浙江省杭州外国语学校2023-2024学年高二上学期期末物理试题（原卷版+解析版）

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一、选择题I（本题共13小题，每小题3分，共39分。每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，不选、多选、错选均不得分）
1. “神舟十三号”载人飞船于2021年10月16日凌晨成功发射，在轨运行6个月后于2022年4月16日返回地球。创造了中国载人航天任务的新纪录。在发射与回收过程中，地面测控站对飞船进行跟踪测量与控制时，传输信号所使用的是电磁波谱中的（ ）
A. 红外线B. 无线电波C. 紫外线D. X射线
【答案】B
【解析】
【详解】在发射与回收过程中，地面测控站对飞船进行跟踪测量与控制时，传输信号所使用的是电磁波谱中的无线电波。
故选B。
2. 如图所示，、、是水平固定在正三角形三个顶点的三条长直导线，三根导线均通有大小相等、方向相同的恒定电流，则导线所受安培力的情况是（ ）
A. 导线所受安培力的大小为零
B. 导线所受安培力的方向竖直向上
C. 撤掉导线后，导线所受安培力的方向不变
D. 撤掉导线后，导线所受安培力变小
【答案】D
【解析】
【分析】
【详解】AB．根据同向电流相互吸引，可知导线a所受两个对称的安培力，大小相等，方向分别指向导线b和导线c。故AB错误；
CD．撤掉导线c后，导线所受安培力指向导线b，由图可知其方向改变，大小变小。故C错误；D正确。
故选D。
3. 如图所示，一平板车停在光滑的水平面上，某同学站在小车上，若他设计下列操作方案，最终能使平板车持续地向右驶去的是（ ）
A. 该同学在图示位置用大锤连续敲打车的左端
B. 只要从平板车的一端走到另一端即可
C. 在车上装个电风扇，不停地向左吹风
D. 他站在车的右端将大锤丢到车的左端
【答案】C
【解析】
【分析】
【详解】A．把人和车看成整体，用大锤连续敲打车的左端，根据动量守恒定律可以知道，系统的总动量为零，车不会持续地向右驶去，故A错误；
B．人从平板车的一端走到另一端的过程中，系统水平方向不受外力，动量守恒，系统总动量为零，车不会持续地向右驶去，故B错误；
C．电风扇向左吹风，电风扇会受到一个向右的反作用力，从而使平板车持续地向右驶去，故C正确；
D．站在车的右端将大锤丢到车的左端的过程中，系统水平方向不受外力，动量守恒，系统总动量为零，车不会持续地向右驶去，故D错误。
故选C
4. 宇宙射线在射向地球时，由于地磁场的存在会改变其带电粒子的运动方向，从而对地球上的生物起到保护作用。如图所示为地磁场对宇宙射线作用的示意图，现有来自宇宙的一束电子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些电子在进入地磁场时将
A. 相对于原直线运动方向向东偏转
B. 相对于原直线运动方向向西偏转
C. 相对于原直线运动方向向南偏转
D. 相对于原直线运动方向向北偏转
【答案】B
【解析】
【详解】地球的磁场由南向北，当带负电的宇宙射线粒子垂直于地面向赤道射来时，根据左手定则可以判断粒子的受力的方向为向西，所以粒子将向西偏转
故选B。
5. 如图所示，一个粒子源发出很多种带电粒子，经速度选择器后仅有甲、乙、丙、丁四种粒子沿平行于纸面的水平直线穿过竖直挡板上的小孔，之后进入正方形虚线框内，虚线框内分布着垂直纸面向里的匀强磁场，四种粒子的运动轨迹如图所示，则关于速度选择器两极板间磁场方向和四种粒子的比荷大小说法正确的是（ ）
A. 垂直于纸面向里，甲的比荷最大
B. 垂直于纸面向里，丙的比荷最大
C. 垂直于纸面向外，丙的比荷最大
D. 垂直于纸面向外，丁的比荷最大
【答案】A
【解析】
【详解】由图可知甲、乙粒子向上偏转，根据左手定则可知甲、乙粒子带正电，所以甲、乙粒子在速度选择器中所受电场力向下，则所受洛伦兹力向上，所以速度选择器两极板间磁场方向垂直纸面向里；设粒子在磁场中运动的半径为R，根据牛顿第二定律有
解得
