2021北京通州高二（上）期末物理（教师版）

2021北京通州高二（上）期末

物    理

2021年1月

第一部分  选择题（共42分）

一、单项选择题（本题共14小题。在每小题给出的四个选项中，只有一个选项是最符合题意的。每题3分，共42分）

1．关于感应电动势E的单位，下列选项中正确的是

A．伏特(V)      B．焦耳(J)      C．安培(A)      D．特斯拉(T)

2．在图1所示的四幅图中，正确标明了带正电的粒子所受洛伦兹力f方向的是

3. 电磁波在空气中的传播速度为v。北京交通广播电台发射电磁波的频率为f，该电磁波在空气中传播的波长λ为

A．v f   B．   C．   D．

4．如图2所示为氢原子能级图，氢原子从n＝3跃迁到n＝1能级时辐射出光子①，其能量为ε1；从n＝2跃迁到n＝1能级时辐射出光子②，其能量为ε2。下列说法正确的是

A．ε1 = ε2

B．ε1 > ε2

C．ε1 < ε2

D．无法确定

5．某空间存在匀强磁场和匀强电场。一个带电粒子（不计重力）以一定初速度射入该空间后，做匀速直线运动；若仅撤除电场，则该粒子做匀速圆周运动。下列因素与完成上述两类运动有关的是

A．粒子的质量 B．粒子的电量

C．粒子入射时的速度 D．粒子的电性

6．如图3所示，三块相同蹄形磁铁并列放置在水平桌面上，磁铁的N极在上、S极在下，固定不动。导体棒用图中a、b轻而柔软的细导线悬挂起来，它们与导体棒和电源构成回路（电源没有在图中画出），导线a接在直流电源的正极，导线b接在直流电源的负极，认为导体棒所在位置附近为匀强磁场。接通电源后，看到导体棒向右摆动；只改变电流方向，看到导体棒向左摆动。据本次实验操作的现象，下列说法正确的是

A．磁场越强，导体棒受到的安培力越大

B．电流越大，导体棒受到的安培力越大

C．电流的方向影响导体棒受到安培力的方向

D．磁场的方向影响导体棒受到安培力的方向

7．如图4所示，理想变压器的原线圈接入u＝2200sin100πt（V）的交变电压，副线圈对铭牌标识为“220V，1100W”的用电器RL供电，该用电器正常工作。下列说法正确的是

A．原、副线圈的匝数比为10∶1

B．交变电压的频率为100Hz

C．原线圈中电流的有效值为2A

D．变压器的输入功率为1100W

8．如图5所示，金属环A用轻绳悬挂，与长直螺线管共轴ooˊ，并位于其左侧，若变阻器滑片P向左移动，下列说法正确的是

A．金属环A将向左运动且有收缩趋势

B．金属环A将向右运动且有收缩趋势

C．金属环A将向左运动且有扩张趋势

D．金属环A将向右运动且有扩张趋势

9．如图6所示，一个正方形有界匀强磁场区域，边长为2L，磁场方向垂直纸面向里。一个矩形闭合导线框abcd，ab边长为L，cd边长为0.5L，该导线框沿纸面由位置1(左)匀速运动到位置2(右)。

A．导线框进入磁场时，感应电流方向为a→d→c→b→a

B．导线框进入和离开磁场时，c、d两点间电势差不变

C．导线框进入和离开磁场时，受到的安培力方向都水平向左

D．导线框进入磁场时，受到的安培力方向水平向左；离开磁场时，受到的安培力方向水平向右

10．磁流体发电是一项新兴技术。如图7所示，平行金属板之间有一个很强的磁场，将一束含有大量正、负带电粒子的等离子体，沿图中所示方向喷入磁场。图中虚线框部分相当于发电机。把两个极板与用电器相连，下列说法不正确的是

A．用电器中的电流方向从A到B

B．若只增大带电粒子电荷量，发电机的电动势增大

C．若只增强磁场，发电机的电动势增大

D．若只增大喷入粒子的速度，发电机的电动势增大

11．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图8所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙。两盒与一高频交流电源两极相接，放在磁感强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近A点。若粒子源射出α粒子，已知α粒子的质量为m，电荷量为q，D形盒的最大半径为R，下列说法正确的是                         

