专题15 光学
【真题汇编】
1、（2022·山东卷·T10）某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝，的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙，图丙所示图样。下列描述正确的是（ ）
A. 图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射
B. 遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大
C. 照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大
D. 照射两条狭缝时，若光从狭缝、到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹
【答案】ACD
【解析】
A．由图可知，图乙中间部分等间距条纹，所以图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，同时也发生衍射，故A正确；
B．狭缝越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，则衍射现象减弱，图丙中亮条纹宽度减小，故B错误；
C．根据条纹间距公式可知照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大，故C正确；
D．照射两条狭缝时，若光从狭缝、到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹，故D正确。
故选ACD。
2、（2022·山东卷·T7）柱状光学器件横截面如图所示，右侧是以O为圆心、半径为R的圆，左则是直角梯形，长为R，与夹角，中点为B。a、b两种频率的细激光束，垂直面入射，器件介质对a，b光的折射率分别为1.42、1.40。保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在面全反射后，从面射出的光是（不考虑三次反射以后的光）（）
A. 仅有a光 B. 仅有b光 C. a、b光都可以 D. a、b光都不可以
【答案】A
【解析】
当两种频率的细激光束从A点垂直于AB面入射时，激光沿直线传播到O点，经第一次反射沿半径方向直线传播出去。
保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，如下图可知，激光沿直线传播到CO面经反射向PM面传播，根据图像可知，入射点从A向B移动过程中，光线传播到PM面的入射角逐渐增大。
当入射点为B点时，根据光的反射定律及几何关系可知，光线传播到PM面的P点，此时光线在PM面上的入射角最大，设为，由几何关系得
根据全反射临界角公式得
两种频率的细激光束的全反射的临界角关系为
故在入射光从A向B移动过程中，a光能在PM面全反射后，从OM面射出；b光不能在PM面发生全反射，故仅有a光。A正确，BCD错误。
故选A。
3、（2022·全国乙卷·T17）一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6 × 10 - 7m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3 × 1014个。普朗克常量为h = 6.63 × 10 - 34Js。R约为（）
A. 1 × 102m B. 3 × 102m C. 6 × 102m D. 9 × 102m
【答案】B
【解析】
一个光子的能量为
E = hν
ν为光的频率，光的波长与频率有以下关系
c = λν
光源每秒发出的光子的个数为
P为光源的功率，光子以球面波的形式传播，那么以光源为原点的球面上的光子数相同，此时距光源的距离为R处，每秒垂直通过每平方米的光子数为3 × 1014个，那么此处的球面的表面积为
S = 4πR2
则
联立以上各式解得
R ≈ 3 × 102m
故选B。
4、（2022·浙江6月卷·T8）如图所示，王亚平在天宫课堂上演示了水球光学实验，在失重环境下，往大水球中央注入空气，形成了一个空气泡，气泡看起来很明亮，其主要原因是（ ）
A. 气泡表面有折射没有全反射
B. 光射入气泡衍射形成“亮斑”
C. 气泡表面有折射和全反射
D. 光射入气泡干涉形成“亮斑”
【答案】C
【解析】
当光从水中射到空气泡的界面处时，一部分光的入射角大于或等于临界角，发生了全反射现象；还有一部分光折射到内壁然后再折射出去，所以水中的空气泡看起来比较亮。
故选C。
5、（2022·浙江6月卷·T4）关于双缝干涉实验，下列说法正确的是（）
A. 用复色光投射就看不到条纹
B. 明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果
C. 把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹
D. 蓝光干涉条纹的间距比红光的大
【答案】B
【解析】
A．用复色光投射同样能看到条纹，A错误；
B．双缝干涉实验中，明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果，B正确；
C．由条纹间知，把光屏前移或后移，改变了L，从而改变了条纹间距，但还可能看到明暗相间条纹，C错误；
D．由条纹间知，且λ蓝<λ红，则蓝光干涉条纹的间距比红光的小，D错误。
故选B。
6、（2022·浙江1月卷·T11）如图所示，用激光笔照射半圆形玻璃砖圆心O点，发现有a、b、c、d四条细光束，其中d是光经折射和反射形成的。当入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度时，b、c、d也会随之转动，则（ ）
A. 光束b顺时针旋转角度小于
B. 光束c逆时针旋转角度小于
C. 光束d顺时针旋转角度大于
D. 光速b、c之间的夹角减小了
【答案】B
【解析】
A．设入射光线a的入射角为，则反射角为，光束c的折射角为，光束d的反射角也为，入射光束a绕O点逆时针方向转过小角度时，入射角变为
由反射定律可知反射角等于入射角，则光束b顺时针旋转角度等于，故A错误；
B．由折射定律有
，
可得
即光束c逆时针旋转角度小于，故B正确；
C．光束d的反射角变化与光束c的折射角变化相等，则光束d顺时针旋转角度小于，故C错误；
D．光束b顺时针旋转角度等于，光束c逆时针旋转角度小于，则光速b、c之间的夹角减小的角度小于，故D错误；
故选B。
7、（2022·浙江1月卷·T16）电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31kg，普朗克常量取6.6×10-34J·s，下列说法正确的是（ ）
A. 发射电子的动能约为8.0×10-15J
B. 发射电子的物质波波长约为5.5×10-11m
C. 只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉
D. 如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样
【答案】BD
【解析】
A．根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为
故A错误；
B．发射电子的物质波波长约为
故B正确；
CD．物质波也具有波粒二象性，故电子的波动性是每个电子本身的性质，则每个电子依次通过双缝都能发生干涉现象，只是需要大量电子显示出干涉图样，故C错误，D正确；
故选BD。
8、（2022·全国乙卷·T34（2））一细束单色光在三棱镜的侧面上以大角度由D点入射（入射面在棱镜的横截面内），入射角为i，经折射后射至边的E点，如图所示，逐渐减小i，E点向B点移动，当时，恰好没有光线从边射出棱镜，且。求棱镜的折射率。
【答案】1.5
【解析】
因为当时，恰好没有光线从AB边射出，可知光线在E点发生全反射，设临界角为C，则
由几何关系可知，光线在D点的折射角为
则
联立可得
n=1.5
9、（2022·全国甲卷·T34（2））如图，边长为a的正方形ABCD为一棱镜的横截面，M为AB边的中点。在截面所在平的，一光线自M点射入棱镜，入射角为60°，经折射后在BC边的N点恰好发生全反射，反射光线从CD边的P点射出棱镜，求棱镜的折射率以及P、C两点之间的距离。
【答案】，
【解析】
光线在M点发生折射有
sin60° =nsinθ
由题知，光线经折射后在BC边的N点恰好发生全反射，则
C= 90° - θ
联立有
根据几何关系有
解得
再由
解得
10、（2022·广东卷·T16（2））一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体，液体上方是空气，其截面如图所示。一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动，它所发出的光束始终指向圆心O点。当光束与竖直方向成角时，恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束。已知光在空气中的传播速度为c，求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v。
【答案】，
【解析】
当入射角达到45o时，恰好到达临界角C，根据
可得液体的折射率
由于
可知激光在液体中的传播速度
11、（2022·湖南卷·T16（2））如图，某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成，其中屏障垂直于屏幕平行排列，可实现对像素单元可视角度的控制（可视角度定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍）。透明介质的折射率，屏障间隙。发光像素单元紧贴屏下，位于相邻两屏障的正中间．不考虑光的衍射。
（1）若把发光像素单元视为点光源，要求可视角度控制为60°，求屏障的高度d；
（2）若屏障高度，且发光像素单元的宽度不能忽略，求像素单元宽度x最小为多少时，其可视角度刚好被扩为180°（只要看到像素单元的任意一点，即视为能看到该像素单元）。
【答案】（1）1.55mm；（2）0.35mm
【解析】
（1）发光像素单元射到屏障上的光被完全吸收，考虑射到屏障顶端的光射到透明介质和空气界面，折射后从界面射向空气，由题意可知θ=60°，则
在介质中的入射角为i，则
解得
由几何关系
解得
（2）若视角度刚好被扩为180°，则，此时光线在界面发生全反射，此时光线在界面处的入射角
解得
C=30°
此时发光像素单元发光点距离屏障的距离为
像素单元宽度x最小为
12、（2022·湖北·T14）如图所示，水族馆训练员在训练海豚时，将一发光小球高举在水面上方的A位置，海豚的眼睛在B位置，A位置和B位置的水平距离为d，A位置离水面的高度为d。训练员将小球向左水平抛出，入水点在B位置的正上方，入水前瞬间速度方向与水面夹角为θ。小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达B位置，折射光线与水平方向的夹角也为θ。
已知水的折射率，求:
（1）tanθ的值；
（2）B位置到水面的距离H。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（1）由平抛运动的规律可知
解得
（2）因可知，从A点射到水面的光线的入射角为α，折射角为，则由折射定律可知
解得
由几何关系可知
解得
13、【2022·河北·T16(2)】如图，一个半径为R的玻璃球，O点为球心。球面内侧单色点光源S发出的一束光在A点射出，出射光线AB与球直径SC平行，θ= 30°。光在真空中的传播速度为c。求：
（1）玻璃的折射率；
（2）从S发出的光线经多次全反射回到S点的最短时间。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（i）根据题意将光路图补充完整，如下图所示
根据几何关系可知
i1 = θ = 30°，i2 = 60°
根据折射定律有
nsini1 = sini2
解得
（ii）设全反射的临界角为C，则
光在玻璃球内的传播速度有
根据几何关系可知当θ = 45°时，即光路为圆的内接正方形，从S发出的光线经多次全反射回到S点的时间最短，则正方形的边长
则最短时间为
【突破练习】
1.（2022·北京市海淀区高三下学期一模）以下现象不属于衍射的是（ ）
A. 白光经过狭窄的单缝得到彩色图样 B. 白光照射肥皂膜呈现出彩色图样
C. 光照射刀片的阴影轮廓模糊不清 D. 光照射不透明圆盘的阴影中心出现亮斑
【答案】B
【解析】
A．白光照射单缝后，在光屏上出现彩色条纹是光的衍射现象，A错误；
B．白光照射肥皂膜呈现彩色图样是光的薄膜干涉现象，B正确；
C．光照射刀片的阴影轮廓模糊不清是光的衍射造成的，C错误；
D．白光照射不透明的小圆盘，在圆盘阴影中心出现一个亮斑是光的衍射现象造成的，D错误。
故选B。
2.（2022·江苏七市高三下学期二模）劈尖干涉是一种薄膜干涉，如图所示，将一块平板玻璃a放置在另一平板玻璃b上，在一端夹入两张纸片，当单色光从上方入射后，从上往下可以看到干涉条纹。则（ ）
A. 干涉条纹是由a、b上表面反射的光叠加产生的
B. 相邻的暗条纹对应位置下方的空气膜厚度差不同
C. 若抽去一张纸片，条纹变密
D. 若某亮条纹发生弯曲，该亮条纹对应位置的空气膜厚度仍相等
【答案】D
【解析】
A．干涉条纹是由于a下表面和b上表面反射光叠加产生的，故A错误；
BD．劈尖干涉条纹特点，任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等，任意相邻的明条纹或者暗条纹对应的薄膜厚度差恒定，故B错误，D正确；
C．干涉条纹光程差
即光程差为空气层厚度的2倍，当满足
时，表现为亮条纹，故相邻亮条纹间的空气厚度为，若抽去一张纸倾角减小，故亮条纹之间距离增大，因此干涉条纹变疏，故C错误。
故选D。
3.（2022·江苏七市高三下学期二模）一束单色光穿过两块两面平行的玻璃砖，出射光线与入射光线的位置关系可能正确的是（ ）
A. B. C. D.
【答案】A
【解析】
BC．一束单色光穿过两块玻璃砖，分别经过两次从空气中射入到玻璃，和两次从玻璃射入空气的折射，且两块玻璃砖的两面都是平行的，根据折射定律可知，最后的出射光线与最初的入射光线平行，BC错误。
AD．光由空气斜射进入玻璃砖，折射光线、入射光线在空气和玻璃砖两种介质中，折射角小于入射角；当光再由玻璃砖斜射进入空气时，折射角大于入射角，故最后的出射光线应该位于最初的入射光线延长线的左侧，A正确D错误。
故选A。
4.（2022·江苏南京盐城市高三下学期二模）某小组用图甲装置进行双缝干涉实验，调节完毕后，在屏上观察到如图乙所示的竖直条纹。下列说法正确的是（ ）
A. 装置中的双缝沿水平方向放置
B. 仅向右移动单缝，使之靠近双缝，干涉条纹间距将变大
C. 仅更换双缝间距更小的双缝，干涉条纹间距将变大
D. 仅将红色滤光片换为绿色滤光片，干涉条纹间距将变大
【答案】C
【解析】
A．根据图乙可知，装置中的双缝沿竖直方向放置，故A错误；
B．根据双缝干涉的条纹间距公式，仅向右移动单缝，条纹间距不变，故B错误；
C．仅更换双缝间距更小的双缝，d变小，干涉条纹间距将变大，故C正确；
D．仅将红色滤光片换为绿色滤光片，波长变小，干涉条纹间距将变小，故D错误。
故选C。
5.（2022·江苏如皋市高三下学期一调）如图所示，折射率n=的液面上有一光源S，发出一条光线，垂直射到水平放置于液体中且距液面高度h的平面镜M的O点上.当平面镜绕垂直于纸面的轴O以角速度ω逆时针方向匀速转动时，液面上的观察者发现液面上有一光斑掠过，且光斑到P点后立即消失，求：
（1）O、P两点间的距离x；
（2）光斑在P点即将消失时的瞬时速度大小v。
【答案】(1)；（2）
【解析】
（1）光线垂直于液面入射，平面镜水平放置时反射光线沿原路返回，平面镜绕O逆时针方向转动时，光线经平面镜反射开始逆时针转动，液面上的观察者能得到由液面折射出去的光线，当从P处向左再也看不到液面上的光斑时，说明从平面镜反射到P点的光线在液面产生全反射，做出光路图如图所示：
根据在P处产生全反射条件得
解得
C=45°
则
（2）光斑在液面移动的速度v是光线的伸长速度v2与光线转动速度v1的合速度，其中
由几何关系可知θ=2α，则光线的转动角速度是平面镜转动角速度的2倍，可得：
所以光斑在P点即将消失时瞬时速度的大小为
6.（2022·山东潍坊市高三下学期一模）如图所示，是半圆柱体透明型材横截面，圆心在O点，为直径，半径为R。一细束单色光从真空中面上无限接近A处斜射入该型材，入射角，在D点反射后反射光线与平行（反射光线图中未画出）。已知光在真空中的传播速度为c，求：
（1）该型材对该单色光的折射率n；
（2）该单色光从射入型材到射出型材所用的时间t。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（1）该单色光在圆柱体中传播光路图如图所示
折射角
其中
，
得
根据光的折射定律有
（2）由几何关系可知，该单色光恰好从AD面上无限靠近D处射出半圆柱，在半圆柱中传播的路程
设该单色光在半圆柱中的传播速度大小为v，有
，
解得
7.（2022·广东普通高中高三下学期一模）如图，直角三棱镜ABC由某种透明物质制成，AC外表面镀有水银。一束与BC边平行的光线从AB边的D点射入棱镜。已知AB=2m，AD=0.5m，∠B=30°，棱镜对该光的折射率。求光线第一次到达BC面时在BC面发生折射的入射角及入射点与C点的距离。
【答案】60°，
【解析】
如图所示，由几何关系可知光线在AB边的入射角为
i1=60°
由折射定律可得
解得
r1=30°
所以三角形为等边三角形，则F为AC边的中点，可知
θ+60°=90°
又
θ+i3=90°
可得光线在BC边的入射角
i2=60°
由此可知EF与AB平行，则E为BC的中点，故入射点E与C点的距离为
PAGE专题16振动和波
【真题汇编】
1、（2022·湖南卷·T16（1））下端附着重物的粗细均匀木棒，竖直浮在河面，在重力和浮力作用下，沿竖直方向做频率为的简谐运动：与此同时，木棒在水平方向上随河水做匀速直线运动，如图（a）所示。以木棒所受浮力F为纵轴，木棒水平位移x为横轴建立直角坐标系，浮力F随水平位移x的变化如图（b）所示。已知河水密度为，木棒横截面积为S，重力加速度大小为g。下列说法正确的是（ ）
A. x从到的过程中，木棒的动能先增大后减小
B. x从到的过程中，木棒加速度方向竖直向下，大小逐渐变小
C. 和时，木棒的速度大小相等，方向相反
D. 木棒在竖直方向做简谱运动的振幅为
E. 木棒的运动为向x轴正方向传播的机械横波，波速为
【答案】ABD
【解析】
A．由简谐运动的对称性可知，0.1m、0.3m、0.5m时木棒处于平衡位置；则x从到的过程中，木棒从平衡位置下方向上移动，经平衡位置后到达平衡位置上方，速度先增大后减小，所以动能先增大后减小，A正确；
B．x从到的过程中，木棒从平衡位置上方靠近最大位移处向下运动（未到平衡位置），加速度竖直向下，大小减小，B正确；
C．和时，由图像的对称性知浮力大小相等，说明木棒在同一位置，竖直方向速度大小相等，速度方向相反，而两时刻木棒水平方向速度相同，所以合速度大小相等，方向不是相反，C错误；
