选修3-2 模块学业测评（二）Word版含解析

模块学业测评(二)
　　本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分.第Ⅰ卷40分,第Ⅱ卷60分,共100分,考试时间90分钟.
第Ⅰ卷　(选择题　共40分)
一、选择题(本题共10小题,每小题4分,共40分.1~7小题只有一个选项符合题意,8~10小题有多个选项符合题意,全部选对的得4分,选对但不全的得2分,选错或不答的得0分)
?1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应定律,从此永久地改变了世界.关于这段物理学史,下列叙述错误的是 (　　)
A.1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,揭示了电、磁间有重要联系,经过多年艰苦探索,法拉第发现电磁感应现象,进一步推动了电和磁的统一和发展　
B.以前的物理学家都相信引力是即时作用,不需要媒介和时间,电磁力也是这样,但法拉第不同意这种超距作用观点,他创造了“场”和“力线” (包括电场线和磁感线)的概念
C.法拉第通过研究发现,闭合电路中的感应电流的大小与磁通量的大小成正比
D.法拉第发现电磁感应现象后不久,曾亲手制造了世界上第一台发电机,他是人类进入电气时代的先驱之一
?某同学设计的家庭电路保护装置如图M2-1所示,铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成.当右侧线圈L2中产生电流时,电流经电流放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关S,从而切断家庭电路.仅考虑L1在铁芯中产生的磁场,下列说法错误的是 (　　)
图M2-1
A.家庭电路正常工作时, L2中的磁通量为零
B.家庭电路中使用的用电器增多时,L2中的磁通量不变
C.家庭电路发生短路时,开关S将被电磁铁吸起
D.地面上的人接触火线发生触电时,开关S将被电磁铁吸起
?矩形金属线圈共10匝,线圈绕垂直于磁场方向的转轴在匀强磁场中匀速转动,线圈中产生的交变电动势e随时间t变化的情况如图M2-2所示.下列说法中正确的是 (　　)
图M2-2
A.此交流电的频率为0.2 Hz
B.此交变电动势的有效值为1 V
C.t=0.1 s时,线圈平面与磁场方向平行
D.t=0.1 s时,穿过线圈的磁通量最大
?如图M2-3所示,某住宅区的应急供电系统由交流发电机和副线圈匝数可调的理想降压变压器组成,发电机中矩形线圈所围成的面积为S,匝数为N,电阻不计,它可绕垂直于磁场方向的水平轴OO'在磁感应强度为B的水平匀强磁场中以角速度ω匀速转动,矩形线圈通过滑环连接降压变压器,滑动触头P上下移动时可改变输出电压,R0表示输电线的电阻,以线圈平面与磁场平行时为计时起点.下列判断正确的是(　　)
图M2-3
A.若发电机线圈某时刻处于图示位置,变压器原线圈的电流瞬时值最小
B.发电机线圈感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSωcos ωt
C.当用户数目增多时,为使用户电压保持不变,滑动触头P应向下移动
D.当滑动触头P向下移动时,变压器原线圈两端的电压将升高
?物理实验中,常用一种叫“冲击电流计”的仪器测定通过电路的电荷量.如图M2-4所示,探测线圈和冲击电流计串联后可用来测定磁场的磁感应强度.已知线圈的匝数为n,面积为S,线圈与冲击电流计组成的回路电阻为R.把线圈放在被测匀强磁场中,开始时线圈平面与磁场垂直,现把探测线圈绕垂直磁场的轴翻转90°,冲击电流计测出通过线圈的电荷量为q,由上述数据可测出被测磁场的磁感应强度为 (　　)
图M2-4
A.qRS B.qRnS
C.qR2nS D.qR2S
?如图M2-5所示,MN和PQ是电阻不计的平行金属导轨,其间距为L,导轨的弯曲部分光滑,平直部分粗糙,导轨右端接一个阻值为R的定值电阻.平直部分导轨最左侧区域有宽度为d、方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场.质量为m、电阻也为R的金属棒从高度为h处由静止释放,到达磁场右边界处恰好停止.已知金属棒与平直部分导轨间的动摩擦因数为μ,金属棒与导轨间接触良好,重力加速度为g.在金属棒穿过磁场区域的过程中 (　　)
图M2-5
A.流过金属棒的最大电流为Bd2gh2R
B.通过金属棒的电荷量为BdLR
C.金属棒克服安培力所做的功为mgh
D.金属棒产生的焦耳热为12mg(h-μd)
?在匀强磁场中有一不计电阻的矩形线圈,该线圈绕垂直磁场的轴匀速转动,产生如图M2-6甲所示的正弦交流电,把该交流电接在图乙中理想变压器的A、B两端,电压表和电流表均为理想电表,Rt为热敏电阻(温度升高时其电阻减小),R为定值电阻.下列说法正确的是 (　　)
图M2-6
