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2023-2024学年高二下学期期末考试物理试题A卷
检测范围：选择性必修二
（考试时间：75分钟 试卷满分：100分）
一、选择题：本题共10小题，共42分。在每小题给出的四个选项中，第1~8小题只有一项符合题目要求，每小题4分；第9~10小题有多项符合题目要求，全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的或不选的得0分。
1.如图，长为的直导线被两条平行且等长的绝缘轻绳悬挂于水平轴上，其所在区域存在方向垂直指向的磁场，与距离相等位置处的磁感应强度的大小相等且不随时间变化导线通以电流，静止在图中右侧位置时，轻绳偏离竖直方向的夹角为，两绝缘轻绳与磁场的方向平行，已知直导线重力为，下列说法正确的是( )
A. 此时导线中电流方向由指向
B. 此时导线所受安培力方向水平向右
C. 电流减小，静止后轻绳偏离竖直方向的夹角增大
D. 直导线静止在图中右侧位置处的磁感应强度的大小为
【答案】D
【解析】【分析】
对直导线进行受力分析，根据几何关系分析出不同力之间的关系，结合安培力公式和三角函数完成分析。
本题主要考查了安培力的计算，熟悉安培力的计算公式，根据物体的受力分析和几何关系即可完成解答。
【解答】
A.导体受到向下的重力，沿悬线向左上的拉力，如要平衡安培力的方向一定朝右上方。对直导线进行受力分析，如图所示
根据左手定则可知，导线中电流方向应由指向，故AB错误；
C.对导体棒受力分析列出平衡方程为：，故电流减小，夹角减小，故C错误；
D.根据得出，即为，故D正确；
故选D。
2.现代技术常用磁场来控制带电粒子的运动。如图，在竖直平面内有一边长为的正方形，该区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场图中未画出，磁场的磁感应强度大小为。某时刻从边中点沿对角线方向射出一束比荷相同、初速度大小不同的带正电的粒子。不计粒子重力及粒子间的相互作用力。则( )
A. 粒子不可能从点射出
B. 粒子不可能从边中点射出
C. 粒子能从边射出区域的长度为
D. 粒子在区域内运动的最长时间为
【答案】D
【解析】【分析】
粒子在磁场中做匀速圆周运动，利用洛伦兹力提供向心力结合几何关系分析粒子射出点的分布情况，利用粒子转过的圆心角结合周期公式求解粒子在磁场中运动的时间。
带电粒子在磁场中运动，洛伦兹力做向心力，故常根据速度及磁感应强度求得半径，然后根据几何关系求得运动轨迹；或反过来由轨迹根据几何关系求解半径，进而求得速度、磁感应强度。
【解答】
A.粒子在磁场中运动只受洛伦兹力作用，故粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力做向心力，故由左手定则可得：粒子做逆时针运动；根据粒子做匀速圆周运动，由粒子在点的速度竖直向下，那么，粒子做圆周运动的轨道圆心在过点的水平线和、两点的垂直平分线的交点上；
故根据几何关系，由运动轨迹可得：粒子可能从点射出，故A错误。
B.根据粒子做匀速圆周运动，由粒子在点的速度竖直向下，那么，粒子做圆周运动的轨道圆心在过点的水平线和与中点的垂直平分线的交点上；故根据几何关系，
由运动轨迹可得粒子可能从边中点射出，故B错误。
C.根据两者做匀速圆周运动可得：粒子做圆周运动的轨道圆心在过点的水平线和点及出射点的垂直平分线的交点上；根据粒子做逆时针运动，作出放缩圆分别与边、边相切的轨迹，如图所示：
由图可知粒子能从边射出区域的长度为切点与交点所夹的范围，由
，可得：
由，可得：
切点到点的距离为。交点非常接近点，所以切点与交点之间的距离，故C错误；
D.粒子在区域内运动，当粒子从上离开磁场区域时转过的圆心角最大，为，根据洛伦兹力做向心力可得：
所以粒子在磁场中的运动周期：，故粒子在区域内运动的最长时间为：，故D正确。
故选D。
3.如图所示，水平面内有一平行金属导轨，导轨光滑且电阻不计，匀强磁场与导轨平面垂直。阻值为的导体棒垂直于导轨静止放置，且与导轨接触良好。时，将开关由掷到。、、和分别表示电容器所带的电荷量、棒中的电流、棒的速度和加速度。图中正确的是( )
