全国高中物理竞赛复赛模拟题

全国高中物理竞赛模拟题一

1.光子火箭从地球起程时初始静止质量（包括燃料）为M 0，向相距为R=1.8×1061.y.（光年）的远方仙女座星飞行。要求火箭在25年（火箭时间）后到达目的地。引力影响不计。

1）、忽略火箭加速和减速所需时间，试问火箭的速度应为多大？2）、设到达目的地时火箭静止质量为M 0ˊ，试问M 0/ M 0ˊ的最小值是多少？

分析：光子火箭是一种设想的飞行器，它利用“燃料”物质向后辐射定向光束，使火箭获得向前的动量。求解第1问，可先将火箭时间a 250=τ（年）变换

成地球时间τ，然后由距离R 求出所需的火箭速度。火箭到达目的地时，比值0

M M '是不定的，所谓最小比值是指火箭刚好能到达目的地，亦即火箭的终速度为零，所需“燃料”量最少。利用上题（本章题11）的结果即可求解第2问。

解：1）火箭加速和减速所需时间可略，故火箭以恒定速度υ飞越全程，走完全程所需火箭时间（本征时间）为a 250=τ（年）。利用时间膨胀公式，相应的地球时间为

22

1c υττ-

=

因

υτR

=

故

22

1c R

υτυ

-

=

解出

()

10

22

022

2021096.0111-⨯-=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-≈+

=

c R c c R

c c ττυ

可见，火箭几乎应以光速飞行。

（2）、火箭从静止开始加速至上述速度υ，火箭的静止质量从M 0变为M ，然

后作匀速运动，火箭质量不变。最后火箭作减速运动，比值0

M M '最小时，到达目的地时的终速刚好为零，火箭质量从M 变为最终质量0

M '。加速阶段的质量变化可应用上题（本章题11）的（3）式求出。因光子火箭喷射的是光子，以光速c 离开火箭，即u=c ，于是有

2

1011⎪⎪⎭⎫

⎝⎛+-=ββM M （1）

c βυ=为加速阶段的终速度，也是减速阶段性的初速度。对减速阶段，可应

用上题（本章题11）的（4）式，式中的m 0以减速阶段的初质量M 代入。又因减速时必须向前辐射光子，故u=-c ，即有

2

1011⎪⎪⎭⎫

⎝⎛+-=ββM M （2）

由（1）、（2）式，得

102022

2022010441411⨯=≈-=-+='ττββc R c R M M

2.如图52-1所示，地面上的观察者认为在地面上同时发生的两个事件A 和B ，在相对地面以速度u （u

平

行于x 轴，且与正方向同向）运动的火箭上的观察者的

判断正确的是（ ）

A 、A 早于

B B 、B 早于A

C 、A 、B 同时发生

D 、无法判断

解：在地面（S 系）上，,A B x x x -=∆0=-=∆A B t t t ，在火箭（S '系）中，

⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝

⎛

-='-'='∆22c ux t r c ux t r t t t A A B B A B ()()B A A

A B x x c ux t t r -+

-=2

()B A A

x x c ux -=

2

因0>r ，0>u ，0<-B A x x ，故0<'∆t 。即从火箭上观察，B 事件在前，A 事

件在后，选B 。

3. 如图11-195所示，正方形均质板重G ，用4根轻质杆铰链水平悬挂，外形构成边长为a 的立方体，现将方板绕铅垂对称轴旋转θ角度，再用一细绳围绕四杆的中点捆住，使板平衡于θ角位置。试求绳内的张力。

分析：初看此题，一般都会觉的比较复杂，因为题中铰链就

有8个，加上4根轻质杆与绳子有4个接触点，一共有12个受力点，而且初看甚至想象不出木板旋转θ角度以后整个系统是什么样子，即使把

各个受力点的力逐个画出来也无济于事。应该先想一想哪些点都是对称的（等价

图

52-1

图11-195

的），找出最基本的部分，再把空间方向确定下来，然后好画出各个力点的受力情况。

解：把木板绕铅垂对称轴旋转θ角度以后，系统虽然不是一个很对称的立方体，但把系统绕铅直轴旋转90度的整数倍，系统的与自身重合，说明四根轻杆的受力情况是完全一样的。系统处于平衡状态，把四根轻杆，木板，绳组成的部分看成刚体，则刚体受四个铰接部分的力而平衡，重力方向的平衡可以得出，竖直方向对每根轻杆的拉力T 上为：

G T =上4 （1）

而铰接处是否对轻杆有水平方向的作用力，暂时还不好确定，不过可以为N //，从俯图来看四根轻杆的受力情况（如图11-196

所示）：

图中虚线表示正方形对角线的外延部分，如果N //不在对角线

方向上，则四个N //对O 点有一个力偶矩，将使得下面的部分旋转，与平衡假设相矛盾，因此水平弹力必然在对角线方向，要么都向外，要么都向里（设向外为正，这种设法不会影响结果）。

同样的道理，把木板隔离开来，可知木板对轻杆往下的拉力下T 为：

G T =下4 （2）

而水平方向的作用力必沿对角线方向（否则木板旋转），木板对杆的作用力向里向外的性质与上端铰链的方向相同，否则以绳对杆的作用点为支点，力矩无法平衡。

图11-196

y

//

下面再看整个系统的俯视图（如图11-197所示），把轻杆隔离出来作为平衡的刚性杆，利用力的平衡条件和力矩的平衡条件可求出拉力T 的大小。

绳作用在每根转杆的中点，在俯视图上不难看出，绳子构成一个正方形，且在水平面内，因而可以知道绳对轻杆仅有水平面内，因而可以知道绳对轻杆仅有水平面内的拉力，轻杆在竖直方向上力的平衡是满足的：

下上T T = （3）

取一根轻杆为研究对象不难求出//N 与//

N '的关系，以及//N 与//T 的关系，设绳的张力为T ，则水平合力T T 2//=。

x 方向水平力平衡：

2sin

2

sin ////

θ

θ

N N =' （4）

y 方向水平力平衡：

T T N N 22c o s 2c o s //////

==+'θ

θ （5）

在过轻杆的竖直面内来分析力矩平衡（只研究平面内转矩），如图11-198。

对于A 点，力矩平衡

2sin

2cos 2

sin //

θ

θθ

a T a N ⋅=⋅'下 （6）

联合（2）、（4）、（5）、（6）式可得

θθ

cos 22

cos ⋅=

G T

2

θ图11-198