第4章 电磁感应测评（Word版含解析）
文档属性
| 名称 | 第4章 电磁感应测评（Word版含解析） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 458.8KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-11-21 15:25:59 | ||
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文档简介
第四章测评
(时间:60分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。其中第1~6题为单选题;第7~10题为多选题,全部选对得5分,选不全得3分,有选错或不答的得0分)
1.如图所示,两个单匝线圈a、b的半径分别为r和2r。圆形匀强磁场B的边缘恰好与a线圈重合,则穿过a、b两线圈的磁通量之比为( )
A.1∶1 B.1∶2 C.1∶4 D.4∶1
2.如图所示的实验示意图中,用于探究“磁生电”的是( )
3.物理课上,老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图所示,她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后,将一金属套环置于线圈L上,且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间,套环立刻跳起。某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路,经重复试验,线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验,下列四个选项中,导致套环未动的原因可能是( )
A.线圈接在了直流电源上
B.电源电压过高
C.所选线圈的匝数过多
D.所用套环的材料与老师的不同
4.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )
5.图甲和图乙是教材中演示自感现象的两个电路图,L1和L2为电感线圈。实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是( )
A.图甲中,A1与L1的电阻值相同
B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流大于L1中电流
C.图乙中,变阻器R与L2的电阻值相同
D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等
6.矩形导线框abcd固定在匀强磁场中,磁感线的方向与导线框所在平面垂直。规定磁场的正方向垂直纸面向里,磁感应强度B随时间变化的规律如图所示。若规定顺时针方向为感应电流的正方向,则图中正确的是( )
7.一个圆形闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场中,线圈平面与磁场方向垂直,如图a甲所示。设垂直于纸面向里的磁感应强度方向为正,垂直于纸面向外的磁感应强度方向为负。线圈中顺时针方向的感应电流为正,逆时针方向的感应电流为负。已知圆形线圈中感应电流i随时间变化的图象如图a乙所示,则线圈所在处的磁场的磁感应强度随时间变化的图象可能是图b中的( )
图a
图b
8.
如图所示,竖直平行金属导轨MN、PQ上端接有电阻R,金属杆ab质量为m,跨在平行导轨上,垂直导轨平面的水平匀强磁场的磁感应强度为B,不计ab与导轨电阻及一切摩擦,且ab与导轨接触良好。若ab杆在竖直向上的外力F作用下匀速上升,则以下说法正确的是( )
A.拉力F所做的功等于电阻R上产生的热量
B.杆ab克服安培力做的功等于电阻R上产生的热量
C.电流所做的功等于重力势能的增加量
D.拉力F与重力做功的代数和等于电阻R上产生的热量
9.如图所示,线圈C连接光滑平行导轨,导轨处在方向垂直纸面向里的匀强磁场中,导轨电阻不计,导轨上放着导体棒MN。为了使闭合线圈A产生图示方向的感应电流,可使导体棒MN( )
A.向右加速运动 B.向右减速运动
C.向左加速运动 D.向左减速运动
10.
如图所示,矩形线框abcd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直,线框ab长为2L,bc长为L,MN为垂直于ab并可在ab和cd上自由滑动的金属杆,且杆与ab和cd接触良好,abcd和MN上单位长度的电阻皆为r。让MN从ad处开始以速度v向右匀速滑动,设MN与ad之间的距离为x(0≤x≤2L),则在整个过程中( )
A.当x=0时,MN中电流最小
B.当x=L时,MN中电流最小
C.MN中电流的最小值为
D.MN中电流的最大值为
二、实验题(本题共2小题,共16分。把答案填在题中的横线上)
11.(6分)在研究电磁感应的实验中
(1)一位学生将电流表、电池、电阻和开关连接成如图(1)所示电路,接通开关,看到电流表指针偏向正接线柱一侧。这样做的目的是 。
(2)这位学生又把电流表及原、副线圈A和B、电池、开关连接成如图(2)所示电路。
①当接通开关时,或接通开关后将线圈A插入线圈B的过程中,看到电流表的指针都偏向正接线柱一侧。比较IA和IB的方向,可得出的实验结论是 。
②当断开开关时,或将线圈A从线圈B中拔出的过程中,发现电流表的指针都偏向负接线柱一侧。比较IA和IB'的方向,可得出的实验结论是 。
12.(10分)如图是研究自感现象的电路图,两个电流表G1和G2的零点都在刻度中央,当电流从“+”接线柱流入时,指针向右偏,反之向左偏,在开关K接通的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动;K断开的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动(以上均选填“左”或“右”),两个电表的示数 (选填“相等”或“不相等”)。
三、解答题(本题共3小题,共34分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.(10分)如图所示,Ⅰ、Ⅱ区域是宽度均为L=0.5 m的匀强磁场,磁感应强度大小B=1 T,方向相反。一边长L=0.5 m、质量m=0.1 kg、电阻R=0.5 Ω的正方形金属线框,在外力作用下,以初速度v=10 m/s匀速穿过磁场区域。
(1)取逆时针方向为正,作出i-t图象。
(2)求线框穿过磁场区域的过程中外力做的功。
14.
