专题30力电综合问题备战2020高考物理2019届期末和一模好题分项版汇编教师版

1专题30力电综合问题2019年高三期末、一模物理试题分项解析一．选择题1．如图甲所示，两根相距L=0.5m且足够长的固定金属直角导轨，一部分水平，另一部分竖直．质量均为m=0.5kg的金属细杆ab、cd始终与导轨垂直且接触良好形成闭合回路，水平导轨与ab杆之间的动摩擦因数为μ，竖直导轨光滑．ab与cd之间用一根足够长的绝缘细线跨过定滑轮相连，每根杆的电阻均为R=1Ω，其他电阻不计．整个装置处于竖直向上的匀强磁场中，现用一平行于水平导轨的恒定拉力F作用于ab杆，使之从静止开始向右运动，ab杆最终将做匀速运动，且在运动过程中，cd杆始终在竖直导轨上运动．当改变拉力F的大小时，ab杆相对应的匀速运动的速度v大小也随之改变，F与v的关系图线如图乙所示．不计细线与滑轮之间的摩擦和空气阻力，g取10m/s2．（）A.ab杆与水平导轨之间的动摩擦因数μ=0.4B.磁场的磁感应强度B=4TC.若ab杆在F=9N的恒力作用下从静止开始向右运动8m时达到匀速状态，则在这一过程中流过cd杆的电量q=4CD.若ab杆在F=9N的恒力作用下从静止开始向右运动8m时达到匀速状态，则在这一过程中ab杆产生的焦耳热为8J【参考答案】A,C2对cd杆，有：T=mg…⑤联立③④⑤解得：F=+（μ+1）mg…⑥【方法归纳】当导体棒ab匀速向右运动时，切割磁感线（cd运动时不切割磁感线），在回路中产生感应电流，从而使导体棒ab受到水平向左的安培力．导体棒cd受到水平向右的安培力，使导体棒和轨道之间产生弹力，从而使cd受到向上的摩擦力，把力分析清楚，然后根据受力平衡求解．从静止开始向右运动8m时达到匀速状态，运用能量守恒定律列式求解．二．计算题1.（2019浙江质检）真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极丝构成，如图（a）所示是半圆柱面阴极式光电管，阴极材料的逸出功为W，阳极与阴极同轴放置，当频率为v的入射光穿过光窗照到阴极上时，由于光电效应，逸出的电子在电场作用下做加速运动，最后被高电位阳极接收，形成光电流。不计电子重力及电子之间的相互作用。已知元电荷为e，电子质量为m，普朗克常量为h。（1）给光电管两极加上电压U，求阴极表面逸出的电子的最大初速度vm和到达阳极的电子的最大动能。（2）图（b）是小明画出的光电管横截面示意图。他撤去光电管两极的电压，在半径为R的半圆平面内加一垂直截面向外的匀强磁场，只考虑电子在截面内的运动。3（Ⅰ）研究发现，要使电子能运动到阳极处，逸出时的速度必须大于，求所加磁场的磁感应强度B值（Ⅱ）进一步研究表明，阴阳两极没有同轴会造成到达阳极的光电子数目不同，小明拿到一个“次品”，其阳极比正常圆心位置向右偏离了，假设光电子从阴极表面均匀逸出，且只考虑速度为vm的光电子，则此情况下到达阳极的光电子数是正常情况的百分之几？（可能用到的三角函数sin37=3/5，sin39≈5/8）（2）（I）由题意可知，当速度v1=恰好到达阳极时，光电子的运动半径为r1=R/2，由洛伦兹力等于向心力，ev1B=m211vr解得：B=11mver将相关数值表达式代入得：B=524mhWeR。4（II）速度为vm时运动半径r2=mmveB=4R/5，正常时，如图考虑左侧运动轨迹与磁场边界相切的临界情况，sinα=20.5Rr=5/8，解得α=39°。故半圆形阴极中圆心角180°-α=141°圆弧都有速度为vm的光电子到达阳极。当阳极A向右平移R/5到A’后，同样考虑右侧运动轨迹与磁场边界相切的临界情况，轨迹如图所示。此时轨迹所对圆心角为2β，根据几何知识可知，∠AA’K=β，设∠A’AK=θ，对△A’AK，利用正弦定理得22sin=sinsinrR运用余弦定理得22222sin2cos55RRrRR，解得cosθ=-3/5，故半圆形阴极中圆心角θ=127°所对圆弧都有速度为vm的光电子到达阳极。