阶段质量检测(二)　电磁感应及其应用（含解析）高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

阶段质量检测(二)　电磁感应及其应用
(本试卷满分：100分)
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.如图是一种充电鞋的结构示意图。当人走动时，会驱动磁性转子旋转，使线圈中产生电流，产生的电流进入鞋面上锂聚合物电池。这种充电鞋的工作原理是(　　)
A．电磁感应现象
B．电流的磁效应
C．磁极间的相互作用
D．通电线圈在磁场中受力转动
2．汽车测速利用了电磁感应现象，汽车可简化为一个矩形线圈abcd，埋在地下的线圈分别为1、2，通上顺时针(俯视)方向电流，当汽车经过线圈时(　　)
A．线圈1、2产生的磁场方向竖直向上
B．汽车进入线圈1过程产生感应电流方向为abcd
C．汽车离开线圈1过程产生感应电流方向为abcd
D．汽车进入线圈2过程受到的安培力方向与速度方向相同
3.如图为某中学物理兴趣小组为研究无线充电技术，动手制作了一个“特斯拉线圈”。线圈匝数为n，面积为S，若在t1到t2时间内，匀强磁场平行于线圈轴线穿过线圈，其磁感应强度大小由B1均匀增加到B2，则该段时间线圈两端的电势差的大小为(　　)
A．恒为
B．从0均匀变化到
C．恒为
D．从0均匀变化到
4.如图所示，L是自感系数很大、电阻很小的线圈，P、Q是两个相同的小灯泡，开始时，开关S处于闭合状态，P灯微亮，Q灯正常发光，断开开关(　　)
A．P与Q同时熄灭　　　 B．P比Q先熄灭
C．Q闪亮后再熄灭 D．P闪亮后再熄灭
5.内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上，环内有一带负电的小球，整个装置处在竖直向下的磁场中，如图所示。当磁场突然增强时，小球(　　)
A．沿顺时针方向运动　　　 B．沿逆时针方向运动
C．在原位置附近往复运动 D．仍保持静止状态
6.如图所示，导线OA长为l，在方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω沿图中所示方向绕通过悬点O的竖直轴旋转，导线OA与竖直方向的夹角为θ。则OA导线中的感应电动势大小和O、A两点电势高低情况分别是(　　)
A．Bl2ω　O点电势高
B．Bl2ω　A点电势高
C.Bl2ωsin2θ　O点电势高
D.Bl2ωsin2θ　A点电势高
7．如图所示，匀强磁场方向垂直矩形线框平面，先后两次将线框从磁场中同一位置匀速拉出有界磁场。第一次速度为v1＝v，第二次速度为v2＝4v。则在先后两次过程中有(　　)
A．流过线框任一横截面的电荷量之比为1∶4
B．线框中感应电动势之比为1∶2
C．线框所受安培力大小之比为1∶8
D．沿运动方向作用在线框上的外力的功率之比为1∶16　　　　　　　　　　　　　　
8．边长为l的正方形线框以初速度v0水平抛出，在其正下方有一宽度为2l、水平足够长的垂直于纸面向里的匀强磁场区域，如图所示。cd边刚进入磁场时，线框恰好做匀速直线运动。以cd边刚离开磁场时为计时起点，此后线框的加速度与其竖直方向位移的关系图像可能正确的是(忽略空气阻力，线框在此过程中不发生转动，取竖直向下为正方向，重力加速度为g)(　　)
二、多项选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
9．水力发电站和火力发电站都采用旋转磁极式发电机，但是发电机的结构一般不同。水力发电站常采用图甲所示原理的发电机，A、B、C、D均为线圈；火力发电站常采用图乙所示原理的发电机，A、B、C、D均为沿轴方向的导线。当图中固定有磁铁的转子顺时针匀速旋转到图示位置时，某同学在两图中标示了电流方向，下列说法正确的是(　　)