A. B.
C. D.
【答案】D
【解析】解：开关由掷到，电容器放电，在电路中产生放电电流，导体棒通有电流后会受到向右的安培力作用，向右加速运动，导体棒将切割磁感线，产生感应电动势，此感应电动势将电容器的电压抵消一些，随着速度增大，感应电动势增大，则回路中的电流减小，导体棒所受的安培力减小，加速度减小，因导轨光滑，所以在有电流通过棒的过程中，棒是一直加速运动变加速，当感应电动势等于电容器的电压时，电路中无电流，导体棒不受安培力，做匀速运动；
A、当棒匀速运动后，棒因切割磁感线有感应电动势，所以电容器两端的电压能稳定在某个不为的数值，则由知，电容器的电荷量应稳定在某个不为的数值，不会减少到，这时电容器的电压等于棒的电动势，棒中无电流，故A错误；
B、由于电容器放电过程两极板的电压要变小，所以放电电流减小，同时导体棒切割磁感线产生感应电动势，当感应电动势与电容电压相等时，回路中电流为零，故B错误；
C、导体棒先做加速度减小的变加速运动，由于电容器放电产生电流使得导体棒受安培力作用而运动，当感应电动势等于电容器的电压时，电路中无电流，导体棒不受安培力时，导体棒做匀速运动，故图像是曲线后应是直线，故C错误；
D、根据上面分析可知，杆的加速度逐渐减小直到为零，故D正确。
故选：。
知道电容器放电后会在电路中产生电流；导体棒通有电流后会受到安培力的作用，会产生加速度而加速运动；导体棒切割磁感线，速度增大，感应电动势增大，则电流减小，安培力减小，加速度减小。
本题考查电容器放电及电磁感应和安培力及加速度、速度等。电容器的充电和放电是与两极板间的电势差有关的。
4.如图是某同学设计的温控报警系统：交流电源输入有效值恒定的电压，变压器可视为理想变压器，和分别为定值电阻和滑动变阻器为热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小为报警装置可视为阻值恒定的电阻，其两端电压超过设定值时报警器发出警报。现欲使在温度更低时报警，下列做法一定可行的是( )
A. 仅将滑片左移 B. 仅将滑片右移
C. 将滑片左移，同时将滑片下移 D. 将滑片右移，同时将滑片上移
【答案】A
【解析】【分析】
本题考查了变压器，要明确变压器的电压是由输入决定输出，电流和功率式输出决定输入。
若要调低预设的报警温度，使热敏电阻的阻值较大时报警，需保持输出电流不变，据此分析。
【解答】
解：若要调低预设的报警温度，即热敏电阻的阻值较大，要保持流过的电流不变，则可减小滑动变阻器的阻值，即仅将滑片左移，故A正确，B错误；
C.将滑片下移，输入电压降低，将滑片左移，不一定能够保持流过的电流不变，故C错误；
D.将滑片上移，输入电压升高，将滑片右移，不一定能够保持流过的电流不变，故D错误。
5.笔记本电脑盖上屏幕，屏幕盖板上磁铁和主板机壳上“霍尔传感器”配合，使屏幕进入休眠模式，其工作原理如图所示。当电脑盖上屏幕时，相当于屏幕边缘的磁极靠近霍尔元件，已知该霍尔元件载流子为电子，以下说法正确的是
A. 盖上盖板，端带正电
B. 打开盖板，端带正电
C. 盖上屏幕过程中，、间电势差逐渐增大
D. 盖上屏幕过程中，、间电势差不变
【答案】C
【解析】【分析】
半导体霍尔元件是自由电子导电，电流方向向左，则电子向右定向移动，在磁场中受到洛伦兹力发生偏转，根据左手定则判断电子所受的洛伦兹力方向，判断端电性；
稳定后，电子受力平衡，根据洛伦兹力等于电场力分析解答。
本题考查了霍尔效应及其应用，解题的关键是明确自由电荷在复合场中受力平衡，易错点在于利用左手定则判断电荷的移动时注意电子带负电。
【解答】
由左手定则可知，自由电子往端偏转，故端带负电，故AB错误；
稳定时，自由电子不再偏转，设自由电子定向移动的速率为，前后表面间的距离为，满足，解得，盖上屏幕过程中，磁感应强度增大，故前、后表面间的电势差增大，故C正确，D错误。
故选：。
6.在图的振荡演示电路中，开关先拨到位置“”，电容器充满电后，在时刻开关拨到位置“”。若电流从传感器的“”极流入，电流显示为正，图为振荡电流随时间变化的图线，则下面有关说法正确的是
( )
A. 若电阻减小，电流变化如图中实线 B. 若电阻减小，电流变化如图中虚线
C. 在图中点时刻电容器上极板带正电 D. 电容器内有感应磁场
【答案】D
【解析】【分析】
本题考查了振荡电路的相关规律。在振荡电路中，电流衰减的原因主要是电阻的发热以及电磁波向外辐射。