A.在t=0.01 s时,矩形线圈平面与磁场方向平行
B.变压器原线圈两端电压的瞬时值表达式为u=362sin 50πt(V)
C.Rt处温度升高时,电压表V1、V2示数的比值不变
D.Rt处温度升高时,电流表的示数变大,变压器输入功率变大
?[2017·江苏扬州高二期末]如图M2-7所示,理想变压器原、副线圈的匝数之比为11∶5,现在原线圈A、B之间加上u=2202sin 100πt(V)的正弦交流电,副线圈上接有一阻值为25 Ω的电阻R,D为理想二极管,C为电容器,电阻与电容器两支路可由一单刀双掷开关进行切换,则 (　　)
图M2-7
A.开关拨到1时,电流表示数为5.6 A
B.开关拨到1时,电流表示数为4 A
C.开关拨到2时,二极管反向耐压值至少为1002 V
D.开关拨到2时,二极管反向耐压值至少为2002 V
?如图M2-8所示,将均匀的金属长方形线框从匀强磁场中拉出,它的两边固定有带金属滑轮的导电机构,线框向右运动时总是与两边滑轮接触良好.线框的长为a,宽为b,磁感应强度为B,理想电压表跨接在A、B两个导电机构上.线框在恒定外力F的作用下向右运动的过程中(线框离开磁场前已做匀速运动),关于线框及电压表,下列说法正确的是 (　　)
图M2-8
A.线框先做匀加速运动,后做匀速运动
B.电压表的读数先增大后不变
C.电压表的读数一直增大
D.回路的电功率先增大后不变
如图M2-9所示,电动机牵引一长为1 m、质量为0.1 kg的导体棒MN由静止开始上升,导体棒的电阻为1 Ω,架在竖直放置的金属框架上,它们处于磁感应强度为1 T的匀强磁场中,磁场方向与框架平面垂直.当导体棒上升3.8 m时,获得稳定的速度,导体棒上产生的热量为2 J.电动机牵引导体棒时,电压表、电流表的读数分别为7 V、1 A,电动机的内阻为1 Ω,不计框架电阻及一切摩擦,g取10 m/s2,以下判断正确的是 (　　)
图M2-9
A.导体棒向上做匀减速运动
B.电动机的输出功率为49 W
C.导体棒达到稳定时的速度为2 m/s
D.导体棒从静止至达到稳定速度所需要的时间为1 s
第Ⅱ卷(非选择题　共60分)
二、实验题(本题共1小题,共15分)
某实验小组研究一种热敏电阻的特性.现有如下器材:直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定)、电压表、待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线.
(1)用上述器材探究热敏电阻的阻值随温度变化的特性,请你在图M2-10中的实物图上连线,完成实验电路.
图M2-10
(2)实验的主要步骤:
①正确连接电路,在保温容器中注入适量冷水,接通电源,调节并记录电源输出的电流值.
②在保温容器中添加少量热水,待温度稳定后,闭合开关,　　　　　,　　　　　,断开开关.?
③实验小组算出该热敏电阻在不同温度下的阻值,并据此绘出R-t关系图像,如图M2-11所示.
图M2-11
(3)请根据R-t图线写出该热敏电阻的R-t关系式:R=　　　　+　　　　t(Ω).(保留三位有效数字)?
三、计算题(本题共4小题,12题10分,13题10分,14题12分,15题13分,共45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)
如图M2-12甲所示,正方形线圈abcd处于匀强磁场中,线圈的边长为L,匝数为n,电阻为R,磁场方向与线圈平面垂直,磁感应强度B随时间t按正弦规律变化,其B-t图像如图乙所示,求磁场变化的一个周期内线圈中产生的热量.
甲　　　　　　　　　　　　　乙
图M2-12
如图M2-13所示,平行金属导轨PN与QM相距1 m,导轨电阻不计,导轨两端分别接有电阻R1和R2,且R1=6 Ω,电阻为2 Ω的导体杆ab在导轨上可无摩擦地滑动,垂直穿过导轨平面的匀强磁场的磁感应强度大小为1 T.当ab杆以恒定速度v=3 m/s向右匀速移动时,ab杆上消耗的电功率与R1、R2消耗的电功率之和相等.求:
(1)R2的阻值;
(2)R1与R2分别消耗的电功率.
图M2-13
[2017·广东三校联考]如图M2-14所示,无限长平行金属导轨EF、PQ固定在倾角θ=37°的光滑绝缘斜面上,轨道间距L=1 m,底部接入一阻值R=0.06 Ω的定值电阻,上端开口,垂直斜面向上的匀强磁场的磁感应强度B0=2 T.一质量m=2 kg的金属棒ab与导轨接触良好,ab与导轨间的动摩擦因数μ=0.5,ab连入导轨间的电阻r=0.04 Ω,电路中其余电阻不计.现用一质量M=6 kg的物体通过一不可伸长的轻质细绳绕过光滑的定滑轮与ab相连.由静止释放物体,当物体下落高度h=2.0 m时,ab开始匀速运动,运动中ab始终垂直导轨并与导轨接触良好.不计空气阻力,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2.
