2024-2025学年北京市海淀区第二十中学高二上学期期末物理试题（含答案）

这是一份2024-2025学年北京市海淀区第二十中学高二上学期期末物理试题（含答案），共18页。试卷主要包含了单选题，多选题，实验题，计算题等内容，欢迎下载使用。
1.关于电磁感应现象中穿过线圈的磁通量与感应电动势的关系，下列说法正确的是( )
A. 磁通量变化越大，感应电动势一定越大B. 磁通量增加时，感应电动势一定变大
C. 磁通量减小时，感应电动势也可能变大D. 磁通量为零时，感应电动势一定为零
2.关于下列四幅图的说法中正确的是( )
A. 从上往下看，当磁铁顺时针转动时，铝框会随之逆时针转动
B. 为使电子感应加速器真空中产生顺时针方向的感生电场，电磁铁线圈中的电流应该由强到弱
C. 探雷器是利用涡流工作的，探测时是地下的金属感应出涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警
D. 电磁炉是利用电流的热效应工作的
3.英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究，于1922年荣获了诺贝尔化学奖。若一束粒子(不计重力)由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列说法中不正确的是( )
A. 该束粒子带正电
B. 速度选择器的上极板带正电
C. 在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷qm越大
D. 在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷qm越小
4.在固定长直导线中通有图示方向电流I，导线右侧有一固定的矩形金属线框abcd，ad边与导线平行。调节电流I使得空间各点的磁感应强度随时间均匀增加。下列说法正确的是( )
A. 线框中产生的感应电流方向为a→ b→ c→ d→ a
B. 线框中磁通量的变化率逐渐增加
C. 线框整体受到的安培力方向水平向左
D. 线框ab边受到的安培力大小随时间均匀增加
5.如图所示，边长为a的导线框abcd处于磁感应强度为B0的匀强磁场中，bc边与磁场右边界重合。现发生以下两个过程：一是仅让线框以垂直于边界的速度v匀速向右运动；二是仅使磁感应强度随时间均匀变化。若导线框在上述两个过程中产生的感应电流大小相等，则磁感应强度随时间的变化率为( )
A. 2B0vaB. B0vaC. B0v2aD. 4B0va
6.如图所示，在竖直向下的匀强磁场中，将一根水平放置的金属棒ab以某一水平速度v0抛出，金属棒在运动过程中始终保持水平，不计空气阻力。下图能正确反映金属棒在运动过程中产生的感应电动势大小E随时间t变化情况的是( )
A. B.
C. D.
7.如图所示，理想变压器副线圈通过输电线接两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R。开始时，开关K断开，当K接通时，以下说法正确的是( )
A. 副线圈两端的输出电压减小B. 通过灯泡L1的电流增大
C. 原线圈中的电流增大D. 变压器的输入功率减小
8.如图甲所示的电路中，已知灯泡电阻不变且阻值为R。闭合开关S后，流过两个电流传感器的i−t图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
A. 闭合开关S瞬间，线圈中的自感电动势为零
B. 闭合开关S后，线圈中的电流先减小后不变
C. 断开开关S后，通过线圈的电流反向
D. 断开开关S瞬间，灯泡不会先闪亮再熄灭
9.直流电动机在生活生产中有广泛的应用，其主要结构为两部分：定子和转子，其中定子包括：主磁极、机座、转向器、电刷等；转子包括：电枢铁芯、电枢绕组等。如图所示是电动机提升重物的示意图，已知电源电动势E=9V，内阻r=1.5Ω，电阻R=2Ω。闭合开关S，发现电动机被卡死，此时电压表的示数为6V，立即关闭电源。清除故障后重新闭合开关，当电动机正常工作时，电压表的示数为7.5V，重力加速度g=10m/s2，下列说法正确的是( )