A．图甲中A、C线圈电流标示方向正确
B．图甲中B、D线圈电流标示方向正确
C．图乙中A、B导线电流标示方向正确
D．图乙中C、D导线电流标示方向正确
10．如图所示，长直导线通以方向向上恒定电流I，矩形金属线圈abcd与导线共面，线圈的长宽比为2∶1，第一次将线圈由静止从位置Ⅰ平移到位置Ⅱ停下，第二次将线圈由静止从位置Ⅰ绕过d点且垂直纸面的轴线旋转90°到位置Ⅲ停下，两次变换位置的过程所用的时间相同，以下说法正确的是(　　)
A．两次线圈所产生的平均感应电动势相等
B．两次通过线圈导线横截面积的电量相等
C．两次线圈所产生的平均感应电动势之比为2∶1
D．两次通过线圈导线横截面积的电量之比为2∶1
11.如图所示，一U形光滑导轨间距L＝1 m，与水平面之间的夹角θ＝53°。虚线CD、EF与导轨垂直，区域Ⅰ(CD虚线沿斜面向上区域)中有磁感应强度均匀增加的磁场，方向垂直导轨平面向下；区域Ⅱ(EF虚线沿斜面向下区域)中有磁感应强度B2＝2 T的匀强磁场，方向垂直导轨平面向上。虚线CD、EF间无磁场。一质量m＝0.4 kg、电阻R＝4 Ω的导体棒垂直导轨放置，从无磁场区域由静止释放，经t＝1.5 s进入区域Ⅱ且恰好匀速下滑，运动过程中，导体棒与导轨始终保持垂直且接触良好。导轨足够长，电阻不计，重力加速度g＝10 m/s2，sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6。则导体棒(　　)
A．进入区域Ⅱ时的速度为12 m/s
B．进入区域Ⅱ时的速度为3.2 m/s
C．进入区域Ⅱ前的电流为7.6 A
D．前1.5 s产生的焦耳热为116.16 J
12.如图所示，两根平行光滑金属导轨固定在水平面内，导轨间距为L＝2 m，左端连接电阻R＝3 Ω，轨道平面内存在着竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小随时间变化规律为B＝2t，导体棒ab放在导轨上，其长度恰好等于导轨间距，导体棒质量m＝4 kg，电阻为r＝1 Ω，初始时导体棒位于导轨左端。在平行于导轨外力作用下，导体棒沿导轨以速度v＝2 m/s向右做匀速运动，运动过程中导体棒始终与导轨垂直且接触良好。设金属导轨足够长，不计导轨电阻和空气阻力。下列说法正确的是(　　)
A．导体棒中感应电流I随时间t变化规律为I＝2t
B．导体棒所受拉力F随时间t变化规律为F＝8t2
C．0～2 s内通过电阻R的电量为8 C
D．t＝2 s时外力的瞬时功率为128 W
三、非选择题(本题共5小题，共60分)
13．(6分)观察如图所示的实验装置，实验操作中，当导体棒AB沿着磁感线方向上下运动时，电流计指针________(选填“偏转”或“不偏转”)；当导体棒AB沿着垂直磁感线方向左右运动时，电流计指针________(选填“偏转”或“不偏转”)；若流入电流计的电流从右接线柱进入，指针就往右偏转，则为使图中电流计指针往左偏转，导体棒AB应往______(选填“上”“下”“左”或“右”)运动。
14．(8分)(1)如图甲所示，螺线管A经过滑动变阻器与开关、电池相连构成直流电路，螺线管B与灵敏电流计构成闭合电路，螺线管B套在螺线管A的外面。为了探究影响感应电流方向的因素，闭合开关后，以不同的速度移动滑动变阻器的滑片，观察指针摆动情况；由此实验可以得出恰当的结论是______(选填选项前的字母)。
A．螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动幅度大小