(12分)如图所示,光滑导轨竖直放置,匀强磁场的磁感应强度为B=0.5 T,磁场方向垂直于导轨平面向外,导体棒ab的长度与导轨宽度均为l=0.2 m,电阻R=1.0 Ω。导轨电阻不计,当导体棒紧贴导轨匀速下滑时,均标有“6 V 3 W”字样的两小灯泡恰好正常发光,求:
(1)通过ab的电流的大小和方向;
(2)ab运动速度的大小;
(3)电路的总功率。
15.(12分)如图,水平面(纸面)内间距为l的平行金属导轨间接一电阻,质量为m、长度为l的金属杆置于导轨上。t=0时,金属杆在水平向右、大小为F的恒定拉力作用下由静止开始运动。t0时刻,金属杆进入磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场区域,且在磁场中恰好能保持匀速运动。杆与导轨的电阻均忽略不计,两者始终保持垂直且接触良好,两者之间的动摩擦因数为μ。重力加速度大小为g。求:
(1)金属杆在磁场中运动时产生的电动势的大小。
(2)电阻的阻值。
参考答案：
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。其中第1~6题为单选题;第7~10题为多选题,全部选对得5分,选不全得3分,有选错或不答的得0分)
1.如图所示,两个单匝线圈a、b的半径分别为r和2r。圆形匀强磁场B的边缘恰好与a线圈重合,则穿过a、b两线圈的磁通量之比为( )
A.1∶1 B.1∶2 C.1∶4 D.4∶1
解析两个线圈的半径虽然不同,但是线圈内的匀强磁场的半径一样,则穿过两线圈的磁通量相同,故选项A正确。
答案A
2.如图所示的实验示意图中,用于探究“磁生电”的是( )
解析法拉第最后才领悟到,磁生电是一种在变化、运动过程中才能产生的效应。最后他将引起电流的原因归为五类:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。
答案A
3.物理课上,老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图所示,她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后,将一金属套环置于线圈L上,且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间,套环立刻跳起。某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路,经重复试验,线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验,下列四个选项中,导致套环未动的原因可能是( )
A.线圈接在了直流电源上
B.电源电压过高
C.所选线圈的匝数过多
D.所用套环的材料与老师的不同
解析当闭合S瞬间,线圈L内产生的磁场B及磁通量的变化率随电压及线圈匝数增加而增大,如果套环是金属材料又闭合,由楞次定律可知,环内会产生感应电流I及磁场B',环会受到向上的安培力F,当F>mg时,环跳起,越大,环电阻越小,F越大。如果环越轻,跳起效果越好,所以选项B、C错误;如果套环换用电阻大、密度大的材料,I减小、F减小,mg增大,套环可能无法跳起,选项D正确;如果使用交变电流,S闭合后,套环受到的安培力大小及方向(上下)周期性变化,S闭合瞬间,F大小、方向都不确定,直流电效果会更好,选项A错误。
答案D
4.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )
解析感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在A图中系统上下及左右振动时在磁场中的部分有时多有时少,磁通量发生变化,产生感应电流,受到安培力,阻碍系统的振动,故A正确;而B、C、D三个图均有磁通量不变的情况,故错误。
答案A
5.图甲和图乙是教材中演示自感现象的两个电路图,L1和L2为电感线圈。实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是( )
A.图甲中,A1与L1的电阻值相同
B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流大于L1中电流
C.图乙中,变阻器R与L2的电阻值相同
D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等
解析断开开关S1瞬间,线圈L1产生自感电动势,阻碍电流的减小,通过L1的电流反向通过A1,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗,说明IL1>IA1,即RL1答案C
