2024教科版高中物理必修第三册同步练习（有解析）--第三章 电磁场与电磁波初步 第四章 能源与可持续发展

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2024教科版高中物理必修第三册同步
第三章　电磁场与电磁波初步
第四章　能源与可持续发展
注意事项
1.全卷满分100分。考试用时75分钟。
2.无特殊说明,本试卷中重力加速度g取10 m/s2。
一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1.下列关于能量转化的说法中,错误的是 (　　)
A.能量在转化过程中,有一部分能量转化为周围环境中的内能,我们无法把这些内能收集起来重新利用
B.各种形式的能量在转化时,总能量是不变的
C.在能源的利用过程中,能量的总量并未减少,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成了不便于利用的
D.各种能量在不转化时是守恒的,但在转化时是不守恒的
2.我国高铁技术、北斗卫星导航系统、5G通信技术,目前处于世界领先水平。高铁将拥有基于北斗卫星导航系统、5G通信技术的空天地一体化的“超级大脑”。与4G相比,5G具有“更高网速、低延时、低功率海量连接、通信使用的电磁波频率更高”等特点。与4G相比,5G使用的电磁波 (　　)
A.波长更长
B.能量子的能量更小
C.能量子的能量更大
D.传播速度更快
3.一线圈用细杆悬于P点,开始时细杆处于水平位置,释放后让线圈在如图所示的匀强磁场中运动。已知线圈平面始终与纸面垂直,则线圈由位置B到位置C的过程中,穿过线圈的磁通量 (　　)
A.一直变大　　　　B.一直变小
C.先变大后变小　　　　D.先变小后变大
4.如图所示,螺线管及灵敏电流计构成的回路整体向右以速度v靠近条形磁铁,下面说法中正确的是 (　　)
A.只有螺线管速度足够大时,螺线管中才能产生感应电流
B.只有在磁铁的磁性足够强时,螺线管中才会产生感应电流
C.因磁体静止,螺线管中不会产生感应电流
D.螺线管中一定会产生感应电流
5.如图所示,通电直导线AC的左侧O处有一小磁针(图中未画出),静止时小磁针的N极垂直纸面向里。图中D、O、E连线与导线AC垂直,下列说法正确的是 (　　)
A.直导线AC中的电流方向是从A流向C
B.关于直导线AC与O对称的E处的磁场与O处磁场相同
C.将小磁针平移到O的左侧D处,静止时北极垂直纸面向外
D.直导线AC中的电流逐渐增大的过程中,小磁针将旋转
6.一直导线通有水平向右的电流,带有绝缘外皮的金属圆环放置方式如图所示。当导线中的电流增大时,圆环能产生感应电流的是 (　　)
甲　　乙　　丙　　丁
A.甲图中直导线与圆环在同一平面内
B.乙图中直导线与环面垂直
C.丙图中直导线在水平圆环直径正上方且与直径平行
D.丁图中直导线与圆环接触且与圆环直径重合
7.如图所示,我国的探月卫星在进入地月转移轨道时,由于卫星姿势的改变,卫星中一边长为50 cm的正方形导线框由水平方向转至竖直方向,此处磁场磁感应强度B=4×10-5 T,方向如图所示,则下列说法正确的是(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8) (　　)
A.在水平位置时,穿过线框的磁通量的大小为8.0×10-6 Wb
B.在竖直位置时,穿过线框的磁通量的大小为6.0×10-6 Wb
C.该过程中穿过线框的磁通量的变化量的大小是1.4×10-5 Wb
D.该过程中穿过线框的磁通量的变化量的大小是2×10-6 Wb
8.空间中存在方向未知、磁感应强度大小为B0的匀强磁场,距离为2a的两直导线平行固定在绝缘水平面上,当两直导线中分别通以大小相等、方向如图所示的电流时,发现在水平面上方到两直导线的距离都为a的P点的磁感应强度恰好为零。若仅改变其中一根通电直导线中电流的方向,则P点的磁感应强度大小变为 (　　)
