)作用在迎風(fēng)板上的風(fēng)力。

（20分）“頭腦風(fēng)暴法”是上個(gè)世紀(jì)風(fēng)靡美國(guó)的一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的方法，某學(xué)校的一個(gè)“頭腦風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)研究小組”以“攻擊距地面500km的軌道上人造地球衛(wèi)星”或“清理此軌道上的太空垃圾”為題請(qǐng)同學(xué)們提出最簡(jiǎn)單、最適用、最省錢的方案，某同學(xué)提出用世界上彈性最好的納米材料制成一張大網(wǎng)，然后用多級(jí)火箭將其同衛(wèi)星正常運(yùn)動(dòng)方向相反發(fā)射到衛(wèi)星軌道上，可以把同一軌道上逆向運(yùn)行的衛(wèi)星和太空垃圾一網(wǎng)打進(jìn)，另一同學(xué)建議改用一大把彈丸（設(shè)彈丸的質(zhì)量為4.0g），g取10m/s。

（1）彈丸相對(duì)衛(wèi)星參考系的動(dòng)能是多少？

（2）若地面步槍質(zhì)量是4g子彈速率為950m/s，則子彈與彈丸的動(dòng)能之比是多少？用納米材料制成大網(wǎng)將同一軌道上衛(wèi)星和垃圾一網(wǎng)打盡的方案是否可行？

（16分）如圖所示，一帶電量為、質(zhì)量為的小球，從距地面高處以一定的初速度水平拋出，在距拋出點(diǎn)水平距離為處有根管口比小球略大的豎直細(xì)管，管的上口距地面的。為了使小球能無(wú)碰撞地通過(guò)管子，可在管子上方整個(gè)區(qū)域內(nèi)加一水平向左的勻強(qiáng)電場(chǎng)，求：

（1）小球的初速度的大��；

（2）應(yīng)加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大��；

（3）小球落地時(shí)的動(dòng)能。