A. 电动机内部线圈的电阻为RM=5.5Ω
B. 电动机正常工作时线圈电阻的热功率为1W
C. 电动机正常工作时电源的效率约为66.7%
D. 电动机正常工作时将一个质量为1kg重物由静止吊起，则重物的最大速度为0.55m/s
10.如图所示，匀强电场和匀强磁场的方向均水平向右。一个正离子在某时刻速度的大小为v，方向与电场磁场方向夹角为θ。当速度方向与磁场不垂直时，可以将速度分解为平行于磁场方向的分量v1和垂直于磁场方向的分量v2来进行研究。不计离子重力，此后一段时间内，下列说法正确的是( )
A. 离子受到的洛伦兹力变大B. 离子加速度的大小不变
C. 电场力的瞬时功率不变D. 速度与电场方向的夹角θ变大
二、多选题：本大题共5小题，共20分。
11.干电池的电动势为1.5V，这表示( )
A. 电源中每通过1C的电量，电源把1.5J的化学能转化为电能
B. 干电池在1s内将1.5J的化学能转化为电能
C. 干电池与外电路断开时两极间电势差为1.5V
D. 干电池把化学能转化为电能的本领比电动势为2V的蓄电池弱
12.关于“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验，下列说法正确的是( )
A. 测量副线圈电压时，先用最大量程挡试测
B. 本实验中用控制变量法来探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
C. 为了保证安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12V
D. 变压器中铁芯是整块硅钢
13.电磁流量计是一种测量导电液体流量的装置(单位时间内通过某一截面的液体体积，称为流量)，其结构如图所示，上、下两个面M、N为导体材料，前后两个面为绝缘材料。流量计的长、宽、高分别为a、b、c，左、右两端开口，液体从左往右流动，在垂直于前、后表面向里的方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，则( )
A. M面的电势低于N面的电势
B. 当电压表的示数为U时，液体流量为UbB
C. 若仅增大导电液体中离子的浓度，电压表示数不变
D. 当电压表的示数稳定时，导电液体中的离子不受洛伦兹力作用
14.用如图所示装置作为推进器加速带电粒子。装置左侧部分由两块间距为d的平行金属板M、N组成，两板间有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B。使大量电荷量绝对值均为q0的正、负离子从左侧以速度v0水平入射，可以给右侧平行板电容器PQ供电。靠近Q板处有一放射源S可释放初速度为0、质量为m、电荷量绝对值为q的粒子，粒子被加速后从S正上方的孔喷出P板，喷出的速度大小为v，不计离子重力。下列说法正确的是( )
A. q的电性为正
B. 增大q0的值，可以提高v
C. PQ间距变为原来的2倍，可使v变为原来的 2倍
D. v0和B同时变为原来的2倍，可使v变为原来的2倍
15.利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图甲所示是霍尔元件的工作原理示意图，实验表明，铜以及大多数金属的载流子是带负电荷的电子，但锌中的载流子带的却是正电。自行车的速度计的工作原理主要依靠的就是安装在自行车前轮上的一块磁铁，轮子每转一周，这块磁铁就靠近霍尔传感器一次，这样便可测出某段时间内的脉冲数。若自行车前轮的半径为R、磁铁到轴的距离为r，下列说法正确的是( )
A. 若霍尔元件材料使用的是锌，通入如图甲所示的电流后，C端电势高于D端电势
B. 若车速越大，则霍尔电压越大
C. 当磁铁从如图乙所示的位置逐渐靠近霍尔传感器的过程中，C、D间的电势差越来越大
D. 若自行车骑行过程中单位时间测得的脉冲数为N，此时的骑行速度为2πNr
三、实验题：本大题共2小题，共18分。
16.“研究电磁感应现象”的实验装置如图所示。