D．木棒在竖直方向的简谐运动可类比于竖直方向的弹簧振子，设木棒长度为L，回复力系数为k，平衡位置时木棒重心在水面下方，则有
木棒重心在平衡位置上方最大位移A处时
木棒重心在平衡位置下方最大位移A处时
可解得
，
D正确；
E．木棒上各质点相对静止随木棒一起运动，不能看成向x轴正方向传播的机械横波，E错误。
故选ABD。
2、（2022·山东卷·T9）一列简谐横波沿x轴传播，平衡位置位于坐标原点O的质点振动图像如右图所示。当时，简谐波的波动图像可能正确的是（）
A. B. C. D.
【答案】AC
【解析】
由O点的振动图像可知，周期为T=12s，设原点处的质点的振动方程为
则
解得
在t=7s时刻
因
则在t=7s时刻质点在y轴负向向下振动，根据“同侧法”可判断若波向右传播，则波形为C所示；若波向左传播，则波形如A所示。
故选AC。
3、（2022·浙江6月卷·T16）位于的波源P从时刻开始振动，形成的简谐横波沿x轴正负方向传播，在时波源停止振动，时的部分波形如图所示，其中质点a的平衡位置，质点b的平衡位置。下列说法正确的是（ ）
A. 沿x轴正负方向传播的波发生干涉
B. 时，波源的位移为正
C. 时，质点a沿y轴负方向振动
D. 在0到2s内，质点b运动总路程是2.55m
【答案】BD
【解析】
A．波从波源发出后，向轴正负方向传播，向相反方向传播的波不会相遇，不会发生干涉，故A错误；
B．由图可知，波的波长
由题意可知0.1s内波传播四分之一波长，可得
解得
根据同侧法可知，波源的振动方向向上，即时，波源向上振动，位移为正，故B正确；
C．波的波速
波源停止振动，到质点停止振动的时间
即质点还在继续振动，到经过时间即，结合图象可知质点a位移为正且向轴正方向运动，故C错误；
D．波传到点所需的时间
在0到2s内，质点振动的时间为
质点b运动总路程
故D正确。
故选BD。
4、（2022·浙江6月卷·T11）如图所示，一根固定在墙上的水平光滑杆，两端分别固定着相同的轻弹簧，两弹簧自由端相距。套在杆上的小球从中点以初速度向右运动，小球将做周期为的往复运动，则（ ）
A. 小球做简谐运动
B. 小球动能变化周期为
C. 两根弹簧的总弹性势能的变化周期为
D. 小球的初速度为时，其运动周期为
【答案】B
【解析】
A．物体做简谐运动的条件是它在运动中所受回复力与位移成正比，且方向总是指向平衡位置，可知小球在杆中点到接触弹簧过程，所受合力为零，此过程做匀速直线运动，故小球不是做简谐运动，A错误；
BC．假设杆中点为，小球向右压缩弹簧至最大压缩量时的位置为，小球向左压缩弹簧至最大压缩量时的位置为，可知小球做周期为的往复运动过程为
根据对称性可知小球从与，这两个过程的动能变化完全一致，两根弹簧的总弹性势能的变化完全一致，故小球动能的变化周期为，两根弹簧的总弹性势能的变化周期为，B正确，C错误；
D．小球的初速度为时，可知小球在匀速阶段的时间变为原来的倍，接触弹簧过程，根据弹簧振子周期公式
可知接触弹簧过程所用时间与速度无关，即接触弹簧过程时间保持不变，故小球的初速度为时，其运动周期应小于，D错误；
故选B。
5、（2022·浙江1月卷·T15）两列振幅相等、波长均为、周期均为T的简谐横波沿同一绳子相向传播，若两列波均由一次全振动产生，t=0时刻的波形如图1所示，此时两列波相距，则（ ）
A. 时，波形如图2甲所示
B. 时，波形如图2乙所示
C. 时，波形如图2丙所示
D. 时，波形如图2丁所示
【答案】BD
【解析】
A．根据波长和波速的关系式为
则时，两列波各种向前传播的距离为
故两列波的波前还未相遇，故A错误；
B．时，两列波各种向前传播的距离为
故两列波的波前刚好相遇，故B正确；
C．时，两列波各种向前传播的距离为
根据波的叠加原理可知，在两列波之间的区域为两列波的波形波谷相遇，振动加强，处的波谷质点的位移为2A，故C错误；
D．时，两列波各种向前传播的距离为
两列波的波峰与波谷叠加，位移为零，故D正确；
故选BD。
6、（2022·广东卷·T16（1））如图所示，某同学握住软绳的一端周期性上下抖动，在绳上激发了一列简谐波。从图示时刻开始计时，经过半个周期，绳上M处的质点将运动至__________（选填“N”“P”或“Q”）处。加快抖动，波的频率增大，波速__________（选填“增大”“减小”或“不变”）。
【答案】①. P②. 不变
【解析】
[1]经过半个周期，波向右传播半个波长，而M点只在平衡位置附近上下振动，恰好运动到最低点P点。
[2]波速是由介质决定的，与频率无关，波的频率增大，而波速度仍保持不变。
7、（2022·全国甲卷·T34（1））一平面简谐横波以速度v= 2m/s沿x轴正方向传播，t= 0时刻的波形图如图所示，介质中平衡位置在坐标原点的质点A在t= 0时刻的位移，该波的波长为______m，频率为______Hz，t= 2s时刻，质点A______（填“向上运动”“速度为零”或“向下运动”）。
【答案】①. 4②. 0.5③. 向下运动
【解析】
[1]设波的表达式为
由题知A= 2cm，波图像过点（0，）和（1.5，0），代入表达式有
即
λ= 4m
[2]由于该波的波速v= 2m/s，则
[3]由于该波的波速v= 2m/s，则
由于题图为t= 0时刻的波形图，则t= 2s时刻振动形式和零时刻相同，根据“上坡、下坡”法可知质点A向下运动。
8、（2022·全国乙卷·T34（1））介质中平衡位置在同一水平面上的两个点波源和，二者做简谐运动的振幅相等，周期均为，当过平衡位置向上运动时，也过平衡位置向上运动．若波速为，则由和发出的简谐横波的波长均为______m。P为波源平衡位置所在水平面上的一点，与、平衡位置的距离均为，则两波在P点引起的振动总是相互______（填“加强”或“削弱”）的；当恰好在平衡位置向上运动时，平衡位置在P处的质点______（填“向上”或“向下”）运动。
【答案】①. 4②. 加强③. 向下
【解析】
[1]因周期T=0.8s，波速为v=5m/s，则波长为
[2]因两波源到P点的距离之差为零，且两振源振动方向相同，则P点的振动是加强的；
[3]因S1P=10m=2.5λ，则当S1恰好的平衡位置向上运动时，平衡位置在P点的质点向下振动。
9、【2022·河北·T16(1)】一列简谐横波沿x轴正方向传播。波速为10m/s。在传播方向上有P、Q两质点，坐标分别为xP= 1m，xQ= 6m。波传播到P点开始计时，该点的振动图像如图所示，则简谐波的波长为______m，经过______s，Q点第一次到达正向最大位移处。
【答案】①. 2②.0.55
【解析】
[1]由P点的振动图像可得出该波的周期
T= 0.2s
由于该波的波速为10m/s，则该波的波长
λ=vT= 2m
[2]由题知P、Q两质点相距
xPQ = 5m
则波从P点传播到Q点需经过
由P点的振动图像可得出该波的起振方向向上，则Q点从起振到第一次到达正向最大位移处还需经过，则经过t= 0.55s，Q点第一次到达正向最大位移处。
【突破练习】
1.（2022·北京市海淀区高三下学期一模）图甲为一列沿x轴正向传播的简谐横波在时刻的图像，图甲中某质点的振动情况如图乙所示。下列说法正确的是（ ）
A. 图乙可能为质点L的振动图像
B. 该简谐波的波速为
C. 该时刻质点K与L的速度、加速度都相同
D. 质点K再经将沿x轴正方向移动到处
【答案】A
【解析】
A．由题意知波向右传播，由图可得时刻质点L在平衡位置，由上下坡法可知质点L下一时刻向下振动，故乙图可能是质点L的振动图像，故A正确；
B．由图可得
所以波速为
故B错误；
C．由图可知质点K与L相差半个周期，所以两者的速度、加速度等大、反向，故C错误；
D．因为每个质点都在自己平衡位置周期性振动，不会随波迁移，故D错误。
故选A。
2.（2022·山东潍坊市高三下学期一模）一列简谐横波在时刻的波形如图甲所示，质点P、Q在x轴上的位置为和。从此时开始，P质点的振动图像如图乙所示，下列说法正确的是（ ）
A. 该波沿x轴正向传播
B. 此后P、Q两点速度大小始终相等
C. 时，Q质点的位移为
D. 若此波遇到另一列简谐横波发生了干涉现象，则所遇到的波的频率为
【答案】BD
【解析】
A．在时刻，P质点的振动图像如图乙所示，根据“上下坡法”，知该波沿x轴负向传播，A错误；
B．质点P、Q在x轴上相差半个周期，P、Q两点速度大小始终相等，B正确；
C．又图可知
由图甲可知
当
得
Q质点的位移为，C错误；
D．因为
所以
此波遇到另一列简谐横波发生了干涉现象，则所遇到的波的频率为，D正确。
故选BD。
3.（2022·江苏南京盐城市高三下学期二模）将较长的绳一端固定在墙上，另一端用手捏住以恒定振幅上下持续振动，产生的绳波沿绳自左向右传播，图示时刻，波形刚好传播到A点。下列判断正确的是（ ）
A. 手的起振方向向下
B. 若减小手的振动频率，绳波的传播速度不发生变化
C. 若增大手的振动频率，绳波的波长将增大
D. 若停止手的振动，绳中波形立即消失
【答案】B
【解析】
A．根据“同侧法”可知，A点的起振方向为向上，由于A点的起振方向与手的起振方向相同，故手的起振方向向上，A错误；
B．由于波的传播速度只与介质有关，故减小手的振动频率，绳波的传播速度不发生变化，B正确；
C．根据公式
可知，又波的传播速度只与介质有关，绳波的传播速度不发生变化，若增大手的振动频率，绳波的波长将减小，C错误；
D．若停止手的振动，绳中波形会继续传播，不会立即消失，D错误。
故选B。
4.（2022·山东济南市高三下学期一模）一列简谐波沿绳向右传播，P、Q是绳上两点，振动图像分别如图中实线和虚线所示。时，下列P、Q两点间的波形图可能正确的是（ ）
A. B. C. D.
【答案】A
【解析】
由振动图像可知，时，处于正向位移最大处，处于平衡位置且向轴正方向运动，波向右传播，结合同侧法可知A正确，BCD错误
故选A。
5.（2022·山东菏泽高三下学期一模）如图（a）为简谐横波在时刻的波形图，P是平衡位置在处的质点，Q是平衡位置在处的质点，M是平衡位置在处的质点，图（b）为质点Q的振动图像，下列说法正确的说法是（ ）
A. 在时，质点P向y轴正方向运动
B. 在时，质点P加速度方向沿y轴正方向
C. 在到，质点P通过的路程为
D. 质点M简谐运动的表达式为
【答案】BC
【解析】
A．图（b）为质点的振动图像，则知在时，质点正从平衡位置向波峰运动，所以时，质点向轴正方向运动，可知该波沿轴正方向传播，此时质点正向y轴负方向运动，选项A错误；
B．由图乙读出周期
从到经过时间为
则在时，质点位于轴下方，加速度方向与轴正方向相同，选项B正确；
C．该简谐横波的表达式为
时的位移为
波向前传播的位移
即的位移与时处的质点的位移相同
所以从到，质点P通过的路程为
选项C正确；
D．质点简谐运动的表达式为
则质点M简谐运动的表达式为
选项D错误。
故选BC。
6.（2022·山东烟台市德州市高三下学期一模）“战绳”是一种时尚的健身器材，有较好的健身效果。如图甲所示，健身者把两根相同绳子的一端固定在P点，用双手分别握住绳子的另一端，然后根据锻炼的需要以不同的频率、不同的幅度上下抖动绳子，使绳子振动起来。某次锻炼中，健身者以2Hz的频率开始抖动绳端，t=0时，绳子上形成的简谐波的波形如图乙所示，a、b为右手所握绳子上的两个质点，二者平衡位置间距离为波长的，此时质点a的位移为cm。已知绳子长度为20m，下列说法正确的是（ ）
A. a、b两质点振动的相位差为
B. t=s时，质点a的位移仍为cm，且速度方向向下
C. 健身者抖动绳子端点，经过5s振动恰好传到P点
D. 健身者增大抖动频率，将减少振动从绳子端点传播到P点的时间
【答案】AB
【解析】
A．a、b两质点平衡位置间距离为波长的，一个周期波前进一个波长的距离，一个周期前后的相位差为，所以两质点振动的相位差为
故A正确；
B．质点振动周期为
t=0时质点a的位移为cm，根据甲图可知a此刻在平衡位置上方，向上振动；根据乙图图线可知a的振动方程为
将t=s=带入可得
由振动规律知s时刻a在平衡位置上方，振动方向向下，故B正确；
C．由乙图可知a、b间平衡间距大于5m，小于波长，所以波长>5m，所以波从健身者传到P点所用的时间
故C错误；
D．波的传播速度由介质决定，介质不变，波速不变，绳子上的波形传播到P点的时间不变，与抖动频率无关，故D错误。
故选AB。
7.（2022·湖北八市高三下学期二模）一列沿x轴负方向传播的简谐横波s时的波形如图（a）所示，介质中某质点的振动图像如图（b）所示，下列说法正确的是（ ）
A. 图（b）可能是质点A的振动图像
B. 图（b）可能是质点B的振动图像
C. 若图（b）是m处质点的振动图像，则波速可能是1m/s
D. 若图（b）是m处质点的振动图像，则波速可能是0.5m/s
【答案】ACD
【解析】
AB．由波动图像和振动图像可知，s时质点向下振动，波形图中的A点此时正向下振动，B质点向上振动，故可得图（b）可能是质点A的振动图像，B错误，A正确；
C．由振动图像可知，质点振动的周期为
若图（b）是m处质点的振动图像，则有
（n=0、1、2、3……）
根据公式，可得波速为
解得
（n=0、1、2、3……）
当时，波速为1m/s，C正确；
D．由振动图像可知，质点振动的周期为
若图（b）是m处质点的振动图像，则有
（n=0、1、2、3……）
根据公式，可得波速为
解得
（n=0、1、2、3……）
当时，波速为0.5m/s，D正确。
故选ACD。
8.（2022·福建厦门市高三下学期二模）一列沿x轴传播的简谐横波，t=0时刻的波形如图甲所示。介质中某质点P的振动图像如图乙所示。则（ ）
A. 波沿x轴负方向传播，波速大小为30m/s
B当t=0.35s时质点P恰好回到平衡位置
C. 在0～0.2s时间内质点P运动的路程为10cm
D. 在0～0.1s时间内，质点P一直向y轴负方向运动
【答案】BC
【解析】
A．由上下坡法可知波沿x轴负方向传播，大小为
故A错误；
B．由图乙可得当t=0.35s时质点P恰好回到平衡位置，故B正确；
C．在0～0.2s时间内质点P运动的路程为
故C正确；
D．由图乙可得在0～0.1s时间内，质点P先向y轴负方向运动，后向y轴正方向运动，故D错误。
故选BC。
9.（2022·福建泉州市高三下学期三检）一列简谐横波沿x轴传播，a、b为x轴上平衡位置相距6m的两质点，振动图像分别如图甲、乙所示，下列说法正确的是（ ）
A. 在至时间内，质点a的路程比质点b的小
B. a、b两质点可能同时经过平衡位置
C. 这列波的波长可能是24m
D. 这列波的波速可能是
【答案】CD
【解析】
A．根据图像可知，在至时间内，质点a的平均速率大于质点b的平均速率，则质点a的路程大于b的路程，故A错误；
B．根据图像可知，两者间距为或，所以不可能同时经过平衡位置，故B错误；
CD．当两者间距为时
波长为
波速
当n=0时，波长为24m，当两者间距为时
波长为
波速
当n=1时，波速为。故CD正确。
故选CD。
10.（2022·福建省龙岩市高三下学期一模）图甲为一列简谐横波在t＝0.10s时刻的波形图，此时质点P的位置横坐标为x＝1m，质点Q的位置横坐标为x＝4m．图乙为质点Q的振动图像。则下列说法正确的是（ ）
A. 该波沿x轴正方向传播
B. 该波的传播速度是40m/s
C. 从t＝0.10s到0.20s内，质点P沿x轴方向运动4m
D. t＝0.10s时，沿x轴正方向与P相距10m处的质点与P点振动方向相反
【答案】BD
【解析】
A．在t=0.10s时，由图乙知质点Q正向下运动，根据“上下坡法”可知该波沿x轴负方向传播，故A错误；
B．由题图甲知波长
由题图乙知该波的周期是
则波速为
故B正确；
C．质点P垂直波的传播方向振动，因此P不沿x轴运动。
故C错误；
D．因为
所以在t=0.10s时，沿x轴正方向与P相距10m处的质点的振动情况相当于沿x轴正方向与P相距2m处的质点振动情况，由题意可知当该点在P右边2m处时与P点振动方向相反，故D正确。
故选BD。
PAGE专题17 力学实验
【真题汇编】
1、（2022·湖南卷·T11）小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等，设计了如图（a）所示的实验装置，测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下：
（1）查找资料，得知每枚硬币的质量为；
（2）将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋，测量每次稳定后橡皮筋的长度，记录数据如下表：
序号 1 2 3 4 5
硬币数量/枚 5 10 15 20 25
长度 10.51 12.02 13.54 15.05 16.56
（3）根据表中数据在图（b）上描点，绘制图线；______
（4）取出全部硬币，把冰墩墩玩具放入塑料袋中，稳定后橡皮筋长度的示数如图（c）所示，此时橡皮筋的长度为______；
（5）由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为______（计算结果保留3位有效数字）。
【答案】 ①. 见解析 ②. 15.35 ③. 127
【解析】
（3）[1]根据表格标点连线如图
（4）[2]由图可知刻度尺的分度值为1mm，故读数；
（5）[3]设橡皮筋的劲度系数为k，原长为x0，则
设冰墩墩的质量为m1，则有
联立各式代入数据可得。
2、（2022·广东卷·T11）某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图（a）所示的装置，实验过程如下：
（1）让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。
（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（b）所示，小球直径__________。
（3）测量时，应__________（选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，后释放小球”）。记录小球第一次和第二次通过光电门遮光时间和。
（4）计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为m，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失__________（用字母m、d、和表示）。
（5）若适当调高光电门的高度，将会__________（选填“增大”或“减小”）因空气阻力引起的测量误差。
【答案】 ①. 7.883##7.884 ②. B ③. ④. 增大
【解析】
（2）[1]依题意，小球的直径为
考虑到偶然误差，7.883mm也可以。
（3）[2]在测量时，因小球下落时间很短，如果先释放小球，有可能会出现时间记录不完整，所以应先接通数字计时器，再释放小球，故选B。
（4）[3]依题意，小球向下、向上先后通过光电门时的速度分别为v1、v2，则有
则小球与硅胶材料碰撞过程中机械能的损失量为
（5）[4]若调高光电门的高度，较调整之前小球会经历较大的空中距离，所以将会增大因空气阻力引起的测量误差。
3、（2022·山东卷·T13）在天宫课堂中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发。某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下：
①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；
②接通气源。放上滑块。调平气垫导轨；
③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点。A点到O点的距离为5.00cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；
④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示。
回答以下问题（结果均保留两位有效数字）：
（1）弹簧的劲度系数为_____N/m。
（2）该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a—F图像如图丙中I所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为________kg。
（3）该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a—F图像Ⅱ，则待测物体的质量为________kg。
【答案】 ①. 12 ②. 0.20 ③. 0.13
【解析】
（1）[1]由题知，弹簧处于原长时滑块左端位于O点，A点到O点的距离为5.00cm。拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时。结合图乙的F—t图有
x = 5.00cm，F = 0.610N
根据胡克定律
计算出
k ≈ 12N/m
（2）[2]根据牛顿第二定律有
F = ma
则a—F图像的斜率为滑块与加速度传感器的总质量的倒数，根据图丙中I，则有
