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文档介绍
【物理】2020届二轮复习专题七 物理图象问题第2课时电学图象问题学案
第2课时 电学图象问题 高考命题点 命题轨迹 情境图 电场中的图象问题 2017 1卷20 17(1)20题 电流中的图象问题 2017 1卷23 17(1)23题 18(3)16题 18(3)20题 2018 3卷16、20 17(2)20题 18(2)18题 19(2)21题 19(3)19题 电磁感应中的图象问题 2017 2卷20 2018 2卷18 2019 2卷21, 3卷19 1.φ-x图象(如图1所示) (1)电场强度的大小等于φ-x图线的斜率的绝对值,电场强度为零处φ-x图线存在极值,其切线的斜率为零. (2)在φ-x图象中可以直接判断各点电势的大小,并可根据电势大小关系确定电场强度的方向. 图1 (3)在φ-x图象中分析电荷移动时电势能的变化,可用WAB=qUAB,进而分析WAB的正负,然后作出判断. (4)在φ-x图象中可以判断电场类型,如图2所示,如果图线是曲线,则表示电场强度的大小是变化的,电场为非匀强电场;如果图线是倾斜的直线,则表示电场强度的大小是不变的,电场为匀强电场. 图2 (5)在φ-x图象中可知电场强度的方向,进而可以判断电荷在电场中的受力方向. 2.E-x图象(电场方向沿x轴正方向为正) (1)E-x图象反映了电场强度随位移变化的规律,E>0表示电场强度沿x轴正方向;E<0表示电场强度沿x轴负方向. (2)在给定了电场的E-x图象后,可以由图线确定电场强度、电势的变化情况,E-x图线与x轴所围图形“面积”表示电势差(如图3所示),两点的电势高低根据电场方向判定.在与粒子运动相结合的题目中,可进一步确定粒子的电性、动能变化、电势能变化等情况. 图3 (3)在这类题目中,还可以由E-x图象画出对应的电场,利用这种已知电场的电场线分布、等势面分布或场源电荷来处理相关问题. 例1 (多选)(2019·安徽蚌埠市第二次质检)电场中有一条电场线与x轴重合,x轴上各点的电场强度与位置的关系如图4所示,一质子只在电场力作用下,自坐标原点由静止释放沿x轴正方向运动,已知Oa=ab=bc=d,b点电势φb=0.则下列结论正确的是( ) 图4 A.质子沿x轴做匀速直线运动 B.质子在a、c两点的电势能相等 C.质子在a、b、c三点的动能之比为2∶3∶4 D.坐标原点O的电势为1.5E0d 答案 CD 解析 由E-x图象和F=qE可知质子沿x轴先做匀加速直线运动,后做加速度减小的加速直线运动,最后做加速度增大的加速直线运动,故A错误;质子一直做加速直线运动,电场力做正功,电势能减小,故B错误;由E-x图象与x轴所围“面积”表示电势差,因此UOa=E0d,UOb=E0d,UOc=2E0d,由动能定理有Eka=qUOa=qE0d,Ekb=qUOb=qE0d,Ekc=qUOc=2qE0d,所以质子在a、b、c三点的动能之比为2∶3∶4,故C正确;根据UOb=φO-φb可得坐标原点O的电势为φO=1.5E0d,故D正确. 拓展训练1 (2019·江西省重点中学协作体第一次联考)将两个点电荷A、B分别固定在水平面上x轴的两个不同位置上,将一带负电的试探电荷在水平面内由A点的附近沿x轴的正方向移动到B点附近的过程中,该试探电荷的电势能随位置变化的图象如图5所示,已知xAC>xCB,图中的水平虚线在C点与图线相切,两固定点电荷带电荷量的多少分别用qA、qB表示.则下列分析正确的是( ) 图5 A.