6.矩形导线框abcd固定在匀强磁场中,磁感线的方向与导线框所在平面垂直。规定磁场的正方向垂直纸面向里,磁感应强度B随时间变化的规律如图所示。若规定顺时针方向为感应电流的正方向,则图中正确的是( )
解析0~1s,感应电流的方向由楞次定律可知为逆时针,即沿负方向,根据电磁感应定律E=S,由于B-t图象斜率大小一定,又因S不变,所以E大小为定值,则电流大小一定。
同理1~3s,感应电流方向为顺时针,沿正方向,电流大小为定值,与0~1s相等;3~4s感应电流方向为逆时针,沿负方向,电流大小为定值,与0~1s相等。
答案D
7.一个圆形闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场中,线圈平面与磁场方向垂直,如图a甲所示。设垂直于纸面向里的磁感应强度方向为正,垂直于纸面向外的磁感应强度方向为负。线圈中顺时针方向的感应电流为正,逆时针方向的感应电流为负。已知圆形线圈中感应电流i随时间变化的图象如图a乙所示,则线圈所在处的磁场的磁感应强度随时间变化的图象可能是图b中的( )
图a
图b
解析根据题图甲和题图乙,我们只研究最初的一个周期,即2s内的情况,由图甲、乙所表示的圆线圈中感应电流的方向、大小,运用楞次定律,判断出感应电流的磁场方向、大小;再根据楞次定律,判断引起电磁感应现象发生的磁场应该如何变化。从而找出正确选项为C、D。
答案CD
8.
如图所示,竖直平行金属导轨MN、PQ上端接有电阻R,金属杆ab质量为m,跨在平行导轨上,垂直导轨平面的水平匀强磁场的磁感应强度为B,不计ab与导轨电阻及一切摩擦,且ab与导轨接触良好。若ab杆在竖直向上的外力F作用下匀速上升,则以下说法正确的是( )
A.拉力F所做的功等于电阻R上产生的热量
B.杆ab克服安培力做的功等于电阻R上产生的热量
C.电流所做的功等于重力势能的增加量
D.拉力F与重力做功的代数和等于电阻R上产生的热量
解析当外力F拉着金属杆匀速上升时,拉力要克服重力和安培力做功,拉力做的功等于克服安培力和重力做功之和,即等于电阻R上产生的热量和金属杆增加的重力势能之和,选项A错误,D正确。克服安培力做多少功,电阻R上就产生多少热量,选项B正确。电流做的功不等于重力势能的增加量,选项C错误。
答案BD
9.如图所示,线圈C连接光滑平行导轨,导轨处在方向垂直纸面向里的匀强磁场中,导轨电阻不计,导轨上放着导体棒MN。为了使闭合线圈A产生图示方向的感应电流,可使导体棒MN( )
A.向右加速运动 B.向右减速运动
C.向左加速运动 D.向左减速运动
解析当C中电流产生的磁场与A中电流产生磁场方向相同时,由右手定则判断MN应向左运动,磁场减弱则电流减小,故MN应减速,故可判断MN向左减速,同理可判断向右加速也可,故选A、D。
答案AD
10.
如图所示,矩形线框abcd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直,线框ab长为2L,bc长为L,MN为垂直于ab并可在ab和cd上自由滑动的金属杆,且杆与ab和cd接触良好,abcd和MN上单位长度的电阻皆为r。让MN从ad处开始以速度v向右匀速滑动,设MN与ad之间的距离为x(0≤x≤2L),则在整个过程中( )
A.当x=0时,MN中电流最小
B.当x=L时,MN中电流最小
C.MN中电流的最小值为
D.MN中电流的最大值为
解析MN产生感应电动势为E=BLv,MN中电流I=,当x=0时,MN中电流最大,MN中电流的最大值为Imax=,当x=L时,MN中电流最小,MN中电流的最小值为Imin=,故BCD正确,A错误。
答案BCD
二、实验题(本题共2小题,共16分。把答案填在题中的横线上)
11.(6分)在研究电磁感应的实验中
(1)一位学生将电流表、电池、电阻和开关连接成如图(1)所示电路,接通开关,看到电流表指针偏向正接线柱一侧。这样做的目的是 。
(2)这位学生又把电流表及原、副线圈A和B、电池、开关连接成如图(2)所示电路。
①当接通开关时,或接通开关后将线圈A插入线圈B的过程中,看到电流表的指针都偏向正接线柱一侧。比较IA和IB的方向,可得出的实验结论是 。
②当断开开关时,或将线圈A从线圈B中拔出的过程中,发现电流表的指针都偏向负接线柱一侧。比较IA和IB'的方向,可得出的实验结论是 。
答案(1)查明电流表指针偏转方向与电流方向的关系
(2)①当线圈B中磁场增强时,线圈B中产生的感应电流磁场方向就与原磁场方向相反
②当线圈B中磁场减弱时,线圈B中产生的感应电流的磁场方向就与原磁场方向相同