(1)将图中所缺的导线补接完整____。
(2)当通电线圈插在感应线圈中时，如果在闭合开关时发现灵敏电流计的指针向右偏转了一下，那么合上开关后进行下述操作时可能出现的情况是：
①将通电线圈迅速插入感应线圈时，灵敏电流计指针将_____。(选填“向左”“向右”或“不偏转”)
②通电线圈插入感应线圈后，将滑动变阻器的滑片迅速向左滑动时，灵敏电流计指针_____。(选填“向左”“向右”或“不偏转”)
(3)在实验时，如果感应线圈两端不接任何元件，则感应线圈电路中将_____。
A.因电路不闭合，无电磁感应现象
B.有电磁感应现象，但无感应电流，只有感应电动势
C.不能用楞次定律和安培定则判断感应电动势方向
D.可以用楞次定律和安培定则判断感应电动势方向
17.研究性学习小组的同学们用如图甲所示的电路测量两节干电池串联而成的电池组的电动势E和内电阻r。实验室提供的器材如下：电压表，电阻箱(阻值范围0～999.9Ω)；开关、导线若干。
(1)请根据图甲所示的实物电路图，在虚线框内画出该电路的电路图_______。
(2)某同学开始做实验，先把变阻箱阻值调到最大，再接通开关，然后逐次改变电阻箱接入电路的阻值R，读取与R对应的电压表的示数U，并将相应的数据转化为坐标点描绘在了U−UR图中。请将图丙、丁中电阻箱和电压表所示的数据转化为坐标点描绘在图所示的坐标系中，并画出U−UR图线_______；
(3)根据图中实验数据绘出的图线可以得出该电池组电动势的测量值E=____V，内电阻测量值r=_____Ω。(保留3位有效数字)
(4)对图中所绘图线与横轴交点的横坐标值的分析，下面说法正确的是________(选填选项前的字母)。
A.表示该电路的短路电流值
B.大于此电路状态下通过电阻箱的电流值
C.等于此电路状态下通过电阻箱的电流值
D.小于此电路状态下通过电池组的电流值
(5)不同小组的同学分别用不同的电池组(均由同一规格的两节干电池串联而成)完成了上述的实验后，发现不同组的电池组的电动势基本相同，只是内电阻差异较大。同学们选择了内电阻差异较大的甲、乙两个电池组进一步探究，对电池组的输出功率P随外电阻R变化的关系，以及电池组的输出功率P随路端电压U变化的关系进行了猜想，并分别画出了如图所示的P−R和P−U图象。若已知甲电池组的内电阻较大，则下列各图中可能正确的是________(选填选项的字母)。
A. B．
C. D．
四、计算题：本大题共5小题，共50分。
18.如图所示，磁极N、S间的磁场可看作匀强磁场，磁感强度为B，矩形线圈N匝，AB=l1，BC=l2，在匀强磁场中以OO′为转轴匀速转动，角速度为ω，线圈的电阻为r，外接电阻R。从图所示位置开始计时：
(1)请你说明线圈平面转至何位置时，线圈产生的感应电动势最大；并推导线圈产生的感应电动势最大值的表达式(用所需物理量的字母表示)；
(2)求线圈转动过程中交变电压表的示数；
(3)从线圈经过图示位置开始计时，求经过14周期时间通过电阻R的电荷量。
19.1932年，劳伦斯和利文斯顿设计出了回旋加速器。回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间接交流电源，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间可以忽略不计，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，A处粒子源产生的质子，质量为m、电荷量为q，(质子初速度很小，可以忽略)在加速器中被加速，加速电压为U。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用，求：
(1)离子第一次进入磁场中的速度v；
(2)粒子在电场中最多被加速多少次；
(3)要使质子每次经过电场都被加速，则交流电源的周期为多大。在实际装置设计中，可以采取哪些措施尽量减少带电粒子在电场中的运行时间。
20.如图，在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根足够长的平行光滑金属轨道MN、PQ固定在水平面内，相距为L。一质量为m的导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上，与轨道接触良好。轨道和导体棒的电阻均不计。
(1)如图，若轨道左端MP间接一阻值为R的电阻，导体棒在拉力F的作用下以速度v沿轨道做匀速运动。请通过公式推导证明：在任意一段时间Δt内，拉力F所做的功与电路获取的电能相等。
(2)如图甲，若轨道左端接一电容器，电容器的电容为C，导体棒在水平拉力的作用下从静止开始向右运动。电容器两极板电势差随时间变化的图象如图乙所示，已知t1时刻电容器两极板间的电势差为U1。求导体棒运动过程中受到的水平拉力大小。
21.2022年4月16日上午，神舟十三号飞船顺利返回地球。为了能更安全着陆，设计师在返回舱的底盘安装了4台相同的电磁缓冲装置。如图所示，为其中一台电磁缓冲装置的结构简图，MN、PQ为绝缘光滑缓冲轨道，竖直固定在返回舱底部，导轨内侧存在稳定匀强磁场，方向垂直于整个缓冲轨道平面。单匝闭合矩形线圈abcd绕在缓冲滑块上，缓冲滑块由高强度绝缘材料制成，缓冲滑块接触地面前瞬间速度大小为v0，接触地面后滑块立即停止运动，此后线圈与磁场相互作用，返回舱开始做减速直线运动，经时间t，返回舱以速度v(未知)做匀速直线运动。已知线圈的电阻为R，ab边长为L，返回舱质量(含缓冲轨道、磁场发生器)为m，磁感应强度大小为B，重力加速度为g，不计空气阻力。求：
(1)v的大小；
(2)在返回舱减速运动过程中，通过每台电磁缓冲装置线圈的电荷量q。(结果保留v)
22.如图所示，在磁感应强度为B的水平匀强磁场中，有一竖直放置的光滑的平行金属导轨，导轨平面与磁场垂直，导轨间距为L，顶端接有阻值为R的电阻。将一根金属棒从导轨上的M处以速度v0竖直向上抛出，棒到达N处后返回，回到出发点M时棒的速度为抛出时的一半。已知棒的长度为L，质量为m，电阻为r。金属棒始终在磁场中运动，处于水平且与导轨接触良好，忽略导轨的电阻．重力加速度为g。
(1)金属棒从M点被抛出至落回M点的整个过程中，求：
a.电阻R消耗的电能；
b.金属棒运动的时间。
(2)经典物理学认为，金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子的碰撞。已知元电荷为e，求当金属棒向下运动达到稳定状态时，棒中金属离子对一个自由电子沿棒方向的平均作用力大小。
参考答案
1.C
2.C
3.C
4.D
5.B
6.A
7.C
8.D
9.B
10.B
11.ACD
12.AB
13.BC
14.AD
15.AC
16. 向右 向左 BD/DB
17.(1)
(2)
(3) 2.90 1.29
(4)CD
(5)BC