易知四种粒子的速度大小相同满足，所以R越小，比荷越大，所以甲的比荷最大。综上所述可知A正确。
故选A。
6. 匝数为N的矩形线框ABCD放在垂直纸面向里的磁场中，开始线框所在的平面与磁场方向垂直，如图所示，现以线框的AB边为轴使其在水平面内以恒定的加速度匀速转动，经测量可知此时线框的转动周期为T，线框中所产生的感应电动势的最大值为Em．下列选项中正确的是( )
A. 线框中所产生的感应电动势的有效值为
B. 线框在转动一周的过程中穿过线框磁通量的最大值为
C. 线框转动过程穿过每匝线框的磁通量变化率的最大值为
D. 线框转动一周的过程中电流方向始终不变
【答案】C
【解析】
【详解】A项：线框中所产生的感应电动势的有效值为，故A错误；
B项：当线框平面与磁场垂直时磁通量最大即为，解得：，故B错误；
C项：由公式，解得：，故C正确；
D项：线框转动一周的过程中电流方向改变两次，故D错误．
故应选：C．
7. 如图所示的区域内有垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度为，电阻为、半径为、圆心角为的扇形闭合导线框绕垂直于纸面的O轴以角速度ω匀速转动（O轴位于磁场边界），则线框内产生的感应电流的有效值为（ ）
A. B. C. D.
【答案】D
【解析】
【详解】交流电流的有效值是根据电流的热效应得出的，根据题意可知，线框转动周期为T，而线框转动一周只有的时间内有感应电流，则有
解得
故选D。
8. 如图所示是法拉第做成的世界上第一台发电机模型的原理图，将铜盘放在磁场中，让磁感线垂直穿过铜盘；图中a、b导线与铜盘的中轴线处在同一竖直平面内；转动铜盘，就可以使闭合电路获得电流.若图中铜盘半径为L，匀强磁场的磁感应强度为B，回路总电阻为R，从上往下看逆时针匀速转动铜盘的角速度为。则下列说法正确的是（ ）
A. 回路中有大小和方向周期性变化的电流
B. 回路中电流大小恒定，且
C. 回路中电流方向不变，且从a导线流进灯泡，再从b导线流向旋转的铜盘
D. 若将匀强磁场改为仍然垂直穿过铜盘的正弦变化的磁场，不转动铜盘，灯泡中一定有电流流过
【答案】B
【解析】
【详解】AB．由右手定则可知电流方向从圆盘边缘流向圆心，经b导线流进灯泡，再从a导线流向旋转的铜盘，由法拉第电磁感应定律可知电动势大小为
由闭合电路欧姆定律可知电流大小为
回路中电流大小和方向均无变化，故AC错误，B正确；
D．若将匀强磁场改为仍然垂直穿过铜盘的正弦变化的磁场，不转动铜盘，铜盘中产生涡旋电场，但a、b间无电势差，灯泡中没有电流流过，故D错误。
故选B。
9. 两个质量相等的小球在光滑水平面上沿同一直线同方向运动，A球的动量是7kg·m/s，B球的动量是5kg·m/s，A球追上B球时发生碰撞，则碰撞后A、B两球的动量可能值是（ ）
A. pA=6kg·m/s，pB=6kg·m/sB. pA=3kg·m/s，pB=9kg·m/s
C. pA=－2kg·m/s，pB=14kg·m/sD. pA=－5kg·m/s，pB=15kg·m/s
【答案】A
【解析】
【详解】碰撞前系统总动量
p=pA+pB=12kg⋅m/s
由题意，设mA=mB=m，碰前总动能为
Ek=
A．若pA=6kg⋅m/s，pB=6kg⋅m/s，系统动量守恒，碰撞后的总动能
2×=Ek
不可能；故B错误；
C．若pA=−2kg⋅m/s，pB=14kg⋅m/s，系统动量守恒，碰撞后的总动能
>Ek
不可能；故C错误；
D．若pA=−5kg⋅m/s，pB=15kg⋅m/s，总动量
pA+pB=10kg⋅m/s
系统的动量不守恒，不可能，故D错误；
故选A。
10. 在如图所示的电路中，L是直流电阻可以忽略的电感线圈，闭合开关S，电路稳定后突然断开开关S并开始计时，已知LC振荡电路的振荡周期为T，则在时间内（ ）
A. 电容器在放电B. 电场能转化为磁场能
C. A板所带的负电荷增加D. L产生的自感电动势减小
【答案】C
【解析】
【分析】本题考查振荡电路，目的是考查学生的推理论证能力。