两固定点电荷都带正电,且qA>qB B.在AB连线内,C点的电场强度最小但不等于零 C.因试探电荷的电势能始终为正值,可知A、B两点间沿x轴方向的电场强度始终向右 D.如果将试探电荷的电性改为正电,则该电荷在C点的电势能最大 答案 D 解析 负试探电荷从A运动到C,电势能降低,则从A到C电势逐渐升高,电场方向从C到A;负电荷从C到B电势能增加,则电势逐渐降低,则电场方向从C到B.即电场方向先沿x轴负方向,后沿x轴正方向,则qA和qB均为负电荷.因为在qA和qB连线中点处的合场强沿x轴负方向,故qA>qB,故A、C均错误;Ep-x图象的斜率大小代表电场力,而C点的切线斜率为零,说明该试探电荷在C点处受到的电场力为零,B错误;在C点负电荷的电势能最低,则正电荷在C点的电势能最大,故D正确. 例2 (2019·陕西榆林市第二次模拟)某静电场的方向平行于x轴,其电势φ随x的分布如图6所示.一质量m=4×10-10 kg、电荷量q=2×10-9 C的带负电粒子(不计重力)从(-1,0)点由静止开始,仅在电场力作用下在x轴上往返运动.则该粒子运动的周期为( ) 图6 A. s B.0.6 s C.0.1 s D. s 答案 B 解析 粒子先沿x轴正方向做匀加速直线运动,后做匀减速直线运动,然后反向运动.E1== V/m=10 V/m,a1==50 m/s2;由x1=a1t12,解得粒子沿x轴正方向运动的时间为t1== s=0.2 s;同理可得粒子沿x轴正方向做匀减速运动的时间为t2=0.1 s;且粒子到达x=0.5 m处的速度恰好为零,反向运动的时间为t1+t2=0.3 s;则粒子运动的周期为T=2(t1+t2)=0.6 s;故选B. 拓展训练2 (2019·河南省高考适应性测试)如图7甲所示,M、N为正对竖直放置的平行金属板,A、B为两板中线上的两点.当M、N板间不加电压时,一带电小球从A点由静止释放经时间T到达B点,此时速度为v.若两板间加上如图乙所示的交变电压,t=0时,将带电小球仍从A点由静止释放,小球运动过程中始终未接触极板,则t=T时,小球( ) 图7 A.在B点上方 B.恰好到达B点 C.速度大于v D.速度小于v 答案 B 解析 在A、B两板间加上如题图乙所示的交变电压,小球受到重力和电场力的作用,电场力做周期性变化,且电场力在水平方向,所以小球竖直方向做自由落体运动.在水平方向小球先做匀加速直线运动,后沿原方向做匀减速直线运动,t=时速度为零,接着反向做匀加速直线运动,后继续沿反方向做匀减速直线运动,t=T时速度为零.根据对称性可知在t=T时小球的水平位移为零,所以t=T时,小球恰好到达B点,故A错误,B正确;在0~T时间内,电场力做功为零,小球机械能变化量为零,所以t=T时,小球速度等于v,故C、D 错误. 例3 (2019·安徽合肥市第二次质检)为了同时测量一电源的电动势E和内阻r,以及未知阻值的电阻Rx,某同学设计了一电路.实验室提供的器材如下:待测电源、待测电阻、电阻箱一个、内阻很大的电压表一只、开关两个、导线若干. 图8 (1)为实现上述目的,请完善图8甲实物图连接; (2)该同学实验的主要步骤有: ①闭合S1、S2,多次调节电阻箱,并记录其阻值及对应的电压表的示数; ②保持S1闭合,断开S2,多次调节电阻箱,并记录其阻值及对应的电压表的示数; ③根据记录的数据,作出两条-图线如图乙所示. 由图线可得电动势E=________,内阻r=________,Rx=________.