名校
1 . 定值电阻、电容器、电感线圈是三种常见的电路元件,关于这几个元件有如下结论:
①一个定值电阻R满足
关系;
②一个电容器的电容为C,两极板间电压为U时,储存的能量为
;
③一个电感线圈的自感系数为L,自感电动势
,式中
为电流变化率;通过的电流为I时,储存的能量为
。
如图所示,足够长的光滑金属框架竖直放置,顶端留有接口a、b,两竖直导轨间距为d。一质量为m、长度为d的金属棒始终与竖直导轨接触良好,磁感应强度为B的匀强磁场与框架平面垂直,重力加速度为g。不计空气阻力,不计框架和金属棒的电阻及电磁辐射的能量损失。
(1)若在a、b间接入一个阻值为R的定值电阻,现从静止释放金属棒,求金属棒的最终速度大小v1;
(2)若在a、b间接入一个电容为C的电容器,现从静止释放金属棒,求当电容器两极板间电压为
时,金属棒下落的高度h;
(3)若在a、b间接入一个电阻不计、自感系数为L的电感线圈,现从静止释放金属棒,求金属棒下落过程中的最大速度v2。
①一个定值电阻R满足
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9c83f61a0d94fac4f83902a3ca0fc862.png)
②一个电容器的电容为C,两极板间电压为U时,储存的能量为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/d786518f9b754d229ec833d0cc7f334b.png)
③一个电感线圈的自感系数为L,自感电动势
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/d959abd9745787a3532d2f4aab5e367a.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/839c44d7a3941d71fc27860130c3f681.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/186690a947077906863e590126b05402.png)
如图所示,足够长的光滑金属框架竖直放置,顶端留有接口a、b,两竖直导轨间距为d。一质量为m、长度为d的金属棒始终与竖直导轨接触良好,磁感应强度为B的匀强磁场与框架平面垂直,重力加速度为g。不计空气阻力,不计框架和金属棒的电阻及电磁辐射的能量损失。
(1)若在a、b间接入一个阻值为R的定值电阻,现从静止释放金属棒,求金属棒的最终速度大小v1;
(2)若在a、b间接入一个电容为C的电容器,现从静止释放金属棒,求当电容器两极板间电压为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/dbe5cb81b72e94f92d2aaecd553daac2.png)
(3)若在a、b间接入一个电阻不计、自感系数为L的电感线圈,现从静止释放金属棒,求金属棒下落过程中的最大速度v2。
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名校
2 . 在半导体芯片加工中常用等离子体对材料进行蚀刻,用于形成半导体芯片上的细微结构。利用电磁场使质量为m、电荷量为e的电子发生回旋共振是获取高浓度等离子体的一种有效方式。其简化原理如下:如图1所示,匀强磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小为B;旋转电场的方向绕过O点的垂直纸面的轴顺时针旋转,电场强度的大小为E;旋转电场带动电子加速运动,使其获得较高的能量,利用高能的电子使空间中的中性气体电离,生成等离子体。
(提示:不涉及求解半径的问题,圆周运动向心加速度的大小可表示为
)
(1)若空间只存在匀强磁场,电子只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,求电子做圆周运动的角速度
。
(2)将电子回旋共振简化为二维运动进行研究。施加旋转电场后,电子在图2所示的平面内运动,电子运动的过程中会受到气体的阻力
,其方向与速度
的方向相反,大小
,式中k为已知常量。最终电子会以与旋转电场相同的角速度做匀速圆周运动,且电子的线速度与旋转电场力的夹角(小于90°)保持不变。只考虑电子受到的匀强磁场的洛伦兹力、旋转电场的电场力及气体的阻力作用,不考虑电磁波引起的能量变化。
a.若电场旋转的角速度为
,求电子最终做匀速圆周运动的线速度大小v;
b.电场旋转的角速度不同,电子最终做匀速圆周运动的线速度大小也不同。求电场旋转的角速度
多大时,电子最终做匀速圆周运动的线速度最大,并求最大线速度的大小
。
c.旋转电场对电子做功的功率存在最大值,为使电场力的功率不小于最大功率的一半,电场旋转的角速度应控制在
范围内,求
的数值。
(提示:不涉及求解半径的问题,圆周运动向心加速度的大小可表示为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/1bd1b17849a4561f5308d64cae37677a.png)
(1)若空间只存在匀强磁场,电子只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,求电子做圆周运动的角速度
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/00caa3b28e26231108f7c81bca82bc2b.png)
(2)将电子回旋共振简化为二维运动进行研究。施加旋转电场后,电子在图2所示的平面内运动,电子运动的过程中会受到气体的阻力
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/ca4ff0af96ea467337cb30c4c765b5f7.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/bc13a607ac0c7f76d252d7cb1bb040fd.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/09bd17cd99e34d84f1cf77b79f3b7192.png)
a.若电场旋转的角速度为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/074c228ffc7b1e306f8410afe7bc4b5c.png)
b.电场旋转的角速度不同,电子最终做匀速圆周运动的线速度大小也不同。求电场旋转的角速度
