2023-2024学年上海市闵行区高二（下）期中物理试卷（含解析）

2023-2024学年上海市闵行区高二（下）期中物理试卷
一、简答题：本大题共3小题，共100分。
1.磁场对电流的作用力通常称为安培力，这是为了纪念法国物理学家安培，他研究磁场对电流的作用力有杰出的贡献。
一长为的直导线置于磁感应强度大小为的匀强磁场中，导线中的电流为。下列说法正确的是______。
A.通电直导线受到的安培力大小为
B.无论通电直导线如何放置，它都将受到安培力
C.通电直导线所受安培力的方向垂直于磁感应强度方向和电流方向构成的平面
D.安培力是载流子受到的洛伦兹力的宏观表现，所以安培力对通电直导线不做功
在下列如图四幅图中，能正确标明通电直导线所受安培力方向的是______。
一根通电直导线水平放置，通过直导线的恒定电流方向如图所示，现有一电子从直导线下方以水平向右的初速度开始运动，不考虑电子重力，关于接下来电子的运动，下列说法正确的是______。
A.电子将向下偏转，运动的半径逐渐变大
B.电子将向上偏转，运动的半径逐渐变小
C.电子将向上偏转，运动的半径逐渐变大
D.电子将向下偏转，运动的半径逐渐变小
某磁电式电流表结构如图甲所示，矩形线圈匝数为，长边长度为。矩形线圈放在均匀辐射状磁场中，如图乙所示，两条长边经过的位置磁感应强度大小为。当线圈长边中电流为时，电流表指针偏转的角度为，则当电流表指针偏转的角度为时，线圈一侧长边受到的安培力大小为______。
A.
B.
C.
D.
如图所示，两光滑金属导轨倾斜放置，与水平面夹角为，导轨间距为，一质量为的导体棒与导轨垂直放置，电源输出电流保持恒定，不计导轨电阻。当磁场水平向右时，导体棒恰能静止，现磁场发生变化，方向沿逆时针旋转，最终竖直向上，在磁场变化的过程中，导体棒始终静止，关于的大小的变化说法正确的是______。
A.逐渐增大
B.逐渐减小
C.先增大后减小
D.先减小后增大
如图所示，质量和电荷量大小都相等的带电粒子和，以不同的速率经小孔垂直射入有界匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，和运行的半圆轨迹如图中的虚线所示，则带______选填“正电”或“负电”；的运行时间______的运行时间选填“”、“”或“”。
图为质谱仪的示意图。速度选择器的匀强电场强度为，匀强磁场的磁感应强度为电场方向与磁场方向相互垂直。偏转分离器的磁感应强度为。已知质子质量为，元电荷的电荷量为试求：
能通过速度选择器的粒子速度的大小；
如质子和氘核以相同速度进入偏转分离器，试求在质谱仪底片上收集到的条纹之间的距离；
求质子和氘核在磁场中运动的时间。
2.年，物理学家海因里希楞次在概括了大量实验事实的基础上，总结出一条判断感应电流方向的规律，称为楞次定律。简单地说就是“来拒去留”的规律，这就是楞次定律的主要内容。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现。
如图所示，一线圈用细杆悬于点，开始时细杆处于水平位置，释放后让它在匀强磁场中运动，磁场的方向如图所示，已知线圈平面始终与纸面垂直，当线圈第一次通过位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时位置Ⅱ正好是细杆竖直时线圈所处的位置，线圈内的感应电流顺着磁场方向看去 ______。
A.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置均是顺时针方向
B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ位置均是逆时针方向
C.Ⅰ位置是顺时针方向，Ⅱ位置为，Ⅲ位置是逆时针方向
D.Ⅰ位置是逆时针方向，Ⅱ位置为，Ⅲ位置是顺时针方向
如图所示，光滑金属导轨框架竖直放置，水平方向的匀强磁场垂直平面。金属棒从位置由静止释放。在重力的作用下，棒的两端沿框架滑动。在棒由图示位置滑动到水平位置的过程中，棒中感应电流的方向是______。
A.始终由到
B.始终由到
C.先由到，再由到
D.先由到，再由到
如图所示为“研究电磁感应现象”的实验装置。
将图中所缺的导线补接完整；