【详解】ABC．电路稳定后，电容器被短路，带电荷量为0，断开开关，电感线圈与电容器构成回路，时间内电容器充电， A板带正电，时间内电容器放电，电场能转化为磁场能，时间内电容器反向充电，B板带正电，A板带负电。磁场能转化为电场能。故AB错误，C正确；
D．时间内，此过程中电流在不断减小，而电流的变化率增大，产生的自感电动势增大，故D错误。
故选C。
11. 如图所示，一定质量的导体棒ab横放在U形金属框架上。框架固定放在绝缘水平面上，框架粗糙，电阻不计且足够长，整个装置处于竖直向上的匀强磁场中。t=0时刻，垂直于ab导体棒施加水平恒力F，使ab从静止开始加速，作用一段时间后，撤掉外力F。下列导体棒ab速度随时间变化图像中可能正确的是（ ）
A. B.
C. D.
【答案】C
【解析】
详解】当开始时用恒力F拉导体棒时，由牛顿第二定律
则随着速度的增加，导体棒的加速度减小，即开始时导体棒做加速度减小的加速运动；撤去力F后，导体棒受安培力作用速度减小，则其加速度
则随着速度的减小，加速度逐渐减小，因v-t图像的斜率等于加速度，可知图像C可能正确。
故选C。
12. 如图所示，闭合导线框的质量可以忽略不计，将它从如图所示位置匀速向右拉出匀强磁场。若第一次用0.3s拉出，外力所做的功为W1，通过导线横截面的电荷量为q1；第二次用0.6s拉出，外力所做的功为W2，通过导线横截面的电荷量为q2，则（ ）
A. W1W2，q1>q2
【答案】C
【解析】
【详解】设线框的长为L1，宽为L2，速度为v。线框所受的安培力大小为
又
则得
线框匀速运动，外力与安培力平衡，则外力大小为
外力做功为
可见，外力做功与所用时间成反比，则有
两种情况下，线框拉出磁场时穿过线框的磁通量的变化量相等，根据感应电荷量公式
可知，通过导线截面的电量相等，即有
故ABD错误，C正确。
故选C。
13. 如图为某质谱仪的示意图，由竖直放置的速度选择器、偏转磁场构成。由三种不同粒子组成的粒子束以某速度沿竖直向下的方向射入速度选择器，该粒子束沿直线穿过底板上的小孔O进入偏转磁场，最终三种粒子分别打在底板MN上的、、三点，已知底板MN上下两侧的匀强磁场方向均垂直纸面向外，且磁感应强度的大小分别为、，速度选择器中匀强电场的电场强度的大小为E，不计粒子的重力以及它们之间的相互作用，则（ ）
A. 速度选择器中的电场方向向右，且三种粒子电性可正可负
B. 三种粒子从进入速度选择器到打在MN上速度都不变
C. 如果三种粒子的电荷量相等，则打在点的粒子质量最大
D. 如果三种粒子电荷量均为q，且、的间距为，则打在、两点的粒子质量差为
【答案】D
【解析】
【详解】A．带电粒子通过速度选择器时，需要二力平衡，故
且两力方向相反。根据带电粒子在偏转磁场中的偏转方向，由左手定则，可知三种粒子均带正电，故速度选择器中洛伦兹力方向为水平向左，可知电场方向向右。故A错误；
B．粒子在速度选择器中运动时速度保持不变，进入偏转磁场，洛伦兹力不做功，到打在MN上速度大小都不变，但方向均有变化。故B错误；
C．粒子在偏转磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有
解得
三种粒子的电荷量相等，半径与质量成正比，故打在P3点的粒子质量最大。故C错误；
D．打在P1、P3两点的粒子间距为
解得
故D正确。
故选D。
二、选择题II（本题共2小题，每小题3分，共6分。每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。全部选对的得3分，选对但不选全的得2分，有选错的得0分）
14. 考生入场时，监考老师要用金属探测器对考生进行安检后才允许其进入考场。探测器内有通电线圈，当探测器靠近任何金属材料物体时，就会引起探测器内线圈中电流变化，报警器就会发出警报；靠近非金属物体时则不发出警报。关于探测器工作原理，下列说法正确的是（ ）
A. 探测器利用的是静电感应现象
B. 探测器利用的是磁场对金属的吸引作用
C. 探测器利用发射和接收电磁波进行工作的
D. 当探测器靠近金属物体时，能在金属中形成涡流，进而引起线圈中电流的变化