本题中的振荡电路中电流的变化情况可以近似认为是在振荡电路理想状态下谐振模型的基础上加入电阻而形成的阻尼振动。当阻尼减小电阻减小时，振动周期减小。
【解答】
若减小，则回路电流增大，振荡电流变化周期减小，而图中实线中振荡电流变化周期不变，虚线中振荡电流变化周期增大，故 AB均错误
C.点回路电流减小，处于反向充电中，下极板带正电，故C错误
D.由麦克斯韦理论可知，变化的电场会产生感应磁场，所以电容器中有感应磁场，正确
选D。
7.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质地均匀的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向里的匀强磁场。已知金属框的总电阻为；在到时间内，磁感应强度大小随时间的变化关系为。则在这段时间内，下列说法正确的是
A. 绳子张力始终比金属框所受重力小 B. 时金属框所受安培力为
C. 流过金属框某个横截面的总电荷量为 D. 金属框产生的总焦耳热为
【答案】C
【解析】【分析】本题考查了电磁感应。根据计算感应电动势；根据计算感应电流；感应电流恒定，磁感应强度随时间改变，据此分析安培力；根据计算电荷量；根据计算焦耳热。
【解答】由左手定则和右手定则可知，金属框所受安培力方向竖直向下，在到时间内，绳子张力始终比金属框所受重力大，金属框中电流恒定，磁感应强度大小随时间发生变化，安培力大小随时间发生变化，当时，磁感应强度大小为，绳子张力等于所受重力，故A错误；
B.金属框中产生的感应电动势为
金属框中的电流为，
时金属框所受安培力为，故B错误；
C.，故C正确；
D.∽内金属框产生的焦耳热为，故D错误。
故选 C。
8.粒子加速器是利用电场来推动带电粒子使其获得能量的装置，是高能物理中重要的角色。年美国物理学家恩奈斯特劳伦斯发明了回旋加速器，被加速的粒子在一圆形结构里运动，其运动轨迹由磁场控制，通过交变电场给带电粒子加速。图甲是回旋加速器的示意图，粒子出口处如图所示。图乙是回旋加速器所用的交变电压随时间的变化规律。某物理学习小组在学习了回旋加速器原理之后，想利用同一回旋加速器分别加速两种带正电的粒子，所带电荷量分别为、，质量分别为、。保持交变电压随时间变化的规律不变，需要调整所加磁场的磁感应强度的大小，则( )
A. 所加磁场的磁感应强度大小之比为
B. 粒子获得的最大动能之比为
C. 粒子的加速次数之比为
D. 粒子在回旋加速器中的运动时间之比为
【答案】C
【解析】【分析】
两种情况下，粒子在磁场中运动的周期相等，根据周期公式得磁感应强度的大小关系；结合洛伦兹力提供向心力得速度的表达式，即可得最大动能的表达式，也就得最大动能的关系；根据最大动能与每加速一次所得动能求加速的次数；从而即可得运动时间。
本题考查回旋加速器问题，明确电场与磁场的作用是关键，结合相关的规律进行分析。
【解答】
A.所加电压规律不变，则粒子周期，由得，故A错误；
B.由，得，知越大，越大，则的最大值为回旋加速器的半径，所以，最大的动能为，则有，又由选项结论，得，故B错误；
C.加速次数满足，所以，又由选项结论，所以，故C正确；
D.加速周期，加速次数，加速时间，得，故D错误。
故选C。
9.如图所示，一辆汽车以速度向右匀速运动，汽车顶部固定了一开口向上的轻质光滑绝缘管道，整个空间存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为。管道内有一个带正电小球，开始位于管道端且相对管道速度为，一段时间后，小球运动到管道端，小球质量为，电量为，管道高度为，小球直径略小于管道内径。若不计小球重力，则小球从端到端的过程中( )
A. 小球运动的时间
B. 小球运动的时间
C. 管道对小球作用力的平均功率
D. 管道对小球作用力的平均功率
【答案】BD
【解析】【分析】
根据牛顿第二定律分析竖直方向上的加速度，再根据位移时间公式求解运动时间；求出管壁对小球做的功，然后求出管壁对小球做功的平均功率。
本题考查洛伦兹力、牛顿第二定律以及功率的计算等，要注意正确分析题意，明确洛伦兹力永不做功的性质。
【解答】
小球与汽车一起以速度向右匀速运动，由左手定则可知，小球在竖直方向所受洛伦兹力竖直向上，且大小保持不变，在竖直方向，根据牛顿第二定律得：，在竖直方向的位移，解得：，故A错误，B正确；