A.B0　　　　B.B0
二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。每小题有多个选项符合题目要求,全部选对得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
9.能源短缺和环境恶化指的是 (　　)
A.煤炭和石油的开采与技术有关,在当前技术条件下,煤炭和石油的开采是有限的,这叫能源短缺
B.煤炭和石油资源是有限的,短时间内不能再次生成,这叫能源短缺
C.煤炭和石油具有很大的气味,在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气,使环境恶化
D.大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气,改变了大气成分,使环境恶化
10.如图所示,N、S间为匀强磁场,虚线为磁感线,正方形线圈abcd放在磁场中,线圈平面与磁感线方向垂直,以下方法能在线圈中产生感应电流的是 (　　)
A.线圈沿磁感线方向上下平动
B.线圈水平向右离开磁场
C.以线圈中心作一竖直轴,线圈绕轴水平转动
D.以ad为轴转动线圈
11.现代社会经常要用到红外测温仪。当被测物体向外辐射红外线时,能量介于0.2 eV~1.2 eV之间的红外线光子方可被测温仪感知。图为氢原子能级图,要使氢原子辐射光子可被红外测温仪捕捉,氢原子发生的跃迁可能是 (　　)
A.从n=5向n=4跃迁　　　　B.从n=3向n=5跃迁
C.从n=4向n=3跃迁　　　　D.从n=3向n=2跃迁
12.如图所示,以O点为圆心的圆周上有六个等分点a、b、c、d、e、f,两根直导线垂直纸面放在a、d两点。现给导线通有大小相等、方向垂直纸面向里的电流,下列说法正确的是 (　　)
A.O处磁感应强度最大　　　　
B.a、d两处磁场方向相同
C.a、d两处磁场方向相反　　　　
D.b、c、e、 f四点的磁感应强度大小相等
三、非选择题(本题共6小题,共60分)
13.(6分)某学习小组利用小磁针稳定后的方向来探究通电螺线管周围的磁场方向。
(1)通电螺线管正上方小磁针静止时所指的方向如图所示,则螺线管下方小磁针I指向左边的是　　　　(选填“N”或“S”)极,螺线管内部小磁针II指向左边的是　　　　(选填“N”或“S”)极。
(2)根据小磁针静止时所指的方向判断,下面四图中正确的是　　　　。
A　　　　B　　　　C　　　　D
14.(8分)如图为“探究感应电流产生的条件”的实验装置。
(1)请在图中用实线将所缺的导线补接完整。根据连线,在闭合开关S前,滑片P应置于滑动变阻器的　　　(选填“最左端”“中间”或“最右端”)。
(2)在完成“探究感应电流产生的条件”这一实验后,接下来继续使用这一实验装置进行“研究磁通量变化时感应电流的方向”这一实验。闭合开关S,使A放置在B线圈中保持静止,减小滑动变阻器接入电路中的阻值,观察到灵敏电流计G的指针向左偏转。根据这一现象判断,当A线圈相对B线圈向上运动时,灵敏电流计的指针　　　　(选填“向左”或“向右”)偏转。
15.(8分)风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置,其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等,如图所示。
(1)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为ρ,气流速度为v,风轮机叶片长度为r,求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm。