A．α粒子在磁场中做圆周运动的周期逐渐变大

B．α粒子被加速是从磁场中获得能量

C．α粒子从D形盒射出时的动能=

D．交流电源的频率为

12．如图9所示，天平可以用来测定磁感应强度，磁场方向垂直纸面（虚线围成的区域），天平的右臂下面挂有一个矩形线圈，共N 匝，线圈的下部悬在匀强磁场中，下底边长为L2，右侧边伸入磁场中的长为L1，线圈中通有电流I（方向如图）时，在天平左、右两边加上质量分别为m1、m2的砝码，天平平衡；当电流反向（大小不变）时，右边再加上质量为m的砝码后天平重新平衡，下列说法中正确的是

A．磁场的磁感应强度

B．磁场的磁感应强度

C．磁场的磁感应强度

D．磁场的磁感应强度

13．如图10所示电路为演示自感现象的实验电路。实验时，先闭合开关S，电路达到稳定后，设通过线圈L的电流为I1，通过小灯泡L2的电流为I2，小灯泡L1、L2均处于正常发光状态。以下说法正确的是            

A．S闭合瞬间，L2灯慢慢变亮，L1灯立即变亮

B．S闭合瞬间，L1灯慢慢变亮，L2灯立即变亮

C．S断开瞬间，流经小灯泡L2中的电流由I2逐渐减为零

D．S断开瞬间，流经小灯泡L2中的电流由I1逐渐减为零

14．图11甲、乙是交流发电机示意图，线圈ABCD在磁场中匀速转动。下列说法正确的是

A．图甲中穿过线圈的磁通量最大，电路中的感应电流最大

B．图乙中穿过线圈的磁通量为零，电路中的感应电流为零

C．图甲中穿过线圈的磁通量变化率为零，电路中的感应电流为零

D．图乙中穿过线圈的磁通量变化率最大，电路中的感应电流为零

第二部分  非选择题（共58分）

二、填空题（每小题2分，共10分）

15．小明用如图12甲所示的装置探究“影响感应电流的因素”，螺线管与灵敏电流计构成闭合电路，条形磁铁N极朝下。请回答下列问题：

（1）要想使电流计指针发生偏转，即有感应电流产生，小明进行了以下4种操作，其中可行的是    （选填选项前的字母）。

A．螺线管不动，磁铁匀速插入或拔出螺线管

B．螺线管不动，磁铁加速插入或拔出螺线管

C．螺线管不动，条形磁铁S极朝下，匀速插入或拔出螺线管

D．螺线管不动，条形磁铁S极朝下，加速插入或拔出螺线管

（2）在（1）的研究中，小明发现电流计指针偏转方向会有不同，也就是感应电流方向不同，根据（1）中的操作，则感应电流方向与下列哪些因素有关    （选填选项前的字母）。

A．磁铁的磁场方向   B．磁铁的磁性强弱

C．磁铁运动的方向   D．磁铁运动的速度大小

（3）小明又将实验装置改造，如图12乙所示，螺线管A经过滑动变阻器与开关、电池相连构成直流电路；螺线管B与灵敏电流计构成闭合电路。螺线管B套在螺线管A的外面。为了探究影响感应电流方向的因素，闭合开关后，以不同的速度移动滑动变阻器的滑片，观察指针摆动情况；由此实验可以得出恰当的结论是      （选填选项前的字母）。

A．螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动幅度大小

B．螺线管A的磁性变强或变弱影响指针摆动方向

C．螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动幅度大小

D．螺线管A的磁性强弱变化快慢影响指针摆动方向

（4）如图13所示，把一铜线圈水平固定在铁架台上，其两端连接在电流传感器上，能得到该铜线圈中的电流随时间变化的图线。利用该装置可探究条形磁铁在穿过铜线圈的过程中，产生的电磁感应现象。两次实验中分别得到了如图13甲、乙所示的电流随时间变化的图线（两次用同一条形磁铁，在距离铜线圈上端不同高度处，由静止沿铜线圈轴线竖直下落，始终保持直立姿态，且所受空气阻力可忽略不计）。根据此实验的操作，下列说法正确的是     （选填选项前的字母）。