球所受洛伦兹力不做功，因此洛伦兹力在沿管道方向分力做正功的大小等于垂直于管道向左的分力做负功的大小，管道对小球的作用力始终与洛伦兹力垂直于管道向左的分力平衡，则有，管道对小球作用力的平均功率，解得：，故C错误，D正确。
故选BD。
10.一含有理想变压器的电路如图所示，图中电阻、和的阻值分别为、和，为正弦交流电源，输出电压的有效值恒定。当开关闭合和断开时，变压器输出的功率相等。下列说法正确的是
A. 开关闭合和断开时，变压器原线圈两端电压比为
B. 开关闭合和断开时，变压器原线圈两端电压比为
C. 变压器原、副线圈匝数比为
D. 变压器原、副线圈匝数比为
【答案】BC
【解析】【分析】
本题考查了变压器的知识；解答本题的关键是知道变压器的电压之比等于匝数之比，在只有一个副线圈的情况下的电流之比等于匝数的反比；知道理想变压器的输出功率决定输入功率且相等。
开关闭合时变压器输出功率与断开时变压器输出功率相等，求出两种情况下副线圈的电流之比，得出原线圈两端电压之比；根据变压器原理求出开关闭合、断开时，原线圈的电流强度和电压，根据闭合电路的欧姆定律列方程求解变压器原、副线圈匝数比。
【解答】
由于开关闭合时变压器输出功率与断开时变压器输出功率相等，设开关闭合时副线圈的电流强度为、断开时副线圈的电流强度为，则有：；
解得：；
根据变压器原理可知：变压器原线圈两端电压比：，故A错误，B正确；
设变压器原副线圈的匝数比为，
开关闭合时，原线圈的电流强度为，电压为，根据闭合电路的欧姆定律可得：；
开关断开时，原线圈的电流强度为，电压为，根据闭合电路的欧姆定律可得：，
联立解得，即变压器原、副线圈匝数比为，故C正确，D错误。
二、实验题（本题共2小题，共16分。）
11.半导体型呼气酒精测试仪采用氧化锡半导体作为传感器。如图甲所示是该测试仪的原理图。图中为定值电阻，酒精气体传感器的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小。
驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，电压表的读数越________填“大”或“小”。
如图乙所示为酒精气体传感器的电阻值随酒精气体浓度变化的关系曲线。则酒精气体浓度为时的阻值为________。若某司机呼气酒精浓度为，此时此时的阻值为________。
现有一个电源，电动势为，内阻为；电压表量程为，内阻很大；定值电阻的阻值为；导线若干。按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为的刻度线应刻在电压刻度线为________处；酒精气体浓度为应刻在电压刻度线为________处。
【答案】大；
；均可
；
【解析】【分析】
根据闭合电路欧姆定律，判断驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，电压表的读数的变化；
根据“电阻值气体酒精浓度”的关系曲线，求出此时的阻值；
根据闭合电路欧姆定律求出酒精气体浓度为的刻度线应刻在电压刻度线和精气体浓度为应刻在电压刻度线的位置。
本题考查传感器的应用，关键在于理解实验的原理。
【解答】
酒精气体浓度越大，的阻值越小。根据闭合电路欧姆定律，当减小时，电路总电流增大，故电压表的读数变大。
根据“电阻值气体酒精浓度”的关系曲线。读出呼气酒精浓度为时的阻值为。呼气酒精浓度为时，的阻值为。
酒精气体浓度为时，，；酒精气体浓度为时，，，。
故答案为：
大；
；均可
；
12.光传感器是一种传感装置，在自动控制中发挥着重要作用，主要应用了半导体材料制成的光敏电阻，某实验小组用光敏电阻做实验：光敏电阻光照越强电阻越小
为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，用图甲所示电路进行实验，得出两种图线如图乙所示．根据图线可知正常光照射时光敏电阻阻值为__________，强光源照射时电阻为__________．
若实验中所用电压表的内阻约为，毫安表的内阻约为，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中_________填“正常光照射时”或“强光照射时”测得的电阻误差较大．若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用__________填“内接”或“外接”法进行实验，实验结果较为准确．