则滑块与加速度传感器的总质量为
m = 0.20kg
（3）[3]滑块上增加待测物体，同理，根据图丙中II，则有
则滑块、待测物体与加速度传感器的总质量为
m′ = 0.33kg
则待测物体的质量为
m = m′ - m = 0.13kg
4、（2022·全国甲卷·T23）利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为的滑块A与质量为的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A和B的速度大小和，进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空：
（1）调节导轨水平；
（2）测得两滑块的质量分别为和。要使碰撞后两滑块运动方向相反，应选取质量为______kg的滑块作为A；
（3）调节B的位置，使得A与B接触时，A的左端到左边挡板的距离与B的右端到右边挡板的距离相等；
（4）使A以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B碰撞，分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间和；
（5）将B放回到碰撞前的位置，改变A的初速度大小，重复步骤（4）。多次测量的结果如下表所示；
1 2 3 4 5
0.49 0.67 1.01 1.22 1.39
0.15 0.21 0.33 0.40 0.46
0.31 0.33 0.33 0.33
（6）表中的______（保留2位有效数字）；
（7）的平均值为______；（保留2位有效数字）
（8）理论研究表明，对本实验的碰撞过程，是否为弹性碰撞可由判断。若两滑块的碰撞为弹性碰撞，则的理论表达式为______（用和表示），本实验中其值为______（保留2位有效数字），若该值与（7）中结果间的差别在允许范围内，则可认为滑块A与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞。
【答案】 ①. 0.304 ②. 0.31 ③. 0.32 ④. ⑤. 0.33
【解析】
（2）[1]应该用质量较小的滑块碰撞质量较大的滑块，碰后运动方向相反，故选0.304kg的滑块作为A。
（6）[2]由于两段位移大小相等，根据表中的数据可得
（7）[3]平均值为
（8）[4][5]弹性碰撞时满足动量守恒和机械能守恒，可得
联立解得
代入数据可得
5、（2022·全国乙卷·T22）用雷达探测一高速飞行器的位置。从某时刻（）开始的一段时间内，该飞行器可视为沿直线运动，每隔测量一次其位置，坐标为x，结果如下表所示：
0 1 2 3 4 5 6
0 507 1094 1759 2505 3329 4233
回答下列问题：
（1）根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动，判断的理由是：______；
（2）当时，该飞行器速度的大小______；
（3）这段时间内该飞行器加速度的大小______（保留2位有效数字）。
【答案】 ①. 相邻1s内的位移之差接近 x=80m ②. 547 ③. 79
【解析】
（1）[1]第1s内的位移507m，第2s内的位移587m，第3s内的位移665m，第4s内的位移746m，第5s内的位移824m，第6s内的位移904m，则相邻1s内的位移之差接近 x=80m，可知判断飞行器在这段时间内做匀加速运动；
（2）[2]当x=507m时飞行器的速度等于0-2s内的平均速度，则
（3）[3]根据
6、（2022·浙江6月卷·T17）（1）①“探究小车速度随时间变化的规律”实验装置如图1所示，长木板水平放置，细绳与长木板平行。图2是打出纸带的一部分，以计数点O为位移测量起点和计时起点，则打计数点B时小车位移大小为______cm。由图3中小车运动的数据点，求得加速度为______m/s2（保留两位有效数字）。
利用图1装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验，需调整的是______。
A．换成质量更小的车 B．调整长木板的倾斜程度
C．把钩码更换成砝码盘和砝码 D．改变连接小车的细绳与长木板的夹角
（2）“探究求合力的方法”的实验装置如图4所示，在该实验中，
①下列说法正确的是______；
A．拉着细绳套的两只弹簧秤，稳定后读数应相同
B．在已记录结点位置的情况下，确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的两点
C．测量时弹簧秤外壳与木板之间不能存在摩擦
D．测量时，橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板
②若只有一只弹簧秤，为了完成该实验至少需要______（选填“2”、“3”或“4”）次把橡皮条结点拉到O。
【答案】 ①. 6.15~6.25 ②. 1.7 ~2.1 ③. BC##CB ④. D ⑤. 3
【解析】
（1）[1]依题意，打计数点B时小车位移大小为6.20cm，考虑到偶然误差，6.15cm~6.25cm也可；
[2] 由图3中小车运动的数据点，有
考虑到偶然误差，1.7m/s2~2.1 m/s2也可；
[3] A．利用图1装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，需要满足小车质量远远大于钩码质量，所以不需要换质量更小的车，故A错误；
B．利用图1装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，需要利用小车斜向下的分力以平衡其摩擦阻力，所以需要将长木板安打点计时器一端较滑轮一端适当的高一些，故B正确；
C．以系统为研究对象，依题意“探究小车速度随时间变化的规律”实验时有
考虑到实际情况，即，有
则可知
而利用图1装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验时要保证所悬挂质量远小于小车质量，即；可知目前实验条件不满足，所以利用当前装置在“探究加速度与力、质量的关系”时，需将钩码更换成砝码盘和砝码，以满足小车质量远远大于所悬挂物体的质量，故C正确；
D．实验过程中，需将连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板始终保持平行，与之前的相同，故D错误。
故选BC。
（2）[4] A．在不超出弹簧测力计的量程和橡皮条形变限度的条件下，使拉力适当大些，不必使两只测力计的示数相同，故A错误；
B．在已记录结点位置的情况下，确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的一个点就可以了，故B错误；
C．实验中拉弹簧秤时，只需让弹簧与外壳间没有摩擦，此时弹簧测力计的示数即为弹簧对细绳的拉力相等，与弹簧秤外壳与木板之间是否存在摩擦无关，故C错误；
D．为了减小实验中摩擦对测量结果的影响，拉橡皮条时，橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板，故D正确。
故选D。
[5] 若只有一只弹簧秤，为了完成该实验，用手拉住一条细绳，用弹簧称拉住另一条细绳，互成角度的拉橡皮条，使其结点达到某一点O，记下位置O和弹簧称示数F1和两个拉力的方向；交换弹簧称和手所拉细绳的位置，再次将结点拉至O点，使两力的方向与原来两力方向相同，并记下此时弹簧称的示数F2；只有一个弹簧称将结点拉至O点，并记下此时弹簧称的示数F的大小及方向；所以若只有一只弹簧秤，为了完成该实验至少需要3次把橡皮条结点拉到O。
7、（2022·浙江1月卷·T23）“探究碰撞中的不变量”的实验装置如图所示，阻力很小的滑轨上有两辆小车A、B，给小车A一定速度去碰撞静止的小车B，小车A、B碰撞前后的速度大小可由速度传感器测得。
①实验应进行的操作有_______。
A．测量滑轨的长度
B．测量小车的长度和高度
C．碰撞前将滑轨调成水平
②下表是某次实验时测得的数据：
A的质量/kg B的质量/kg 碰撞前A的速度大小/（） 碰撞后A的速度大小/（） 碰撞后B的速度大小/（）
0.200 0.300 1.010 0.200 0.800
由表中数据可知，碰撞后小车A、B所构成系统的总动量大小是_______kg·m/s。（结果保留3位有效数字）
【答案】 ①. C ②.
【解析】
①[1]碰撞前将滑轨调成水平，保证碰撞前后A、B做匀速直线运动即可，没有必要测量滑轨的长度和小车的长度、高度。
故选C。
②[2]由表中数据可知小车A的质量小于B的质量，则碰后小车A反向运动，设碰前小车A的运动方向为正方向，则可知碰后系统的总动量大小为
解得
8、（2022·浙江1月卷·T17）（1）在“研究平抛运动”实验中，以小钢球离开轨道末端时球心位置为坐标原点O，建立水平与竖直坐标轴。让小球从斜槽上离水平桌面高为h处静止释放，使其水平抛出，通过多次描点可绘出小球做平抛运动时球心的轨迹，如图所示。在轨迹上取一点A，读取其坐标（x0，y0）。
①下列说法正确的是_______。
A.实验所用斜槽应尽量光滑
B.画轨迹时应把所有描出的点用平滑的曲线连接起来
C.求平抛运动初速度时应读取轨迹上离原点较远的点的数据
②根据题目所给信息，小球做平抛运动的初速度大小v0=_______。
A． B． C． D．
③在本实验中要求小球多次从斜槽上同一位置由静止释放的理由是_______。
【答案】 ①. C ②. D ③. 确保多次运动的轨迹相同
【解析】
①[1]A．只要保证小球每次从同一位置静止释放，到达斜槽末端的速度大小都相同，与实验所用斜槽是否光滑无关，故A错误；
B．画轨迹时应应舍去误差较大的点，把误差小的点用平滑的曲线连接起来，故B错误；
C．求平抛运动初速度时应读取轨迹上离远点较远的点的数据，便于减小读数产生的偶然误差，故C正确；
故选C。
②[2] 坐标原点O为抛出点，由平抛规律有
联立解得平抛初速度为
故选D。
③[3] 小球多次从斜槽上同一位置由静止释放是为了保证到达斜槽末端的速度大小都相同，从而能确保多次运动的轨迹相同。
9、（2022·河北·T11）某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m。已知弹簧的弹性势能表达式为，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g。
（1）在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置，测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源。从静止释放钩码，弹簧收缩，得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图2所示，纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T（在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点）。从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为______，钩码的动能增加量为______，钩码的重力势能增加量为______。
（2）利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系，如图3所示。由图3可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是______。
【答案】 ①. ②. ③. mgh5 ④.见解析
【解析】
（1）[1]从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为
整理有
[2]打F点时钩码的速度为
由于在误差允许的范围内，认为释放钩码的同时打出A点，则钩码动能的增加量为
[3]钩码的重力势能增加量为
Ep重=mgh5
（2）[4]钩码机械能的增加量，即钩码动能和重力势能增加量的总和，若无阻力做功则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量。现在随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功，则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大，导致空气阻力逐渐增大，以至于空气阻力做的功也逐渐增大。
10、（2022·湖北·T12）某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值和最小值。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的图像是一条直线，如图乙所示。
（1）若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为_______。
（2）由图乙得:直线的斜率为______，小钢球的重力为_______N。（结果均保留2位有效数字）
（3）该实验系统误差的主要来源是______（单选，填正确答案标号）。
A．小钢球摆动角度偏大
B．小钢球初始释放位置不同
C．小钢球摆动过程中有空气阻力
【答案】 ①. ②. ③. 0.59 ④.C
【解析】
（1）[1]设初始位置时，细线与竖直方向夹角为θ，则细线拉力最小值为
到最低点时细线拉力最大，则
联立可得
即若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为；
（2）[2][3]由图乙得直线的斜率为
则小钢球的重力为
（3）[4]该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选C。
【突破练习】
1.（2022·广东普通高中高三下学期一模）某兴趣小组用光电门、计时器和直尺测量当地的重力加速度。图（a）是其实验装置，其操作方法是：让直尺下端刚好处于光电门处并由静止释放，光电计时器记录直尺通过光电门的时间，直尺运动过程中尺身始终处于竖直方向，图（b）是量程分别为0～15.0cm的钢尺和0～20.0cm的塑料尺。
（1）为了较准确测出重力加速度，应选择_______（选填“钢尺”或“塑料尺”）完成该实验。
（2）小组通过5次实验，测得直尺通过光电门的时间如下表。第4次实验操作可能存在的问题是：直尺下端开始遮光时具有_______（选填“加速度”“初速度”或“重力”）
次数 1 2 3 4 5
时间/s 0.184 0.186 0.185 0.150 0.186
（3）剔除第4组数据，从表格其他数据算出时间的平均值是0.185s，并利用选定的直尺的量程L代入，得8.77m/s2，结果与当地重力加速度差距较大，上述数据处理存在的问题是_________。
（4）根据实验数据，正确的计算结果应该是g=_______。（结果保留2位小数）
【答案】 ①. 钢尺 ②. 初速度 ③. 计算位移时误用钢尺的量程，应该用钢尺的总长度 ④. 9.70m/s2
【解析】
（1）[1]由于钢尺的密度大，空气阻力的影响小，所以选钢尺；
（2）[2]由表格可知，第4次实验的时间明显小于其他几次，可能存在的问题是：直尺下端开始遮光时具有初速度；
（3）[3]根据，带入计算的加速度得
结果与当地重力加速度差距较大，上述数据处理存在的问题是计算位移时误用钢尺的量程，应该用钢尺的总长度；
（4）[4]由图可知，钢尺总长度为0.166m，根据实验数据，正确的计算结果应该是
2.（2022·北京市海淀区高三下学期一模）如图1所示，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球碰撞前后的动量关系。图1中的O点为小球抛出点在记录纸上的垂直投影。实验时，先使A球多次从斜轨上位置P静止释放，找到其平均落地点的位置E。然后，把半径相同的B球静置于水平轨道的末端，再将A球从斜轨上位置P静止释放，与B球相碰后两球均落在水平地面上，多次重复上述A球与B球相碰的过程，分别找到碰后A球和B球落点的平均位置D和F。用刻度尺测量出水平射程。测得A球的质量为，B球的质量为。
（1）实验中，通过测量小球做平抛运动的水平射程来代替小球碰撞前后的速度。
①实验必须满足的条件有__________。
A.两球的质量必须相等 B.轨道末端必须水平
C.A球每次必须从轨道的同一位置由静止释放
②“通过测量小球做平抛运动的水平射程来代替小球碰撞前后的速度”可行的依据是___________。
A.运动过程中，小球的机械能保持不变
B.平抛运动的下落高度一定，运动时间相同，水平射程与速度大小成正比
（2）当满足表达式______时，即说明两球碰撞中动量守恒；如果再满足表达式_______时，则说明两球的碰撞为弹性碰撞。（用所测物理量表示）
（3）某同学在实验时采用另一方案：使用半径不变、质量分别为的B球。将A球三次从斜轨上位置P静止释放，分别与三个质量不同的B球相碰，用刻度尺分别测量出每次实验中落点痕迹距离O点的距离，记为。将三组数据标在图中。从理论上分析，图2中能反映两球相碰为弹性碰撞的是____________。
【答案】 ①. BC##CB ②. B ③. ④. ⑤. A
【解析】
（1）[1]A．为防止碰后小球A反弹，应使A的质量大于B的质量，故A错误；
B．为保证小球做平抛运动，轨道末端必须水平，故B正确；
C．为保证小球A到轨道末端时的速度相等，A球每次必须从轨道的同一位置由静止释放，故C正确。
故选BC。
[2] 小球做平抛运动的过程，有
整理得
，
发现，平抛运动的下落高度一定，运动时间相同，水平射程与速度大小成正比。
故选B
（2）[3]因为可用小球做平抛运动的水平射程来代替小球抛出时的速度，根据动量守恒有
[4]若碰撞过程为弹性碰撞，则机械能守恒，有
即
（3）[5]因为碰撞前，球A的速度不变，则球A单独落地时的一直不变。
根据
整理得
因为三组数据中球B的质量不同，故图像中，三个数据点与原点连线的斜率不同，且代入数据得斜率分别为
，，
故选A。
3.（2022·山东潍坊市高三下学期一模）利用如图所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度．一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动．当一带有遮光片的滑块自斜面上端滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离x，记下相应的t值，所得数据如表中所示．
x(m) 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 0.950
t(ms) 292.9 371.5 452.3 552.8 673.8 776.4
(m/s) 1.71 1.62 1.55 1.45 1.34 1.22
完成下列填空和作图：
(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度vt、测量值x和t四个物理量之间所满足的关系式是______________；
(2)根据表中给出的数据，在下图给出的坐标纸上画出－t图线______；
(3)由所画出的－t图线，得出滑块加速度的大小为a＝__________ m/s2(保留2位有效数字)．
【答案】 ①. ②. ③. 2.0
【解析】
(1)[1]沿斜面向下是匀加速运动，反过来也可以看成是初速度为vt的沿斜面向上的匀减速运动，由位移公式有
x＝vtt+at2
由于要画－t图象，所以可将上式变形得
(2)[2]－t图线如图所示．
(3)[3]由
可知图象的斜率
解得
a＝－2k＝2.0 m/s2.
4.（2022·山东济南市高三下学期一模）某研究性学习小组从北京冬奥会冰壶比赛项目中获得启发，利用冰壶碰撞来验证动量守恒定律。该小组在两个相同的奶粉罐中加水，放在户外结冰后制成两只质量不同的冰壶A和B，在户外一块平整的水平地面上泼水结冰形成冰面。小组成员用如图甲（俯视）所示的装置压缩弹簧后将冰壶弹出，此冰壶与另一只静止的冰壶发生碰撞。主要实验步骤如下∶
①固定发射装置，将冰壶A压缩弹簧后释放；
②标记冰壶A停止时的位置，在冰壶运动路径上适当位置标记一定点O，测出冰壶A停止时右端到O点的距离，如图乙所示。重复多次，计算该距离的平均值记为；
③将冰壶B静置于冰面，左端位于O点。重新弹射冰壶A，使两冰壶对心正碰，测出冰壶A停止时右端距O点的距离和冰壶B停止时左端距O点的距离。重复多次，分别计算距离的平均值记为和，如图丙所示。
（1）实验中，应如何操作才能确保冰壶A每次到达O点时的速度均相同？（ ）
（2）为完成实验，还需要测出_______，验证动量守恒定律的表达式为_______（用、、和测量物理量对应的字母表示）。
【答案】 ①. 每次将弹簧压缩至同一位置静止释放 ②. 冰壶A的质量，冰壶B的质量 ③.