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/074c228ffc7b1e306f8410afe7bc4b5c.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/c2a957b19d429c58765e0716a7448591.png)
c.旋转电场对电子做功的功率存在最大值,为使电场力的功率不小于最大功率的一半,电场旋转的角速度应控制在
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![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/ff79fe359641af843de90aff28246943.png)
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2024-06-09更新
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615次组卷
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3卷引用:2024届北京市西城区高三下学期第二次模拟测试物理试卷
3 . 电源是通过非静电力做功把其它形式的能转化为电势能的装置,在不同的电源中,非静电力做功的本领也不相同,物理学中用电动势来表明电源的这种特性。如图1所示,固定于水平面的U形金属框架处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B,金属框两平行导轨间距为L,金属棒ab在外力的作用下,沿框架以速度v向右做匀速直线运动,运动过程中金属棒始终垂直于两平行导轨并接触良好。已知金属棒ab电阻为R,框架电阻不计。
(1)请根据电动势的定义,推导金属棒ab切割磁感应线产生的感应电动势E;
(2)证明:当金属棒与框架所围矩形的磁通量增大ΔΦ的过程中,通过金属棒ab的电量为
;
(3)某同学在南半球用电荷量计(能测出一段时间内通过导体横截面的电荷量)测量地磁场强度,完成了如下实验:如图2,将面积为S、电阻为R的单匝矩形导线框abcd沿图示方位放置于水平地面上,将其从图示位置绕东西轴cd转180°,测得通过线框的电荷量为
;将其从图示位置绕东西轴cd转90°,测得通过线框的电荷量为
。求该处地磁场的磁感应强度大小为多少?
(1)请根据电动势的定义,推导金属棒ab切割磁感应线产生的感应电动势E;
(2)证明:当金属棒与框架所围矩形的磁通量增大ΔΦ的过程中,通过金属棒ab的电量为
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(3)某同学在南半球用电荷量计(能测出一段时间内通过导体横截面的电荷量)测量地磁场强度,完成了如下实验:如图2,将面积为S、电阻为R的单匝矩形导线框abcd沿图示方位放置于水平地面上,将其从图示位置绕东西轴cd转180°,测得通过线框的电荷量为
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4 . 类比是研究问题的常用方法。
(1)情境1:如图1所示,弹簧振子的平衡位置为O点,在B、C两点之间做简谐运动,小球相对平衡位置的位移x随时间t的变化规律可用方程
描述,其中
为小球相对平衡位置O时的最大位移,m为小球的质量,k为弹簧的劲度系数。请在图2中画出弹簧的弹力F随位移x变化的示意图,并求出小球从C点到O点的时间。
a.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,在图3中画出质量为m的小球所受万有引力F与小球到球心之间的距离r的图像,并标出
时的纵坐标;
(1)情境1:如图1所示,弹簧振子的平衡位置为O点,在B、C两点之间做简谐运动,小球相对平衡位置的位移x随时间t的变化规律可用方程
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a.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,在图3中画出质量为m的小球所受万有引力F与小球到球心之间的距离r的图像,并标出
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5 . 质谱仪是最早用来测定微观粒子比荷
的精密仪器,某一改进后带有速度选择器的质谱仪能更快测定粒子的比荷,其原理如图所示,A为粒子加速器,加速电压为
,B为速度选择器,其中磁场与电场正交,磁场磁感应强度为
,两板距离为d,C为粒子偏转分离器,磁感应强度为
,今有一比荷未知的正粒子P,不计重力,从小孔
“飘入”(初速度为零),经加速后,该粒子从小孔
以速度v进入速度选择器B并恰好通过,粒子从小孔
进入分离器C后做匀速圆周运动,打在照相底片D点上。求:
(1)粒子P的比荷为多大;
(2)速度选择器的电压
应为多大;
(3)另一同位素正粒子Q同样从小孔
“飘入”,保持
和d不变,调节
的大小,使粒子Q能通过速度选择器进入分离器C,最后打到照相底片上的F点(在D点右侧),测出F点与D点距离为x,若粒子带电量均为q,计算P、Q粒子的质量差绝对值
。
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9da659de03afffb155aaa89e6d1f7e70.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9fd5f9ecb870fedb5b9a608d9ca2f911.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/97c01fdc7bc471af0b264a04aef0823e.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/43a71fc9c0068109dad1382354570665.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/e097c8d4c948de063796bd19f85b3a9a.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/1e0bd63f55069a3bc870915010b39225.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/6899bf9cadae2ccdb14cbc87d4f280ee.png)