(2)已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1=9 m/s时能够输出电功率P1=540 kW。我国某地区风速不低于v2=6 m/s的时间每年约为5 000小时。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。
16.(10分)如图所示,磁感应强度大小为B的匀强磁场仅存在于坐标系第一象限边长为2L的正方形范围内,左右各一半面积的范围内,磁场方向相反。有一个边长为L的正方形导线框abcd,开始与直角坐标系共面。
(1)若导线框ab边与y轴重合,以ab为轴cd边向外匀速转动,试问导线框转动120°时,穿过导线框的磁通量。
(2)若导线框沿垂直磁感线方向以速度v匀速通过磁场,从ab边进入磁场算起,规定刚开始时磁通量为正值,试推导线框的磁通量随坐标变化的函数关系式,并画出穿过线框的磁通量随横坐标的变化图像。
17.(12分)已知通电的长直导线在周围空间某位置产生磁场的磁感应强度大小为B=k,其中I为电流,r为该位置到长直导线的距离,k为常数。如图所示,现有通电的两根长直导线分别固定在正方体abcd-efgh的两条边dh和hg上,彼此绝缘,电流方向分别由d流向h、由h流向g,dh中电流是hg中电流大小的一半,dh中的电流在c点产生的磁感应强度为B。不计导线的粗细,a、e两点的磁感应强度的大小分别是多少
18.(16分)如图所示,足够长的金属框架MON与足够长的导体棒DE构成回路,处在匀强磁场中且与磁场垂直。
(1)若B0=0.2 T,DE从O点出发,向右以v0=0.5 m/s的速度匀速运动4 s时,回路的磁通量的变化量是多少
(2)在图中,若回路面积从S0=2 m2变到S1=12 m2,同一时间内B从B0=0.2 T变到B1=1.0 T,回路中的磁通量变化量是多少
(3)若开始时B0=0.2 T,DE从O点右侧1 m处出发,向右以v1=1 m/s的速度匀速运动,且闭合回路中没有感应电流产生,求磁感应强度大小B随时间t变化的表达式。
答案与解析
第三章　电磁场与电磁波初步
第四章　能源与可持续发展
1.D 2.C 3.C 4.D 5.A 6.A
7.C 8.B 9.BD 10.BD 11.AC 12.CD
1.D　根据能量守恒定律可知,无论在能量的转化还是在能量的转移过程中,能量的总量都是不变的。由能量的耗散知,在能量转化的过程中,有一部分能量转化为周围环境中的内能,而我们无法把这些内能收集起来重新利用,这表明,在能源的利用过程中,能量的总量虽然并未减少,但是在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成不便于利用的,而自然界的总能量仍是守恒的,故选项A、B、C正确,D错误,故选D。
2.C　由题知,与4G相比,5G通信使用的电磁波频率更高,已知电磁波的波长与频率的关系为λ=,由此可知5G使用的电磁波波长更短,选项A错误;已知能量子的能量ε=hν,则与4G相比,5G使用的电磁波能量子的能量更大,选项C正确;电磁波的传播速度与光速相等,为c=3×108 m/s,选项D错误。
3.C　线圈在位置B和位置C时都不与磁场垂直,而当线圈与磁场垂直时,穿过线圈的磁通量最大,所以线圈由位置B到位置C的过程中,穿过线圈的磁通量先变大后变小,选项C正确。
4.D　螺线管向条形磁铁靠近时,穿过螺线管的磁通量增大,螺线管与电流计组成闭合回路,根据感应电流产生条件,螺线管中会产生感应电流,与磁铁的速度、磁铁的磁性强弱无关,故D正确。
5.A　静止时小磁针的N极垂直纸面向里,即磁场方向向里,根据安培定则可知直导线AC中的电流方向是从A流向C,如图所示,故选项A正确;根据安培定则可知,关于直导线AC与O对称的E处的磁场与O处磁场方向相反,故选项B错误;D、O两点磁场方向相同,所以将小磁针平移到O的左侧D处,静止时北极依然垂直纸面向里,故选项C错误;直导线AC中的电流逐渐增大的过程中,磁场方向不变,所以小磁针不会转动,故选项D错误。