12.(10分)如图是研究自感现象的电路图,两个电流表G1和G2的零点都在刻度中央,当电流从“+”接线柱流入时,指针向右偏,反之向左偏,在开关K接通的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动;K断开的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动(以上均选填“左”或“右”),两个电表的示数 (选填“相等”或“不相等”)。
解析在开关K接通的瞬间,线圈阻碍电流增大,使电流慢慢增大到最大;在K断开的瞬间,线圈阻碍电流减小,使电流在线圈L、电流表G1、G2、电阻R构成的回路中慢慢减小到零。
答案右 右 右 左 相等
三、解答题(本题共3小题,共34分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.(10分)如图所示,Ⅰ、Ⅱ区域是宽度均为L=0.5 m的匀强磁场,磁感应强度大小B=1 T,方向相反。一边长L=0.5 m、质量m=0.1 kg、电阻R=0.5 Ω的正方形金属线框,在外力作用下,以初速度v=10 m/s匀速穿过磁场区域。
(1)取逆时针方向为正,作出i-t图象。
(2)求线框穿过磁场区域的过程中外力做的功。
解析(1)电流I1==10A逆时针方向取正值;时间间隔Δt1=0.05s
I2==20A顺时针方向取负值;
时间间隔Δt2=0.05s
I3==10A逆时针方向取正值;
时间间隔Δt3=0.05s
电流随时间变化关系如图所示。
(2)因为线框匀速运动,所以外力做的功等于电流做的功W=RΔt1+RΔt2+RΔt3=15J。
答案(1)见解析 (2)15 J
14.
(12分)如图所示,光滑导轨竖直放置,匀强磁场的磁感应强度为B=0.5 T,磁场方向垂直于导轨平面向外,导体棒ab的长度与导轨宽度均为l=0.2 m,电阻R=1.0 Ω。导轨电阻不计,当导体棒紧贴导轨匀速下滑时,均标有“6 V 3 W”字样的两小灯泡恰好正常发光,求:
(1)通过ab的电流的大小和方向;
(2)ab运动速度的大小;
(3)电路的总功率。
解析(1)每个小灯泡中的电流为I1==0.5A
则ab中的电流为I=2I1=1A
由右手定则知通过ab棒的电流方向为由b到a。
(2)ab产生的感应电动势E=U1+IR=6V+1×1.0V=7V
由E=Blv,知ab的运动速度v==70m/s。
(3)电路的总功率P=IE=7W。
答案(1)1 A 由b到a (2)70 m/s (3)7 W
15.(12分)如图,水平面(纸面)内间距为l的平行金属导轨间接一电阻,质量为m、长度为l的金属杆置于导轨上。t=0时,金属杆在水平向右、大小为F的恒定拉力作用下由静止开始运动。t0时刻,金属杆进入磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场区域,且在磁场中恰好能保持匀速运动。杆与导轨的电阻均忽略不计,两者始终保持垂直且接触良好,两者之间的动摩擦因数为μ。重力加速度大小为g。求:
(1)金属杆在磁场中运动时产生的电动势的大小。
(2)电阻的阻值。
解析(1)设金属杆进入磁场前的加速度大小为a,由牛顿第二定律得
ma=F-μmg①
设金属杆到达磁场左边界时的速度为v,由运动学公式有
v=at0②
当金属杆以速度v在磁场中运动时,由法拉第电磁感应定律,杆中的电动势为
E=Blv③
联立①②③式可得
E=Blt0。④
(2)设金属杆在磁场区域中匀速运动时,金属杆中的电流为I,根据欧姆定律
I=⑤
式中R为电阻的阻值。金属杆所受的安培力为
F安=BlI⑥
因金属杆做匀速运动,由牛顿运动定律得
F-μmg-F安=0⑦
联立④⑤⑥⑦式得
R=。⑧
答案(1)Blt0 (2)
(时间:60分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。其中第1~6题为单选题;第7~10题为多选题,全部选对得5分,选不全得3分,有选错或不答的得0分)
1.如图所示,两个单匝线圈a、b的半径分别为r和2r。圆形匀强磁场B的边缘恰好与a线圈重合,则穿过a、b两线圈的磁通量之比为( )
A.1∶1 B.1∶2 C.1∶4 D.4∶1
2.如图所示的实验示意图中,用于探究“磁生电”的是( )
3.物理课上,老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图所示,她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后,将一金属套环置于线圈L上,且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间,套环立刻跳起。某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路,经重复试验,线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验,下列四个选项中,导致套环未动的原因可能是( )