B．螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动方向
C．螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动幅度大小
D．螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动方向
(2)如图乙所示，把一铜线圈水平固定在铁架台上，其两端连接在电流传感器上，能得到该铜线圈中的电流随时间变化的图线。利用该装置可探究条形磁铁在穿过铜线圈的过程中，产生的电磁感应现象。两次实验中分别得到了如图丙、丁所示的电流随时间变化的图线(两次用同一条形磁铁，在距离铜线圈上端不同高度处，由静止沿铜线圈轴线竖直下落，始终保持直立状态，且所受空气阻力可忽略不计)。根据此实验的操作，下列说法正确的是________(选填选项前的字母)。
A．条形磁铁的磁性越强，产生的感应电流峰值越大
B．条形磁铁距离铜线圈上端的高度越大，产生的感应电流峰值越大
C．铜线圈匝数越多，产生的感应电流峰值越大
D．铜线圈所围面积越大，产生的感应电流峰值越大
15．(12分)如图所示，设电源的电动势E＝10 V，内阻不计，L与R的电阻均为5 Ω，两灯泡的电阻均为Rs＝10 Ω。
(1)求断开S的瞬间，灯泡L1两端的电压。
(2)画出断开S前后一段时间内通过L1的电流随时间t的变化图像。
16．(14分)磁悬浮列车是高速低耗交通工具，如图(a)所示，它的驱动系统简化为如图(b)所示的物理模型。固定在列车底部的正方形金属线框的边长为L，匝数为N，总电阻为R；水平面内平行长直导轨间存在磁感应强度均为B、方向交互相反、边长均为L的正方形组合匀强磁场。线框中形成顺时针感应电流I时，求：
(1)线框受到磁场的作用力；
(2)磁场与线框的相对速度v。
17．(20分)光滑绝缘的水平面上有垂直平面的匀强磁场，磁场被分成区域Ⅰ和Ⅱ，宽度均为h，其俯视图如图(a)所示，两磁场磁感应强度随时间t的变化如图(b)所示，0～τ时间内，两区域磁场恒定，方向相反，磁感应强度大小分别为2B0和B0，一电阻为R、边长为h的刚性正方形金属框abcd，平放在水平面上，ab、cd边与磁场边界平行。t＝0时，线框ab边刚好跨过区域Ⅰ的左边界以速度v向右运动。在τ时刻，ab边运动到距区域Ⅰ的左边界处，线框的速度近似为零，此时线框被固定，如图(a)中的虚线框所示。随后在τ～2τ时间内，Ⅰ区磁感应强度线性减小到0，Ⅱ区磁场保持不变；2τ～3τ时间内，Ⅱ区磁感应强度也线性减小到0。求：
(1)t＝0时线框所受的安培力F；
(2)t＝1.2τ时穿过线框的磁通量Φ；
(3)2τ～3τ时间内，线框中产生的热量Q。
阶段质量检测(二)
1．选A　当人走动时，会驱动磁性转子旋转，使线圈中产生电流，该过程为电磁感应现象，与电流的磁效应、磁极间的相互作用、线圈的受力无关。故选项A正确，选项B、C、D错误。
2．选C　由题意知，埋在地下的线圈1、2通有顺时针(俯视)方向的电流，则根据安培定则，可知线圈1、2产生的磁场方向竖直向下，A错误；汽车进入线圈1过程中，磁通量增大，根据楞次定律可知产生感应电流方向为adcb，B错误；汽车离开线圈1过程中，磁通量减小，根据楞次定律可知产生感应电流方向为abcd，C正确；汽车进入线圈2过程中，磁通量增大，根据楞次定律可知产生感应电流方向为adcb，再根据左手定则，可知汽车受到的安培力方向与速度方向相反，D错误。
3．选C　穿过线圈的磁感应强度均匀增加，产生恒定的感应电动势，由法拉第电磁感应定律得：E＝n＝nS＝，A、B、D错误，C正确。
4．选D　由题知，开关S闭合后，由于L的电阻很小，Q灯正常发光，P灯微亮，断开开关前通过Q灯的电流远大于通过P灯的电流，通过线圈L的电流大于通过P灯的电流，断开开关时，Q所在电路未闭合，立即熄灭，由于自感现象，L中产生感应电动势，与P组成闭合回路，故P灯闪亮后再熄灭。