6.A　由于通电导线产生的磁场是以导线上各点为圆心的一系列同心圆,甲图中直导线与圆环在同一平面内,当导线中的电流增加时,穿过金属圆环的磁通量增加,根据产生感应电流的条件可知圆环中有感应电流产生;乙图中直导线与环面垂直,没有磁感线穿过圆环,因此当导线中的电流增加时,穿过金属圆环的磁通量仍为零,不会产生感应电流;丙、丁图中穿入圆环的磁感线的条数和穿出圆环的磁感线的条数相等,合磁通量为零,因此当导线中的电流增加时,穿过金属圆环的磁通量仍为零,不会产生感应电流。故选A。
7.C　
图形剖析　
在水平位置时穿过线框的磁通量为Φ1=BS sin 37°=4×10-5×0.52×0.6 Wb=6.0×10-6 Wb,在竖直位置时穿过线框的磁通量为Φ2=-BS cos 37°=-4×10-5×0.52×0.8 Wb=-8.0×10-6 Wb,磁通量的变化量的大小为ΔΦ==1.4×10-5 Wb,故C正确。
知识拓展　磁通量的正、负
　　磁通量是标量,但是有正负。磁通量的正、负不代表大小,只表示磁感线是怎样穿过平面的。即若以向里穿过某面的磁通量为正,则向外穿过这个面的磁通量为负。
8.B　
图形剖析　
甲　乙
由几何关系可知,两导线与P点的连线相互垂直,则由安培定则可知两导线在P点的磁场方向如图甲所示,可知B1=B2=B0 cos 45°=B0,其中B0方向水平向左;若仅改变其中一根通电直导线中电流的方向,如图乙所示,则P点的磁感应强度大小变为B=B0,故选B。
9.BD　煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的,这些能源短时间内不能再次生成,它们的储量是有限的,并不是取之不尽、用之不竭的,这是能源短缺;大量化石能源在使用时会排出有害气体污染空气,这是环境恶化。故B、D正确。
10.BD　线圈沿磁感线方向上下平动,磁通量没有变化,不能在线圈中产生感应电流,选项A错误;线圈水平向右离开磁场,磁通量发生变化,能在线圈中产生感应电流,选项B正确;以线圈中心作一竖直轴,线圈绕轴水平转动,磁通量没有变化,不能在线圈中产生感应电流,选项C错误;以ad为轴转动线圈,磁通量发生变化,能在线圈中产生感应电流,选项D正确。
11.AC　从n=5向n=4跃迁时,辐射出的光子能量为(-0.54 eV)-(-0.85 eV)=0.31 eV,在红外线光子的能量范围之内,则可被红外测温仪捕捉,选项A正确;从n=3向n=5跃迁时要吸收能量,选项B错误;从n=4向n=3跃迁时,辐射出的光子能量为(-0.85 eV)-(-1.51 eV)=0.66 eV,在红外线光子的能量范围之内,则可被红外测温仪捕捉,选项C正确;从n=3向n=2跃迁时,辐射出的光子能量为(-1.51 eV)-(-3.4 eV)=1.89 eV,不在红外线光子的能量范围之内,则不可被红外测温仪捕捉,选项D错误。
12.CD　根据安培定则知,a处电流在O点产生的磁感应强度的方向垂直a、d连线向下,d处电流在O点产生的磁感应强度的方向垂直a、d连线向上,如图甲所示,由于两导线电流大小相等,O到a、d的距离相等,所以BaO=BdO,O处磁感应强度为0,选项A错误;a处电流在d点产生的磁感应强度的方向垂直a、d连线向下,d处电流在a点产生的磁感应强度的方向垂直a、d连线向上,a、d两处磁场方向相反,选项B错误,C正确;a处电流在b点产生的磁感应强度的方向垂直a、b连线向左,d处电流在b点产生的磁感应强度的方向垂直d、b连线向上,由平行四边形定则求得b处的磁感应强度Bb,如图乙所示,同理可求得c、e、 f点的磁感应强度Bc、Be、Bf,由于Bdf=Bae=Bac=Bdb,Baf=Bde=Bdc=Bab,因此Bb、Be、Bf、Bc大小相等,选项D正确。
甲　　乙
13.答案　(1)S(2分)　N(2分)　(2)A(2分)