如果在闭合开关时发现灵敏电流计的指针向右偏了一下，那么合上开关后可能出现的情况有：
将原线圈迅速插入副线圈时，灵敏电流计指针将______；选填“向左偏”或“向右偏”
原线圈插入副线圈后，将滑动变阻器触头迅速向左拉时，灵敏电流计指针______；选填“向左偏”或“向右偏”
在做“研究电磁感应现象”实验时，如果副线圈两端不接任何元件，则副线圈电路中将______。
A.因电路不闭合，无电磁感应现象
B.有电磁感应现象，但无感应电流，只有感应电动势
C.不能用楞次定律判断感应电动势方向
根据实验探究，可以总结出感应电流产生的条件为______。
如图所示，匀强磁场的磁感应强度随时间均匀增大，两导线框均为正方形，边长之比为：。试求：
若两线框由相同导线做成，则两线框中感应电动势之比______；感应电流之比______；消耗的电功率之比______；
相同时间内通过导线某横截面的电量之比______。
通过一单匝闭合线圈的磁通量为，随时间的变化规律如图，下列说法正确的是______。
A.时间内线圈中的感应电动势均匀增加
B.第末线圈中的感应电动势是
C.第末线圈中的感应电动势的值比第末的小
D.第末和第末的感应电动势的方向相同
如图所示，水平放置的足够长平行金属导轨左端与定值电阻相接，质量为、电阻为的金属杆垂直置于导轨上，其段的长度为。整个装置处在匀强磁场中，磁感应强度大小为，方向垂直导轨平面向下。时刻，金属杆以初速度向右运动，忽略导轨的电阻及导轨与金属杆间的摩擦。
判断通过电阻的电流方向；
求金属杆的速度为时，金属杆的加速度大小；
求金属杆开始运动到停止运动的过程中，定值电阻所产生的焦耳热。
3.如图电磁炉的原理是利用感应电动势在锅底内产生涡流，致使锅体本身快速发热，从而加热锅内食物。
适合做电磁炉锅具的材料是______。
A.铁
B.陶瓷
C.玻璃
D.塑料
关于涡流，如图下列说法中错误的是______。
A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的
C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动
D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流
间距光滑平行金属导轨，水平放置在竖直方向的磁感应强度的匀强磁场中，一端接阻值为的电阻。一电阻为、质量为，长也为的导体棒垂直放置在导轨上，在外力作用下可以让导体棒在匀强磁场中做简谐运动产生类似电磁炉所用的正弦交流电。导体棒从时刻开始运动，其感应电动势与时间的关系是如图所示的正弦函数。不计导轨电阻。求：
这一感应电动势的有效值；
写出导体棒速度大小随时间变化的关系式；
算出内外力所做的功。
答案和解析
1.【答案】 负电
【解析】解：根据安培力计算公式：为直导线与磁场方向的夹角，当时，通电直导线受到的安培力大小不等于；当时，通电直导线不受安培力作用，故AB错误；
C.根据左手定则可知通电直导线所受安培力的方向垂直于磁感应强度方向和电流方向构成的平面，故C正确；
D.安培力是载流子受到的洛伦兹力的宏观表现，安培力对通电直导线是可以做功的，故D错误。
根据左手定则可知，选项A中的通电直导线所受安培力方向向下；选项B中的通电直导线所受安培力方向向下；选项C中的通电直导线所受安培力方向向下；选项D中的通电直导线所受安培力方向垂直纸面向外，故B正确，ACD错误。
根据安培定则可知通过直导线的恒定电流产生的磁场在导线下方的方向垂直纸面向外，电子带负电，根据左手定则，可知电子受到向上的洛伦兹力作用，则电子将向上偏转，越靠近直导线磁感应强度越大，根据洛伦兹力提供向心力可得，解得电子运动半径，可知运动半径逐渐变小，故B正确，ACD错误。
磁电式电流表指针偏转的角度与通过的电流成正比，则当指针偏转的角度为时，线圈中的电流为，则一侧长边受到的安培力大小为，故A正确，BCD错误。
磁场由水平方向沿逆时针旋转到竖直向上的过程，对应的安培力的方向由竖直向上逆时针旋转到水平向左，如下图所示，
导体棒始终静止，重力、安培力、支持力三力平衡，作出这三个力组成的矢量三角形，如上图所示，可得此过程安培力先减小后增大，当与方向垂直时安培力最小，由安培力计算公式可知的大小先减小后增大，故D正确，ABC错误。
