北京市海淀区北京大学附属中学2020学年高二物理下学期期中试题（含解析）

北京市海淀区北京大学附属中学2020学年高二物理下学期期中试题（含解析）

北京市海淀区北京大学附属中学2020学年高二物理下学期期中试题（含解析） ‎ ‎1.如图1所示为回旋加速器的示意图。它由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D形盒正中间开有一条狭缝，两个D型盒处在匀强磁场中并接在高频交变电源上。在盒中心A处有离子源，它产生并发出的粒子，经狭缝电压加速后，进入盒中。在磁场力的作用下运动半个圆周后，再次经狭缝电压加速。为保证粒子每次经过狭缝都被加速，设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致如。此周而复始，速度越来越大，运动半径也越来越大，最后到达D型盒的边缘，以最大速度被导出。已知粒子电荷量为q质量为m，加速时电极间电压大小恒为U,磁场的磁感应强度为B，D型盒的半径为R.设狭缝很窄，粒子通过狭缝的时间可以忽略不计，且粒子从离子源发出时的初速度为零。(不计粒子重力)求：‎ ‎(1)粒子第1次由盒进入盒中时的速度大小；‎ ‎(2)粒子被加速后获得的最大动能；‎ ‎(3)符合条件的交变电压的周期T；‎ ‎(4)粒子仍在盒中活动过程中，粒子在第n次由盒进入盒与紧接着第n+1次由盒进入盒位置之间的距离Δx.‎ ‎【答案】（1） （2） （3） （4）‎ ‎【解析】‎ ‎【详解】（1）设α粒子第一次被加速后进入D2盒中时的速度大小为v1‎ ‎，根据动能定理有 解得，‎ ‎（2）α粒子在D形盒内做圆周运动，轨道半径达到最大时被引出，具有最大动能．设此时的速度为v，有 解得：‎ 设α粒子的最大动能为Ek，则 解得：‎ ‎（3）设交变电压的周期为T，为保证粒子每次经过狭缝都被加速，带电粒子在磁场中运动一周的时间应等于交变电压的周期（在狭缝的时间极短忽略不计），则交变电压的周期 ‎（4）离子经电场第1次加速后，以速度v1进入D2盒，设轨道半径为r1‎ 则 ‎ 离子经第2次电场加速后，以速度v2进入D1盒，设轨道半径为r2‎ 则 ‎ 离子第n次由D1盒进入D2盒，离子已经过（2n-1）次电场加速，以速度v2n-1进入D2盒，由动能定理：‎ 轨道半径 ‎ 离子经第n+1次由D1盒进入D2盒，离子已经过2n次电场加速，以速度v2n进入D1盒，由动能定理：‎ 轨道半径：‎ 则△x=2（rn+1-rn）（如图所示）‎ 解得，‎ ‎2.在19世纪20年代之前的漫长为岁月里，电和磁的研究基本都是独立发展的。而在18世纪来期，有一些科学家开始思索不同自然现象之间的联系，其中丹麦物理学家奥斯特指出“物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电磁以及我们所知道的各种其他现象的零散的罗列，我们将把整个字宙纳在一个体系中。”揭开了人们探究电、磁联系的序幕！‎ 经过多年的实验探究，奥斯特终于在1820年发现了电流的磁效应，震动了整个欧洲大陆科学界!当时欧洲很多科学家在奥斯特实验的启发下，纷纷研究“磁生电”。‎ ‎(1).法拉第就是其中的一个。他进行了多次的实验，但也并非每次实验都是一帆风顺，下面模拟了在1822年到1831年之间，法拉第进行的几次实验。‎ 请根据所学内容判断，实验中是否能观察到感应电流?如果可以，是在哪一过程中观察到的?‎ ‎①如图所示，将两个线圈绕在同一个铁环上，其中一个线圈通过一个开关接在电源上，另一个线圈接一个灵敏电流计，接通电路一段时间后，断开电路。‎ ‎②如图所示，法拉第用一根线把一个铜环固定在到线上并悬挂起来，像一个扭称一样，把条形磁铁的磁极插入环内，等候一段时间后，再把磁极拔出来。‎ ‎(2).除了法拉第外，同时代的其他科学家也对电磁现象做了有意义的探索.‎ 请根据所学内容判断，下列实验中是否出现电磁感应现象？并用电磁感应现象的规律简单解释实验现象。‎ ‎①如图所示，安培和德莱里弗将用一根线把一个铜环固定在导线上并悬挂起来，像一个扭称一样，把条形磁铁的磁极移向铜环发现扭称发生了偏转。‎ ‎②亨利在用实验考察绕有不同长度导线电磁铁所产生的磁力大小时，发现当断开与通电线圈相连的开关时，会在开关处产生强烈的电火花。如图所示为根据亭利的论文还原的实验仪器图。‎ ‎【答案】（1）两种情况下都能发生电磁感应现象；其中①是在断开电源的瞬间；②是在条形磁铁的磁极插入圆环的瞬间；‎ ‎（2）①中发生了电磁感应现象；当条形磁铁的磁极移向铜环时，穿过铜环的磁通量发生变化，于是在铜环中产生感应电流，电流周围产生磁场，与磁铁相互作用而使线圈发生偏转；②中叶发生了电磁感应现象；当断开与通电线圈相连的开关时，通过线圈的电流突然减小，则磁通量减小，于是在线圈中要产生很强的自感电动势阻碍电流的减小，从而产生了电火花。‎ ‎【解析】‎ ‎【详解】（1）两种情况下都能发生电磁感应现象；其中①是在断开电源的瞬间；②‎ 是在条形磁铁的磁极插入圆环的瞬间；‎ ‎（2）①中发生了电磁感应现象；当条形磁铁的磁极移向铜环时，穿过铜环的磁通量发生变化，于是在铜环中产生感应电流，电流周围产生磁场，与磁铁相互作用而使线圈发生偏转；②中叶发生了电磁感应现象；当断开与通电线圈相连的开关时，通过线圈的电流突然减小，则磁通量减小，于是在线圈中要产生很强的自感电动势阻碍电流的减小，从而产生了电火花。