(用图中a、b、c表示) 答案 (1) (2) - 解析 (1)通过开关S2控制电路中的电阻Rx是否接入电路,电路原理图如图所示: 故实物连线图如图所示: (2)闭合S1、S2,有E=U+r,故有=+·; 保持S1闭合,断开S2,有E=U+(r+Rx), 故有=+·; 结合-图象可知,=c,=,=,故解得:E=,r=,Rx=-. 拓展训练3 (2019·吉林省“五地六校”合作体联考)如图9所示为a、b两电阻的伏安特性曲线,图中α=45°,关于两电阻的描述正确的是( ) 图9 A.电阻a的阻值随电流的增大而增大 B.因I-U图线的斜率表示电阻的倒数,故电阻b的阻值R==1.0 Ω C.在两图线交点处,电阻a的阻值等于电阻b的阻值 D.在电阻b两端加2 V电压时,流过电阻的电流是4 A 答案 C 解析 I-U图象的斜率等于电阻的倒数,由题图可知,电阻a的图象的斜率越来越大,故a的电阻随电流的增大而减小,故A错误; I-U图象的斜率表示电阻的倒数,但是由于横、纵坐标轴的长度单位不同,则不能由R==1.0 Ω求解电阻b的阻值,只能通过R== Ω=2 Ω求解,选项B错误;根据R=可知在两图线交点处,电阻a的阻值等于电阻b的阻值,选项C正确;由题图可知,在电阻b两端加2 V电压时,流过电阻的电流是1 A,选项D错误. 1.解决电磁感应图象问题的“三点关注” (1)关注初始时刻,如初始时刻感应电流是否为零,是正方向还是负方向. (2)关注变化过程,看电磁感应发生的过程分为几个阶段,这几个阶段是否和图象变化相对应. (3)关注大小、方向的变化趋势,看图线斜率的大小、图线的曲直是否和物理过程对应. 2.解决电磁感应图象问题常用的“两个方法” (1)排除法; (2)函数法. 例4 (多选)(2019·全国卷Ⅱ·21)如图10,两条光滑平行金属导轨固定,所在平面与水平面夹角为θ,导轨电阻忽略不计.虚线ab、cd均与导轨垂直,在ab与cd之间的区域存在垂直于导轨所在平面的匀强磁场.将两根相同的导体棒PQ、MN先后自导轨上同一位置由静止释放,两者始终与导轨垂直且接触良好.已知PQ进入磁场时加速度恰好为零.从PQ进入磁场开始计时,到MN离开磁场区域为止,流过PQ的电流随时间变化的图象可能正确的是( ) 图10 答案 AD 解析 根据题述,PQ进入磁场时加速度恰好为零,两导体棒从同一位置释放,则两导体棒进入磁场时的速度相同,产生的感应电动势大小相等,若释放两导体棒的时间间隔足够长,在PQ通过磁场区域一段时间后MN进入磁场区域,根据法拉第电磁感应定律和闭合电路欧 姆定律可知流过PQ的电流随时间变化的图象可能是A;若释放两导体棒的时间间隔较短,在PQ没有出磁场区域时MN就进入磁场区域,则两棒在磁场区域中运动时回路中磁通量不变,两棒不受安培力作用,二者在磁场中做加速运动,PQ出磁场后,MN切割磁感线产生感应电动势和感应电流,且感应电流一定大于I1,受到安培力作用,由于安培力与速度成正比,则MN所受的安培力一定大于MN的重力沿导轨平面方向的分力,所以MN一定做减速运动,回路中感应电流减小,流过PQ的电流随时间变化的图象可能是D. 拓展训练4 (2019·广东广州市下学期一模)如图11甲所示,梯形硬导线框abcd固定在磁场中,磁场方向与线框平面垂直,图乙表示该磁场的磁感应强度B随时间t变化的关系图,t=0时刻磁场方向垂直纸面向里.在0~5t0时间内,设垂直ab边向上为安培力的正方向,线框ab边受到该磁场对它的安培力F随时间t变化的关系图为( ) 图11 答案 D 解析 0~2t0,感应电动势为:E1=S=S,为定值,3t0~5t0,感应电动势为:E2=S=S,也为定值,因此感应电流也为定值,那么安培力F=BIL∝B. 