【答案】D
【解析】
【详解】A．金属探测器利用的是电磁感应现象；故A错误；
B．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流；故B错误；
CD．探测过程中工作时，当探测器靠近金属物体时，能在金属中形成涡流，进而引起线圈中电流的变化；故C错误，D正确。
故选D。
15. 如图甲，在磁感应强度的匀强磁场中，两平行光滑金属导轨竖直放置，导体棒PQ向下运动的图像如图乙所示，导体棒受向上的拉力F，后撤去拉力F。两导轨间距离，电阻，导体棒的电阻、质量，导轨电阻不计。图乙中内的图线为直线，取，下列说法中正确的是（ ）
A. 时，导体棒所受拉力F为2.5N
B. 前4s内，通过电阻R的电荷量为40C
C. 导体棒可以达到的最大速度为40m/s
D. 整个过程中拉力F对棒的冲量大小为10N·s
【答案】CD
【解析】
【详解】A．0~4s内导体棒的加速度为
1s时金属棒速度为
导体棒切割产生的感应电动势为
根据闭合欧姆定律可知
根据牛顿第二定律
解得
故A错误；
B．根据
解得
所以
而
解得
故B错误；
C．导体棒到达最大速度时，满足
解得
故C正确；
D．在时间内，有
所以可知力F对导体棒的冲量为
解得
故D正确。
故选CD。
三、填空题（本大题共2小题，每空2分，共16分）
16. 某同学做“验证动量守恒定律”实验，实验装置如图甲所示，用天平称得入射小球A的质量，被碰小球B的质量，入射小球A与被碰小球B半径相同。
（1）实验中，直接测定小球碰撞前、后的速度是不容易的，但是可以通过仅测量______（填选项前的字母），间接地解决这个问题：
A. 小球开始释放高度h
B. 小球抛出点距地面的高度H
C. 小球做平抛运动的水平位移
D. 小球的直径
（2）多次释放A球后，取各落点位置的平均值，测得各落点痕迹到O点的距离：，，。若将小球的质量与水平位移的乘积作为“动量”，请将下面的表格填写完整。（结果保留三位有效数字）
根据上面表格中的数据，你认为能得到的结论是______；
（3）实验中，关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中正确的是______
A. 释放点越低，小球受阻力越小，入射小球速度越小，误差越小
B. 释放点越低，两球碰后水平位移越小，水平位移测量的相对误差越小，两球速度的测量越准确
C. 释放点越高，两球相碰时，相互作用的内力越大，碰撞前后动量之差越小，误差越小
D. 释放点越高，入射小球对被碰小球的作用力越大，轨道对被碰小球的阻力越小
（4）某实验小组在进行实验中，由于实验桌靠近竖直墙壁，导致小球飞出都撞击到竖直墙壁上，于是同学们把白纸固定在竖直墙壁上，再放上复印纸，并在白纸上标出小球放在槽口处球心的等高点O，然后重复前面的实验操作，如图乙所示，M、P、N分别为落点的痕迹，测得M、P、N分别与O之间的竖直距离、、，当满足关系式______时（用、和、、表示），即可证明入射小球A与被碰小球B碰撞过程中动量守恒。
【答案】（1）C （2） ①. 3.66×10-3 ②. 在实验误差允许范围内，可认为系统碰撞前后动量守恒
（3）C （4）
【解析】
【小问1详解】
小球离开轨道后做平抛运动，由于小球抛出点的高度相同，它们在空中的运动时间相等，则小球的水平位移与小球的初速度成正比，因此可以用小球的水平位移代替其初速度。
故选C。
【小问2详解】
[1]将小球的质量与水平位移的乘积作为“动量”，则碰后总动量为
[2]由分析可知，碰撞前后动量近似相等，则在实验误差允许范围内，可认为系统在碰撞前后的动量守恒；
【小问3详解】
A．释放点越低，入射小球速度越小，相撞时内力越小，小球受阻力不变，误差相对越大，故A错误；
B．释放点越低，两球碰后水平位移越小，水平位移测量的相对误差越大，两球速度的测量越不准确，故B错误；
C．释放点越高，碰前入射速度越大，两球相碰时相互作用的内力越大，阻力的影响相对越小，碰撞前后动量之差越小，同时也有利于减小水平位移的测量误差，从而使实验误差减小，故C正确；