A．条形磁铁的磁性越强，产生的感应电流峰值越大

B．条形磁铁距离铜线圈上端的高度越大，产生的感应电流峰值越大

C．铜线圈匝数越多，产生的感应电流峰值越大

D．铜线圈所围面积越大，产生的感应电流峰值越大

（5）实验装置如图14所示，线圈的两端与电压表相连。分别使线圈距离上管口5 cm、10 cm、15cm和20 cm。将强磁体从长玻璃管上端均由静止下落，其加速穿过线圈。对比这四次实验，当强磁体穿过线圈的极短时间内，下列说法正确的是      （选填选项前的字母）。

A．电压表的示数依次变大

B．线圈内磁通量的变化量相同

C．强磁体所受的磁场力都是先向上后向下

D．强磁体损失的机械能越大，产生的电压表示数越大

三、计算及论述题（本题共5小题，共48分）

解题要求：写出必要的文字说明、方程式和结果。有数字计算的题，结果必须明确写出数值和单位。

16．（8分）一个质量为 1.67×10-27kg、电荷量为 1.6×10-19 C 的带电粒子，以 5×105 m/s 的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场（g取10m/s2）。试解决下列问题：

（1）在此运动中能忽略粒子所受重力，请利用数据分析说明其原因；

（2）我们已经知道，垂直于匀强磁场磁感线的通电导线所受的安培力F=BIL，由此，我们用来定义磁感应强度。同样，运动方向垂直于匀强磁场磁感线的带电粒子所受的洛伦兹力F=qvB，若用它来定义磁感应强度，定义式是怎样的？把这个定义式与电场强度的定义式进行对比，这两个定义式差别在哪里？

17．（9分）如图15所示为质谱仪的原理图，由加速电场、速度选择器和偏转磁场组成。在选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场。偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场。一电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过加速电场后，进入粒子速度选择器，并能沿直线穿过速度选择器，从A点垂直直线MN进入偏转磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终达到照相底片的C点。已知加速电场的电势差为U、水平向右的匀强电场场强为E、偏转磁场的磁感应强度为B2，带电粒子的重力可忽略不计。求：

（1）粒子从加速电场射出时速度v的大小；

（2）粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向；

（3）带电粒子进入偏转磁场的A点到照相底片C点的距离L。

18．（9分）如图16甲所示，一个匝数n=10的圆形导体线圈，面积S=0.1 m2 ，电阻r=1 Ω。在线圈中存在垂直线圈平面向里的匀强磁场区域，磁感应强度B随时间t变化的关系如图16乙所示。有一个R=4 Ω的电阻，将其两端与图16甲中的圆形线圈相连接。在0~0.2s时间内，求：

（1）产生的感应电动势E的大小；

（2）电阻R两端的电压U的大小；

（3）通过电阻R的电荷量q的大小。

19．（10分）某学生选用匝数可调的可拆变压器（该变压器视为理想变压器），如图17甲所示，做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验时，保持原线圈匝数和电压不变，改变副线圈的匝数，可以研究副线圈匝数对输出电压的影响。完成下列问题：

（1）该变压器被视为理想变压器，请简要说出忽略了哪些因素的影响；

（2）设变压器原线圈的匝数为n1，感应电动势为E1，端电压为U1；副线圈的匝数为n2，感应电动势为E2，端电压为U2。请从法拉第电磁感应定律角度理论推导理想变压器线圈两端的电压与匝数的关系；

（3）如果用图像表示副线圈匝数对输出电压的影响，以U2为纵坐标，n2为横坐标，在图17乙中画出变压器的输出电压U2与匝数n2关系图像的示意图，并说明U2 - n2图像斜率的物理意义。

20．（12分）导体切割磁感线的运动可以从宏观和微观两个角度来认识。如图18所示，固定于水平面的U形导线框处于竖直向下的匀强磁场中，金属导体棒MN在与其垂直的水平恒力F作用下，在导线框上以速度v做匀速运动，速度v与恒力F方向相同；导体棒MN始终与导线框形成闭合电路。已知导体棒MN电阻为R，其长度L恰好等于平行轨道间距，磁场的磁感应强度为B。忽略摩擦阻力和导线框的电阻。完成下列问题：