(1)求ab棒沿斜面向上运动的最大速度vm.
(2)在ab棒从开始运动到开始匀速运动的这段时间内,求电阻R上产生的焦耳热QR.
图M2-14
如图M2-15甲所示,边长为L的正方形金属线框位于竖直平面内,线框的匝数为n,总电阻为r,可绕其竖直中心轴O1O2转动.线框的两个末端分别与两个彼此绝缘的铜环C、D(集流环)焊接在一起,并通过电刷和定值电阻R相连.线框所在空间有方向水平向右的匀强磁场,磁感应强度B的大小随时间t的变化关系如图乙所示,其中B0、B1和t1均为已知.在0~t1的时间内,线框保持静止,且线框平面和磁场垂直;t1时刻后线框在外力的驱动下开始绕其竖直中心轴O1O2以角速度ω匀速转动.
(1)求0~t1时间内电阻R两端的电压大小.
(2)线框匀速转动后,在转动一周的过程中,求电流通过电阻R产生的热量.
(3)线框匀速转动后,从图甲所示位置转过90°的过程中,求通过电阻R的电荷量.
图M2-15
1.C　[解析] 纽曼和韦伯通过研究发现,闭合电路中的感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比,选项C错误;其他选项符合物理学史.
2.C　[解析] 因为原线圈是双线绕法,所以家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为0,选项A、B正确;家庭电路短路时,L2中的磁通量仍为0,选项C错误;地面上的人接触火线发生触电时,两根电线中的电流不相等,铁芯中有磁通量的变化,致使开关S被电磁铁吸起,选项D正确.
3.D　[解析] 由e-t图像可知,交变电动势的周期为0.2 s,故频率为5 Hz,该交变电动势的最大值为1 V,有效值为22 V,选项A、B错误.t=0.1 s时,电动势的瞬时值为零,线圈处于中性面位置,穿过线圈的磁通量最大,选项C错误,选项D正确.
4.B　[解析] 当线圈平面与磁场平行时,感应电流最大,故A错误;从垂直于中性面开始计时,则感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSωcos ωt,故B正确;当用户数目增多时,功率增大,根据功率P=UI可知,电压不变,则电流增大,输电线上损失的电压增大,为使用户电压保持不变,滑动触头P应向上移动,故C错误;当滑动触头P向下移动时,只会改变副线圈两端的电压,不会改变原线圈两端的电压,故D错误.
5.B　[解析] 当线圈翻转90°时,线圈中磁通量的变化量ΔΦ=BS,E=nΔΦΔt,线圈中的平均感应电流I=ER,通过线圈的电荷量q=IΔt,联立解得B=qRnS,选项B正确.
6.D　[解析] 设金属棒下滑至磁场左边界时速度为v,在这个过程中,由动能定理有mgh=12mv2,金属棒以速度v刚进入磁场区域时的瞬时速度最大,感应电动势最大,为E=BLv,此时感应电流最大,为I=E2R,联立解得I=BL2gh2R,选项A错误;通过金属棒的电荷量为q=IΔt=E2RΔt=ΔΦ2R=BdL2R,选项B错误;对金属棒经历的整个过程,由能量守恒定律有mgh=μmgd+Q,所以金属棒产生的焦耳热为Q'=Q2=12mg(h-μd),选项D正确;金属棒克服安培力所做的功W=Q=mgh-μmgd,选项C错误.
7.D　[解析] 原线圈接如图甲所示的正弦交流电,由图知,最大电压为362 V,周期为0.02 s,故角速度是ω=100π rad/s,u=362sin 100πt(V),当t=0.01 s时,u=0,此时穿过该线圈的磁通量最大,故A、B错误;Rt处温度升高时,原、副线圈电压之比不变,但是V2不是测量副线圈电压,Rt处温度升高时,Rt阻值减小,电流增大,则R两端电压增大,所以V2示数减小,则电压表V1、V2示数的比值增大,故C错误;Rt处温度升高时,Rt阻值减小,电流增大,而输出电压不变,所以变压器输出功率增大,而输入功率等于输出功率,所以输入功率增大,故D正确.