由于0~t0,B逐渐减小到零,故安培力逐渐减小到零,根据楞次定律可知,线框中感应电流沿顺时针方向,依据左手定则可知,线框ab边受到的安培力方向向上,即为正;同理,t0~2t0,安培力方向向下,为负,大小增大,而在2t0~3t0,没有安培力;在3t0~4t0,安培力方向向上,为正,大小减小;在4t0~5t0,安培力方向向下,为负,大小增大,故D正确,A、B、C错误. 拓展训练5 (多选)(2019·东北三省四市教研联合体模拟)如图12所示,光滑平行金属导轨 MN、PQ放置在同一水平面内,M、P之间接一定值电阻R,金属棒ab垂直导轨放置,金属棒和导轨的电阻均不计,整个装置处在竖直向上的匀强磁场中.t=0时对金属棒施加水平向右的外力F,使金属棒由静止开始做匀加速直线运动.下列关于通过金属棒的电流i、通过导轨横截面的电荷量q、拉力F和拉力的功率P随时间变化的图象,正确的是( ) 图12 答案 AC 解析 由题意可知,金属棒由静止开始做匀加速直线运动,则有:x=at2,v=at, 根据法拉第电磁感应定律得:E=BLv=BLat, 则感应电流i==t,故A正确; 根据=,=和q=Δt,得q=,而ΔΦ=BΔS=BLx=BLat2,故q=t2,故B错误; 根据牛顿第二定律有:F-F安=ma,F安=BiL=t, 解得:F=ma+t,故C正确; 根据P=Fv,得P=Fv=ma2t+t2,故D错误. 专题强化练 (限时20分钟) 1. (2019·陕西榆林市第二次模拟)如图1所示,单匝线圈abcd固定于分布均匀的磁场中,磁场方向垂直线圈平面.当磁场的磁感应强度B随时间t变化时,ab边受到的安培力恒定不变.则下列磁感应强度B随时间t变化的图象中可能正确的是( ) 图1 答案 C 解析 设线圈的ab边长为L,ad边长为l,当磁感应强度发生变化时,线圈内产生感应电动势为:E===;感应电流为:I=;安培力为:F=BIL,得:F=,由ab边受到的安培力恒定不变可知,若磁感应强度B增大,则减小;若B减小,则增大.故C正确. 2.(多选)(2019·四川省综合能力提升卷(三))空间有一沿x轴分布的电场,其电场强度E随x变化的图象如图2所示.-x1、x1、x2、x3是x轴上的四个点,图象关于坐标原点O中心对称,下列说法中正确的是( ) 图2 A.-x1处的电势比x1的电势高 B.将正电荷由-x1移到x2,电势能先增大,后减小 C.将一负电荷由-x1处由静止释放,若只受电场力作用,它将在-x1和x1之间往复运动 D.负电荷在4个点中位于x2电势能最大 答案 BC 解析 根据题意,电场关于x轴对称分布,作出电场线如图所示.根据顺着电场线电势降低,则O电势最高,从图线看出,电场强度关于原点O对称,则x轴上关于O点对称位置的电势相等.则-x1处的电势与x1处的电势相等,故A错误;将正电荷由-x1移到x2,电势能先增大,后减小,选项B正确;-x1和x1之间的电场是对称的,将一负电荷由-x1处由静止释 放,负电荷先向O做加速运动,经过O点之后做减速运动,到x1处速度减为零,则它将在-x1和x1之间往复运动,选项C正确;4个点中,x3点的电势最低,则负电荷在4个点中位于x3电势能最大,选项D错误. 3. (多选)(2019·湖北恩施州教学质量检测)如图3所示为某静电场中x轴上各点电势分布图,一个带电粒子在坐标原点O由静止释放,仅在电场力作用下沿x轴正向运动,则下列说法正确的是( ) 图3 A.粒子一定带正电 B.粒子运动到坐标轴上x2处速度最大 C.粒子从坐标轴上x1处运动到x3处,电场力的冲量为零 D.