带电粒子顺时针偏转，射入磁场时所受洛伦兹力向右，由左手定则可知带负电。
带电粒子和的质量和电荷量都相等，粒子在磁场中做匀速圆周运动的运动周期，可见两个粒子的运动周期相同，和运行轨迹均为半圆，运动时间均为周期的一半，的运行时间等于的运行时间。
能通过速度选择器的粒子在其中做直线运动，所受电场力与洛伦兹力等大反向，则有：
，解得：；
质子和氘核在偏转分离器中均做匀速圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力可得：
解得运动半径：
质子的质量为，电荷量为
解得质子的运动半径为：
氘核的质量为，电荷量为
解得氘核的运动半径为：
根据几何关系可得在质谱仪底片上收集到的条纹之间的距离
解得：
粒子在磁场中做匀速圆周运动的运动周期
代入数据可得质子的运动周期
氘核的运动周期
质子和氘核运动轨迹均为半圆，运动时间均为各自周期的一半，则
质子在磁场中运动的时间
氘核在磁场中运动的时间
故答案为：；；；；；负电；；能通过速度选择器的粒子速度的大小为；在质谱仪底片上收集到的条纹之间的距离为；质子和氘核在磁场中运动的时间分别为、。
根据安培力计算公式：分析解答；根据左手定则判断通电直导线所受安培力的方向；安培力对通电直导线可以做功。
根据左手定则解答。
根据安培定则判断电流产生的磁场在导线下方的方向，根据左手定则判断电子受到向上的洛伦兹力方向；根据洛伦兹力提供向心力推导电子运动半径的表达式。
磁电式电流表指针偏转的角度与通过的电流成正比，则当指针偏转的角度为时，线圈中的电流为，根据安培力计算公式解答。
判断安培力的方向的变化过程，根据共点力平衡条件解答。
根据左手定则判断带电性。根据粒子在磁场中做匀速圆周运动的运动周期求解运动时间。
能通过速度选择器的粒子在其中做直线运动，根据平衡条件求解；
根据洛伦兹力提供向心力，结合几何关系求解；
质子和氘核运动轨迹均为半圆，运动时间均为各自周期的一半，根据粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期求解。
本题考查了磁场的性质，对通电导体和运动的带电粒子有力的作用。掌握安培力与洛伦兹力的特点，大小的计算和方向的判断。
2.【答案】 向右偏 向左偏 闭合回路的磁通量变化 ： ： ： ：
【解析】解：当线圈第一次由最高点到位置Ⅱ的过程，线圈的磁通量增加，根据楞次定律可知感应电流产生的磁场方向向左，根据安培定则可知感应电流方向为逆时针顺着磁场方向看去，当线圈第一次由位置Ⅱ到右侧最高点的过程，线圈的磁通量减少，同理，根据楞次定律和安培定则可知感应电流方向为顺时针顺着磁场方向看去，在位置Ⅱ时线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，根据法拉第电磁感应定律可知，此时线圈内的感应电流为零。综上分析可得Ⅰ位置是逆时针方向，Ⅱ位置为，Ⅲ位置是顺时针方向，故D正确，ABC错误。
由几何知识可知，棒滑动到位置时的面积最大，则在棒由图示位置滑动到水平位置的过程中，棒与导轨框架构成的回路的磁通量先增加后减少，根据楞次定律和安培定则可知，棒中感应电流的方向是先由到，再由到，故D正确，ABC错误。
补接完整的连接图如下图所示。
在闭合开关时电流迅速增大，副线圈的磁通量增大，此情况灵敏电流计的指针向右偏转，那么合上开关后可能出现的情况有：
将原线圈迅速插入副线圈时，副线圈的磁通量增大，则灵敏电流计指针将向右偏；
原线圈插入副线圈后，将滑动变阻器触头迅速向左拉时，滑动变阻器接入电路的电阻增大，电流减小，副线圈的磁通量减小，则灵敏电流计指针向左偏；
如果副线圈两端不接任何元件，磁通量变化时，会发生电磁感应现象，因电路不闭合，故无感应电流，只有感应电动势，可以用楞次定律判断感应电动势方向，故B正确，AC错误。
根据实验探究，可以总结出感应电流产生的条件为：闭合回路的磁通量变化。
设正方形的边长为，磁感应强度的变化率为即。
根据法拉第电磁感应定律得感应电动势为：
可得两线框中感应电动势之比等于边长的平方之比，为：；
根据电阻定律可得线框的电阻为导线的横截面积
根据闭合电路欧姆定律得感应电流为：
可得两线框中感应电流之比等于边长之比，为：；