D．释放点越高，入射小球对被碰小球的作用力越大，但轨道对被碰小球的阻力不变，故D错误。
故选C。
【小问4详解】
由题意可知，小球平抛运动的水平位移相同，且N点为未放B球时A球的落点，P点为放上B球后，A球碰后的落点，M点为B球碰后的落点，由平抛运动规律得
联立解得
若碰撞过程中动量守恒，则应满足
17. 某实验小组用可拆变压器探究“变压器电压与匝数的关系”，可拆变压器如图所示。
（1）以下给出的器材中，本实验需要用到的是______；
A．干电池B．学生电源
C．实验室用电压表D．多用电表
（2）关于本实验，下列说法正确的是______；
A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数
B．因为使用的电压较低，通电时可直接用手接触裸露的导线进行连接
C．实验时可以保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈电压的影响
D．变压器开始正常工作后，通过铁芯导电将电能从原线圈传递到副线圈
（3）为了减小能量传递过程中的损失，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。作为横挡的铁芯Q的硅钢片应按照下列哪种方法设计______。
A． B．
C．D．
【答案】 ①. BD ②. C ③. D
【解析】
【详解】（1）[1]实验中需要用学生电源的交流输出端；需要多用电表的交流挡；不需要干电池以及直流电压表。故选BD。
（2）[2]A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，选项A错误；
B．即使使用的电压较低，通电时也不可直接用手接触裸露的导线进行连接，况且这样无形之中，将人体并联电路中，导致所测数据不准确，选项B错误；
C．实验时可以保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈电压的影响，选项C正确；
D．变压器开始正常工作后，通过电磁感应将电能从原线圈传递到副线圈，选项D错误。
故选C。
（3）[3]为了减小涡流引起的热损，同时又为了防止磁漏，变压器的铁芯采用硅钢片叠加而成。作为横挡的铁芯Q的硅钢片应该与下面的硅钢片平行，故ABC错误，D正确。
四、计算题（本大题有4小题，9分+9分+12分+9分=39分，答题时要求写出公式和必要的分析过程）
18. 如图所示，相距为d、板间电压为U的平行金属板M、N间有垂直纸面向里、磁感应强度为B0的匀强磁场；在pOy区域内有垂直纸面向外磁感应强度为B的匀强磁场；pOx区域为无场区。一正离子沿平行于金属板、垂直磁场射入两板间并做匀速直线运动，从H（0，a）点垂直y轴进入第Ⅰ象限。
(1)求离子在平行金属板间的运动速度；
(2)若离子经Op上某点离开磁场，最后垂直x轴离开第Ⅰ象限，求离子在第Ⅰ象限磁场区域的运动时间；
(3)要使离子一定能打在x轴上，则离子的荷质比应满足什么条件？
【答案】(1)；(2)；(3)
【解析】
【分析】
【详解】(1)离子在平行板内匀速直线运动，因此有
又
解得离子在平行板内的速度为
(2)如图为离子在第I象限磁场区域内运动的轨迹图，由几何关系得，轨迹半径为
轨迹对应的圆心角为
运动周期为
运动时间为
(3)要使离子一定能打在x轴上，离子在磁场B中运动的最小半径如图所示，由几何关系
得
由
得
即必须小于。
19. 如图所示，一个小型旋转电枢式交流发电机，其矩形线圈的长度为a，宽度为b，共有n匝，总电阻为r．与线圈两端相接触的集流环上接有一个阻值为R的定值电阻．线圈以角速度ω在磁感应强度为B的匀强磁场中绕与磁场方向垂直的对称轴OO'匀速转动，沿转轴OO'方向看去，线圈转动方向沿顺时针．

(1)在图中画出线圈经过图示位置时通过电阻R上的感应电流的方向．
(2)从图示位置(线圈平面平行于磁场方向)开始计时，经多长时间，通过电阻R上的电流的瞬时值第一次为零．
(3)与电阻并联的交流电压表的示数是多少?