(1)粒子P的比荷为多大;
(2)速度选择器的电压
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/f833a7beb83820ecede0234c671f1878.png)
(3)另一同位素正粒子Q同样从小孔
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/e097c8d4c948de063796bd19f85b3a9a.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/f833a7beb83820ecede0234c671f1878.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9fd5f9ecb870fedb5b9a608d9ca2f911.png)
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6 . 如图所示,半径
的竖直半圆形光滑轨道BC与水平面AB相切,AB间的距离
。小滑块2放在半圆形轨道的最低点B处,另一小滑块1,从A点以
的初速度在水平面上滑行,到达B处两滑块相碰,碰撞时间极短,碰后两滑块粘在一起滑上半圆形轨道。已知滑块1与水平面之间的动摩擦因数
,重力加速度道g取
,两滑块质量
均为1kg,可视为质点。求:
(1)滑块1与滑块2碰撞前瞬间的速度大小
;
(2)两滑块在碰撞过程中损失的机械能
;
(3)分析说明滑块1、2结合后能否顺利到达半圆轨道最高点C。
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/7b264a8e697336e02a666ed7741cd0f8.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/1a69fb3d1ef783fbac942aedd8730436.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/5e0fc7de67e3362a477b03c52e9b8fe2.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/a60bf6a06c34f3a2fb853b495a59f9a0.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/b1eebd522c4de12f8255e649d3145d51.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/0f9c2db50abf23f05c180ff5f77b8a99.png)
(1)滑块1与滑块2碰撞前瞬间的速度大小
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/f44c235d8b49207ad3f2d77dc5d6cf20.png)
(2)两滑块在碰撞过程中损失的机械能
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/c6c6eb14380e627b6d3194192d234d4c.png)
(3)分析说明滑块1、2结合后能否顺利到达半圆轨道最高点C。
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7 . 如图1所示为太空粒子固定探测装置,整个装置由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分组成,Ⅰ部分为金属圆筒ABCD,半径为
;Ⅱ部分为金属网筒
,半径为
;Ⅲ部分为两水平放置的线圈1和线圈2,线圈1和线圈2只在金属网筒
内部产生竖直向下的匀强磁场(磁感应强度大小
)。在AD和
边上分别有处于同一水平面上的两小孔E、F,两小孔E、F与圆面Ⅰ的圆心O在同一水平直线上,两小孔E、F允许质量为m、电荷量
的带电粒子X自由通过,现金属圆筒ABCD(电势为
)和金属网筒
(电势为
,
)之间加上如图2(俯视图)所示的辐向电场。不考虑带电粒子的重力及在运动过程中的相互作用。
(1)如图1所示,现在让带电粒子X从小孔E处静止释放,经辐向电场加速后进入磁场
,求带电粒子X在磁场
中的位移大小。
(2)如图2所示,若单位时间内有n个带电粒子X连续从小孔E处静止释放,带电粒子先后经过金属网筒
上小孔F和G、金属圆筒ABCD上的小孔H,
a.求带电粒子在磁场中单位长度的粒子个数N;
b.求粒子束对产生磁场装置的平均作用力大小。
(a和b两问结果均用q、n、
、
和m表示)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9efc18a5bb2e53586331b2a58538a48b.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/632f2bf1cd0435041fa04b01901d1c8c.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/19f20f21a9d50b61dac519a3ddab539d.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/632f2bf1cd0435041fa04b01901d1c8c.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/65151cc1d7871d0e2ecb67402e1c0f2a.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/394c5d2f55221975503be8aa18022480.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/7f65de60160476174d8784e16d5a73df.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/fe4f007b1ceaccfff1d659f6f8592c4e.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/632f2bf1cd0435041fa04b01901d1c8c.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/5b8d70c89336011fb7ba4006a16f0f55.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/08a0b55cab540a94b186b65f62c6a86a.png)