5．选A　磁场突然增强时，激发出逆时针方向的感生电场，对负电荷的作用力为顺时针方向，故小球沿顺时针方向加速运动，A正确。
6．选D　导线OA切割磁感线的有效长度等于OA在垂直磁场方向上的投影长度，即l′＝l·sin θ，产生的感应电动势E＝Bl′2ω＝Bl2ωsin2θ，由右手定则可知A点电势高，D正确。
7．选D　设线框的长度为a，宽为L，根据法拉第电磁感应定律及欧姆定律可知，感应电流为I＝，根据电荷量的定义q＝It＝t＝＝，流过任一横截面的电荷量之比为1∶1，故A错误；根据法拉第电磁感应定律E＝BLv，可得线框中感应电动势之比为＝＝，故B错误；根据F＝BLI＝，可得线框所受安培力大小之比为F1∶F2＝v1∶v2＝1∶4，故C错误；线框匀速运动，则外力的功率等于克服安培力的功率，根据功率公式可知P＝Fv＝BILv＝，沿运动方向作用在线框上的外力的功率之比为P1∶P2＝v12∶v22＝1∶16，故D正确。
8．选D　线框完全离开磁场后的运动为a＝g的匀加速运动，由题意可知，加速度恒为＋g，A、B错误；cd边刚进入磁场时，线框恰好做匀速直线运动，所受安培力等于重力，线框完全进入磁场后的运动为a＝g的匀加速运动，故cd边刚离开磁场时竖直方向的分速度大于cd边刚进入磁场时竖直方向的分速度，所受安培力大于重力，可知cd边离开磁场时的过程中做加速度减小的减速运动，根据C选项的图像，ab边出磁场时，加速度为零，安培力等于重力，即此时的速度刚好等于cd边进入磁场时的速度；而从ab边刚进入磁场到cd边刚出磁场，物体的加速度为g，位移为l；接下来再运动位移为l时，加速度均小于g，ab边刚出磁场时速度肯定大于ab边刚进入磁场时的速度，所以加速度不可能为零，C错误；cd边刚出磁场时的速度大小不确定，线框的加速度大于g、等于g和小于g均有可能，D正确。
9．选AC　题图甲中，A、B、C、D线圈中磁场均减弱，根据磁场减弱方向，结合楞次定律和安培定则，可知A、C线圈电流标示方向正确，B、D线圈电流标示方向错误，A正确，B错误；题图乙中，磁铁运动，导线切割磁感线产生电流，由右手定则可知，A、B导线电流标示方向正确，C、D导线电流标示方向错误，C正确，D错误。
10．选CD　根据通电直导线周围的磁场分布和题图中线圈位置可知，两次通过线圈的磁通量的改变量之比为＝，根据E＝n可知，两次线圈所产生的平均感应电动势之比为＝，故A错误，C正确；通过线圈导线横截面积的电量为q＝It＝·t＝n，可知两次通过线圈导线横截面积的电量之比为＝，故B错误，D正确。
11．选AD　导体棒在无磁场区域下滑1.5 s时间内，由牛顿第二定律mgsin θ＝ma，解得a＝gsin 53°＝8m/s2，则刚进入区域Ⅱ时的速度为v＝at＝8×1.5 m/s＝12 m/s，A正确，B错误；区域Ⅰ中磁感应强度均匀增加，设其产生的感应电动势为E0，由楞次定律知C点电势高于D点电势；导体棒刚进入磁场Ⅱ时，切割磁感线产生感应电动势(由B向A，与E0反向)，由于安培力要平衡重力沿导轨斜面向下的分力，所以安培力沿导轨向上，通过导体棒的电流方向为由B向A，根据平衡条件有B2IL＝mgsin θ，I＝，解得E0＝17.6 V，则进入区域Ⅱ前的电流为I1＝＝ A＝4.4 A，C错误；前1.5 s产生的焦耳热为Q＝I12Rt＝4.42×4×1.5 J＝116.16 J，D正确。