在下列有关其他电阻应用的说法中，正确的是__________．
A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 光敏电阻是一种光电传感器
C.电阻丝可应用于电热设备中 电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
【答案】；；
强光照射时；外接；
【解析】【分析】
根据可以知道，在图象中斜率等于电阻阻值；
根据待测电阻与电压表和电流表内阻间的关系即可明确误差情况，从而确定误差较小的接法。
根据各类电阻的工作原理和应用，由此分析解题。
本题考查电路接法以及误差分析的方法，要注意明确电流表内外接法的正确选择，按照大电阻应采用内接法，小电阻采用外接法的方式进行选择。
【解答】
光敏电阻的阻值随光照的增强而减小，结合图乙正常光照射时，强光照射时；
实验电路采用的是毫安表内接法，测得的结果比真实值偏大，当待测电阻远大于毫安表电阻时实验误差较小，所以强光照射时误差较大；强光照射时采用毫安表外接法实验结果较为准确。
热敏电阻对温度很敏感，光敏电阻对光照很敏感，电阻丝可用于电加热，这很常见，选项A、、C正确；
D.交流电、直流电均可通过电阻，电阻对它们均可产生阻碍作用，选项D错误．
故选ABC。
故答案为：；；
强光照射时；外接；
三、计算题（本题共3小题，共42分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。）
13.如图所示，圆形区域内有垂直纸面的匀强磁场，为磁场边界上的一点，有大量完全相同的带电粒子平行纸面向各个方向以相同的速度大小通过点进入磁场，最后这些粒子从右侧圆弧上射出磁场区域有粒子从点射出。圆弧的弧长是圆周长的，不计粒子之间的相互作用，粒子的质量为，电量为，求：
圆形磁场区域的半径；
粒子在磁场中运动轨迹的最大长度；
若只把磁场撤去，在圆形区域内加场强大小为的平行于纸面的匀强电场，从圆弧射出电场的粒子中，点射出的粒子动最大，求最大动能
【答案】(1)【解析】当轨道半径小于或等于磁场区半径时，粒子射出圆形磁场的点离入射点最远距离为轨迹直径如图一所示，当粒子从1/3圆周射出磁场时，粒子在磁场中运动的轨道直径为AB
粒子都从圆弧AB之间射出，根据几何关系可得轨道半径30°，解得
粒子在磁场中做圆周运动
解得
(2)带电粒子在磁场中运动的半径不变，粒子在磁场中运动的最大实际为图乙轨迹1所对应的轨迹长度最大，故
(3)若只把磁场撤去，在圆形区域内加场强大小为E的平行于纸面的匀强电场，从圆弧射出电场的粒子中，C点射出的粒子动最大，求最大动能Ek
14.如图所示，间距为、足够长的平行光滑导轨倾斜放置，倾角为，导轨上端连接有阻值为的定值电阻，自身电阻不计，导轨处在垂直导轨平面向上的匀强磁场中。将质量为的金属棒放在导轨上，并由静止释放。已知金属棒沿导轨运动中始终与导轨垂直并与导轨接触良好，金属棒接入电路的电阻也为，向下运动的最大速度为，重力加速度为。求：
匀强磁场的磁感应强度大小；
若给金属棒沿斜面向上大小为的初速度，从开始到金属棒运动的速度大小再次为的过程中，通过金属棒截面的电荷量为，则此过程中金属棒产生的焦耳热为多少；
若在问中金属棒沿导轨向上运动的最大距离为，则从开始到金属棒的速度大小再次为的过程中，金属棒运动的时间为多少。
【答案】解：当金属棒以最大速度向下运动时，电路中电动势
根据闭合电路欧姆定律
根据力的平衡
解得
从开始到金属棒运动的速度大小再次为的过程中，设金属棒的初位置和末位置沿斜面方向的距离为，
则
根据闭合电路欧姆定律
解得
设金属棒中产生的焦耳热为，根据能量守恒定律得
解得
设金属棒向上运动的时间为，根据动量定理有
根据闭合电路欧姆定律
解得
金属棒向下运动，当速度为再次为时，向下运动的距离为
根据动量定理有
根据闭合电路欧姆定律
解得
因此运动的总时间
【解析】 本题考查闭合电路欧姆定律、力的平衡、能量守恒、动量定理、电磁感应，考查考生的推理能力和分析综合能力。
根据电动势结合欧姆定律及平衡条件计算；
根据结合欧姆定律及法拉第电磁感应定律计算金属棒的初位置和末位置沿斜面方向的距离为，再由能量守恒定律计算；
根据动量定理结合法拉第电磁感应定律结合欧姆定律分布计算向上和向下运动时间，进而计算总时间。