【解析】
（1）[1] 确保冰壶A每次到达O点时的速度均相同，需要每次将弹簧压缩至同一位置；
（2）[2][3]根据动量守恒定律
运动过程中做匀减速运动
联立解得
故还需要测量冰壶A的质量，冰壶B的质量。
5.（2022·山东烟台市德州市高三下学期一模）某物理实验小组利用图甲所示装置“探究小车的加速度与受力的关系”。
（1）关于实验操作，下列说法正确是______；
A．实验时，先释放小车再接通打点计时器的电源
B．调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行
C．每次改变重物质量时，不需要重新调整长木板的倾斜度
D．为尽可能减小实验误差，小车的质量应远大于重物的质量
（2）一次实验中获得纸带如图乙所示，已知所用电源的频率为50Hz，每5个点取一个计数点，A、B、C、D、E、F、G为所取计数点，由图中数据可求得加速度大小a=______m/s2；（计算结果保留两位有效数字）
（3）实验小组先保持小车质量为m1不变，改变小车所受的拉力F，得到a随F变化的规律如图丙中直线A所示，然后实验小组换用另一质量为m2的小车，重复上述操作，得到如图丙中所示的直线B，由图可知，m1______m2（选填“大于”或“小于”），直线B不过坐标原点的原因是______。
【答案】 ①. BCD ②. 0.18##0.19 ③. 小于 ④. 长木板倾斜程度过大，补偿阻力过度
【解析】
（1）[1] A．实验时，要去先接通打点计时器的电源再释放小车，A错误；
B．绳子的拉力应与运动方向一致，故应调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行，B正确；
C．平衡后，应有
即有
故每次改变重物质量时，不需要重新调整长木板的倾斜度，C正确；
D．为尽可能减小实验误差，实验要求小车的质量应远大于重物的质量，D正确。
故选BCD。
（2）[2]设
由图乙可得
所用电源的频率为50Hz，每5个点取一个计数点，可得AD之间的时间间隔为
根据匀变速直线运动的推论，即
代入数据，解得
（3）[3][4]根据牛顿第二定律可得
故有
则有
当拉力F相等时，有
由直线B可知，当F等于0时，加速度不等于零，说明平衡摩擦力过度，即长木板倾斜程度过大，补偿阻力过度。
6.（2022·湖南岳阳市高三下学期二模）某同学用如图所示的装置验证动能定理和测量滑块与长木板之间的动摩擦数。将木板固定在水平桌面上，木板左端固定一个挡板，挡板与滑块之间有一个轻质弹簧，轻质弹簧与挡板固定连接，滑块靠近弹簧。长木板上安装有两个光电门。
（1）用螺旋测微器测量遮光片的宽度，如图所示，其读数为d=___________mm；
（2）给滑块装上遮光片，向左推动滑块，压缩弹簧到适当位置，由静止松手，滑块离开弹簧后先后通过光电门1、2，与光电门相连的计时器记录下遮光片通过光电门1、2的时间分别为和，用刻度尺测出PQ间的距离为l，设滑块质量为m，滑块与长木板间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，则滑块从P位置运动到Q位置的过程中验证动能定理的表达式为___________（用第1、2小问中所给的字母表示）；
（3）改变弹簧的压缩程度进行多次实验，并计算得出多组滑块通过P点和Q点的速度v1和v2，根据下表中的数据在坐标纸上描点连线，作出图象如图所示。
v2（m2·s-1） 1 2 3 4 5 6
2.80 3.61 4.41 480 6.45 7.58
0.60 1.41 2.25 3.65 4.23 5.40
（4）若重力加速度g取9.8m/s2，用刻度尺测出PQ间的距离l=33.0cm，由图象可得，滑块与长木板间的动摩擦因数为___________（结果保留两位小数）。
【答案】 ①. ②. ③. 0.34
【解析】
(1)[1]螺旋测微器的固定刻度为4.5mm，可动部分为
所以读数
(2)[2]遮光片通过光电门1、2的速度分别为
则滑块从P位置运动到Q位置的过程中，由动能定理
(4)[3]由上式可得
由图可知，时，，带入上式，可得
PAGE专题18 电学实验
【真题汇编】
1、（2022·湖南卷·T12）小梦同学自制了一个两挡位（“”“”）的欧姆表，其内部结构如图所示，为调零电阻（最大阻值为），、、为定值电阻（），电流计G的内阻为。用此欧姆表测量一待测电阻的阻值，回答下列问题：
（1）短接①②，将单刀双掷开关与接通，电流计G示数为；保持电阻滑片位置不变，将单刀双掷开关与接通，电流计G示数变为，则______（填“大于”或“小于”）；
（2）将单刀双掷开关与接通，此时欧姆表的挡位为______（填“”或“”）；
（3）若从“”挡位换成“”挡位，调整欧姆零点（欧姆零点在电流计G满偏刻度处）时，调零电阻的滑片应该______调节（填“向上”或“向下”）；
（4）在“”挡位调整欧姆零点后，在①②间接入阻值为定值电阻，稳定后电流计G的指针偏转到满偏刻度的；取走，在①②间接入待测电阻，稳定后电流计G的指针偏转到满偏刻度的，则______。
【答案】 ①. 大于 ②. ③. 向上 ④.
【解析】
（1）[1]根据题意可知，所以开关拨向时电路的总电阻小于开关拨向时电路的总电阻，电源电动势不变，根据可知；
（2）[2]当开关拨向时，全电路的总电阻较大，中值电阻较大，能够接入待测电阻的阻值也更大，所以开关拨向时对应欧姆表的挡位倍率较大，即；
（3）[3]从“”挡位换成“”挡位，即开关从拨向，全电路电阻增大，干路电流减小，①②短接时，为了使电流表满偏，则需要增大通过电流计所在支路的电流，所以需要将的滑片向上调节；
（4）[4]在“”挡位，电路图结构简化如图
第一次，当①②短接，全电路的总电阻为
通过干路的电流为
电流表满偏，根据并联电路中电流之比等于电阻反比可知
第二次，①②之间接入，全电路总电阻为，通过干路的电流为
电流表偏转了量程的，则
结合第一次和第二次解得
第三次，①②之间接入，全电路总电阻为，通过干路的电流为
电流表偏转了量程的，则
结合第二次和第三次，解得
2、（2022·广东卷·T12）弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件，某同学测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系，实验过程如下：
（1）装置安装和电路连接；如图（a）所示，导电绳的一端固定，另一端作为拉伸端，两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图（b）所示的电路中。
（2）导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量
①将导电绳拉伸后，用刻度尺测量并记录A、B间的距离，即为导电绳拉伸后的长度L。
②将滑动变阻器R的滑片滑到最右端。断开开关S2，闭合开关S1，调节R，使电压表和电流表的指针偏转到合适位置。记录两表的示数U和I1。
③闭合S2，电压表的示数__________（选填“变大”或“变小”）。调节R使电压表的示数仍为U，记录电流表的示数I2，则此时导电绳的电阻Rx=__________（用I1、I2和U表示）。
④断开S1，增大导电绳拉伸量，测量并记录A、B间的距离，重复步骤②和③。
（3）该电压表内阻对导电绳电阻的测量值__________（选填“有”或“无”）影响。
（4）图11(c）是根据部分实验数据描绘的Rx—L图线。将该导电绳两端固定在某种机械臂上，当机械臂弯曲后，测得导电绳的电阻Rx为1.33kΩ，则由图线可读出导电绳拉伸后的长度为__________cm，即为机械臂弯曲后的长度。
【答案】 ①. 变小 ②. ③. 无 ④. 51.80
【解析】
（2）[1]闭合S2后，并联部分的电阻减小，根据闭合电路欧姆定律，电压表的示数变小。
[2]加在导电绳两端的电压为U，流过导电绳的电流为I2—I1，因此导电绳的电阻
（3）[3]在闭合S2之前，电流表I1的示数包括定值电阻的电流和电压表分得的电流，闭合S2之后，加在电压表两端的电压保持不变，因此流过电压表和定值电阻的总电流仍为I1，故流过导电绳的电流是I2—I1，与电压表内阻无关，电压表内阻对测量没有影响。
（4）[4]由图c可知，导电绳拉伸后的长度为51.80cm。
3、（2022·山东卷·T14）某同学利用实验室现有器材，设计了一个测量电阻阻值的实验。实验器材：
干电池E（电动势1.5V，内阻未知）；
电流表A1（量程10mA，内阻为90Ω）；
电流表A2（量程30mA，内阻为30Ω）；
定值电阻R0（阻值为150Ω）；
滑动变阻器R（最大阻值为100Ω）；
待测电阻Rx；
开关S，导线若干。
测量电路如图所示。
（1）断开开关，连接电路，将滑动变阻器R的滑片调到阻值最大一端。将定值电阻R0接入电路；闭合开关，调节滑片位置。使电流表指针指在满刻度的处。该同学选用的电流表为_______（填“A1”或“A2”）；若不考虑电池内阻。此时滑动变阻器接入电路的电阻值应为________Ω。
（2）断开开关，保持滑片的位置不变。用Rx替换R0，闭合开关后，电流表指针指在满刻度的处，则Rx的测量值为________Ω。
（3）本实验中未考虑电池内阻，对Rx的测量值_________（填“有”或“无”）影响
【答案】 ①. A1 ②. 60 ③. 100 ④. 无
【解析】
（1）[1]若不考虑电源内阻，且在电源两端只接R0时，电路中的电流约为
由题知，闭合开关，调节滑片位置，要使电流表指针指在满刻度的处，则该同学选到的电流表应为A1。
[2]当不考虑电源内阻，根据闭合电路的欧姆定律有
计算出
R= 60Ω
（2）[3]断开开关，保持滑片的位置不变，用Rx替换R0，闭合开关后，有
代入数据有
Rx= 100Ω
（3）[4]若考虑电源内阻，根据闭合电路的欧姆定律有
联立计算出的Rx不受电源内阻r的影响。
4、（2022·全国甲卷·T22）某同学要测量微安表内阻，可利用的实验器材有：电源E（电动势，内阻很小），电流表（量程，内阻约），微安表（量程，内阻待测，约），滑动变阻器R（最大阻值），定值电阻（阻值），开关S，导线若干。
（1）在答题卡上将图中所示的器材符号连线，画出实验电路原理图_____；
（2）某次测量中，微安表的示数为，电流表的示数为，由此计算出微安表内阻_____。
【答案】 ①. 见解析 ②. 990Ω
【解析】
（1）[1]为了准确测出微安表两端的电压，可以让微安表与定值电阻R0并联，再与电流表串联，通过电流表的电流与微安表的电流之差，可求出流过定值电阻R0的电流，从而求出微安表两端的电压，进而求出微安表的内电阻，由于电源电压过大，并且为了测量多组数据，滑动电阻器采用分压式解法，实验电路原理图如图所示
（2）[2]流过定值电阻R0的电流
加在微安表两端的电压
微安表的内电阻
5、（2022·全国乙卷·T23）一同学探究阻值约为的待测电阻在范围内的伏安特性。可用器材有：电压表V（量程为，内阻很大），电流表A（量程为，内阻为），电源E（电动势约为，内阻不计），滑动变阻器R（最大阻值可选或），定值电阻（阻值可选或），开关S，导线若干。
（1）要求通过的电流可在范围内连续可调，在答题卡上将图（a）所示的器材符号连线，画出实验电路的原理图________；
（2）实验时，图（a）中的R应选最大阻值为______（填“”或“”）的滑动变阻器，应选阻值为______（填“”或“”）的定值电阻；
（3）测量多组数据可得的伏安特性曲线。若在某次测量中，电压表、电流麦的示数分别如图（b）和图（c）所示，则此时两端的电压为______V，流过的电流为_____，此组数据得到的的阻值为______（保留3位有效数字）。
【答案】 ①. ②. ③. ④. ⑤. ⑥.
【解析】
（1）[1]电流表内阻已知，电流表与并联扩大电流表量程，进而准确测量通过的电流，电压表单独测量的电压；滑动变阻器采用分压式接法，电表从开始测量，满足题中通过的电流从连续可调，电路图如下
（2）[2]电路中应选最大阻值为的滑动变阻器，方便电路的调节，测量效率高、实验误差小；
[3]通过电流最大为，需要将电流表量程扩大为原来的倍，根据并联分流的规律示意图如下
根据并联分流，即并联电路中电流之比等于电阻的反比，可知
解得
（3）[4]电压表每小格表示，向后估读一位，即；
[5]电流表每小格表示，本位估读，即，电流表量程扩大倍，所以通过的电流为；
[6]根据欧姆定律可知
6、（2022·浙江6月卷·T18）（1）探究滑动变阻器的分压特性，采用图1所示的电路，探究滑片P从A移到B的过程中，负载电阻R两端的电压变化。
①图2为实验器材部分连线图，还需要______（选填af、bf、fd、fc、ce或cg）连线。
②图3所示电压表的示数为_______ V。
③已知滑动变阻器的最大阻值R0=10Ω，额定电流I=1.0A。选择负载电阻R=10Ω，以R两端电压U为纵轴，为横轴（x为AP的长度，L为AB的长度），得到分压特性曲线为图4中的“I”；当R=100Ω，分压特性曲线对应图4中的__（选填“Ⅱ”或“Ⅲ”）；则滑动变阻器最大阻值的选择依据是____。
（2）两个相同的电流表G1和G2如图5所示连接，晃动G1表，当指针向左偏转时，静止的G2表的指针也向左偏转，原因是____。
A．两表都是“发电机”
B．G1表是“发电机”，G2表是“电动机”
C．G1表和G2表之间存在互感现象
D．G1表产生的电流流入G2表，产生的安培力使G2表指针偏转
【答案】 ①. af、fd、ce ②. ③. Ⅱ ④. ⑤. BD##DB
【解析】
（1）[1]依原理图可知，还需要af、fd、ce连线；
[2]依题意，所示电压表的示数为1.50V，考虑到偶然误差也可；
[3] 假定AP部分的电阻为，分别与10Ω与100Ω并联再与BP部分的电阻串联；由于相同的与100Ω并联后的电阻较与10Ω并联后的电阻大，则根据闭合电路的欧姆定律可知，滑片在相同位置下，负载电阻越大，其两端电压越大；即在相同横坐标下，此时负载100Ω时，电压表的示数应该较曲线为图4中的“I”来得大，故应该选“Ⅱ”。
[4]由上述分析可知，对于不同的负载电阻，调节滑动触头时负载两端的电压变化规律不同，当负载电阻小于滑动变阻器最大阻值时，负载电阻两端电压随滑动触头的变化而更迅速变化；当负载电阻大于滑动变阻器最大阻值时，负载电阻两端电压随滑动触头的变化而更加平稳变化，从而获得更多的实验数据。所以，在保证电路安全的情况下，滑动变阻器最大阻值的选择依据是相比负载电阻越小越好，即。
（2）[5]据题意可知：电流表主要部件是永久磁铁和带有指针的线圈，G1和G2用导线连接起来．当晃动动G1时，相当于G1中的线圈做切割磁感线运动，电路中会产生感应电流；由于两个电表构成了闭合电路，则电流会通过G2表中的线圈，而该线圈处于磁场中，由于通电导线在磁场中受力的作用，G2的指针也会偏转；则G1表相当于“发电机”，G2表相当于“电动机”，故AC错误，BD正确。
故选BD。
7、（2022·浙江1月卷·T18）小明同学根据图1的电路连接器材来“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”。实验时多次改变合金丝甲接入电路的长度、调节滑动变阻器的阻值，使电流表的读数达到某一相同值时记录电压表的示数U，从而得到多个的值，作出图像，如图2中图线a所示。
（1）在实验中使用的是_______（选填“0~20”或“0~200”）的滑动变阻器。
（2）在某次测量时，电压表指针位置如图3所示，则读数U=_______V。
（3）已知合金丝甲的横截面积为7.0×10-8m2，则合金丝甲的电阻率为_______·m（结果保留2位有效数字）。
（4）图2中图线b是另一根长度相同、材料相同的合金丝乙与合金丝甲并联后采用同样的方法获得的图像，由图可知合金丝甲的横截面积_______（选填“大于”、“等于”或“小于”）合金丝乙的横截面积。
【答案】 ①. 0~20 ②.1.32（1.31~1.34） ③. 0.99×10-6（0.96×10-6~1×10-6） ④. 小于
【解析】
（1）[1]由实验原理可知
而由图像可知待测电阻最大约为8，为了使电压表有明显的读数变化，则滑动变阻器的阻值不能太大，故选0~20比较合适；
（2）[2]量程为3V的电压表，精度为0.1V，估读到0.01V，则电压为1.32V（1.31~1.34）；
（3）[3]根据电阻定律有
则图像的斜率为
可得合金丝甲的电阻率为
（0.96×10-6~1×10-6）
（4）[4] 另一根长度相同、材料相同的合金丝乙与合金丝甲并联后，电阻率不变，而横截面积变为
由图2中图线b可得
解得
故合金丝甲的横截面积小于合金丝乙的横截面积。
8、（2022·河北·T12）某物理兴趣小组利用废弃电板煲的部分器材自制简易电饭煲，设计电路如图1所示，选用的器材有：限温开关S1（手动将其按下，开始持续加热煮饭，当锅内温度高于103℃时自动断开，之后不能自动闭合）；保温开关S2（当锅内温度高于80℃时自动断开，温度低于70℃时自动闭合）；电饭煲的框架（结构如图2所示）。自备元件有：加热电阻丝R（阻值为60Ω，用于加热煮饭）；限流电阻R1和R2，（阻值均为1kΩ）：指示灯L1和L2（2.5V，0.6W，当电流低于30mA时可视为熄灭）；保险丝T。