12．选CD　经时间t导体棒移动位移x＝vt，回路面积S＝Lx＝Lvt，回路产生感生电动势E1＝S＝Lvkt，根据楞次定律和安培定则，导体棒电流方向由a到b，t时刻导体棒切割磁感线产生的动生电动势E2＝BtLv＝ktLv，根据右手定则，导体棒电流方向由a到b，两个电动势方向一致，回路电动势E＝E1＋E2＝2Lvkt＝16t，根据闭合回路欧姆定律有I＝＝4t，故A错误；导体棒匀速运动，所受拉力与安培力等大反向，可得导体棒所受拉力大小F＝F安＝BtIL＝16t2，故B错误；通过电阻的电流表达式I＝4t，0～2 s内通过电阻R的电量q＝It＝8 C，故C正确；t＝2 s时外力F＝64 N，其功率P＝Fv＝128 W，故D正确。
13．解析：当导体棒AB沿着磁感线方向上下运动时，不切割磁感线，无感应电流产生，则电流计指针不偏转；当导体棒AB沿着垂直磁感线方向左右运动时，切割磁感线，有感应电流产生，则电流计指针偏转；若流入电流计的电流从右接线柱进入，指针就往右偏转，则为使图中电流计指针往左偏转，即电流从左端流入，则根据右手定则可知，导体棒AB应往右运动。
答案：不偏转　偏转　右
14．解析：(1)根据楞次定律可知，螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动的方向，A错误，B正确；根据法拉第电磁感应定律，螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动幅度的大小，C正确，D错误。
(2)两次实验中用同一条形磁铁，在距离铜线圈上端不同高度处下落，由v2＝2gh，得v＝，距线圈上端高度越大，到达线圈时速度越大，根据法拉第电磁感应定律可知，磁通量变化得越快产生的电流峰值越大，磁铁为同一条形磁铁，磁场强弱与电流峰值的关系，该实验无法验证，A错误，B正确；铜线圈匝数、铜线圈所围面积在这两次实验中均保持不变，无法验证它们与电流峰值的关系，C、D错误。
答案：(1)BC　(2)B
15．解析：(1)电路稳定工作时，由于a、b两点的电势相等，导线ab上无电流通过。
因此通过L的电流为IL＝＝1 A，流过L1的电流为Is＝＝0.5 A。
断开S的瞬间，由于线圈要维持IL不变，而与L1组成闭合回路，因此通过L1的最大电流为1 A。所以此时L1两端的电压为U＝ILRs＝10 V。
(2)断开S前，流过L1的电流为0.5 A不变，且设为正方向，而断开S的瞬间，通过L1的电流突变为1 A，且方向也发生变化，然后渐渐减小到零，所以它的图像如图所示(t0为断开S的时刻)。
答案：(1)10 V　(2)见解析图
16．解析：(1)线框受到磁场的作用力为
F＝N(IBL＋IBL)＝2NIBL
根据左手定则可知线框受到磁场的作用力方向向右。
(2)线框中产生的感应电动势为E＝2NBLv
根据欧姆定律有E＝IR
可得磁场与线框的相对速度大小v＝
磁场相对线框速度方向向右。
答案：(1)2NIBL，方向向右　(2)，磁场相对线框速度方向向右
17．解析：(1)由题图(b)可知，t＝0时线框切割磁感线的感应电动势为E＝2B0hv＋B0hv＝3B0hv，则线框中产生的感应电流大小为I＝＝，线框所受的安培力为F＝2B0h＋B0h＝，方向水平向左。
(2)在τ时刻，ab边运动到距区域Ⅰ的左边界处，线框的速度近似为零，此时线框被固定，在τ～2τ时间内，Ⅰ区磁感应强度变化的斜率为k1＝＝－，则t＝1.2τ时Ⅰ区的磁感应强度为B1＝2B0＋k1(1.2τ－τ)＝B0，则t＝1.2τ时穿过线框的磁通量为Φ＝B1h·h－B0h·h＝，方向垂直纸面向里。
(3)2τ～3τ时间内，Ⅱ区磁感应强度线性减小到0，则有E′＝＝＝，感应电流大小为I′＝＝，则2τ～3τ时间内，线框中产生的热量为Q＝I′2Rt＝。
答案：(1)，方向水平向左　(2)，方向垂直纸面向里　(3)
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