解析　(1)观察通电螺线管正上方小磁针静止时所指的方向,可知通电螺线管右端为S极,左端为N极,则螺线管下方小磁针I指向左边的是S极;因为通电螺线管内部磁场由S极指向N极,所以通电螺线管内部磁场从右向左,根据小磁针静止时N极所指的方向是该点的磁场方向,可知小磁针II指向左边的是N极。
(2)由右手螺旋定则可以判断出通电螺线管右侧为N极,左侧为S极,根据小磁针静止时N极所指的方向是该点的磁场方向可得A正确。
14.答案　(1)图见解析(4分)　最左端(2分)
(2)向右(2分)
解析　(1)如图所示。
由图可以看出,滑动变阻器采用限流式接法接入电路中,开关闭合之前,要将滑动变阻器连入电路的阻值调到最大,即将滑片置于最左端。
(2)减小滑动变阻器接入电路中的阻值,流过A线圈的电流增大,穿过B线圈的磁通量增大,灵敏电流计的指针向左偏转。当A线圈相对B线圈向上运动时,穿过B线圈的磁通量减小,则灵敏电流计的指针向右偏转。
15.答案　(1)πρr2v3　(2)8×105 kW·h
解析　(1)风垂直流向风轮机时,提供的风能功率最大。叶片旋转面积为S=πr2
单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为m=ρvS=ρv·πr2 (1分)
风能的最大功率可表示为Pm=mv2 (2分)
得出Pm=(ρvS)v2=πρr2v3 (1分)
(2)风力发电机的输出功率为
P2=×540 kW=160 kW(2分)
最小年发电量约为
W=P2t=160×5 000 kW·h=8×105 kW·h(2分)
16.答案　(1)BL2
(2)见解析
关键点拨　当ab边通过磁场区域虚线时,导线框的一部分面积在右侧磁场,一部分面积在左侧磁场,则同时有磁感线沿相反方向穿过导线框,此时应该求穿过导线框的合磁通量。
解析　(1)导线框转动120°时,与磁场方向夹角为60°,
则磁通量Φ=BL2 cos 60°=BL2 (2分)
(2)从ab边进入磁场算起,0~L过程线框在左侧磁场,有Φ1=BLx (1分)
L~2L过程,ab边进入右侧磁场,cd边在左侧磁场,
则有Φ2=-BL(x-L)+BL(2L-x) (2分)
即Φ2=3BL2-2BLx (1分)
2L~3L过程,线框在右侧磁场,有Φ3=-BL(3L-x)=BLx-3BL2 (1分)
作出磁通量随横坐标的变化图像如图所示。
(3分)
17.答案　B
解题思路　
解析　设正方体的棱长为L,则
dc=da=L,de=ha=L (2分)
由于dh中的电流在c点产生的磁感应强度为B,
且B=k
所以,dh中的电流在a点产生的磁感应强度B1=k=B,方向由a指向b,如图所示。 (2分)
hg中的电流在a点产生的磁感应强度B2=kB,方向垂直ha,如图所示。 (2分)
由图可知B1和B2垂直,
所以a点的磁感应强度大小为
Ba=B (2分)
dh中的电流在e点产生的磁感应强度为B3=k=B,方向由e指向f,如图所示。 (1分)
hg中的电流在e点产生的磁感应强度为B4=k=2B,方向由e指向a,如图所示。 (1分)
由图可知B3和B4垂直,e点的磁感应强度大小为Be=B (2分)
18.答案　(1)0.4 Wb　
(2)11.6 Wb　
(3)B=
解析　(1)DE棒向右以v0=0.5 m/s的速度匀速运动4 s时,位移为x=v0t=2 m(1分)
由于∠MON=45°,此时回路的面积为
S= m2=2 m2 (1分)
回路的磁通量的变化量为
ΔΦ1=B0S=0.4 Wb(2分)
(2)初态磁通量为
Φ1=B0S0=0.4 Wb(2分)
末态的磁通量为
Φ2=B1S1=12 Wb(2分)
回路中的磁通量的变化量为
ΔΦ2=Φ2-Φ1=11.6 Wb(2分)
(3)闭合回路三角形的直角边长为x=x0+v1t=(1+t) m(2分)
闭合回路中没有感应电流产生,则磁通量不变,有B0·x2 (2分)
解得B= (2分)
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