（1）按照兴趣小组设计的电路，下列说法正确的是______。
A．按下S1，L1和L2均发光
B．当锅内温度高于103℃时，S1自动断开，L1和L2均发光
C．保温过程中，S2自动在闭合、断开状态之间交替切换
D．当锅内温度低于70℃时，S2自动闭合，L1发光，L2熄灭
（2）简易电饭煲制作完成后，试用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常。在不增加元件的前提下，断开电源，使用多用电表判断发生故障的元件。下列操作步骤的正确顺序是______（填写各步骤前的字母）。
A．将选择开关旋转到“ × 100”位置
B．将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指针指向欧姆零点
C．调整“指针定位螺丝”，使指针指到零刻度
D．测量指示灯L1两端的阻值
E．将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡
操作时，将多用电表两表笔与L1两端接触，若指针如图3所示，可判断是______断路损坏；若指针如图4所示，可判断是______断路损坏。（用电路中的元件符号表示）
【答案】 ①. CDDC ②.CABDE ③.L1 ④.R1
【解析】
【详解】[1]A．按下S1后L2支路被短路，则L2不会发光，A错误；
B．当锅内温度高于103℃时，S1断开，而要温度降到70℃以下时S2才会闭合，则此时L2可能发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，并联的整体再和L2、R2串联，则回路中并联的整体电阻
RL= 10.42Ω
R并= 56.64Ω
则回路总电阻
R总= 1067.06Ω
则回路总电流
则L2一定发光，此时并联的整体的电压为
U并=I总R并= 11.89V
则流过L1的电流为
则流过L1的电流小于30mA，则L1熄灭，B错误；
C．由题知，S2在锅内温度高于80℃时自动断开，锅内温度降到70℃以下时S2自动闭合，C正确；
D．当锅内迢度低于70℃时，S2自动闭合，L2支路被短路，则L2不会发光，此时电路中R与R1和L1的串联部分并联，则此时流过L1的电流为
则此时流过L1的电流大于30mA，则L1发光，D正确。
故选CD。
（2）[2]多用电表的操作步骤为：调整“指针定位螺丝”，使指什指到零刻度——机械调零；将选择开关旋转到“ × 100”位置——选档；将两支表笔直接接触，调节“欧姆调零旋钮”，使指计指向欧姆零点——欧姆调零；测量指示灯L1两端的阻值——测量；将选择开关置于OFF位置或交流电压最高挡——关闭多用电表。
故正确顺序为CABDE。
[3]由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图3可看出L1两端有1090Ω左右的电阻，则说明L1始终不亮的原因是L1断路损坏。
[4]由于使用时L1始终不亮，但加热和保温功能均正常，则说明R、L2、R2、T均正常，如图3可看出欧姆表的示数几乎为零，但由于RL= 10.42Ω此时选用的是“ × 100”档则说明灯泡L1正常，则说明L1始终不亮的原因是R1断路损坏。
9、（2022·湖北·T13）某探究小组学习了多用电表的工作原理和使用方法后，为测量一种新型材料制成的圆柱形电阻的电阻率，进行了如下实验探究。
（1）该小组用螺旋测微器测量该圆柱形电阻的直径D，示数如图甲所示，其读数为_____mm。再用游标卡尺测得其长度L。
（2）该小组用如图乙所示的电路测量该圆柱形电阻Rx的阻值。图中电流表量程为0.6A、内阻为1.0Ω，定值电阻R0的阻值为20.0Ω，电阻箱R的最大阻值为999.9 Ω。首先将S2置于位置1，闭合S1，多次改变电阻箱R的阻值，记下电流表的对应读数I，实验数据见下表。
R/Ω I/A /A-1
5.0 0.414 2.42
10.0 0.352 2.84
15.0 0.308 3.25
20.0 0.272 3.68
25.0 0.244 4.10
30.0 0.222 4.50
根据表中数据，在图丙中绘制出图像。再将S2置于位置2，此时电流表读数为0.400A。根据图丙中的图像可得_____Ω（结果保留2位有效数字）。最后可由表达式____得到该材料的电阻率（用D、L、表示）。
（3）该小组根据图乙的电路和图丙的图像，还可以求得电源电动势_________V，内阻_______Ω。（结果均保留2位有效数字）
（4）持续使用后，电源电动势降低、内阻变大。若该小组再次将此圆柱形电阻连入此装置，测得电路的电流，仍根据原来描绘的图丙的图像得到该电阻的测量值会_____（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
【答案】 ①. 3.700 ②.6.0 ③. ④. 12 ⑤.3.0 ⑥.偏小
【解析】
【详解】（1）[1]用螺旋测微器测量该圆柱形电阻的直径D，其读数为
（2）（3）[2][3][4][5]由电路可知，当将S2置于位置1，闭合S1时
即
由图像可知
解得
解得
再将S2置于位置2，此时电流表读数为0.400A，则
解得
根据
解得
（3）由（2）可知
（4）根据表达式
因电源电动势变小，内阻变大，则当安培表由相同读数时，得到的的值偏小，即测量值偏小。
【突破练习】
1.（2022·湖北八市高三下学期二模）某校举行了一次物理实验操作技能比赛，其中一项比赛为选用合适的电学元件设计合理的电路，并能较准确的测量同一电池组的电动势及其内阻。提供的器材如下：
A．电流表G（满偏电流10mA，内阻10Ω）
B．电流表A（0~0.6A~3A，内阻未知）
C．电压表V（0~5V~10V，内阻未知）
D．滑动变阻器R（0~100Ω，1A）
E．定值电阻（阻值990Ω）
F．开关与导线若干
（1）图（a）是小宇同学根据选用的仪器设计测量该电池组电动势和内阻的电路图。根据该实验电路测出的数据绘制的图线如图（b）所示（为电流表G的示数，为电流表A的示数），则由图线可以得到被测电池组的电动势______V，内阻______Ω；（结果均保留2位有效数字）
（2）另一位小张同学则设计了图（c）所示的实验电路对电池组进行测量，记录了单刀双掷开关分别接1、2对应电压表的示数U和电流表的示数I；根据实验记录的数据绘制图线如图（d）中所示的A、B两条图线。
可以判断图线A是利用单刀双掷开关接______（选填“1”或“2”）中的实验数据描出的；分析A、B两条图线可知，此电池组的电动势为______，内阻______（用图中、、，表示）。
【答案】 ①. 7.5 ②. 5.0 ③. 1 ④. EA ⑤.
【解析】
（1）[1][2]电流表G和定值电阻串联，其可看成一个电压表，则有
整理可得
根据图像可知，图线与纵轴会相交于的位置，则有
可得
且有
可得
（2）[3][4][5]若单刀双掷开关接1，则电流表相对于电源内接，则因电流表分压作用，会导致
，
若单刀双掷开关接2，则电流表相对于电源外接，因电压表分流作用，会导致
，
结合所给图像，可以判断出A图线是利用单刀双掷开关接1，同样也可以判断出
，
则内阻为
2.（2022·河南开封市高三下学期二模）某同学利用如图所示的电路测量多个物理量。实验室提供的器材有：
两个相同的待测电源（内阻r约为1Ω）
电阻箱R1（最大阻值为999.9Ω）
电阻箱R2（最大阻值为999.9Ω）
电压表V（内阻约为2kΩ）
电流表A（内阻约为2Ω）
灵敏电流计G，两个开关S1、S2
主要实验步骤如下：
①按图连接好电路，调节电阻箱R1和R2至最大，闭合开关S1和S2，再反复调节R1和R2，使电流计G的示数为0，读出电流表A、电压表V、电阻箱R1、电阻箱R2的示数分别为0.41A、12.0V、30.0Ω、28.2Ω；
②反复调节电阻箱R1和R2（与①中的电阻值不同），使电流计G的示数为0，读出电流表A、电压表V的示数分别为0.60 A、11.7V。
回答下列问题：
（1）步骤①中：电流计G的示数为0时，电路中A和B两点的电势差___________V；A和C两点的电势差______V；A和D两点的电势差___________V；
（2）利用步骤①中的测量数据可以求得电压表V的内阻______Ω；电流表A的内阻RA=_______Ω；
（3）结合步骤①步骤②的测量数据，电源的电动势E=___________V，内阻r=_________Ω。
【答案】 ①. 0 ②. 12.0 ③. ④. 1200 ⑤. 1.07 ⑥. 12.64
⑦. 1.57
【解析】
（1）[1][2][3]电流计G的示数为0时，A、B两点电势相等，即
电压表示数即为A、C两点电势差，即
由闭合电路欧姆定律可知，D、A和A、C之间电势差相等，故
（2）[4][5]由于电流计G的示数为0，所以电流表的示数等于电压表的电流与电阻的电流之和，则在步骤1中，通过电压表的电流
电压表的内阻
左右两个电源两极间的电压相等，则有
解得电流表的内阻
（3）[6][7]根据闭合电路欧姆定律得
解得
代入数据解得
3.（2022·河北唐山市高三下学期一模）实验小组利用如图所示电路测量某金属丝的电阻率。
（1）使用螺旋测微器测量金属丝的直径，如上图所示，金属丝的直径为___________mm。
（2）关于电流表和滑动变阻器，有以下器材可供选择：
A．电流表量程A，内阻 B．电流表量程A，内阻未知
C．滑动变阻器，最大阻值10Ω D．滑动变阻器，最大阻值50Ω
实验中电流表应选择___________，滑动变压器应选择___________（填写器材前边序号）。
（3）闭合电键之前，滑动变阻器的滑片应滑到_______（按照电路图填“最左端”、“正中间”或“最右端”）。
（4）闭合电键，调节滑动变阻器和电阻箱，使电压表有一较大读数U，记下此时电阻箱的读数和电流表的读数。
（5）改变电阻箱的阻值，同时调节滑动变阻器，使电压表的读数仍为U，记下此时电阻箱的读数和电流表的读数。
（6）重复步骤（5），得到多组电阻箱和电流表的数据，以电阻箱电阻R为横坐标，以电流表电流的倒数为纵坐标建立坐标系，描点连线，获得图线的纵轴截距为b，可知电阻丝电阻为___________（用题中给定的符号表示）。
（7）将电阻值代入电阻定律计算电阻丝的电阻率。
【答案】 ①. 0.867##0.868##0.869##0.870 ②. A ③. C ④. 最左端 ⑤. Ub-RA
【解析】
（1）[1] 螺旋测微器读数为
0.5mm+36.9×0.01mm=0.869mm
（2）[2][3]选用内阻已知的电流表可以通过计算消去电流表分压引起的系统误差，故电流表选择A。滑动变阻器采用分压接法，故用总电阻较小的C。
（3）[4] 为使开始时电压表的读数为零，闭合电键之前，滑动变阻器的滑片应滑到最左端。
（6）[5]根据题意有
结合图像可知
解得
4.（2022·河北石家庄高三下学期一模）在实践活动中，某同学用苹果制成水果电池。该同学用如图甲所示的实验电路来测量该电池的电动势和内阻，得到如图乙所示的图线。
（1）由图线可得，该电池的电动势_______V，内电阻_______Ω（结果均保留3位有效数字）。
（2）实验测得的电池的内阻与真实值相比，_______（选填“>”“<”或“=”），其原因是______________（选填“电压表分流”或“电流表分压”）。
（3）为了更精确测量该电池的内阻，该同学设计如图丙所示的测量电路，其中、是单刀单掷开关，是单刀双掷开关，开始时开关、、均断开。
①请按照电路图丙，在图丁中用笔画线代替导线完成电路的连接；（ ）
②先闭合，将拨向a，读出电压表的示数为，电流表的示数为，电压表的内阻____________；
③保持闭合，拨向b，读出电压表的示数为；最后闭合，读出电压表的示数为，电流表示数为，则该电池的内阻____________。（结果均用所测得物理量的符号表示）
【答案】 ①. 0.950 ②. 467 ③. 小于 ④. 电压表分流 ⑤. ⑥. ⑦. 或
【解析】
（1）[1][2]由
可知，图像在纵轴的截距等于电源电动势，斜率的绝对值等于内阻，由图像可得
（2）[3][4]本实验存在系统误差，原因是电压表分流，使得电流表示数小于干路电流，外电路短路时，电压表分流为零，实际电流等于电流表电流，电压越大，电压表分流越多，实际电流大于电流表电流越大，图像斜率的绝对值将越大，由此造成电源内阻测量值小于真实值。
（3）①[5]按照电路图丙，电路的连接如下图所示
②[6]根据欧姆定律可得，电压表的内阻为
③[7]根据闭合电路欧姆定律可得
又
解得
5.（2022·广东汕头市高三下学期一模）某实验小组准备用铜片和锌片作为2个电极插入苹果制成水果电池，探究电极间距、电极插入深度对水果电池的电动势和内阻的影响。实验小组在市场上购买了品种、大小和成熟程度几乎相同的苹果，成员设计了两个方案测量苹果电池的电动势E和内阻r，电路原理如下图所示。实验室可供器材如下：
电压表V（0~3V，内阻约3kΩ；0~15V，内阻约15kΩ）；
电流表A（0~0.6A，内阻约0.125Ω；0~3A，内阻约0．025Ω）；
微安表G（量程200μA；内阻约1000Ω）；
滑动变阻器（额定电流2A，最大阻值100Ω），电阻箱（最大阻99999Ω），开关、导线若干。
（1）查阅资料知道苹果电池的电动势约为1V，内阻约为几kΩ，经过分析后发现方案A不合适，你认为方案A不合适的原因是_______（多选题）
A．滑动变阻器起不到调节的作用 B．电流表几乎没有示数
C．电压表分流明显导致测量误差偏大 D．电压表示数达不到量程的三分之一
（2）实验小组根据方案B进行实验，根据数据作出图像，己知图像的斜率为k，纵轴截距为b，微安表内阻为，可求得被测电池的电动势______，内电阻______．
（3）改变电极间距、电极插入深度重复实验，测得数据如图所示。
序号 电极插入深度h/cm 电极间距d/cm 电动势E/V 内阻r/Ω
1 4 2 1.016 5981
2 4 4 1.056 9508
3 2 2 1.083 11073
（3）分析以上数据可知电极插入越深入，水果电池内阻越_____，电极间距越大，水果电池内阻越_____。
【答案】 ①. ABD ②. ③. ④. 小 ⑤. 大
【解析】
（1）[1]A．滑动变阻器最大阻值只有100Ω，而苹果电池的内阻约为几kΩ，则滑动变阻器起不到调节的作用，选项A正确；
B．电路中电流只有不到1mA，则电流表几乎没有示数，选项B正确；
C．电压表内阻远大于滑动变阻器的电阻，电压表的分流不明显，选项C错误；
D．使用量程为0~3V的电压表，电压表示数达不到量程的三分之一，选项D正确。
故选ABD。
（2）[2][3]由电路可得
解得
则
解得
（3）[4] [5]分析1、3两组数据可知电极插入越深入，水果电池内阻越小；分析1、2两组数据可知，电极间距越大，水果电池内阻越大。
PAGE专题19 力学计算题
【真题汇编】
1、（2022·湖南卷·T14）如图（a），质量为m篮球从离地H高度处由静止下落，与地面发生一次非弹性碰撞后反弹至离地h的最高处。设篮球在运动过程中所受空气阻力的大小是篮球所受重力的倍（为常数且），且篮球每次与地面碰撞的碰后速率与碰前速率之比相同，重力加速度大小为g。
（1）求篮球与地面碰撞的碰后速率与碰前速率之比；
（2）若篮球反弹至最高处h时，运动员对篮球施加一个向下的压力F，使得篮球与地面碰撞一次后恰好反弹至h的高度处，力F随高度y的变化如图（b）所示，其中已知，求的大小；
（3）篮球从H高度处由静止下落后，每次反弹至最高点时，运动员拍击一次篮球（拍击时间极短），瞬间给其一个竖直向下、大小相等的冲量I，经过N次拍击后篮球恰好反弹至H高度处，求冲量I的大小。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）篮球下降过程中根据牛顿第二定律有
mg - λmg=ma下
再根据匀变速直线运动的公式，下落的过程中有
v下2= 2a下H
篮球反弹后上升过程中根据牛顿第二定律有
mg + λmg=ma上
再根据匀变速直线运动的公式，上升的过程中有
v上2= 2a上h
则篮球与地面碰撞的碰后速率与碰前速率之比
（2）若篮球反弹至最高处h时，运动员对篮球施加一个向下的压力F，则篮球下落过程中根据动能定理有
篮球反弹后上升过程中根据动能定理有
联立解得
（3）由（1）问可知篮球上升和下降过程中的加速度分别为
a下= (1 – λ)g（方向向下）
a上= (1 + λ)g（方向向下）
由题知运动员拍击一次篮球（拍击时间极短），瞬间给其一个竖直向下、大小相等的冲量I，由于拍击时间极短，则重力的冲量可忽略不计，则根据动量定理有
I=mv
即每拍击一次篮球将给它一个速度v。
拍击第1次下降过程有
v12 - v2= 2(1 – λ)gh0
上升过程有
(kv1)2= 2(1 + λ)gh1
代入k后，下降过程有
v12 - v2= 2(1 – λ)gh0
上升过程有
hv12= 2(1 – λ)gHh1
联立有
拍击第2次，同理代入k后，下降过程有
v22 - v2= 2(1 – λ)gh1
上升过程有
hv22= 2(1 – λ)gHh2