线框消耗的电功率为：
可得消耗的电功率之比边长的立方之比，为：。
时间内通过导线某横截面的电量为：
可得相同时间内通过导线某横截面的电量之比等于感应电流之比，为：。
根据法拉第电磁感应定律得感应电动势为：，由图可知时间内恒定，则线圈中的感应电动势恒定，故A错误；
B.时间内，感应电动势恒为：，故第末线圈中的感应电动势是，故B正确；
C.图像的斜率绝对值等于感应电动势的大小，由图可知时间内的图像的斜率绝对值大于时间内的，则第末线圈中的感应电动势的值比第末的大，故C错误；
D.时间内磁通量增加，时间内磁通量减少，而磁场方向相同，根据楞次定律可知，第末和第末的感应电动势的方向相反，故D错误。
由右手定则可知，通过电阻的电流方向为；
金属杆的速度为时，感应电动势为：
感应电流为：
金属杆受到的安培力为：
根据牛顿第二定律可得金属杆的加速度大小为：
联立解得：
根据能量守恒定律，金属杆开始运动到停止运动的过程中，回路中所产生的总的焦耳热为：
根据焦耳定律可得定值电阻所产生的焦耳热为：
故答案为：；；见解答；向右偏；向左偏；；闭合回路的磁通量变化；：；：；：；：；；通过电阻的电流方向为；金属杆的加速度大小；定值电阻所产生的焦耳热为。
判断线圈的磁通量变化情况，根据楞次定律和安培定则判断感应电流方向。
判断棒由图示位置滑动到水平位置的过程中磁通量变化情况，根据楞次定律和安培定则判断感应电流方向。
根据“研究电磁感应现象”的实验原理连接导线；
判断副线圈的磁通量变化与灵敏电流计的指针偏转方向的关系，依据此关系解答；
根据发生电磁感应现象和产生感应电流的条件解答；
根据实验探究的结果分析总结出感应电流产生的条件。
根据法拉第电磁感应定律求得感应电动势，根据电阻定律可得线框的电阻，根据闭合电路欧姆定律求得感应电流，根据电功率计算公式求解消耗的电功率；
根据电流定义式解答。
根据法拉第电磁感应定律，结合图像的物理意义解答。
根据右手定则判断通过电阻的电流方向；
根据法拉第电磁感应定律，闭合电路欧姆定律，安培力计算公式，牛顿第二定律求解；
根据能量守恒定律和焦耳定律求解。
本题比较全面的考查了电磁感应现象相关知识，要区分产生感应电流与产生感应电动势的条件，掌握楞次定律的应用。掌握感生电动势与动生电动势的求解方法。
3.【答案】
【解析】解：电磁炉是利用感应电动势在锅底内产生涡流，致使锅体本身快速发热，则电磁炉锅应是导体，选项所列四种材料只有铁是导体，故A正确，BCD错误。
故选：。
真空冶炼炉是用交流电产生变化的磁场，利用感应电动势在炉内金属产生涡流来熔化金属，故A正确；
B.恒定磁场不会使锅体发生电磁感应产生涡流，家用电磁炉锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，故B错误；
C.根据楞次定律的推论，可知阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，故C正确；
D.变压器的铁芯总是工作在变化的磁场中，会使铁芯产生涡流，可以用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来减小涡流，故D正确。
本题选择说法中错误的，故选：。
由题图可得感应电动势的最大值为
这一感应电动势的有效值为；
由题图可得感应电动势与时间的关系为：
根据法拉第电磁感应定律得：
则导体棒速度大小随时间变化的关系式为：
；
内外力所做的功等于此时间内回路产生的焦耳热，则有：
。
故答案为：；；
这一感应电动势的有效值为；
导体棒速度大小随时间变化的关系式为；
内外力所做的功为。
根据电磁炉工作原理解答；
根据涡流现象产生的原因解答；根据楞次定律的推论解答阻尼摆摆动时产生的涡流与运动的关系。
根据正弦交流电的有效值与最大值的关系求解；
根据题图得到感应电动势与时间的关系式，根据法拉第电磁感应定律求得导体棒速度大小随时间变化的关系式；
内外力所做的功等于此时间内回路产生的焦耳热，根据焦耳定律求解。
本题考查了电磁感应现象相关问题，题目较简单。掌握电磁感应现象的物理特征，以及涡流现象产生的条件。
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