A.线圈接在了直流电源上
B.电源电压过高
C.所选线圈的匝数过多
D.所用套环的材料与老师的不同
4.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )
5.图甲和图乙是教材中演示自感现象的两个电路图,L1和L2为电感线圈。实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是( )
A.图甲中,A1与L1的电阻值相同
B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流大于L1中电流
C.图乙中,变阻器R与L2的电阻值相同
D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等
6.矩形导线框abcd固定在匀强磁场中,磁感线的方向与导线框所在平面垂直。规定磁场的正方向垂直纸面向里,磁感应强度B随时间变化的规律如图所示。若规定顺时针方向为感应电流的正方向,则图中正确的是( )
7.一个圆形闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场中,线圈平面与磁场方向垂直,如图a甲所示。设垂直于纸面向里的磁感应强度方向为正,垂直于纸面向外的磁感应强度方向为负。线圈中顺时针方向的感应电流为正,逆时针方向的感应电流为负。已知圆形线圈中感应电流i随时间变化的图象如图a乙所示,则线圈所在处的磁场的磁感应强度随时间变化的图象可能是图b中的( )
图a
图b
8.
如图所示,竖直平行金属导轨MN、PQ上端接有电阻R,金属杆ab质量为m,跨在平行导轨上,垂直导轨平面的水平匀强磁场的磁感应强度为B,不计ab与导轨电阻及一切摩擦,且ab与导轨接触良好。若ab杆在竖直向上的外力F作用下匀速上升,则以下说法正确的是( )
A.拉力F所做的功等于电阻R上产生的热量
B.杆ab克服安培力做的功等于电阻R上产生的热量
C.电流所做的功等于重力势能的增加量
D.拉力F与重力做功的代数和等于电阻R上产生的热量
9.如图所示,线圈C连接光滑平行导轨,导轨处在方向垂直纸面向里的匀强磁场中,导轨电阻不计,导轨上放着导体棒MN。为了使闭合线圈A产生图示方向的感应电流,可使导体棒MN( )
A.向右加速运动 B.向右减速运动
C.向左加速运动 D.向左减速运动
10.
如图所示,矩形线框abcd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直,线框ab长为2L,bc长为L,MN为垂直于ab并可在ab和cd上自由滑动的金属杆,且杆与ab和cd接触良好,abcd和MN上单位长度的电阻皆为r。让MN从ad处开始以速度v向右匀速滑动,设MN与ad之间的距离为x(0≤x≤2L),则在整个过程中( )
A.当x=0时,MN中电流最小
B.当x=L时,MN中电流最小
C.MN中电流的最小值为
D.MN中电流的最大值为
二、实验题(本题共2小题,共16分。把答案填在题中的横线上)
11.(6分)在研究电磁感应的实验中
(1)一位学生将电流表、电池、电阻和开关连接成如图(1)所示电路,接通开关,看到电流表指针偏向正接线柱一侧。这样做的目的是 。
(2)这位学生又把电流表及原、副线圈A和B、电池、开关连接成如图(2)所示电路。
①当接通开关时,或接通开关后将线圈A插入线圈B的过程中,看到电流表的指针都偏向正接线柱一侧。比较IA和IB的方向,可得出的实验结论是 。
②当断开开关时,或将线圈A从线圈B中拔出的过程中,发现电流表的指针都偏向负接线柱一侧。比较IA和IB'的方向,可得出的实验结论是 。
12.(10分)如图是研究自感现象的电路图,两个电流表G1和G2的零点都在刻度中央,当电流从“+”接线柱流入时,指针向右偏,反之向左偏,在开关K接通的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动;K断开的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动(以上均选填“左”或“右”),两个电表的示数 (选填“相等”或“不相等”)。
三、解答题(本题共3小题,共34分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.(10分)如图所示,Ⅰ、Ⅱ区域是宽度均为L=0.5 m的匀强磁场,磁感应强度大小B=1 T,方向相反。一边长L=0.5 m、质量m=0.1 kg、电阻R=0.5 Ω的正方形金属线框,在外力作用下,以初速度v=10 m/s匀速穿过磁场区域。
(1)取逆时针方向为正,作出i-t图象。
(2)求线框穿过磁场区域的过程中外力做的功。
14.