联立有
再将h1代入h2有
拍击第3次，同理代入k后，下降过程有
v32 - v2= 2(1 – λ)gh2
上升过程有
hv32= 2(1 – λ)gHh3
联立有
再将h2代入h3有
直到拍击第N次，同理代入k后，下降过程有
vN2 - v2= 2(1 – λ)ghN - 1
上升过程有
hvN2= 2(1 – λ)gHhN
联立有
将hN-1代入hN有
其中
hN=H，h0=h
则有
则
2、（2022·广东卷·T13）某同学受自动雨伞开伞过程的启发，设计了如图所示的物理模型。竖直放置在水平桌面上的滑杆上套有一个滑块，初始时它们处于静止状态。当滑块从A处以初速度为向上滑动时，受到滑杆的摩擦力f为，滑块滑到B处与滑杆发生完全非弹性碰撞，带动滑杆离开桌面一起竖直向上运动。已知滑块的质量，滑杆的质量，A、B间的距离，重力加速度g取，不计空气阻力。求：
（1）滑块在静止时和向上滑动的过程中，桌面对滑杆支持力的大小和；
（2）滑块碰撞前瞬间的速度大小v1；
（3）滑杆向上运动的最大高度h。
【答案】（1），；（2）；（3）
【解析】
（1）当滑块处于静止时桌面对滑杆的支持力等于滑块和滑杆的重力，即
当滑块向上滑动过程中受到滑杆的摩擦力为1N，根据牛顿第三定律可知滑块对滑杆的摩擦力也为1N，方向竖直向上，则此时桌面对滑杆的支持力为
（2）滑块向上运动到碰前瞬间根据动能定理有
代入数据解得。
（3）由于滑块和滑杆发生完全非弹性碰撞，即碰后两者共速，碰撞过程根据动量守恒有
碰后滑块和滑杆以速度v整体向上做竖直上抛运动，根据动能定理有
代入数据联立解得。
3、（2022·山东卷·T18）如图所示，“L”型平板B静置在地面上，小物块A处于平板B上的点，点左侧粗糙，右侧光滑。用不可伸长的轻绳将质量为M的小球悬挂在点正上方的O点，轻绳处于水平拉直状态。将小球由静止释放，下摆至最低点与小物块A发生碰撞，碰后小球速度方向与碰前方向相同，开始做简谐运动（要求摆角小于），A以速度沿平板滑动直至与B右侧挡板发生弹性碰撞。一段时间后，A返回到O点的正下方时，相对于地面的速度减为零，此时小球恰好第一次上升到最高点。已知A的质量，B的质量，A与B的动摩擦因数，B与地面间的动摩擦因数，取重力加速度。整个过程中A始终在B上，所有碰撞时间忽略不计，不计空气阻力，求：
（1）A与B的挡板碰撞后，二者的速度大小与；
（2）B光滑部分的长度d；
（3）运动过程中A对B的摩擦力所做的功；
（4）实现上述运动过程，的取值范围（结果用表示）。
【答案】（1），；（2）；（3）；（4）
【解析】
（1）设水平向右为正方向，因为点右侧光滑，由题意可知A与B发生弹性碰撞，故碰撞过程根据动量守恒和能量守恒有
代入数据联立解得
，（方向水平向左）
，（方向水平向右）
即A和B速度的大小分别为，。
（2）因为A物体返回到O点正下方时，相对地面速度为0，A物体减速过程根据动能定理有
代入数据解得
根据动量定理有
代入数据解得
此过程中A减速的位移等于B物体向右的位移，所以对于此过程B有
联立各式代入数据解得
，（舍去）
故根据几何关系有
代入数据解得
（3）在A刚开始减速时，B物体的速度为
在A减速过程中，对B分析根据牛顿运动定律可知
解得
B物体停下来的时间为t3，则有
解得
可知在A减速过程中B先停下来了，此过程中B的位移为
所以A对B的摩擦力所做的功为
（4）小球和A碰撞后A做匀速直线运动再和B相碰，此过程有
由题意可知A返回到O点的正下方时，小球恰好第一次上升到最高点，设小球做简谐振动的周期为T，摆长为L，则有
小球下滑过程根据动能定理有
小球与A碰撞过程根据动量守恒定律有
当碰后小球摆角恰为5°时，有
联立可得
当碰后小球速度恰为0时，碰撞过程有
则可得
故要实现这个过程的范围为
4、（2022·山东卷·T16）某粮库使用额定电压，内阻的电动机运粮。如图所示，配重和电动机连接小车的缆绳均平行于斜坡，装满粮食的小车以速度沿斜坡匀速上行，此时电流。关闭电动机后，小车又沿斜坡上行路程L到达卸粮点时，速度恰好为零。卸粮后，给小车一个向下的初速度，小车沿斜坡刚好匀速下行。已知小车质量，车上粮食质量，配重质量，取重力加速度，小车运动时受到的摩擦阻力与车及车上粮食总重力成正比，比例系数为k，配重始终未接触地面，不计电动机自身机械摩擦损耗及缆绳质量。求：
（1）比例系数k值；
（2）上行路程L值。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（1）设电动机的牵引绳张力为，电动机连接小车的缆绳匀速上行，由能量守恒定律有
解得
小车和配重一起匀速，设绳的张力为，对配重有
设斜面倾角为，对小车匀速有
而卸粮后给小车一个向下的初速度，小车沿斜坡刚好匀速下行，有
联立各式解得
，
（2）关闭发动机后小车和配重一起做匀减速直线运动，设加速度为，对系统由牛顿第二定律有
可得
由运动学公式可知
解得
5、（2022·全国甲卷·T24）将一小球水平抛出，使用频闪仪和照相机对运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔发出一次闪光。某次拍摄时，小球在抛出瞬间频闪仪恰好闪光，拍摄的照片编辑后如图所示。图中的第一个小球为抛出瞬间的影像，每相邻两个球之间被删去了3个影像，所标出的两个线段的长度和之比为3：7。重力加速度大小取，忽略空气阻力。求在抛出瞬间小球速度的大小。
【答案】
【解析】
频闪仪每隔0.05s发出一次闪光，每相邻两个球之间被删去3个影像，故相邻两球的时间间隔为
设抛出瞬间小球的速度为，每相邻两球间的水平方向上位移为x，竖直方向上的位移分别为、，根据平抛运动位移公式有
令，则有
已标注的线段、分别为
则有
整理得
故在抛出瞬间小球的速度大小为
6、（2022·全国乙卷·T25）如图（a），一质量为m的物块A与轻质弹簧连接，静止在光滑水平面上：物块B向A运动，时与弹簧接触，到时与弹簧分离，第一次碰撞结束，A、B的图像如图（b）所示。已知从到时间内，物块A运动的距离为。A、B分离后，A滑上粗糙斜面，然后滑下，与一直在水平面上运动的B再次碰撞，之后A再次滑上斜面，达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为，与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求
（1）第一次碰撞过程中，弹簧弹性势能的最大值；
（2）第一次碰撞过程中，弹簧压缩量的最大值；
（3）物块A与斜面间的动摩擦因数。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）当弹簧被压缩最短时，弹簧弹性势能最大，此时、速度相等，即时刻，根据动量守恒定律
根据能量守恒定律
联立解得
（2）同一时刻弹簧对、的弹力大小相等，根据牛顿第二定律
可知同一时刻
则同一时刻、的的瞬时速度分别为
根据位移等速度在时间上的累积可得
又
解得
第一次碰撞过程中，弹簧压缩量的最大值
（3）物块A第二次到达斜面的最高点与第一次相同，说明物块A第二次与B分离后速度大小仍为，方向水平向右，设物块A第一次滑下斜面的速度大小为，设向左为正方向，根据动量守恒定律可得
根据能量守恒定律可得
联立解得
设在斜面上滑行的长度为，上滑过程，根据动能定理可得
下滑过程，根据动能定理可得
联立解得
7、（2022·浙江1月卷·T19）第24届冬奥会将在我国举办。钢架雪车比赛的一段赛道如图1所示，长12m水平直道AB与长20m的倾斜直道BC在B点平滑连接，斜道与水平面的夹角为15°。运动员从A点由静止出发，推着雪车匀加速到B点时速度大小为8m/s，紧接着快速俯卧到车上沿BC匀加速下滑（图2所示），到C点共用时5.0s。若雪车（包括运动员）可视为质点，始终在冰面上运动，其总质量为110kg，sin15°=0.26，求雪车（包括运动员）
（1）在直道AB上的加速度大小；
（2）过C点的速度大小；
（3）在斜道BC上运动时受到的阻力大小。
【答案】（1）；（2）12m/s；（3）66N
【解析】
（1）AB段
解得
（2）AB段
解得
BC段
过C点的速度大小
（3）在BC段有牛顿第二定律
解得
8、（2022·浙江1月卷·T20）如图所示，处于竖直平面内的一探究装置，由倾角=37°的光滑直轨道AB、圆心为O1的半圆形光滑轨道BCD、圆心为O2的半圆形光滑细圆管轨道DEF、倾角也为37°的粗糙直轨道FG组成，B、D和F为轨道间的相切点，弹性板垂直轨道固定在G点（与B点等高），B、O1、D、O2和F点处于同一直线上。已知可视为质点的滑块质量m=0.1kg，轨道BCD和DEF的半径R=0.15m，轨道AB长度，滑块与轨道FG间的动摩擦因数，滑块与弹性板作用后，以等大速度弹回，sin37°=0.6，cos37°=0.8。滑块开始时均从轨道AB上某点静止释放，
（1）若释放点距B点的长度l=0.7m，求滑块到最低点C时轨道对其支持力FN的大小；
（2）设释放点距B点的长度为，滑块第一次经F点时的速度v与之间的关系式；
（3）若滑块最终静止在轨道FG的中点，求释放点距B点长度的值。
【答案】（1）7N；（2）；（3）见解析
【解析】
（1）到C点过程
C点时
（2）能过最高点时，则能到F点，则恰到最高点时
解得
要能过F点
（3）设摩擦力做功为第一次到达中点时的n倍
解得
当时
当时
当时
9、（2022·浙江6月卷·T20）如图所示，在竖直面内，一质量m的物块a静置于悬点O正下方的A点，以速度v逆时针转动的传送带MN与直轨道AB、CD、FG处于同一水平面上，AB、MN、CD的长度均为l。圆弧形细管道DE半径为R，EF在竖直直径上，E点高度为H。开始时，与物块a相同的物块b悬挂于O点，并向左拉开一定的高度h由静止下摆，细线始终张紧，摆到最低点时恰好与a发生弹性正碰。已知，，，，，物块与MN、CD之间的动摩擦因数，轨道AB和管道DE均光滑，物块a落到FG时不反弹且静止。忽略M、B和N、C之间的空隙，CD与DE平滑连接，物块可视为质点，取。
（1）若，求a、b碰撞后瞬时物块a的速度的大小；
（2）物块a在DE最高点时，求管道对物块的作用力与h间满足的关系；
（3）若物块b释放高度，求物块a最终静止的位置x值的范围（以A点为坐标原点，水平向右为正，建立x轴）。
【答案】（1）；（2）；（3）当时，，当时，
【解析】
（1）滑块b摆到最低点过程中，由机械能守恒定律
解得
与发生弹性碰撞，根据动量守恒定律和机械能守恒定律可得
联立解得
（2）由（1）分析可知，物块与物块在发生弹性正碰，速度交换，设物块刚好可以到达点，高度为，根据动能定理可得
解得
以竖直向下为正方向
由动能定理
联立可得
（3）当时，物块位置在点或点右侧，根据动能定理得
从点飞出后，竖直方向
水平方向
根据几何关系可得
联立解得
代入数据解得
当时，从释放时，根据动能定理可得
解得
可知物块达到距离点0.8m处静止，滑块a由E点速度为零，返回到时，根据动能定理可得
解得
距离点0.6m，综上可知当时
代入数据得
10、（2022·浙江6月卷·T19）物流公司通过滑轨把货物直接装运到卡车中，如图所示，倾斜滑轨与水平面成24°角，长度，水平滑轨长度可调，两滑轨间平滑连接。若货物从倾斜滑轨顶端由静止开始下滑，其与滑轨间的动摩擦因数均为，货物可视为质点（取，，重力加速度）。
（1）求货物在倾斜滑轨上滑行时加速度的大小；
（2）求货物在倾斜滑轨末端时速度的大小；
（3）若货物滑离水平滑轨末端时的速度不超过2m/s，求水平滑轨的最短长度。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）根据牛顿第二定律可得
代入数据解得
（2）根据运动学公式
解得
（3）根据牛顿第二定律
根据运动学公式
代入数据联立解得
11、（2022·河北·T13）如图，光滑水平面上有两个等高的滑板A和B，质量分别为和，A右端和B左端分别放置物块C、D，物块C、D的质量均为，A和C以相同速度向右运动，B和D以相同速度向左运动，在某时刻发生碰撞，作用时间极短，碰撞后C与D粘在一起形成一个新滑块，A与B粘在一起形成一个新滑板，物块与滑板之间的动摩擦因数均为。重力加速度大小取。
（1）若，求碰撞后滑块C、D形成的新滑块的速度的大小和方向；
（2）若，从碰撞后到新滑块与新滑板相对静止，新滑块相对新滑板的位移的大小。
【答案】（1），方向向右；（2）
【解析】
（1）物块C、D碰撞过程中满足动量守恒，设碰撞后滑块C、D形成的新滑块的速度为，C、D的质量均为，以向右方向为正方向，则有
解得
可知碰撞后滑块C、D形成的新滑块的速度大小为，方向向右。
（2）若，可知碰后滑块C、D形成的新滑块的速度为
滑板A、B碰撞过程中满足动量守恒，设碰撞后滑板A、B形成的新滑板的速度为，以向右方向为正方向，则有
解得
可知碰后新滑块相对于新滑板向右运动，新滑块向右做匀减速运动，新滑板向右做匀加速运动，设新滑块的质量为，新滑板的质量为，相对静止时的共同速度为，根据动量守恒可得
解得
根据能量守恒可得
解得
12、（2022·湖北·T16）打桩机是基建常用工具。某种简易打桩机模型如图所示，重物A、B和C通过不可伸长的轻质长绳跨过两个光滑的等高小定滑轮连接，C与滑轮等高（图中实线位置）时，C到两定滑轮的距离均为L。重物A和B的质量均为m，系统可以在如图虚线位置保持静止，此时连接C的绳与水平方向的夹角为60°。某次打桩时，用外力将C拉到图中实线位置，然后由静止释放。设C的下落速度为时，与正下方质量为2m的静止桩D正碰，碰撞时间极短，碰撞后C的速度为零，D竖直向下运动距离后静止（不考虑C、D再次相碰）。A、B、C、D均可视为质点。
（1）求C的质量；
（2）若D在运动过程中受到的阻力F可视为恒力，求F的大小；
（3）撤掉桩D，将C再次拉到图中实线位置，然后由静止释放，求A、B、C的总动能最大时C的动能。
【答案】（1）；（2）6.5mg；（3）
【解析】
（1）系统在如图虚线位置保持静止，以C为研究对象，根据平衡条件可知
解得
（2）CD碰后C的速度为零，设碰撞后D的速度v，根据动量守恒定律可知
解得
CD碰撞后D向下运动距离后停止，根据动能定理可知
解得
F=6.5mg
（3）设某时刻C向下运动的速度为v′，AB向上运动的速度为v，图中虚线与竖直方向的夹角为α，根据机械能守恒定律可知
令
对上式求导数可得
当时解得
即
此时
于是有
解得
此时C的最大动能为
13、（2022·湖北·T16）打桩机是基建常用工具。某种简易打桩机模型如图所示，重物A、B和C通过不可伸长的轻质长绳跨过两个光滑的等高小定滑轮连接，C与滑轮等高（图中实线位置）时，C到两定滑轮的距离均为L。重物A和B的质量均为m，系统可以在如图虚线位置保持静止，此时连接C的绳与水平方向的夹角为60°。某次打桩时，用外力将C拉到图中实线位置，然后由静止释放。设C的下落速度为时，与正下方质量为2m的静止桩D正碰，碰撞时间极短，碰撞后C的速度为零，D竖直向下运动距离后静止（不考虑C、D再次相碰）。A、B、C、D均可视为质点。
（1）求C的质量；
（2）若D在运动过程中受到的阻力F可视为恒力，求F的大小；
（3）撤掉桩D，将C再次拉到图中实线位置，然后由静止释放，求A、B、C的总动能最大时C的动能。
【答案】（1）；（2）6.5mg；（3）
【解析】
（1）系统在如图虚线位置保持静止，以C为研究对象，根据平衡条件可知
解得
（2）CD碰后C的速度为零，设碰撞后D的速度v，根据动量守恒定律可知
解得
CD碰撞后D向下运动距离后停止，根据动能定理可知
解得
F=6.5mg
（3）设某时刻C向下运动的速度为v′，AB向上运动的速度为v，图中虚线与竖直方向的夹角为α，根据机械能守恒定律可知
令
对上式求导数可得
当时解得
即
此时
于是有
解得
此时C的最大动能为
【突破练习】
1.（2022·福建省龙岩市高三下学期一模）如图所示，杂技演员表演“水流星”，在长为L的细绳的一端系一个碗，以绳的另一端为圆心，在竖直平面内做圆周运动，当碗经过最低点时绳子拉力是碗和碗内水总重力的9倍。重力加速度为g，碗可视为质点，忽略空气阻力。求：
（1）碗通过最低点时速度的大小；
（2）碗通过最高点时绳子拉力是碗和碗内水总重力几倍。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（1）设碗和碗内水的总质量为m，碗通过最低点时速度大小为v1，绳子拉力为F1，对碗和碗内的水，由牛顿第二定律和向心力公式有
联立可得
（2）设碗通过最高点时速度大小为v2，绳子拉力为F2，拉力是重力的N倍，碗从最低点到最高点，由动能定理有
由牛顿第二定律和向心力公式有
联立可得
2.（2022·北京市延庆区高三下学期一模）阳光明媚的中午，小明同学把一块长木板放在院子里，调整倾斜角度，使阳光刚好和木板垂直。在斜面顶端固定一个弹射装置，把一个质量为0.1kg的小球水平弹射出来做平抛运动。调整初速度大小，使小球刚好落在木板底端。然后使用手机连续拍照功能，拍出多张照片记录小球运动过程。通过分析照片，小明得出：小球的飞行时间为0.4s；小球与其影子距离最大时，影子A距木板顶端和底端的距离之比约为7∶9，如图所示。取g=10m/s2。
（1）求飞行过程中，重力对小球做的功；
（2）简要说明，小球与影子距离最大时，刚好是飞行的中间时刻；