15.如图所示，两足够长的水平光滑导轨左侧接有电动势为的电源，导轨间距为，长度均为的金属棒甲、乙垂直导轨放置，金属棒甲放在虚线Ⅰ的左侧，金属棒乙放在两虚线Ⅰ、Ⅱ之间，虚线Ⅰ的左侧、虚线Ⅱ的右侧均有方向竖直向上、磁感应强度大小为的匀强磁场某时刻将开关闭合，金属棒甲由静止开始向右运动，且在达到虚线Ⅰ前已达到匀速状态，在虚线Ⅰ、Ⅱ间，两金属棒发生弹性碰撞，且碰撞时间极短已知金属棒甲、乙的质量分别为、，整个过程两金属棒与导轨接触良好，且没有发生转动，两虚线间的导轨绝缘，不计其余导轨的电阻以及两虚线之间的距离求：
金属棒甲匀速时速度的大小
金属棒甲从出发到到达虚线Ⅰ，所通过横截面的电荷量；
两金属棒碰后瞬间甲棒的速度大小以及甲棒越过虚线Ⅰ后系统产生的内能．
【答案】解：两金属棒碰撞前，由于两虚线间没有磁场，则金属棒乙不受磁场力的作用，即金属棒乙始终静止不动，由于碰撞前金属棒甲已经达到匀速运动状态，匀速过程中金属棒甲不受磁场力的作用，金属棒甲中没有电流，此时金属棒甲两端的电压为，金属棒甲匀速时，感应电动势大小为，
由以上分析可知，
解得；
设金属棒甲从出发到到达虚线Ⅰ所用的时间为，这段时间内金属棒甲受到的平均磁场力大小为，金属棒中的平均电流强度大小为，
则由动量定理得：，
上式中 ，又，
解得；
设碰后瞬间金属棒甲、乙的速度大小分别为，，两金属棒发生的碰撞为弹性碰撞，则由动量守恒定律以及机械能守恒定律得：
，
，
解得：，
两金属棒碰后进入磁场，金属棒甲的速度增大，金属棒乙的速度减小，最终两棒以相同的速度一起匀速运动，根据动量守恒定律得：，
根据能量守恒定律得：，
解得
【解析】本题主要是考查电磁感应中力学问题与能量问题的综合，涉及力学问题常根据牛顿第二定律或平衡条件列出方程；涉及能量问题，要知道电磁感应现象中的能量转化情况，根据动能定理、功能关系等列方程求解。
两金属棒碰撞前，由于两虚线间没有磁场，则金属棒乙不受磁场力的作用，即金属棒乙始终静止不动，由于碰撞前金属棒甲已经达到匀速运动状态，匀速过程中金属棒甲不受磁场力的作用，金属棒甲中没有电流，根据闭合电路欧姆定律求得路端电压；再根据切割磁感应线产生的感应电动势的计算公式求解金属棒甲匀速运动时的速度；
对金属棒根据动量定理结合电荷量的计算公式求解通过金属棒某横截面的电荷量；
两金属棒碰后进入磁场，金属棒甲的速度增大，金属棒乙的速度减小，最终两棒以相同的速度一起匀速运动，根据碰撞过程中动量守恒、能量守恒求解从碰后到最终状态过程中电路中产生的焦耳热。
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2023-2024学年高二下学期期末考试物理试题A卷
检测范围：选择性必修二
（考试时间：75分钟 试卷满分：100分）
一、选择题：本题共10小题，共42分。在每小题给出的四个选项中，第1~8小题只有一项符合题目要求，每小题4分；第9~10小题有多项符合题目要求，全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的或不选的得0分。
1.如图，长为的直导线被两条平行且等长的绝缘轻绳悬挂于水平轴上，其所在区域存在方向垂直指向的磁场，与距离相等位置处的磁感应强度的大小相等且不随时间变化导线通以电流，静止在图中右侧位置时，轻绳偏离竖直方向的夹角为，两绝缘轻绳与磁场的方向平行，已知直导线重力为，下列说法正确的是( )
A. 此时导线中电流方向由指向
B. 此时导线所受安培力方向水平向右
C. 电流减小，静止后轻绳偏离竖直方向的夹角增大
D. 直导线静止在图中右侧位置处的磁感应强度的大小为
2.现代技术常用磁场来控制带电粒子的运动。如图，在竖直平面内有一边长为的正方形，该区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场图中未画出，磁场的磁感应强度大小为。某时刻从边中点沿对角线方向射出一束比荷相同、初速度大小不同的带正电的粒子。不计粒子重力及粒子间的相互作用力。则( )
A. 粒子不可能从点射出
B. 粒子不可能从边中点射出
C. 粒子能从边射出区域的长度为
D. 粒子在区域内运动的最长时间为
3.如图所示，水平面内有一平行金属导轨，导轨光滑且电阻不计，匀强磁场与导轨平面垂直。阻值为的导体棒垂直于导轨静止放置，且与导轨接触良好。时，将开关由掷到。、、和分别表示电容器所带的电荷量、棒中的电流、棒的速度和加速度。图中正确的是( )