(12分)如图所示,光滑导轨竖直放置,匀强磁场的磁感应强度为B=0.5 T,磁场方向垂直于导轨平面向外,导体棒ab的长度与导轨宽度均为l=0.2 m,电阻R=1.0 Ω。导轨电阻不计,当导体棒紧贴导轨匀速下滑时,均标有“6 V 3 W”字样的两小灯泡恰好正常发光,求:
(1)通过ab的电流的大小和方向;
(2)ab运动速度的大小;
(3)电路的总功率。
15.(12分)如图,水平面(纸面)内间距为l的平行金属导轨间接一电阻,质量为m、长度为l的金属杆置于导轨上。t=0时,金属杆在水平向右、大小为F的恒定拉力作用下由静止开始运动。t0时刻,金属杆进入磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场区域,且在磁场中恰好能保持匀速运动。杆与导轨的电阻均忽略不计,两者始终保持垂直且接触良好,两者之间的动摩擦因数为μ。重力加速度大小为g。求:
(1)金属杆在磁场中运动时产生的电动势的大小。
(2)电阻的阻值。
参考答案：
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。其中第1~6题为单选题;第7~10题为多选题,全部选对得5分,选不全得3分,有选错或不答的得0分)
1.如图所示,两个单匝线圈a、b的半径分别为r和2r。圆形匀强磁场B的边缘恰好与a线圈重合,则穿过a、b两线圈的磁通量之比为( )
A.1∶1 B.1∶2 C.1∶4 D.4∶1
解析两个线圈的半径虽然不同,但是线圈内的匀强磁场的半径一样,则穿过两线圈的磁通量相同,故选项A正确。
答案A
2.如图所示的实验示意图中,用于探究“磁生电”的是( )
解析法拉第最后才领悟到,磁生电是一种在变化、运动过程中才能产生的效应。最后他将引起电流的原因归为五类:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。
答案A
3.物理课上,老师做了一个奇妙的“跳环实验”。如图所示,她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后,将一金属套环置于线圈L上,且使铁芯穿过套环。闭合开关S的瞬间,套环立刻跳起。某同学另找来器材再探究此实验。他连接好电路,经重复试验,线圈上的套环均未动。对比老师演示的实验,下列四个选项中,导致套环未动的原因可能是( )
A.线圈接在了直流电源上
B.电源电压过高
C.所选线圈的匝数过多
D.所用套环的材料与老师的不同
解析当闭合S瞬间,线圈L内产生的磁场B及磁通量的变化率随电压及线圈匝数增加而增大,如果套环是金属材料又闭合,由楞次定律可知,环内会产生感应电流I及磁场B',环会受到向上的安培力F,当F>mg时,环跳起,越大,环电阻越小,F越大。如果环越轻,跳起效果越好,所以选项B、C错误;如果套环换用电阻大、密度大的材料,I减小、F减小,mg增大,套环可能无法跳起,选项D正确;如果使用交变电流,S闭合后,套环受到的安培力大小及方向(上下)周期性变化,S闭合瞬间,F大小、方向都不确定,直流电效果会更好,选项A错误。
答案D
4.扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )
解析感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在A图中系统上下及左右振动时在磁场中的部分有时多有时少,磁通量发生变化,产生感应电流,受到安培力,阻碍系统的振动,故A正确;而B、C、D三个图均有磁通量不变的情况,故错误。