18.(1)见解析；(2) NBRl1l2ω 2(R+r) ；(3) NBl1l2R+r
【详解】(1)线圈转动到与中性面垂直时，电动势最大，ab、cd两边切割磁感线产生的感应电动势的大小均为
E=NBl1v=NBl1⋅l22ω=12NBl1l2ω
所以电动势的最大值为
Em=2E=NBl1l2ω
(2)线圈转动过程中交变电压表的示数为
U=EmR 2(R+r)=NBRl1l2ω 2(R+r)
(3)当线圈从图示位置转过的过程中，通过电阻R的电量为
q=I⋅Δt=NΔΦR+r=NBl1l2R+r

19.(1) v= 2qUm ；(2) N=qB2R22mU ；(3) T变=2πmBq ，提高加速电压或适当减小两D型盒间距
【详解】(1)依题意，质子第一次进入磁场中的速度为v
qU=12mv 2
解得
v= 2qUm
(2)当质子在磁场中做圆周运动的轨道半径 r=R 时，其速率达到最大 vm ，则有
qvmB=mvm2R
得到质子能够达到的最大速率为
vm=BRqm
质子的最大动能为
EKm=12mvm2=q2B2R22m
设质子被加速的次数为 N ，则有
NqU=12mvm2
解得
N=qB2R22mU
(3)质子每次经过电场都被加速，则交流电源的周期
T磁=T变=2πmBq
依题意，质子在磁场中速度大小不变、只在电场中加速且匀加速度大小不变，假定两D型盒间距为d，则质子在电场中运行的时间为
t=vma=vmqUmd=BdRU
同理可知在实际装置设计中，可以采取提高加速电压或适当减小两D型盒间距以减少带电粒子在电场中运行的时间。

20.(1)见解析
(2) F=BLCU1t1+mU1BLt1
【详解】(1)导体棒切割磁感线产生的感应电动势
E=BLv
导体棒做匀速运动
F=F安
又
F安=BIL
I=ER
在任意一段时间Δt内，拉力F所做的功
W=FvΔt=F安vΔt=B2L2v2RΔt
电路获取的电能
ΔE=qE=EIΔt=B2L2v2RΔt
可见，在任意一段时间Δt内，拉力F所做的功与电路获取的电能相等。
(2)感应电动势与电容器两极板间的电势差相等
BLv=U
由电容器的U−t图可知
U=U1t1t
导体棒的速度随时间变化的关系为
v=U1BLt1t
可知导体棒做匀加速直线运动，其加速度
a=U1BLt1
由
C=QU
I=Qt
则
I=CUt=CU1t1
由牛顿第二定律
F−BIL=ma
可得
F=BLCU1t1+mU1BLt1

21.(1) v=mgR4B2L2 ；(2) q=mgt−mv+mv04BL
【详解】(1)返回舱向下做减速运动，受到向上的安培力和向下的重力，随着速度的减小，安培力减小，直到安培力减小到与重力大小相等时，速度最小，此后匀速运动，即速度大小为v，由平衡条件可知
4F安=mg
F安=BIL
I=ER
E=BLv
即
4B2L2vR=mg
解得
v=mgR4B2L2
(2)返回舱速度减速运动的过程中，由动量定理可得
mgt−4F安t=mv−mv0
又因为
q=It
F安=BIL
解得
q=mgt−mv+mv04BL

22.(1)a. 3Rmv028R+r b. 3v02g (2) f=emgrBL2
【详解】(1)a.金属棒从M点被抛出至落回M点的整个过程中，由能量守恒
回路中消耗的电能
Q=12mv02−12m(v02)2=38mv02
电阻R消耗的电能
QR=RR+rQ=3Rmv028R+r
b.金属棒从M点被抛出至落回M点的整个过程中，取向下为正方向，由动量定理得：
mgt+I安=m⋅v02−−mv0
将整个运动过程划分成很多小段，可认为在每个小段中感应电动势几乎不变，设每小段的时间为△t.则安培力的冲量
I安=Bi1L⋅△t+Bi2L⋅△t+Bi3L⋅△t+…
I安=BL(i1⋅△t+i2⋅△t+i3⋅△t+…)
I安=BLq
又
q=It ，
I=ER+r ，
E=▵Φt
因为△Φ=0，所以
I安=0
解得
t=3v02g
(2)当金属棒向下运动达到稳定状态时
mg=Fm
其中
Fm=B2L2vmR+r
解得
vm=mgR+rB2L2
沿棒方向，棒中自由电子受到洛伦兹力evmB、电场力eE和金属离子对它的平均作用力f作用．因为棒中电流恒定，所以自由电子沿棒的运动可视为匀速运动．
则
f+eE=evmB
又
E=UL
U=BLvmR+r⋅R
解得
f=emgrBL2