此情况下跟正常情况相比到达阳极的光电子数之比为127141=90%.2.（2019浙江杭州八中质检）涡流制动是一种利用电磁感应原理工作的新型制动方式，它的基本原理如图甲所示．水平面上固定一块铝板，当一竖直方向的条形磁铁在铝板上方几毫米高度上水平经过时，铝板内感应出的涡流会对磁铁的运动产生阻碍作用．涡流制动是磁悬浮列车在高速运行时进行制动的一种方式．某研究所制成如图乙所示的车和轨道模型来定量模拟磁悬浮列车的涡流制动过程．车厢下端安装有电磁铁系统，能在长为L1=0.6m，宽L2=0.2m的矩形区域内产生竖直方向的匀强磁场，磁感应强度可随车速的减小而自动增大（由车内速度传感器控制），但最大不超过B1=2T，将铝板简化为长大于L1，宽也为L2的单匝矩5形线圈，间隔铺设在轨道正中央，其间隔也为L2，每个线圈的电阻为R1=0.1Ω，导线粗细忽略不计．在某次实验中，模型车速度为v=20m/s时，启动电磁铁系统开始制动，车立即以加速度a1=2m/s2做匀减速直线运动，当磁感应强度增加到B1时就保持不变，直到模型车停止运动．已知模型车的总质量为m1=36kg，空气阻力不计．不考虑磁感应强度的变化引起的电磁感应现象以及线圈激发的磁场对电磁铁产生磁场的影响．（1）电磁铁的磁感应强度达到最大时，模型车的速度为多大？（2）模型车的制动距离为多大？（3）为了节约能源，将电磁铁换成若干个并在一起的永磁铁组，两个相邻的磁铁磁极的极性相反，且将线圈改为连续铺放，如图丙所示，已知模型车质量减为m2=20kg，永磁铁激发的磁感应强度恒为B2=0.1T，每个线圈匝数为N=10，电阻为R2=1Ω，相邻线圈紧密接触但彼此绝缘．模型车仍以v=20m/s的初速度开始减速，为保证制动距离不大于80m，至少安装几个永磁铁？⑦对速度v1后模型车的减速过程用动量定理得⑧⑨x=x1+x2⑩由⑥⑦⑧⑨⑩并代入数据得x=106.25m（11）……3分6（3）假设需要n个永磁铁当模型车的速度为v时，每个线圈中产生的感应电动势为E2=2NB2L1v（12）每个线圈中的感应电流为I2=E2R2每个磁铁受到的阻力为F2=2NB2I2L1（13）n个磁铁受到的阻力为F合=2nNB2I2L1（14）由第（2）问同理可得n4N2B22L12vR2x=m2v（15）由（11）（15）并代入已知得n=3.47即至少需要4个永磁铁．3．（2019山西临汾模拟）容器A中装有大量的质量、电荷量不同但均带正电的粒子，粒子从容器下方的小孔S1不断飘入加速电场(初速度可视为零)做直线运动，通过小孔S2后从两平行板中央沿垂直电场方向射入偏转电场。粒子通过平行板后沿垂直磁场方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场区域，最后打在感光片上，如图所示。已知加速电场中S1、S2间的加速电压为U，偏转电场极板长为L，两板间距也为L，板间匀强电场强度2UEL，方向水平向左(忽略板间外的电场)，平行板f的下端与磁场边界ab相交于点P，在边界ab上实线处固定放置感光片。测得从容器A中逸出的所有粒子均打在感光片P、Q之间，且Q距P的长度为3L，不考虑粒子所受重力与粒子间的相互作用，求：(1)粒子射入磁场时，其速度方向与边界ab间的夹角；(2)射到感光片Q处的粒子的比荷(电荷量q与质量m之比)；(3)粒子在磁场中运动的最短时间。7(2)粒子从e板下端与水平方向成45°的角射入匀强磁场。设质量为m、电量为q的粒子射入磁场时的速度为v，做圆周运动的轨道半径为r，由速度合成知：220042xqUvvvvm粒子进入磁场后偏转270°，由几何关系可知：r2＋r2＝(4L)2，所以有：22rL又因为mvrqB联解以上三式得：222qUmLB4.（2019杭州八中质检）南海上有一浮桶式波浪发电灯塔，其原理示意如图甲。浮桶（轻密度绝缘材料制成）内的磁体通过支柱固定在暗礁上，浮桶内置线圈随周期T=3s的波浪相对磁体沿竖直方向运动，且始终处于磁场中，该线圈与阻值R=15Ω的灯泡相连。