答案A
5.图甲和图乙是教材中演示自感现象的两个电路图,L1和L2为电感线圈。实验时,断开开关S1瞬间,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S2,灯A2逐渐变亮,而另一个相同的灯A3立即变亮,最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是( )
A.图甲中,A1与L1的电阻值相同
B.图甲中,闭合S1,电路稳定后,A1中电流大于L1中电流
C.图乙中,变阻器R与L2的电阻值相同
D.图乙中,闭合S2瞬间,L2中电流与变阻器R中电流相等
解析断开开关S1瞬间,线圈L1产生自感电动势,阻碍电流的减小,通过L1的电流反向通过A1,灯A1突然闪亮,随后逐渐变暗,说明IL1>IA1,即RL1
6.矩形导线框abcd固定在匀强磁场中,磁感线的方向与导线框所在平面垂直。规定磁场的正方向垂直纸面向里,磁感应强度B随时间变化的规律如图所示。若规定顺时针方向为感应电流的正方向,则图中正确的是( )
解析0~1s,感应电流的方向由楞次定律可知为逆时针,即沿负方向,根据电磁感应定律E=S,由于B-t图象斜率大小一定,又因S不变,所以E大小为定值,则电流大小一定。
同理1~3s,感应电流方向为顺时针,沿正方向,电流大小为定值,与0~1s相等;3~4s感应电流方向为逆时针,沿负方向,电流大小为定值,与0~1s相等。
答案D
7.一个圆形闭合线圈固定在垂直纸面的匀强磁场中,线圈平面与磁场方向垂直,如图a甲所示。设垂直于纸面向里的磁感应强度方向为正,垂直于纸面向外的磁感应强度方向为负。线圈中顺时针方向的感应电流为正,逆时针方向的感应电流为负。已知圆形线圈中感应电流i随时间变化的图象如图a乙所示,则线圈所在处的磁场的磁感应强度随时间变化的图象可能是图b中的( )
图a
图b
解析根据题图甲和题图乙,我们只研究最初的一个周期,即2s内的情况,由图甲、乙所表示的圆线圈中感应电流的方向、大小,运用楞次定律,判断出感应电流的磁场方向、大小;再根据楞次定律,判断引起电磁感应现象发生的磁场应该如何变化。从而找出正确选项为C、D。
答案CD
8.
如图所示,竖直平行金属导轨MN、PQ上端接有电阻R,金属杆ab质量为m,跨在平行导轨上,垂直导轨平面的水平匀强磁场的磁感应强度为B,不计ab与导轨电阻及一切摩擦,且ab与导轨接触良好。若ab杆在竖直向上的外力F作用下匀速上升,则以下说法正确的是( )
A.拉力F所做的功等于电阻R上产生的热量
B.杆ab克服安培力做的功等于电阻R上产生的热量
C.电流所做的功等于重力势能的增加量
D.拉力F与重力做功的代数和等于电阻R上产生的热量
解析当外力F拉着金属杆匀速上升时,拉力要克服重力和安培力做功,拉力做的功等于克服安培力和重力做功之和,即等于电阻R上产生的热量和金属杆增加的重力势能之和,选项A错误,D正确。克服安培力做多少功,电阻R上就产生多少热量,选项B正确。电流做的功不等于重力势能的增加量,选项C错误。
答案BD
9.如图所示,线圈C连接光滑平行导轨,导轨处在方向垂直纸面向里的匀强磁场中,导轨电阻不计,导轨上放着导体棒MN。为了使闭合线圈A产生图示方向的感应电流,可使导体棒MN( )
A.向右加速运动 B.向右减速运动
C.向左加速运动 D.向左减速运动
解析当C中电流产生的磁场与A中电流产生磁场方向相同时,由右手定则判断MN应向左运动,磁场减弱则电流减小,故MN应减速,故可判断MN向左减速,同理可判断向右加速也可,故选A、D。
答案AD
10.