A. B.
C. D.
4.如图是某同学设计的温控报警系统：交流电源输入有效值恒定的电压，变压器可视为理想变压器，和分别为定值电阻和滑动变阻器为热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小为报警装置可视为阻值恒定的电阻，其两端电压超过设定值时报警器发出警报。现欲使在温度更低时报警，下列做法一定可行的是( )
A. 仅将滑片左移 B. 仅将滑片右移
C. 将滑片左移，同时将滑片下移 D. 将滑片右移，同时将滑片上移
5.笔记本电脑盖上屏幕，屏幕盖板上磁铁和主板机壳上“霍尔传感器”配合，使屏幕进入休眠模式，其工作原理如图所示。当电脑盖上屏幕时，相当于屏幕边缘的磁极靠近霍尔元件，已知该霍尔元件载流子为电子，以下说法正确的是
A. 盖上盖板，端带正电
B. 打开盖板，端带正电
C. 盖上屏幕过程中，、间电势差逐渐增大
D. 盖上屏幕过程中，、间电势差不变
6.在图的振荡演示电路中，开关先拨到位置“”，电容器充满电后，在时刻开关拨到位置“”。若电流从传感器的“”极流入，电流显示为正，图为振荡电流随时间变化的图线，则下面有关说法正确的是
( )
A. 若电阻减小，电流变化如图中实线 B. 若电阻减小，电流变化如图中虚线
C. 在图中点时刻电容器上极板带正电 D. 电容器内有感应磁场
7.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质地均匀的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向里的匀强磁场。已知金属框的总电阻为；在到时间内，磁感应强度大小随时间的变化关系为。则在这段时间内，下列说法正确的是
A. 绳子张力始终比金属框所受重力小 B. 时金属框所受安培力为
C. 流过金属框某个横截面的总电荷量为 D. 金属框产生的总焦耳热为
8.粒子加速器是利用电场来推动带电粒子使其获得能量的装置，是高能物理中重要的角色。年美国物理学家恩奈斯特劳伦斯发明了回旋加速器，被加速的粒子在一圆形结构里运动，其运动轨迹由磁场控制，通过交变电场给带电粒子加速。图甲是回旋加速器的示意图，粒子出口处如图所示。图乙是回旋加速器所用的交变电压随时间的变化规律。某物理学习小组在学习了回旋加速器原理之后，想利用同一回旋加速器分别加速两种带正电的粒子，所带电荷量分别为、，质量分别为、。保持交变电压随时间变化的规律不变，需要调整所加磁场的磁感应强度的大小，则( )
A. 所加磁场的磁感应强度大小之比为
B. 粒子获得的最大动能之比为
C. 粒子的加速次数之比为
D. 粒子在回旋加速器中的运动时间之比为
9.如图所示，一辆汽车以速度向右匀速运动，汽车顶部固定了一开口向上的轻质光滑绝缘管道，整个空间存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为。管道内有一个带正电小球，开始位于管道端且相对管道速度为，一段时间后，小球运动到管道端，小球质量为，电量为，管道高度为，小球直径略小于管道内径。若不计小球重力，则小球从端到端的过程中( )
A. 小球运动的时间
B. 小球运动的时间
C. 管道对小球作用力的平均功率
D. 管道对小球作用力的平均功率
10.一含有理想变压器的电路如图所示，图中电阻、和的阻值分别为、和，为正弦交流电源，输出电压的有效值恒定。当开关闭合和断开时，变压器输出的功率相等。下列说法正确的是
A. 开关闭合和断开时，变压器原线圈两端电压比为
B. 开关闭合和断开时，变压器原线圈两端电压比为
C. 变压器原、副线圈匝数比为
D. 变压器原、副线圈匝数比为
二、实验题（本题共2小题，共16分。）
11.半导体型呼气酒精测试仪采用氧化锡半导体作为传感器。如图甲所示是该测试仪的原理图。图中为定值电阻，酒精气体传感器的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小。
驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，电压表的读数越________填“大”或“小”。
如图乙所示为酒精气体传感器的电阻值随酒精气体浓度变化的关系曲线。则酒精气体浓度为时的阻值为________。若某司机呼气酒精浓度为，此时此时的阻值为________。