(1)如图1所示,现在让带电粒子X从小孔E处静止释放,经辐向电场加速后进入磁场
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/c41d793c851a2f72f787913ba23e459c.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/c41d793c851a2f72f787913ba23e459c.png)
(2)如图2所示,若单位时间内有n个带电粒子X连续从小孔E处静止释放,带电粒子先后经过金属网筒
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/632f2bf1cd0435041fa04b01901d1c8c.png)
a.求带电粒子在磁场中单位长度的粒子个数N;
b.求粒子束对产生磁场装置的平均作用力大小。
(a和b两问结果均用q、n、
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8 . 水平放置的平行金属导轨,相距L,左端接一电阻R,磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于导轨平面,质量为m的导体棒ab垂直导轨放在导轨上,并能无摩擦地沿导轨滑动,导体棒的电阻为r,导轨的电阻忽略不计。当ab棒在水平外力F作用下以速度
水平向右匀速滑动时:
(1)回路中的电流的大小和方向;
(2)若撤去水平外力F,电阻R还能发多少热;
(3)若撤去水平外力F,杆滑行过程中,推导速度v与位移x的函数关系。
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/6f58888df91890a19a1aa7511d19703f.png)
(1)回路中的电流的大小和方向;
(2)若撤去水平外力F,电阻R还能发多少热;
(3)若撤去水平外力F,杆滑行过程中,推导速度v与位移x的函数关系。
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9 . 新型电动汽车在刹车时,可以用发电机来回收能量。假设此发电机的原理可抽象建模如图所示。两磁极间的磁场可视为匀强磁场,磁感应强度大小为B,绕有n匝导线的线圈为长方形,其面积为S,整个线圈都处于磁场中。线圈转轴为两条短边的中点连线,线圈外接有阻值为R的纯电阻负载,忽略线圈的电阻,电动汽车的质量为M。
(1)初始时刻线圈平面和磁场垂直,若线圈角速度恒为ω,写出电路开路时线圈两端的电压u随时间t变化的关系式;
(2)第一种刹车模式建模如下:电动汽车受到地面施加的阻力恒为
,发电机线圈转动导致汽车受到的阻力与汽车的速度v成正比,即:
(k为已知常量),假设汽车开始刹车时的速度为
,经过时间t,汽车的速度减为零,求该过程中汽车回收动能的效率η;
(3)第二种刹车模式建模如下:假设电动汽车刹车时受到的地面摩擦等阻力与发电机线圈转动导致汽车受到的阻力相比可以忽略,即刹车时汽车受到的阻力完全是由线圈转动导致的,从而汽车减少的动能全部用来发电,回收的电能可等效为电阻R消耗的电能。某时刻线圈平面和磁场平行,此时线圈转动角速度为
,电动汽车在水平面上刹车至速度
,求此时汽车加速度a的大小。
(1)初始时刻线圈平面和磁场垂直,若线圈角速度恒为ω,写出电路开路时线圈两端的电压u随时间t变化的关系式;
(2)第一种刹车模式建模如下:电动汽车受到地面施加的阻力恒为
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![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/6f58888df91890a19a1aa7511d19703f.png)
(3)第二种刹车模式建模如下:假设电动汽车刹车时受到的地面摩擦等阻力与发电机线圈转动导致汽车受到的阻力相比可以忽略,即刹车时汽车受到的阻力完全是由线圈转动导致的,从而汽车减少的动能全部用来发电,回收的电能可等效为电阻R消耗的电能。某时刻线圈平面和磁场平行,此时线圈转动角速度为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/b55b59c92a868cc6f448e5d92d257401.png)
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10 . 图甲是某科技馆的一件名为“最速降线”的展品,在高度差一定的不同光滑轨道中,小球滚下用时最短的轨道叫做最速降线轨道。取其中的“最速降线”轨道Ⅰ和直线轨道Ⅱ进行研究,如图乙所示,两轨道的起点M高度相同,终点N高度也相同,轨道Ⅰ的末端与水平面相切于N点,轨道Ⅱ末端与水平面平滑连接。若将两个完全相同的小球a和b分别放在Ⅰ、Ⅱ两轨道的起点M,同时由静止释放,发现在Ⅰ轨道上的小球a先到达终点。已知M距离地面的高度为H,两个小球的质量都为m,重力加速度为g,不考虑小球的滚动影响;
(1)忽略各种阻力,求小球沿Ⅰ轨道运动到最N点的速度大小;
(2)若考虑轨道摩擦力的影响,设小球和轨道间的滑动摩擦因数为
,
a.求小球沿Ⅱ轨道下落到N点的过程中,克服摩擦力做的功;
b.试比较两小球从M运动N过程中克服摩擦力做功的大小;
c.请设计出可行的实验方案来验证你上一问的结论,简要说明实验方案的思路以及对应的实验结果。
(1)忽略各种阻力,求小球沿Ⅰ轨道运动到最N点的速度大小;
(2)若考虑轨道摩擦力的影响,设小球和轨道间的滑动摩擦因数为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/1100379a4385b9ce064847bc21760adc.png)
a.求小球沿Ⅱ轨道下落到N点的过程中,克服摩擦力做的功;
b.试比较两小球从M运动N过程中克服摩擦力做功的大小;
c.请设计出可行的实验方案来验证你上一问的结论,简要说明实验方案的思路以及对应的实验结果。
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