8.BD　[解析] 当开关拨到1时,电阻R接到变压器的副线圈上,因为原线圈上电压的有效值为220 V,变压器的原、副线圈的匝数之比为11∶5,故副线圈上电压的有效值为100 V,则电流表的示数为I=100V25Ω=4 A,选项A错误,B正确;当开关拨到2时,副线圈上电压的最大值为1002 V,当二极管正向导通时,给电容器充电,二极管正向的一侧是高电势,电容器上极板也是高电势,接着交流电的方向改变,由于二极管反向截止,电容器不能放电,所以电容器的上极板电势仍保持原来的高电势不变,而二极管正向的一侧此时却变成了低电势,所以此时加在二极管两侧的最大电压正好是2×1002 V=2002 V,故需要二极管的反向耐压值至少为2002 V,选项C错误,D正确.
9.CD　[解析] 线框在运动过程中先做变加速运动,后做匀速运动,选项A错误.根据E=BLv可知,回路产生的电动势先增大后不变,因与电压表并联的线框部分导线的长度不断增大,故电压表的读数一直增大,选项B错误,选项C正确.由P=E2R=B2L2v2R,故回路的电功率先增大后不变,选项D正确.
10.CD　[解析] 由于电动机的输出功率恒定,由P出=Fv及F-mg-B2L2vR=ma可知,导体棒的加速度逐渐减小,选项A错误;电动机的输出功率P出=IU-I2r=6 W,选项B错误;电动机的输出功率就是电动机对导体棒的拉力的功率,即P出=Fv,当导体棒达到稳定速度时,有F=mg+BI'L,其中I'=ER=BLvR,解得导体棒达到稳定时的速度v=2 m/s,选项C正确;由能量守恒定律得P出t=mgh+12mv2+Q,解得t=1 s,选项D正确.
11.(1)如图所示
(2)②读取温度计示数　读取电压表示数
(3)100　0.400
[解析] (1)连接实物图时导线不能交叉,电压表应并联在热敏电阻两端,电流由电压表的正接线柱流入.
(2)本实验探究的是热敏电阻的阻值随温度变化的特性,所以实验需测出热敏电阻的阻值及相应的温度,热敏电阻的阻值用R=UI间接测量,故需记录的数据是温度计的示数和电压表的示数.
(3)设热敏电阻R=R0+kt,由作出的R-t图线可知k=0.400 Ω/℃.温度为10 ℃时,热敏电阻R=104 Ω,则R0=R-kt=104 Ω-0.400×10 Ω=100 Ω,所以R=100+0.400t(Ω).
12.2n2π2B02L4TR
[解析] 磁感应强度B以正弦规律变化,即
B=B0sin ωt=B0sin2πTt
线圈中产生的感应电动势瞬时值表达式为
e=nB0ωL2cos ωt=2nπB0L2Tcos2πTt
有效值E=2nπB0L2T
磁场变化的一个周期内线圈中产生的热量
Q=E2RT=2n2π2B02L4TR.
13.(1)3 Ω　(2)0.375 W　0.75 W
[解析] (1)内、外电路的功率相等,则内、外电路的电阻相等,即
R1R2R1+R2=2 Ω
解得R2=3 Ω.
(2)产生的感应电动势E=Blv=1×1×3 V=3 V
总电流I=ER总=34 A=0.75 A
路端电压U=IR外=0.75×2 V=1.5 V
R1消耗的功率P1=U2R1=1.526 W=0.375 W
R2消耗的功率P2=U2R2=1.523 W=0.75 W.
14.(1)1 m/s　(2)45.6 J
[解析] (1)金属棒ab和物体匀速运动时,速度达到最大值,由平衡条件知
对物体,有T=Mg
对ab棒,有T=mgsin θ+μmgcos θ+F安
其中F安=B0IL,I=ER总=B0LvmR+r
联立解得vm=1 m/s.
(2)对物体和ab棒组成的系统,根据能量守恒定律有
Mgh-mghsin θ-12(M+m)vm2=μmgcos θ·h+Q总
解得Q总=76 J
故QR=RR+rQ总=45.6 J.
15.(1)nL2R(B1-B0)(R+r)t1　(2)πn2B12L4Rω(R+r)2　(3)nB1L2R+r
[解析] (1)0~t1时间内,线框中的感应电动势
E=nΔΦΔt=nL2(B1-B0)t1
根据闭合电路的欧姆定律可知,通过电阻R的电流
I=ER+r=nL2(B1-B0)(R+r)t1
所以电阻R两端的电压UR=IR=nL2R(B1-B0)(R+r)t1.
(2)线框匀速转动产生的感应电动势的最大值E'm=nB1L2ω
感应电动势的有效值E'=22nB1L2ω
通过电阻R的电流的有效值I'=2nB1L2ω2(R+r)
线框转动一周所需的时间t=2πω
此过程中,电阻R产生的热量
Q=I'2Rt=πn2B12L4Rω(R+r)2.
(3)线框从图甲所示位置转过90°的过程中,
平均感应电动势 E=nΔΦ'Δt'=nB1L2Δt'
平均感应电流I=nB1L2Δt'(R+r)
通过电阻R的电荷量q=IΔt'=nB1L2R+r.