（3）估算木板长度。
【答案】（1）；（2）见解析；（3）1.6m
【解析】
（1）小球做平抛运动，竖直方向做自由落体运动，根据匀变速直线运动位移时间公式，可得
根据功的公式，可得飞行过程中，重力对小球做的功为
（2）经过分析可知，当小球与影子距离最大时，此时小球速度方向与斜面平行，即速度方向与水平方向的夹角为，此时竖直方向的速度为
当小球落到斜面底端时，此时小球位移与水平方向的夹角为，此时速度方向与水平方向的夹角为，根据位移夹角与速度夹角的关系可知
此时竖直方向的速度为
根据竖直方向的速度时间公式可得
则有
故小球与影子距离最大时，刚好是飞行的中间时刻
（3）如图所示建立直角坐标系
由题意可知
则有
可得
又
y方向速度减为零需要的时间为
联立可得
可得
取，则木板的长度为
3.（2022·福建省莆田市高三下学期二检）图甲为北京2022年冬奥会的“雪如意”跳台滑雪场地，其简化示意图如图乙，助滑道AB的竖直高度，B、C间的距离，B、C连线与水平方向的夹角。某质量的运动员从出发点A沿助滑道无初速下滑，从起跳点B处沿水平方向飞出，在着地点C处着地，不计空气阻力，g取10m/s2.求
（1）运动员在起跳点B处的速度v0；
（2）运动员在助滑过程中阻力做的功。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（1）运动员从B点做平抛运动水平方向
竖直方向
解得
（2）由动能定理得
解得
4.（2022·福建厦门市高三下学期二模）2022年2月12日，中国运动员高亭字新获北京冬奥会男子速度滑冰500米金牌。中国航天科工研发的“人体高速弹射装置为运动员的高质量训练提供了科技支持。谈装置的作用过程可简化成如图所示，运动员在赛道加速段受到装置的牵引加速，迅速达到指定速度后练习过弯技术。某次训练中，质量m=60kg（含身上装备）的运动员仅依靠F=600N的水平恒定牵引力从静止开始加速运动了s=20m的距离，然后保持恒定速率通过半径为R=10m的半圆形弯道，过弯时冰刀与冰面弯道凹槽处的接触点如放大图所示。忽略一切阻力，重力加速度g取10m/s2，求：
（1）运动员被加速后的速率v及加速过程中牵引力的平均功率P；
（2）运动员过弯道上A点时，冰面对其作用力FN的大小。
【答案】（1），6000W；（2）
【解析】
（1）对运动员进行受力分析，由牛顿第二运动定律可得
解得
运动员由静止开始加速，由运动学公式
解得
加速过程中牵引力做的功
解得
则加速过程牵引力的平均功率为
解得
（2）对运动员在A点受力分析可知，支持力在水平方向的分力提供向心力，即
解得
支持力在竖直方向的分力平衡重力，即
解得
由力的合成与分解可得
解得
5.（2022·福建漳州市高三下学期二模）如图，不可伸长的轻绳一端与质量为m的小球相连，另一端跨过两等高定滑轮与物块连接，物块置于左侧滑轮正下方的水平压力传感装置上，小球与右侧滑轮的距离为l。现用水平向右恒力将小球由最低处拉至轻绳与竖直方向夹角处，立即撤去F，此时传感装置示数为。已知物块始终没有脱离传感装置，重力加速度为g，不计滑轮的大小和一切摩擦，，，求：
（1）撤去F时小球的速度大小；
（2）小球返回最低处时轻绳的拉力大小；
（3）小球返回最低处时传感装置的示数。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）由动能定理得
可得
（2）从释放到运动至最低位置的过程中，由机械能守恒定律得
在最低位置时，设细绳拉力大小为T，对小球，由牛顿第二定律得
解得
（3）撤去F时传感装置的示数为
设此时细绳的拉力大小为，物块质量为M，对物块由平衡条件
对小球
小球再次运动至最低处时，物块所受支持力为
由牛顿第三定律可知传感器示数
解得
6.（2022·河南开封市高三下学期二模）北京冬奥会已圆满结束，人们参与冰雪运动的热情高涨。如图所示滑雪滑道PQR，质量60kg的滑雪爱好者从顶端P静止滑下，从末端R滑出时速度为18m/s，滑行过程中姿势保持不变，P端相对滑道最低点Q高度24m，R端相对Q点高度4m。已知滑道末端R处的切线与水平方向夹角为60°（g=10m/s2），求：
（1）从P到R滑行过程中，该滑雪爱好者克服阻力做功和重力做功的比值k；
（2）滑雪爱好者从R处离开滑道后相对R上升的最大高度h。
【答案】（1）；（2）
【解析】
（1）滑雪爱好者从P到R，设克服阻力做功为，由动能定理
由题意
代入数据可得
（2）滑雪爱好者从R处滑出时的竖直分速度
上升到最高点时竖直速度为0
代入数据可得
7.（2022·江苏如皋市高三下学期一调）某种弹射装置如图所示，左端固定的轻弹簧处于压缩状态且锁定，弹簧具有的弹性势能EP=4.5J，质量m=1.0kg的小滑块静止于弹簧右端，光滑水平导轨AB的右端与倾角θ=30°的传送带平滑连接，传送带长度L=8.0m，传送带以恒定速率v0=8.0m/s顺时针转动。某时刻解除锁定，滑块被弹簧弹射后滑上传送带，并从传送带顶端滑离落至地面。已知滑块与传送带之间的动摩擦因数μ=，重力加速度g取10m/s2。
（1）求滑块离开传送带时的速度大小v；
（2）求电动机传送滑块多消耗的电能E；
（3）若每次开始时弹射装置具有不同的弹性势能，要使滑块滑离传送带后总能落至地面上的同一位置，求的取值范围。
【答案】（1）7m/s；（2）96J；（3）12J≤Ep'≤132J
【解析】
（1）设滑块刚冲上传送带底端的速度为v1，根据能量守恒
代入数据得
因为μ＞tanθ，故滑块在传送带上先向上加速，根据根据牛顿第二定律
得
若滑块在传送带上一直加速，则离开传送带时的速度大小v满足
解得
所以假设成立，滑块离开传送带时的速度大小为7m/s。
（2）滑块在传送带上运动时间
该段时间，传送带的位移
对传送带，根据动能定理有
解得
即电动机传送滑块多消耗的电能
（3）分析可知，要使滑块滑离传送带后总能落至地面上的同一位置，滑块滑出传送带时要与传送带共速。
滑块刚好加速到与传送带共速时离开传送带，所对应的弹性势能最小，有
得
同理可得，滑块刚好减速到与传送带共速时离开传送带，所对应的弹性势能最大，有
得
所以，满足条件的弹性势能范围为
8.（2022·江苏南京盐城市高三下学期二模）现将等宽双线在水平面内绕制成如图所示轨道，两段半圆形轨道半径均为R=m，两段直轨道AB、A′B′长度均为l=1.35m。在轨道上放置一个质量m=0.1kg小圆柱体，如图所示，圆柱体与轨道两侧相切处和圆柱截面圆心O连线的夹角θ为120°，如图所示。两轨道与小圆柱体的动摩擦因数均为μ=0.5，小圆柱尺寸和轨道间距相对轨道长度可忽略不计。初始时小圆柱位于A点处，现使之获得沿直轨道AB方向的初速度v0.求：
（1）小圆柱沿AB运动时，内外轨道对小圆柱的摩擦力f1、f2的大小；
（2）当v0=6m/s，小圆柱刚经B点进入圆弧轨道时，外轨和内轨对小圆柱的压力N1、N2的大小；
（3）为了让小圆柱不脱离内侧轨道，v0的最大值，以及在v0取最大值情形下小圆柱最终滑过的路程s。
【答案】（1）0.5N，0.5N；（2）；（3），2.85m
【解析】
（1）圆柱体与轨道两侧相切处和圆柱截面圆心O连线的夹角θ为120°，根据对称性可知，两侧弹力大小均与重力相等为1N，内外轨道对小圆柱的摩擦力
（2）当v0=6m/s，小圆柱刚经B点进入圆弧轨道时
在B点
，
解得
（3）为了让小圆柱不脱离内侧轨道，v0最大时，在B点
，
且
解得v0的最大值为，在圆弧上受摩擦力仍为
所以
解得
PAGE专题20 电磁学计算题
【真题汇编】
1、（2022·湖南卷·T13）如图，两个定值电阻的阻值分别为和，直流电源的内阻不计，平行板电容器两极板水平放置，板间距离为，板长为，极板间存在方向水平向里的匀强磁场。质量为、带电量为的小球以初速度沿水平方向从电容器下板左侧边缘点进入电容器，做匀速圆周运动，恰从电容器上板右侧边缘离开电容器。此过程中，小球未与极板发生碰撞，重力加速度大小为，忽略空气阻力。
（1）求直流电源的电动势；
（2）求两极板间磁场的磁感应强度；
（3）在图中虚线的右侧设计一匀强电场，使小球离开电容器后沿直线运动，求电场强度的最小值。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）小球在电磁场中作匀速圆周运动，则电场力与重力平衡，可得
两端的电压
根据欧姆定律得
联立解得
（2）如图所示
设粒子在电磁场中做圆周运动的半径为，根据几何关系
解得
根据
解得
（3）由几何关系可知，射出磁场时，小球速度方向与水平方向夹角为，要使小球做直线运动，当小球所受电场力与小球重力在垂直小球速度方向的分力相等时，电场力最小，电场强度最小，可得
解得
2、（2022·广东卷·T14）密立根通过观测油滴的运动规律证明了电荷的量子性，因此获得了1923年的诺贝尔奖。图是密立根油滴实验的原理示意图，两个水平放置、相距为d的足够大金属极板，上极板中央有一小孔。通过小孔喷入一些小油滴，由于碰撞或摩擦，部分油滴带上了电荷。有两个质量均为、位于同一竖直线上的球形小油滴A和B，在时间t内都匀速下落了距离。此时给两极板加上电压U（上极板接正极），A继续以原速度下落，B经过一段时间后向上匀速运动。B在匀速运动时间t内上升了距离，随后与A合并，形成一个球形新油滴，继续在两极板间运动直至匀速。已知球形油滴受到的空气阻力大小为，其中k为比例系数，m为油滴质量，v为油滴运动速率，不计空气浮力，重力加速度为g。求：
（1）比例系数k；
（2）油滴A、B的带电量和电性；B上升距离电势能的变化量；
（3）新油滴匀速运动速度的大小和方向。
【答案】（1）；（2）油滴A不带电，油滴B带负电，电荷量为，；（3）见解析
【解析】
（1）未加电压时，油滴匀速时的速度大小
匀速时
又
联立可得
（2）加电压后，油滴A的速度不变，可知油滴A不带电，油滴B最后速度方向向上，可知油滴B所受电场力向上，极板间电场强度向下，可知油滴B带负电，油滴B向上匀速运动时，速度大小为
根据平衡条件可得
解得
根据
又
联立解得
（3）油滴B与油滴A合并后，新油滴的质量为，新油滴所受电场力
若，即
可知
新油滴速度方向向上，设向上为正方向，根据动量守恒定律
可得
新油滴向上加速，达到平衡时
解得速度大小为
速度方向向上；
若，即
可知
设向下为正方向，根据动量守恒定律
可知
新油滴向下加速，达到平衡时
解得速度大小为
速度方向向下。
3、（2022·山东卷·T17）中国“人造太阳”在核聚变实验方而取得新突破，该装置中用电磁场约束和加速高能离子，其部分电磁场简化模型如图所示，在三维坐标系中，空间内充满匀强磁场I，磁感应强度大小为B，方向沿x轴正方向；，的空间内充满匀强磁场II，磁感应强度大小为，方向平行于平面，与x轴正方向夹角为；，的空间内充满沿y轴负方向的匀强电场。质量为m、带电量为的离子甲，从平面第三象限内距轴为的点以一定速度出射，速度方向与轴正方向夹角为，在在平面内运动一段时间后，经坐标原点沿轴正方向进入磁场I。不计离子重力。
（1）当离子甲从点出射速度为时，求电场强度的大小；
（2）若使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，求进入磁场时的最大速度；
（3）离子甲以的速度从点沿轴正方向第一次穿过面进入磁场I，求第四次穿过平面的位置坐标（用表示）；
（4）当离子甲以的速度从点进入磁场I时，质量为、带电量为的离子乙，也从点沿轴正方向以相同的动能同时进入磁场I，求两离子进入磁场后，到达它们运动轨迹第一个交点的时间差（忽略离子间相互作用）。
【答案】（1）；（2）；（3）（，，）；（4）
【解析】
（1）如图所示
将离子甲从点出射速度为分解到沿轴方向和轴方向，离子受到的电场力沿轴负方向，可知离子沿轴方向做匀速直线运动，沿轴方向做匀减速直线运动，从到的过程，有
联立解得
（2）如图所示
离子从坐标原点沿轴正方向进入磁场I中，由洛伦兹力提供向心力可得
离子经过磁场I偏转后从轴进入磁场II中，由洛伦兹力提供向心力可得
可得
为了使离子在磁场中运动，需满足
，
联立可得
要使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，进入磁场时的最大速度为；
（3）离子甲以的速度从点沿z轴正方向第一次穿过面进入磁场I，离子在磁场I中的轨迹半径为
离子在磁场II中的轨迹半径为
离子从点第一次穿过到第四次穿过平面的运动情景，如图所示
离子第四次穿过平面的坐标为
离子第四次穿过平面的坐标为
故离子第四次穿过平面的位置坐标为（，，）
（4）设离子乙的速度为，根据离子甲、乙动能相同，可得
可得
离子甲在磁场I中的轨迹半径为
离子甲在磁场II中的轨迹半径为
离子乙在磁场I中的轨迹半径为
离子乙在磁场II中的轨迹半径为
根据几何关系可知离子甲、乙运动轨迹第一个交点如图所示
从点进入磁场到第一个交点过程，有
可得离子甲、乙到达它们运动轨迹第一个交点时间差为
4、（2022·全国甲卷·T25）光点式检流计是一种可以测量微小电流的仪器，其简化的工作原理示意图如图所示。图中A为轻质绝缘弹簧，C为位于纸面上的线圈，虚线框内有与纸面垂直的匀强磁场；随为置于平台上的轻质小平面反射镜，轻质刚性细杆D的一端与M固连且与镜面垂直，另一端与弹簧下端相连，PQ为圆弧形的、带有均匀刻度的透明读数条，PQ的圆心位于M的中心使用前需调零，使线圈内没有电流通过时，M竖直且与纸面垂直；入射细光束沿水平方向经PQ上的O点射到M上后沿原路反射。线圈通入电流后弹簧长度改变，使M发生倾斜，入射光束在M上的入射点仍近似处于PQ的圆心，通过读取反射光射到PQ上的位置，可以测得电流的大小。已知弹簧的劲度系数为k，磁场磁感应强度大小为B，线圈C的匝数为N。沿水平方向的长度为l，细杆D的长度为d，圆弧PQ的半径为r﹐r>>d，d远大于弹簧长度改变量的绝对值。
（1）若在线圈中通入的微小电流为I，求平衡后弹簧长度改变量的绝对值x及PQ上反射光点与O点间的弧长s；
（2）某同学用此装置测一微小电流，测量前未调零，将电流通入线圈后，PQ上反射光点出现在O点上方，与O点间的弧长为s1．保持其它条件不变，只将该电流反向接入，则反射光点出现在О点下方，与O点间的弧长为s2。求待测电流的大小。
【答案】（1），；（2）
【解析】
（1）由题意当线圈中通入微小电流I时，线圈中的安培力为
F=NBIl
根据胡克定律有
F=NBIl=k│x│
设此时细杆转过的弧度为θ，则可知反射光线转过的弧度为2θ，又因为
d>>x，r>>d
则
sinθ ≈ θ，sin2θ ≈ 2θ
所以有
x=dθ
s=r2θ
联立可得
（2）因为测量前未调零，设没有通电流时偏移的弧长为s′，当初始时反射光点在O点上方，通电流I′后根据前面的结论可知有
当电流反向后有
联立可得
同理可得初始时反射光点在O点下方结果也相同，故待测电流的大小为
5、（2022·全国乙卷·T24）如图，一不可伸长的细绳的上端固定，下端系在边长为的正方形金属框的一个顶点上。金属框的一条对角线水平，其下方有方向垂直于金属框所在平面的匀强磁场。已知构成金属框的导线单位长度的阻值为；在到时间内，磁感应强度大小随时间t的变化关系为。求:
（1）时金属框所受安培力的大小；
（2）在到时间内金属框产生的焦耳热。
【答案】（1）；（2）0.016J
【解析】
（1）金属框的总电阻为
金属框中产生的感应电动势为
金属框中的电流为
t=2.0s时磁感应强度
金属框处于磁场中的有效长度为
此时金属框所受安培力大小为
（2）内金属框产生的焦耳热为
6、（2022·浙江1月卷·T21）如图所示，水平固定一半径r=0.2m的金属圆环，长均为r，电阻均为R0的两金属棒沿直径放置，其中一端与圆环接触良好，另一端固定在过圆心的导电竖直转轴OO′上，并随轴以角速度=600rad/s匀速转动，圆环内左半圆均存在磁感应强度大小为B1的匀强磁场。圆环边缘、与转轴良好接触的电刷分别与间距l1的水平放置的平行金属轨道相连，轨道间接有电容C=0.09F的电容器，通过单刀双掷开关S可分别与接线柱1、2相连。电容器左侧宽度也为l1、长度为l2、磁感应强度大小为B2的匀强磁场区域。在磁场区域内靠近左侧边缘处垂直轨道放置金属棒ab，磁场区域外有间距也为l1的绝缘轨道与金属轨道平滑连接，在绝缘轨道的水平段上放置“［”形金属框fcde。棒ab长度和“［”形框的宽度也均为l1、质量均为m=0.01kg，de与cf长度均为l3=0.08m，已知l1=0.25m，l2=0.068m，B1=B2=1T、方向均为竖直向上；棒ab和“［”形框的cd边的电阻均为R=0.1，除已给电阻外其他电阻不计，轨道均光滑，棒ab与轨道接触良好且运动过程中始终与轨道垂直。开始时开关S和接线柱1接通，待电容器充电完毕后，将S从1拨到2，电容器放电，棒ab被弹出磁场后与“［”形框粘在一起形成闭合框abcd，此时将S与2断开，已知框abcd在倾斜轨道上重心上升0.2m后返回进入磁场。
（1）求电容器充电完毕后所带的电荷量Q，哪个极板（M或N；）带正电？
（2）求电容器释放的电荷量；
（3）求框abcd进入磁场后，ab边与磁场区域左边界的最大距离x。
v
【答案】（1）0.54C；M板；（2）0.16C；（3）0.14m
【解析】
