【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

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【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.‎
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