如图所示,矩形线框abcd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直,线框ab长为2L,bc长为L,MN为垂直于ab并可在ab和cd上自由滑动的金属杆,且杆与ab和cd接触良好,abcd和MN上单位长度的电阻皆为r。让MN从ad处开始以速度v向右匀速滑动,设MN与ad之间的距离为x(0≤x≤2L),则在整个过程中( )
A.当x=0时,MN中电流最小
B.当x=L时,MN中电流最小
C.MN中电流的最小值为
D.MN中电流的最大值为
解析MN产生感应电动势为E=BLv,MN中电流I=,当x=0时,MN中电流最大,MN中电流的最大值为Imax=,当x=L时,MN中电流最小,MN中电流的最小值为Imin=,故BCD正确,A错误。
答案BCD
二、实验题(本题共2小题,共16分。把答案填在题中的横线上)
11.(6分)在研究电磁感应的实验中
(1)一位学生将电流表、电池、电阻和开关连接成如图(1)所示电路,接通开关,看到电流表指针偏向正接线柱一侧。这样做的目的是 。
(2)这位学生又把电流表及原、副线圈A和B、电池、开关连接成如图(2)所示电路。
①当接通开关时,或接通开关后将线圈A插入线圈B的过程中,看到电流表的指针都偏向正接线柱一侧。比较IA和IB的方向,可得出的实验结论是 。
②当断开开关时,或将线圈A从线圈B中拔出的过程中,发现电流表的指针都偏向负接线柱一侧。比较IA和IB'的方向,可得出的实验结论是 。
答案(1)查明电流表指针偏转方向与电流方向的关系
(2)①当线圈B中磁场增强时,线圈B中产生的感应电流磁场方向就与原磁场方向相反
②当线圈B中磁场减弱时,线圈B中产生的感应电流的磁场方向就与原磁场方向相同
12.(10分)如图是研究自感现象的电路图,两个电流表G1和G2的零点都在刻度中央,当电流从“+”接线柱流入时,指针向右偏,反之向左偏,在开关K接通的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动;K断开的瞬间,G1指针向 摆,G2指针向 摆动(以上均选填“左”或“右”),两个电表的示数 (选填“相等”或“不相等”)。
解析在开关K接通的瞬间,线圈阻碍电流增大,使电流慢慢增大到最大;在K断开的瞬间,线圈阻碍电流减小,使电流在线圈L、电流表G1、G2、电阻R构成的回路中慢慢减小到零。
答案右 右 右 左 相等
三、解答题(本题共3小题,共34分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.(10分)如图所示,Ⅰ、Ⅱ区域是宽度均为L=0.5 m的匀强磁场,磁感应强度大小B=1 T,方向相反。一边长L=0.5 m、质量m=0.1 kg、电阻R=0.5 Ω的正方形金属线框,在外力作用下,以初速度v=10 m/s匀速穿过磁场区域。
(1)取逆时针方向为正,作出i-t图象。
(2)求线框穿过磁场区域的过程中外力做的功。
解析(1)电流I1==10A逆时针方向取正值;时间间隔Δt1=0.05s
I2==20A顺时针方向取负值;
时间间隔Δt2=0.05s
I3==10A逆时针方向取正值;
时间间隔Δt3=0.05s
电流随时间变化关系如图所示。
(2)因为线框匀速运动,所以外力做的功等于电流做的功W=RΔt1+RΔt2+RΔt3=15J。
答案(1)见解析 (2)15 J
14.
(12分)如图所示,光滑导轨竖直放置,匀强磁场的磁感应强度为B=0.5 T,磁场方向垂直于导轨平面向外,导体棒ab的长度与导轨宽度均为l=0.2 m,电阻R=1.0 Ω。导轨电阻不计,当导体棒紧贴导轨匀速下滑时,均标有“6 V 3 W”字样的两小灯泡恰好正常发光,求:
(1)通过ab的电流的大小和方向;
(2)ab运动速度的大小;
(3)电路的总功率。
解析(1)每个小灯泡中的电流为I1==0.5A
则ab中的电流为I=2I1=1A
由右手定则知通过ab棒的电流方向为由b到a。
(2)ab产生的感应电动势E=U1+IR=6V+1×1.0V=7V
由E=Blv,知ab的运动速度v==70m/s。
(3)电路的总功率P=IE=7W。
答案(1)1 A 由b到a (2)70 m/s (3)7 W
15.(12分)如图,水平面(纸面)内间距为l的平行金属导轨间接一电阻,质量为m、长度为l的金属杆置于导轨上。t=0时,金属杆在水平向右、大小为F的恒定拉力作用下由静止开始运动。t0时刻,金属杆进入磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场区域,且在磁场中恰好能保持匀速运动。杆与导轨的电阻均忽略不计,两者始终保持垂直且接触良好,两者之间的动摩擦因数为μ。重力加速度大小为g。求:
(1)金属杆在磁场中运动时产生的电动势的大小。
(2)电阻的阻值。
解析(1)设金属杆进入磁场前的加速度大小为a,由牛顿第二定律得
ma=F-μmg①
设金属杆到达磁场左边界时的速度为v,由运动学公式有
v=at0②
当金属杆以速度v在磁场中运动时,由法拉第电磁感应定律,杆中的电动势为
E=Blv③
联立①②③式可得
E=Blt0。④
(2)设金属杆在磁场区域中匀速运动时,金属杆中的电流为I,根据欧姆定律
I=⑤
式中R为电阻的阻值。金属杆所受的安培力为
F安=BlI⑥
因金属杆做匀速运动,由牛顿运动定律得
F-μmg-F安=0⑦
联立④⑤⑥⑦式得
R=。⑧
答案(1)Blt0 (2)