现有一个电源，电动势为，内阻为；电压表量程为，内阻很大；定值电阻的阻值为；导线若干。按图甲所示电路图把电压表改装成酒精浓度表，则酒精气体浓度为的刻度线应刻在电压刻度线为________处；酒精气体浓度为应刻在电压刻度线为________处。
12.光传感器是一种传感装置，在自动控制中发挥着重要作用，主要应用了半导体材料制成的光敏电阻，某实验小组用光敏电阻做实验：光敏电阻光照越强电阻越小
为了研究光敏电阻在室内正常光照射和室外强光照射时电阻的大小关系，用图甲所示电路进行实验，得出两种图线如图乙所示．根据图线可知正常光照射时光敏电阻阻值为__________，强光源照射时电阻为__________．
若实验中所用电压表的内阻约为，毫安表的内阻约为，考虑到电表内阻对实验结果的影响，此实验中_________填“正常光照射时”或“强光照射时”测得的电阻误差较大．若测量这种光照下的电阻，则需将实物图中毫安表的连接方式采用__________填“内接”或“外接”法进行实验，实验结果较为准确．
在下列有关其他电阻应用的说法中，正确的是__________．
A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 光敏电阻是一种光电传感器
C.电阻丝可应用于电热设备中 电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用
三、计算题（本题共3小题，共42分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。）
13.如图所示，圆形区域内有垂直纸面的匀强磁场，为磁场边界上的一点，有大量完全相同的带电粒子平行纸面向各个方向以相同的速度大小通过点进入磁场，最后这些粒子从右侧圆弧上射出磁场区域有粒子从点射出。圆弧的弧长是圆周长的，不计粒子之间的相互作用，粒子的质量为，电量为，求：
圆形磁场区域的半径；
粒子在磁场中运动轨迹的最大长度；
若只把磁场撤去，在圆形区域内加场强大小为的平行于纸面的匀强电场，从圆弧射出电场的粒子中，点射出的粒子动最大，求最大动能
14.如图所示，间距为、足够长的平行光滑导轨倾斜放置，倾角为，导轨上端连接有阻值为的定值电阻，自身电阻不计，导轨处在垂直导轨平面向上的匀强磁场中。将质量为的金属棒放在导轨上，并由静止释放。已知金属棒沿导轨运动中始终与导轨垂直并与导轨接触良好，金属棒接入电路的电阻也为，向下运动的最大速度为，重力加速度为。求：
匀强磁场的磁感应强度大小；
若给金属棒沿斜面向上大小为的初速度，从开始到金属棒运动的速度大小再次为的过程中，通过金属棒截面的电荷量为，则此过程中金属棒产生的焦耳热为多少；
若在问中金属棒沿导轨向上运动的最大距离为，则从开始到金属棒的速度大小再次为的过程中，金属棒运动的时间为多少。
15.如图所示，两足够长的水平光滑导轨左侧接有电动势为的电源，导轨间距为，长度均为的金属棒甲、乙垂直导轨放置，金属棒甲放在虚线Ⅰ的左侧，金属棒乙放在两虚线Ⅰ、Ⅱ之间，虚线Ⅰ的左侧、虚线Ⅱ的右侧均有方向竖直向上、磁感应强度大小为的匀强磁场某时刻将开关闭合，金属棒甲由静止开始向右运动，且在达到虚线Ⅰ前已达到匀速状态，在虚线Ⅰ、Ⅱ间，两金属棒发生弹性碰撞，且碰撞时间极短已知金属棒甲、乙的质量分别为、，整个过程两金属棒与导轨接触良好，且没有发生转动，两虚线间的导轨绝缘，不计其余导轨的电阻以及两虚线之间的距离求：
金属棒甲匀速时速度的大小
金属棒甲从出发到到达虚线Ⅰ，所通过横截面的电荷量；
两金属棒碰后瞬间甲棒的速度大小以及甲棒越过虚线Ⅰ后系统产生的内能．
【答案】解：两金属棒碰撞前，由于两虚线间没有磁场，则金属棒乙不受磁场力的作用，即金属棒乙始终静止不动，由于碰撞前金属棒甲已经达到匀速运动状态，匀速过程中金属棒甲不受磁场力的作用，金属棒甲中没有电流，此时金属棒甲两端的电压为，金属棒甲匀速时，感应电动势大小为，
由以上分析可知，
解得；
设金属棒甲从出发到到达虚线Ⅰ所用的时间为，这段时间内金属棒甲受到的平均磁场力大小为，金属棒中的平均电流强度大小为，
则由动量定理得：，
上式中 ，又，
解得；
设碰后瞬间金属棒甲、乙的速度大小分别为，，两金属棒发生的碰撞为弹性碰撞，则由动量守恒定律以及机械能守恒定律得：
，
，
解得：，
两金属棒碰后进入磁场，金属棒甲的速度增大，金属棒乙的速度减小，最终两棒以相同的速度一起匀速运动，根据动量守恒定律得：，
根据能量守恒定律得：，
解得
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