粒子从坐标轴上x1处运动到x2处,加速度先增大后减小 答案 BC 解析 由于从坐标原点沿x轴正向电势先升高后降低,因此电场方向先向左后向右,由于带电粒子在坐标原点由静止沿x轴正向运动,因此可知粒子带负电,选项A错误;粒子从O到x2做加速运动,从x2向右做减速运动,因此粒子运动到坐标轴上x2处速度最大,选项B正确;由于粒子只受电场力作用,因此电势能和动能之和为一定值,即粒子在x1处和x3处电势能相等,动能相等,由于运动方向相同,因此速度相同,根据动量定理可知,粒子从坐标轴上x1处运动到x3处,电场力的冲量为零,选项C正确;由E=可知,坐标轴上x1处到x2处,电场强度一直减小,由a=可知,粒子的加速度一直减小,选项D错误. 4. (2019·广东深圳市第二次调研)真空中,在x轴上x=0和x=8 m处分别固定两个电性相同的点电荷Q1和Q2.电荷间连线上的电场强度E随x变化的图象如图4所示(x轴正方向为场强正方向),其中x=6 m处E=0.将一个正试探电荷在x=2 m处由静止释放(重力不计, 取无穷远处电势为零).则( ) 图4 A.Q1、Q2均为负电荷 B.Q1、Q2带电荷量之比为9∶1 C.在x=6 m处电势为0 D.该试探电荷向x轴正方向运动时,电势能一直减小 答案 B 解析 由题图,在x=0处场强为正,x=8 m处场强为负,可知Q1、Q2均为正电荷,故A错误;根据题意“x=6 m处E=0 ”可知,在x=6 m处,E1=E2,即k=k,解得==,故B正确;由于无穷远处电势为零,故在x=6 m处电势不为0,故C错误;该试探电荷向x轴正方向运动时,电场力先做正功,再做负功,因此电势能先减小后增大,故D错误. 5.(2019·湖南长沙、望城、浏阳、宁乡四县市区3月调研)如图5所示,正方形导线框abcd放在匀强磁场中静止不动,磁场方向与线框平面垂直,磁感应强度B随时间t的变化关系如图乙所示,t=0时刻,磁感应强度的方向垂直纸面向里.下列选项中能表示线框的ab边受到的磁场力F随时间t的变化关系的是(规定水平向左为力的正方向)( ) 图5 答案 A 解析 0~1 s:磁场方向向里且均匀减小,由楞次定律可得,线框中产生顺时针方向的感应电流,由E=n可知,产生的感应电动势恒定,电流恒定,所以ab边受到的安培力F安=BIL均匀减小,由左手定则可知,安培力方向向左即为正; 1~3 s:磁场方向向外且均匀增大,由楞次定律可得,线框中产生顺时针方向的感应电流,由E=n可知,产生的感应电动势恒定,电流恒定,所以ab边受到的安培力F安=BIL均匀增大,由左手定则可知,安培力方向向右即为负; 3~5 s:磁场方向向外且均匀减小,由楞次定律可得,线框中产生逆时针方向的感应电流,由E=n可知,产生的感应电动势恒定,电流恒定,所以ab边受到的安培力F安=BIL均匀减小,由左手定则可知,安培力方向向左即为正; 综合上述分析可知A正确. 6.(多选)(2019·湖南娄底市下学期质量检测)如图6甲所示,圆形线圈P静止在水平桌面上,其正上方固定一螺线管Q,P和Q共轴,Q中的电流i随时间t变化的规律如图乙所示,取甲图中电流方向为正方向,P所受的重力为G,桌面对P的支持力为FN,则( ) 图6 A.在t1时刻,FN>G,P有收缩的趋势 B.在t2时刻,FN=G,穿过P的磁通量不变 C.在t3时刻,FN=G,P中有感应电流 D.