【答案】（1）自上而下（2）(3)
【解析】
【详解】（1）自上而下．
（2）线圈转动产生感应电流的周期为
从图示位置开始，过第一次出现的情况．
（3）线圈转动时产生感应电动势的最大值为
感应电流的最大值
电阻两端电压的最大值
交流电压表的示数为
【点睛】在交变电流形成过程中，学生能够掌握中性面的含义、正弦和余弦发生的条件，知道电压表测量的都是有效值而不是峰值、瞬时值，能够利用峰值求有效值
20. 如图所示，一个质量为m、电阻不计、足够长的光滑U形金属框架MNQP，位于光滑水平桌面上，分界线分别与平行导轨MN和PQ垂直，两导轨相距L。在的左右两侧存在着区域很大、方向分别为竖直向上和竖直向下的匀强磁场，磁感应强度的大小均为B。另有质量也为m的金属棒CD，垂直于MN放置在左侧导轨上，并用一根细线系在定点A。已知细线能承受的最大拉力为，CD棒接入导轨间的有效电阻为R。现从时刻开始对U形框架施加水平向右的拉力，使其从静止开始做加速度为a的匀加速直线运动。
（1）求框架从开始运动到细线断裂时速度的大小，以及所需的时间；
（2）求在细线尚未断裂的某一时刻t，水平拉力F的大小；
（3）若在细线断裂时，立即撤去拉力F，试说明框架与金属棒最后的运动状态，并求出此后回路产生的总焦耳热Q。
【答案】（1），；（2）；（3）均做匀速直线运动，速度大小相等，
【解析】
【详解】（1）绳子断裂时，对棒有
解得
根据
得
（2）在t时刻，框架的速度
框架切割磁场产生的电动势
框架受到的安培力
对框架有
得
（）
（3）撤去拉力F时，框架的速度
撤去拉力后，系统总动能的减少量等于回路消耗的电能，最终在回路中产生的焦耳热
当两物的速度变化到大小相等时，回路中的磁通量不再变化，电流为零，它们分别向左、向右做匀速运动。设最终速度大小为v，则有
得
21. 如图所示，光滑水平直轨道上有三个质量均为m的物块A、B、C，物块B的左侧固定一轻弹簧（弹簧左侧的挡板质量不计）。设A以速度向B运动，压缩弹簧；当A、B速度相等时，B与C恰好相碰并粘接在一起，然后继续运动。假设B和C碰撞过程时间极短。求从A开始压缩弹簧直至与弹簧分离的过程中：求：
（1）B、C粘在一起瞬间的速度大小。
（2）整个系统损失的机械能。
（3）弹簧被压缩到最短时的弹性势能。
【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
【详解】（1）当A、B速度相等时，对A、B与弹簧组成的系统，由动量守恒定律得
此时B与C发生完全非弹性碰撞，对B、C组成的系统，由动量守恒定律得
联立解得
（2）与C发生完全非弹性碰撞，对B、C组成的系统，由能量守恒定律得
损失的机械能为
（3）由（1）可知，A将继续压缩弹簧，直至A、B、C三者速度相同时，弹簧被压缩至最短，由动量守恒和能量守恒定律得
联立解得
‍‍OP/m
OM/m
ON/m
碰前总动量
碰后总动量
______