‎ ‎3.电磁感应的现象的发现，给电磁的应用开辟了广阔的道路，其中发电机就是电磁感应最重要的应用成果之”。某种直流发电机的工作原理可以简化为如图所示的情景:在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计，轨道端点MP间接有阻值为r的电阻。质量为M、电阻为R的金属导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好，在水平向右的外力的作用下，以速度v(v均平行于MN)向右做匀速运动。求:‎ ‎(1)导体棒ab中的感应电动势是多大?通过电阻r的电流多大?‎ ‎(2)a、b两点间电势差是多大?a、b两点哪一点的电势高?‎ ‎(3)在ab棒中产生感应电动势的非静电力是什么力?在图中面出导体棒ab中自由电荷受到的非静电力F的方向；‎ ‎(4)整个回路在t时间内产生了多少热量?这个热量是如何产生的?试从功能转化角度简要分析；‎ ‎(5)若加大外力，使得导体棒的速度从v变为2v,并测得导体棒加速运动过程中，电路产生的热量为Q.求这个过程中，外力做了多少功?‎ ‎(6)若导体棒速度达到2v后，立即撤去水平向右的外力，则导体棒ab将做什么运动?最终状态是什么?从撤去外力到导体棒达到稳定状态的过程中，电阻上产生了多少热?‎ ‎(7)若将MP之间的电阻换成一个线圈电阻为r的直流电动机，当导体棒ab以速度 向右做匀速运动时，流过会属棒的电流为,此时电动机恰可在竖直方向匀速提升质量为m的重物。若电动机各部分间摩擦损耗可忽略不计，求此时重物竖直上升的速度.‎ ‎【答案】（1）BLv （2）， a点的电势高；（3）洛伦兹力；图见解析；（4）（5）（6）减速运动直到停止；（7）‎ ‎【解析】‎ ‎【详解】（1）导体棒ab中的感应电动势：E=BLv 通过电阻r的电流：‎ ‎（2）a、b两点间电势差：‎ 由右手定则可知，a、b两点a点的电势高；‎ ‎（3）在ab棒中产生感应电动势的非静电力是洛伦兹力；导体棒中的自由电荷可认为是正电荷，导体棒由于外力作用发生移动，根据右手定则可知电流方向从b到a，同时电荷还要匀速向右运动，根据左手定则可知受到的洛伦兹力方向如下图所示：‎ ‎（4）整个回路在t时间内产生了的热量：；因为可知这个热量是克服安培力产生的；从功能转化角度来说是外力克服安培力做功转化为电能，然后通过电阻发热转化为内能。‎ ‎（5）根据动能定理： 其中W安=Q 解得 ‎（6）若导体棒速度达到2v后，立即撤去水平向右的外力，则导体棒ab将在向左的安培力作用下做减速运动，最终停止；由能量关系可知，从撤去外力到导体棒达到稳定状态的过程中，电阻上产生的热：。‎ ‎（7）导体棒产生的感应电动势：‎ 电动机两端的电压 ，‎ 由能量关系：‎ 解得：‎ ‎4.某个小水电站的发电机的正方形线圈边长为50cm，匝数为100匝，线圈电阻为0.2Ω；线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴00′匀速转动，转速为50r/s；电动势的最大值为250V.(结果有根号或的可以保留)‎ ‎(1)发电机中匀强磁场磁感应强度为多大？‎ ‎(2)若线圈从图示位置开始计时，写出感应电动势随时间变化的函数表达式。‎ ‎(3)将阻值R=4.8Ω的外电阻接在线圈两端，如图所示，则交流电压表的示数是多大?此时发电机的输出功率为多大?‎ ‎(4)将该发电机通过升压变压器升压后向远处输电，如图所示，发电机的输出功率为100kW,输电线的总电阻为8Ω,在用户端用降压变压器把电压降为220V.要求在输电线上损失的功率控制为5kW.‎ ‎①‎ 请你设计水电站升压变压器原、副线圈匝数比和用户降压变压器原、副线圈匝数比(、均为理想变压器)，以达到控制损失功率的要求(匝数比写成整数之比);‎ ‎②夏天用电高峰期，常出现电器(例如空调)不能正常使用的情况。这一现象可以通过回答下面的这个问题来加以解释。如图所示是变压器给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压，负载变化时输入电压不会有大的波动。输出电压通过输电线输送给用户，两条输电线的等效电阻为.当用电器增加时(即开关k由断开到接通时)，图中电流表和电压表的读数如何变化?并简单解释这样变化的原因.‎ ‎【答案】（1）（2）（3）240V，1.2×104W（4）① ； ②电流表读数变大，电压表读数减小 ‎【解析】‎ ‎【详解】（1） 根据可得：‎ ‎（2）从图示位置开始计时，感应电动势随时间变化的函数表达式： 。‎ ‎（3）感应电动势的有效值：‎ 将阻值R=4.8Ω的外电阻接在线圈两端，电流:‎ 电压表读数：‎ 发电机的输出功率: ‎ ‎（4）①输电线上的电流：‎ T1的初级电流： ，则T1的匝数比：‎ T1的次级电压：‎ T2初级电压：‎ 则T2的匝数比：‎ ‎②由题意可知U3是恒定不变的，则U4也是恒定不变的，当用电器增加时，则总电阻会减小，则电流变大，即电流表A的读数变大，R0上的电压变大，则由于U电器=U4-UR0，可知电压表读数减小.‎