（1）开关S和接线柱1接通，电容器充电充电过程，对绕转轴OO′转动的棒由右手定则可知其动生电源的电流沿径向向外，即边缘为电源正极，圆心为负极，则M板充正电；
根据法拉第电磁感应定律可知
则电容器的电量为
（2）电容器放电过程有
棒ab被弹出磁场后与“［”形框粘在一起的过程有
棒上滑过程有
联立解得
（3）设导体框在磁场中减速滑行的总路程为，由动量定理
可得
匀速运动距离为
则
7、（2022·浙江1月卷·T22）如图为研究光电效应的装置示意图，该装置可用于分析光子的信息。在xOy平面（纸面）内，垂直纸面的金属薄板M、N与y轴平行放置，板N中间有一小孔O。有一由x轴、y轴和以O为圆心、圆心角为90°的半径不同的两条圆弧所围的区域Ⅰ，整个区域Ⅰ内存在大小可调、方向垂直纸面向里的匀强电场和磁感应强度大小恒为B1、磁感线与圆弧平行且逆时针方向的磁场。区域Ⅰ右侧还有一左边界与y轴平行且相距为l、下边界与x轴重合的匀强磁场区域Ⅱ，其宽度为a，长度足够长，其中的磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度大小可调。光电子从板M逸出后经极板间电压U加速（板间电场视为匀强电场），调节区域Ⅰ的电场强度和区域Ⅱ的磁感应强度，使电子恰好打在坐标为（a+2l，0）的点上，被置于该处的探测器接收。已知电子质量为m、电荷量为e，板M的逸出功为W0，普朗克常量为h。忽略电子的重力及电子间的作用力。当频率为ν的光照射板M时有光电子逸出，
（1）求逸出光电子的最大初动能Ekm，并求光电子从O点射入区域Ⅰ时的速度v0的大小范围；
（2）若区域Ⅰ的电场强度大小，区域Ⅱ的磁感应强度大小，求被探测到的电子刚从板M逸出时速度vM的大小及与x轴的夹角；
（3）为了使从O点以各种大小和方向的速度射向区域Ⅰ的电子都能被探测到，需要调节区域Ⅰ的电场强度E和区域Ⅱ的磁感应强度B2，求E的最大值和B2的最大值。
【答案】（1）；；（2）；；（3）；
【解析】
（1）光电效应方程，逸出光电子的最大初动能
；
（2）速度选择器
如图所示，几何关系
（3）由上述表达式可得
由
可得
8、（2022·浙江6月卷·T21）舰载机电磁弹射是现在航母最先进的弹射技术，我国在这一领域已达到世界先进水平。某兴趣小组开展电磁弹射系统的设计研究，如图1所示，用于推动模型飞机的动子（图中未画出）与线圈绝缘并固定，线圈带动动子，可在水平导轨上无摩擦滑动。线圈位于导轨间的辐向磁场中，其所在处的磁感应强度大小均为B。开关S与1接通，恒流源与线圈连接，动子从静止开始推动飞机加速，飞机达到起飞速度时与动子脱离；此时S掷向2接通定值电阻R0，同时施加回撤力F，在F和磁场力作用下，动子恰好返回初始位置停下。若动子从静止开始至返回过程的v-t图如图2所示，在t1至t3时间内F=(800－10v）N，t3时撤去F。已知起飞速度v1=80m/s，t1=1.5s，线圈匝数n=100匝，每匝周长l=1m，飞机的质量M=10kg，动子和线圈的总质量m=5kg，R0=9.5Ω，B=0.1T，不计空气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响，求
（1）恒流源的电流I；
（2）线圈电阻R；
（3）时刻t3。
【答案】（1）80A；（2）；（3）
【解析】
（1）由题意可知接通恒流源时安培力
动子和线圈在0~t1时间段内做匀加速直线运动，运动的加速度为
根据牛顿第二定律有
代入数据联立解得
（2）当S掷向2接通定值电阻R0时，感应电流为
此时安培力为
所以此时根据牛顿第二定律有
由图可知在至期间加速度恒定，则有
解得
，
（3）根据图像可知
故；在0~t2时间段内的位移
而根据法拉第电磁感应定律有
电荷量的定义式
可得
从t3时刻到最后返回初始位置停下的时间段内通过回路的电荷量，根据动量定理有
联立可得
解得
9、（2022·浙江6月卷·T22）离子速度分析器截面图如图所示。半径为R的空心转筒P，可绕过O点、垂直xOy平面（纸面）的中心轴逆时针匀速转动（角速度大小可调），其上有一小孔S。整个转筒内部存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。转筒下方有一与其共轴的半圆柱面探测板Q，板Q与y轴交于A点。离子源M能沿着x轴射出质量为m、电荷量为 – q（q> 0）、速度大小不同的离子，其中速度大小为v0的离子进入转筒，经磁场偏转后恰好沿y轴负方向离开磁场。落在接地的筒壁或探测板上的离子被吸收且失去所带电荷，不计离子的重力和离子间的相互作用。
（1）①求磁感应强度B的大小；
②若速度大小为v0的离子能打在Q板的A处，求转筒P角速度ω的大小；
（2）较长时间后，转筒P每转一周有N个离子打在板Q的C处，OC与x轴负方向的夹角为θ，求转筒转动一周的时间内，C处受到平均冲力F的大小；
（3）若转筒P的角速度小于，且A处探测到离子，求板Q上能探测到离子的其他θ′的值（为探测点位置和O点连线与x轴负方向的夹角）。
【答案】（1）①，②，k = 0，1，2，3…；（2），n = 0，1，2，…；（3），
【解析】
（1）①离子在磁场中做圆周运动有
则
②离子在磁场中的运动时间
转筒的转动角度
，k = 0，1，2，3…
（2）设速度大小为v的离子在磁场中圆周运动半径为，有
离子在磁场中的运动时间
转筒的转动角度
ω′t′ = 2nπ + θ
转筒的转动角速度
，n = 0，1，2，…
动量定理
，n = 0，1，2，…
（3）转筒的转动角速度
其中
k = 1，，n = 0，2
可得
，
10、（2022·河北·T14）两块面积和间距均足够大的金属板水平放置，如图1所示，金属板与可调电源相连形成电场，方向沿y轴正方向。在两板之间施加磁场，方向垂直平面向外。电场强度和磁感应强度随时间的变化规律如图2所示。板间O点放置一粒子源，可连续释放质量为m、电荷量为、初速度为零的粒子，不计重力及粒子间的相互作用，图中物理量均为已知量。求：
（1）时刻释放的粒子，在时刻的位置坐标；
（2）在时间内，静电力对时刻释放的粒子所做的功；
（3）在点放置一粒接收器，在时间内什么时刻释放的粒子在电场存在期间被捕获。
【答案】（1）；（2）；（3），
【解析】
（1）在时间内，电场强度为，带电粒子在电场中加速度，根据动量定理可知
解得粒子在时刻的速度大小为
方向竖直向上，粒子竖直向上运动的距离
在时间内，根据粒子在磁场运动的周期可知粒子偏转，速度反向，根据可知粒子水平向右运动的距离为
粒子运动轨迹如图
所以粒子在时刻粒子的位置坐标为，即；
（2）在时间内，电场强度为，粒子受到的电场力竖直向上，在竖直方向
解得时刻粒子的速度
方向竖直向上，粒子在竖直方向上运动的距离为
在时间内，粒子在水平方向运动的距离为
此时粒子速度方向向下，大小为，在时间内，电场强度为，竖直方向
解得粒子在时刻的速度
粒子在竖直方向运动的距离
粒子运动的轨迹如图
在时间内，静电力对粒子的做功大小为
电场力做正功；
（3）若粒子在磁场中加速两个半圆恰好能够到达点，则释放的位置一定在时间内，粒子加速度时间为，在竖直方向上
在时间内粒子在水平方向运动的距离为
在时间内，在竖直方向
在时间内，粒子在水平方向运动的距离为
接收器的位置为，根据距离的关系可知
解得
此时粒子已经到达点上方，粒子竖直方向减速至用时，则
竖直方向需要满足
解得在一个电场加速周期之内，所以成立，所以粒子释放的时刻为中间时刻；
若粒子经过一个半圆到达点，则粒子在时间内释放不可能，如果在时间内释放，经过磁场偏转一次的最大横向距离，即直径，也无法到达点，所以考虑在时间内释放，假设粒子加速的时间为，在竖直方向上
之后粒子在时间内转动半轴，横向移动距离直接到达点的横坐标，即
解得
接下来在过程中粒子在竖直方向减速为的过程中
粒子要在点被吸收，需要满足
代入验证可知在一个周期之内，说明情况成立，所以粒子释放时刻为
。
11、(2022·湖北·T15)如图所示，高度足够的匀强磁场区域下边界水平、左右边界竖直，磁场方向垂直于纸面向里。正方形单匝线框abcd的边长L= 0.2m、回路电阻R= 1.6 × 10 - 3Ω、质量m= 0.2kg。线框平面与磁场方向垂直，线框的ad边与磁场左边界平齐，ab边与磁场下边界的距离也为L。现对线框施加与水平向右方向成θ= 45°角、大小为的恒力F，使其在图示竖直平面内由静止开始运动。从ab边进入磁场开始，在竖直方向线框做匀速运动；dc边进入磁场时，bc边恰好到达磁场右边界。重力加速度大小取g= 10m/s2，求：
（1）ab边进入磁场前，线框在水平方向和竖直方向的加速度大小；
（2）磁场的磁感应强度大小和线框进入磁场的整个过程中回路产生的焦耳热；
（3）磁场区域的水平宽度。
【答案】（1）ax= 20m/s2，ay= 10m/s2；（2）B= 0.2T，Q= 0.4J；（3）X= 1.1m
【解析】
（1）ab边进入磁场前，对线框进行受力分析，在水平方向有
max =Fcosθ
代入数据有
ax= 20m/s2
在竖直方向有
may=Fsinθ - mg
代入数据有
ay= 10m/s2
（2）ab边进入磁场开始，ab边在竖直方向切割磁感线；ad边和bc边的上部分也开始进入磁场，且在水平方向切割磁感线。但ad和bc边的上部分产生的感应电动势相互抵消，则整个回路的电源为ab，根据右手定则可知回路的电流为adcba，则ab边进入磁场开始，ab边受到的安培力竖直向下，ad边的上部分受到的安培力水平向右，bc边的上部分受到的安培力水平向左，则ad边和bc边的上部分受到的安培力相互抵消，故线框abcd受到的安培力的合力为ab边受到的竖直向下的安培力。由题知，线框从ab边进入磁场开始，在竖直方向线框做匀速运动，有
Fsinθ - mg - BIL= 0
E=BLvy
vy2= 2ayL
联立有
B= 0.2T
由题知，从ab边进入磁场开始，在竖直方向线框做匀速运动；dc边进入磁场时，bc边恰好到达磁场右边界。则线框进入磁场的整个过程中，线框受到的安培力为恒力，则有
Q=W安=BILy
y=L
Fsinθ - mg=BIL
联立解得
Q= 0.4J
（3）线框从开始运动到进入磁场的整个过程中所用的时间为
vy=ayt1
L=vyt2
t=t1 + t2
联立解得
t= 0.3s
由（2）分析可知线框在水平方向一直做匀加速直线运动，则在水平方向有
则磁场区域的水平宽度
X=x + L= 1.1m
【突破练习】
1.（2022·北京市延庆区高三下学期一模）如图所示为回旋加速器原理图，它的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。在D形盒所在处存在匀强磁场。置于中心附近的粒子源产生的带电粒子，在电场中被加速，带电粒子在D形盒内不受电场力，只在洛伦兹力作用下，在垂直磁场平面内作匀速圆周运动。一质量为m，电荷量为q的带电粒子自半径为R的D形盒的中心附近由静止开始加速，D形盒上所加交变电压大小恒为U，D形盒所在处的磁场的磁感应强度为B，不考虑相对论效应，求：
（1）带电粒子从D形盒边缘飞出时的速度大小v；
（2）交变电压的周期T；
（3）带电粒子从释放到飞出加速器，被加速的次数N。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）带电粒子从D形盒边缘飞出时，有
解得
（2）交变电压的周期与带电粒子在磁场中运动的周期相等，为
（3）带电粒子从释放到飞出加速器，由动能定理可得
解得
2.（2022·福建省龙岩市高三下学期一模）如图所示，在xOy平面（纸面）内，x＞0空间存在方向垂直纸面向外的匀强磁场，第三象限空间存在方向沿x轴正方向的匀强电场。一质量为m、电荷量为q的带正电粒子（不计重力），以大小为v、方向与y轴正方向夹角θ＝60°的速度沿纸面从坐标为（0，L）的P1点进入磁场中，然后从坐标为（0，L）的P2点进入电场区域，最后从x轴上的P3点（图中未画出）垂直于x轴射出电场。求：
（1）磁场的磁感应强度大小B；
（2）粒子从P1点运动到P2点所用的时间t；
（3）电场强度的大小E．
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）带电粒子在磁场中运动轨迹如图所示，
其圆心为O1，对应轨道半径为R，由几何关系可得
由牛顿第二定律和向心力公式有
联立可得
（2）带电粒子在磁场中运动时间t1
联立可得
（3）带电粒子在电场中运动时间t2，由运动的合成与分解有
由牛顿第二定律有
联立可得
3.（2022·福建厦门市高三下学期二模）实验室有一装置可用于探究原子核性质，该装置的主要原理可简化为：空间中有一直角坐标系Oxyz，在紧贴（-0.2m，0，0）的下侧处有一粒子源P，能沿x轴正方向以v0=1×106m/s的速度持续发射比荷为C/kg的某种原子核。在x<0，y<0的空间中沿-y方向的匀强电场V/m。在x>0的空间有垂直于xOy平面向里的匀强磁场，磁感应强度的大小为B1=0.2T。忽略原子核间的相互作用，xOy平面图如图甲所示。
（1）求原子核第一次穿过y轴时的速度大小；
（2）若原子核进入磁场后，经过瞬间分裂成a、b两个新核。两新核的质量之比为；电荷量之比为；速度大小之比为，方向仍沿原运动方向。求：a粒子第1次经过y轴时的位置
（3）若电场E可在1×105V/m～×105V/m之间进行调节（不考虑电场变化而产生的磁场）。在xOz平面内x<0区域放置一足够大的吸收屏，屏上方施加有沿-y方向大小为的匀强磁场，如图乙所示。原子核打在吸收屏上即被吸收并留下印迹，求该印迹长度。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）原子核在Oxy平面的电场中左平抛运动，如图所示
粒子在水平方向做匀速直线运动
电场力提供加速度
竖直方向速度为
粒子速度为
（2）原子核做类平抛运动，则
原子核在磁场中做匀速直线运动，洛伦兹力提供向心力
解得半径为
粒子运动的周期为
因为，所以该原子核在磁场中运动了半个周期后分裂，如图所示
粒子在分裂时满足动量守恒定律，则
又因为，，解得
所以分裂后核的半径为
根据几何关系可知核经过轴时的位移为
（3）由于电场可在之间进行调节，原子核在平面的电场中做类平抛运动，则
，，，
解得
粒子在磁场中做匀速圆周运动，假设第1次核第2次穿过轴的位置间距为，如图
则粒子运动的半径为
粒子速度为
则
，，
原子核在磁场中做螺旋线遇到弄，在垂直于磁场的方向上，粒子运动的半径为
粒子运动的周期为
圆的周长为
I.当时，运动至吸收屏所需时间为
II.当时，运动至吸收屏所需时间为
假设亮线的长度为，则
4.（2022·福建漳州市高三下学期二模）质谱仪是一种检测和分离同位素的仪器。a、b是同位素原子核，它们的电荷量均为q，a的质量为m。如图所示，它们从静止开始经电压为U的电场加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上。从照相底片上获知a、b在磁场中的轨迹直径分别为x、。不计a、b的重力及其相互作用。求：
（1）a进入磁场时的速度大小v；
（2）磁场的磁感应强度大小B；
（3）b的质量。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
（1）a在加速电场中，有
解得
（2）a进入磁场，有
又
④
解得
（3）由
可得
又
解得
5.（2022·四川成都市高三下学期二模）如图，在x轴（水平轴）下方，沿y轴（竖直轴）方向每间隔d=0.2m就有一段间距也为d的区域P，区域P内（含边界）既存在方向竖直向上、场强E=20N/C的匀强电场，也存在方向垂直坐标平面面向里、磁感应强度B=2T的匀强磁场。现有一电荷量q=5×10-10C、质量m=1×10-9kg的带正电粒子从坐标原点O自由下落。粒子可视为质点，重力加速度大小g=10m/s2。
（1）求粒子刚到达第一个区域P时的速度大小v1和穿出该区域时速度的水平分量大小v1x；
（2）求粒子刚到达第n（n>1）个区域P时的速度大小vn和粒子穿过该区域过程中速度的水平分量的变化量大小Δvnx；
（3）到达第几个区域P时，粒子不能从该区域的下方穿出。
【答案】（1）；；（2）（2，3，4，5…）；；（3）
【解析】
(1)进入第一个区域P前，粒子做自由落体运动，有
代入数据解得
在区域P中，粒子所受重力、电场力的合力为
所以，粒子在区域P中做匀速圆周运动，粒子穿出第一个区城P时，设与x轴正方向的夹角为。其运动轨迹如图所示由题意
设粒子在该区域内的轨道半径为，由牛顿第二定律有
由几何关系有
联立得
代入数据解得
(2)进入第n（）个区域P前的过程中，由动能定理有
解得
（2，3，4，5…）
设粒子进入、穿出第n（）个区域P时，与x轴正方向的夹角分别为、，轨道半径为。其运动轨迹如图所示
由題意
由牛顿第二定律有
由几何关系有
联立得
代入数据解得
(3)设粒子刚好不能从第n个区域P内穿出，其满足的条件是粒子在该区域的轨迹恰好与下边界相切，即在下边界的速度，沿x轴正方向，故
从粒子进入第一个区域P到刚好不能从第n个区城P内穿出的整个过程中，粒子在水平方向的速度分量的变化量为
因恒定，故
即
故
即
带入数据得
故粒子不能从第100个区域P的下方穿出。
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