在t4时刻,FN>G,P有收缩的趋势 答案 ABC 解析 当螺线管中电流增大时,其形成的磁场不断增强,因此线圈P中的磁通量增大,根据楞次定律可知线圈P将阻碍其磁通量的增大,故线圈有远离和面积收缩的趋势,即FN>G,P有收缩的趋势,故A正确;当螺线管中电流不变时,其形成磁场不变,线圈P中的磁通量不变,因此线圈P中无感应电流产生,故t2时刻FN=G,故B正确;t3时刻螺线管中电流为零,但是线圈P中磁通量是变化的,因此此时线圈P中有感应电流,但此时刻二者之间没有相互作用力,即FN=G,故C正确;当螺线管中电流不变时,其形成的磁场不变,线圈P中的磁通量不变,因此磁铁线圈中无感应电流产生,故t4时刻FN=G,此时P没有收缩的趋势,故D错误. 7.(2019·山西五地联考上学期期末)学校物理兴趣小组为探究多用电表欧姆挡的原理,决定自己动手设计一个欧姆表,其内部的结构图如图7甲所示,已知电源电动势E约为3 V,其他数值同学们都忘记了,所以同学们决定测量欧姆表的电源电动势和内阻. 图7 (1)两表笔分别与电阻箱两接线柱相连,调节电阻箱,直到电流表读数如图乙,电阻箱示数如图丙,则欧姆表的内阻约为________ Ω. (2)该小组同学把欧姆表的两表笔与电阻箱连接,根据记录的电阻箱阻值R与多用电表电流挡的读数I,在如图8所示坐标系中描点,请根据坐标系中所描点作出图象; 图8 (3)由图象可得欧姆表的电源电动势E=________ V,欧姆表的内阻r=________ Ω. 答案 (1)10 (2) (3)3.0 10.5 解析 (1)由题图乙可知,电流表分度值为0.01 A,示数为0.10 A; 由题图丙可知电阻箱示数为:R=0×1 000 Ω+0×100 Ω+2×10 Ω+0×1 Ω=20 Ω, 由闭合电路欧姆定律得:I= 即:0.10 A= 解得:R内=10 Ω; (2)根据坐标系内描出的点作出图象如图所示: (3)由闭合电路欧姆定律得:I= 整理得:=R+, 由-R图象可知:k===, 解得电源电动势:E=3.0 V,内阻:r=10.5 Ω. 8.(2019·广西钦州市第三次质检)某小组通过实验测绘一个标有“5.0 V 7.5 W”某元件的伏安特性曲线,电路图如图9甲所示,备有下列器材: 图9 A.电池组(电动势为6.0 V,内阻约为1 Ω) B.电压表(量程为0~3 V,内阻RV=3 kΩ) C.电流表(量程为0~1.5 A,内阻约为0.5 Ω) D.滑动变阻器R(最大阻值10 Ω,额定电流1 A) E.定值电阻R1(电阻值为1.5 kΩ) F.定值电阻R2(电阻值为3 kΩ) G.开关和导线若干 (1)实验中所用定值电阻应选________(填“E”或“F”). (2)根据图甲电路图,用笔画线代替导线将图乙中的实物电路连接完整. (3)某次实验时,电压表示数指针位置如图丙所示,则电压表读数是________V,元件两端电压是________V. (4)通过实验数据描绘出该元件的伏安特性曲线如图丁所示.若把两个同样的该元件并联后与电动势为4.5 V、内阻为1.5 Ω的电源相连接,则此时每个元件的电阻值均为________Ω.(计算结果保留2位有效数字) 答案 (1)F (2)如图所示 (3)2.20 4.4 (4)1.7 (1.5~1.9均可) 解析 (1)电源电动势为6.0 V,电压表量程为3 V,内阻为3 kΩ,则可将电压表扩大量程,串联一个大小为3 kΩ的分压电阻后,量程扩大到6.0 V,则定值电阻应该选择F. (2)实物电路连接如图; (3)某次实验时,电压表示数指针位置如题图丙所示,则电压表读数是2.20 V,元件两端电压是2×2.20 V=4.4 V. (4)设通过每个元件的电流为I,根据闭合电路欧姆定律应有E=U+2Ir,变形为U=4.5-3I,在表示小灯泡的I-U图象中作出表示电源的I-U图象,如图所示,读出两图线的交点坐标为U=1.65 V,I=0.95 A,所以每个元件的电阻为R=≈1.7 Ω.查看更多