（1）通过公式推导验证：在时间内，F对导体棒MN所做的功W等于电路获得的电能，也等于导体棒MN中产生的焦耳热Q ；

（2）某同学对此安培力的作用进行了分析，他认为：安培力的实质是形成电流的定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力，而洛伦兹力是不做功的，因此安培力也不做功。你认为他的观点是否正确，并说明理由。（假设电子在导体棒中定向移动可视为匀速运动，电子电荷量为e）

2021北京通州高二（上）期末物理

参考答案

一、单项选择题（本题共14小题。在每小题给出的四个选项中，只有一个选项是最符合题意的。每题3分，共42分）

二、填空题（共10分）

15. （1）ABCD（2分）  （2）AC（2分）  （3）BC（2分）  （4）B（2分）

（5）ABD（2分）

三、计算及论述题（本题共5小题，共48分）

解题要求：写出必要的文字说明、方程式和结果。有数字计算的题，结果必须明确写出数值和单位。

16.（8分）解：

（1）粒子所受的重力 G = mg= 1.67×10-27×10 N = 1.67×10-26 N

粒子所受的洛伦兹力 F= qvB = 1.60×10-19 × 5×105 × 0.2 N = 1.60×10-14 N

重力与洛伦兹力的比，洛伦兹力远大于重力，此时重力影响课忽略。（5分）

（2）。（1分）对于电场中的任一点，力F跟电荷量q的比值是恒量，由电场决定；对于磁场中的任一点，力F与磁场方向、运动电荷的速度方向有关，若只考虑运动方向垂直于磁场方向的情况时，力F跟电荷量q与速度v乘积的比值是恒量，由磁场决定。（2分）

17．（9分）解：

（1）根据动能定理有

                                       （2分）

所以          （1分）

（2）带电粒子以速度v进入相互垂直的电、磁场做直线运动，受到水平向右的电场力qE，水平向左的洛伦兹力qvB1，用左手定则可以判断磁场B1的方向垂直于纸面向外。（1分）

因为                                                （1分）

所以          （1分）

（3）粒子以速度v从A进入偏转磁场，受到洛伦兹力作用做匀速圆周运动，到达照相底片的C点，设圆运动的半径为R，洛伦兹力提供粒子圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律有         （1分）

所以   

         （2分）

18．（9分）解：

（1）由图象可知0-0.2 s内磁感应强度B的变化率为：T/s

平均感应电动势为：V=1V                （3分）

（2）电阻R两端的电压U为：=0.8V                          （3分）

（3）电路中的平均感应电流为：

=0.04C                                    （3分）

19.（10分）解：

（1）忽略变压器中的磁损、忽略原副线圈的电阻等因素。                     （2分）

（2）根据法拉第电磁感应定律可得，原线圈的电动势可表示为，副线圈的电动势可表示为。

在理想变压器中，忽略了漏磁，，故或者表示为

由于忽略原副线圈的电阻，E1=U1，E2=U2

由此可得                                              （4分）

（3）斜率是磁通量变化率。                                          （4分）

20．（12分）解：

（1）电动势                              

导线匀速运动，受力平衡         

在时间内，

外力F对导线做功          

电路获得的电能            

可见，F对导线MN所做的功等于电路获得的电能；

导线MN中产生的焦耳热        

可见，电路获得的电能等于导线MN中产生的焦耳热Q。 （6分）

（2）他的观点是错误的。 （1分）

因为在该过程中，安培力的方向与导体棒的运动方向相反，所以安培力做负功。

自由电子除了要沿导体棒定向移动，还要随导体棒向右运动，设电子沿导体棒定向移动的速度为u。电子随导体棒向右运动，受到洛伦兹力f1=evB，充当非静电力；电子沿导体棒运动，受到洛伦兹力f2=euB。

设△t时间内，

其中：W1= evB·u△t

      W2= -euB·v△t

因此，W1+ W2=0

f1做正功，宏观表现为“电动势”，使电路获得电能。

安培力在数值上等于大量自由电子所受f2的总和，安培力做的功也等于大量自由电子所受f2做功的总功，消耗机械能。洛伦兹力不做功，但两个分力做功，起到了“传递”能量的作用。（5分）

注:以上计算题，若用其他方法解答，评分标准雷同。