如图乙所示，浮桶下部由内、外两密封圆筒构成，其截面积S=0.2m2（图乙中斜线阴影部分），其内为产生磁场的磁体，与浮桶内侧面的缝隙忽略不计；匝数N=200的线圈所在处辐向磁场的磁感应强度B=0.2T，线圈直径D=0.4m，电阻r=1Ω。假设浮桶随波浪上下运动可8视为受迫振动，浮桶振动的速度可表示为v=0.42sin()3tm/s，取重力加速度g=10m/s2，π2≈10。（1）图甲中，当浮桶从上向下运动通过平衡位置时，判断流过灯泡的电流方向（向左或向右），并计算此时的电流大小；（2）画出电流i随时间t的变化图像，并求线圈在1小时内产生的焦耳热；（3）已知浮桶与线圈总质量为450kg，它们在运动过程中受到安培力与其他力的共同作用，试求0到0.75s时间内其他力的冲量。（本题线圈中产生的交变电流与同匝数线圈在匀强磁场中以周期T=3s匀速转动产生的交变电流等效，如图丙所示）。（2）产生的感应电动势随时间变化关系e=NBLv=642sin()3tV电流随时间的变化关系24sin()3eitRrA（1分）i-t图像如图所示（1分）9电流的有效值为222ii最大有效A线圈1小时内电流产生的焦耳热2Qirt=28800J（2）浮筒与线圈在安培力及其他力的共同冲量作用下，动量发生改变根据动量定理-II其他力安培力=△pI安培力=NBIL△t，交变电流与同匝数线圈在匀强磁场中以T=3s匀速转动产生的交变电流等效，则有对比maxmaxNBLvE和NBSEmax可得Sω=S`2T=Lvmax，解得S=0.24πm2，在0.75s即四分之一周期内，产生的感应电动势平均值E=Nt=NBSt产生的平均电流I=E/（R+r）通过线圈的电量q=I△t=NBSRr=0.6πC，△p=Mvmax，联立解得I其他力=（180π+96）N·s5（2019山西吕梁期末）如图甲，两条足够长、间距为d的平行光滑金属直轨道MN、PQ与水平面成θ角，EF上方存在垂直导轨平面的如图乙所示的磁场，磁感应强度在0-T时间内按余弦规律变化（周期为T、最大值为B0），T时刻后稳定为B0．t=0时刻，正方形金属框ABCD在平行导轨向上的恒定外力作用下静止于导轨上。T时刻撤去外力，框将沿导轨下滑，金属框在CD边、AB边经过EF时的速度分别为v1和v2．已知金属框质量为m、边长为d、每条边电阻为R，框中磁场按余弦规律变化时产生的正弦式交变电流的峰值，求：（1）CD边刚过EF时，A、B两点间的电势差；（2）撤去外力到AB边经过EF的总时间；（3）从0时刻到AB边经过EF的过程中产生的焦耳热。10【参考答案】（1）（2）（3）【名师解析】（1）、由楞次定律知A点电势低于B点，故、即（2）mgtsinθ-B0dq=mv2-mv0故：6.北京奥运场馆的建设体现了“绿色奥运”的理念．作为北京奥运会主场馆之一的国家体育馆“鸟巢”拥有9.1万个座位，其扇型屋面和大面积的玻璃幕墙不仅给人以赏心悦目之感，还隐藏着一座年发电量约为98550kW•h时的太阳能光伏发电系统，供给体育馆内的照明灯等使用．假如该发电系统的输出功率为1×105W．（1）按平均每天太阳照射6h计，该发电系统一年（365天计）能输出多少电能？（2）假若发电系统的输出电压为250V，现准备向远处输电．所用输电线的总电阻为R线=8Ω，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%．求应选用匝数比多大的升压变压器．【参考答案】（1）7.884×1011J（2）1/16【名师解析】（1）一年光照时间换算成小时为：t=365×6hE=Pt=1.0×105×365×6×3600J=7.884×1011J（1）当输电线上损失的电功率为输送电功率的5%时，输电线中的11电流为I2，根据题意知：0.05P=，解得I2==25A由P=U′I2得升压比为：【方法归纳】（1）根据输出功率和时间，通过E=Pt求出输出电能．（2）根据输入功率和输入电压，求出输入电流，根据损耗的功率，通过P=I2R求出输电线上的电流，