高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十三章 电磁感应与电磁波初步综合与测试同步测试题

单元素养评价(五)(第十三章)

(60分钟·60分)

一、选择题(本题共9小题,每小题3分,共27分)

1.如图所示,小磁针正上方的直导线与小磁针平行,当导线中有电流时,小磁针会发生偏转。首先观察到这个实验现象的物理学家和观察到的现象是

(　　)

A.物理学家伽利略,小磁针的N极垂直转向纸内

B.天文学家开普勒,小磁针的S极垂直转向纸内

C.大物理学家牛顿,小磁针静止不动

D.物理学家奥斯特,小磁针的N极垂直转向纸内

【解析】选D。发现电流周围存在磁场的科学家是奥斯特,根据安培定则可知该导线下方磁场方向垂直纸面向里,因此小磁针的N极垂直转向纸内,故只有D选项正确。

2.如图所示,两根垂直纸面的导线a、b中通有大小相等的电流,两导线旁有一点P,P点到a、b的距离相等。要使P点的磁场方向水平向右,则a、b中电流方向为              (　　)

A.都向外

B.都向里

C.a中电流向外,b中电流向里

D.a中电流向里,b中电流向外

【解析】选C。要使P点的磁场方向水平向右,则a、b两根通电导线分别在P点产生的磁场强弱和方向如图所示,根据安培定则可知,a中电流向外,b中电流向里,选项C正确。

3.我国拥有世界上最大的单口径射电望远镜,被称为“天眼”,如图所示。“天眼” “眼眶”所围圆面积为S,其所在处地磁场的磁感应强度大小为B,与“眼眶”平面平行、垂直的分量分别为B1、B2,则穿过“眼眶”的磁通量大小为

(　　)

A.0　  B.BS　  C.B1S  　D.B2S

【解析】选D。在匀强磁场中,“眼眶”与磁场B1平行,穿过的磁通量Φ=0,“眼眶”与磁场B2垂直,则穿过的磁通量Φ=B2S,故A、B、C错误,D正确;故选D。

【加固训练】

在磁感应强度大小为B的匀强磁场中,用一长为L的导线做成一闭合回路(导线两端相连),则穿过回路的磁通量最大值为 (　　)

A.　　B.　　C.　　D.πBL2

【解析】选A。用一长为L的导线做成圆面积最大,由L=2πR,S=πR2,解得S=,穿过回路的磁通量最大值为Φ=BS=,故A正确,B、C、D错误。故选A。

4.如图所示,电流从A点分两路通过对称的环形分路汇合于B点,在环形分路的中心O处的磁感应强度为 (　　)

A.垂直环形分路所在平面,且指向“纸内”

B.垂直环形分路所在平面,且指向“纸外”

C.在环形分路所在平面内指向B

D.零

【解析】选D。将环形分路分成上下两半研究,根据安培定则,上半圆电流在O点产生的磁场方向向里,下半圆电流在O点产生的磁场方向向外,由于电流大小相等,产生的两个磁感应强度大小相等,则O点的合磁感应强度为零。

5.在磁感应强度为B0、竖直向上的匀强磁场中,水平放置一根长通电直导线,电流的方向垂直纸面向里,如图所示,a、b、c、d是以直导线为圆心的同一圆周上的四点,在这四点中              (　　)

A.c、d两点的磁感应强度大小相等

B.a、b两点的磁感应强度大小相等

C.c点的磁感应强度的值最小

D.b点的磁感应强度的值最大

【解析】选C。在c点电流产生的磁场方向与B0反向,故合磁感应强度最小。在a点两者同向,合磁感应强度最大,在b、d两点,两者互相垂直,故合磁感应强度大小相等。因此只有C项正确。

6.关于电磁波及电磁波谱,下列说法正确的是 (　　)

A.雷达是用X光来测定物体位置的设备

B.医学检查中的拍片实际上是让患者接受一定剂量的γ射线照射

C.用红外线照射时,大额钞票上用荧光物质印刷的文字会发出可见光

D.变化的电场可以产生磁场

【解析】选D。雷达是用微波测定物体的位置的设备,选项A错误;拍片实际上是让患者接受一定剂量的X射线照射,故B错误;使钞票上的荧光物质发出可见光的是紫外线,选项C错误;根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场可以产生磁场,选项D正确。故选D。

7.磁场的磁感应强度B随时间t变化的四种情况如图所示,其中能产生电场的磁场和能产生持续电磁波的磁场分别为 (　　)

A.②③④、③④　　 B.①③④、③④

C.②③④、②④   D.①③④、②④

【解析】选C。根据麦克斯韦的电磁场理论,变化的磁场产生电场。故②③④都可以产生电场;周期性变化的磁场产生周期性变化的电场,周期性变化的电场产生周期性变化的磁场,从而产生电磁波,故只有②④可以产生电磁波。故选C。

8.以下宏观概念中,哪些是“量子化”的 (　　)

A.物体的质量   B.物体的动量

C.导体中的电流   D.东北虎的个数

【解析】选D。物体的质量或动量的数值可以取小数或分数,甚至取无理数也可以,因而是连续的,非量子化的,故A、B错误;导体中的电流的数值也可以取小数或分数,甚至取无理数也可以,因而是连续的,非量子化的,故C错误;东北虎的个数的数值只能取正整数,不能取分数或小数,因而是不连续的,是量子化的,故D正确。故选D。

9.光在真空中传播,每份光子的能量取决于光的 (　　)

A.振幅     B.强弱

C.频率     D.速度

【解析】选C。光在真空中传播,每份光子的能量取决于光的频率,频率越大,光子的能量越大;故选C。

二、实验题(5分)

10.为探究磁场产生电流的条件,做了下面实验,实验装置如图所示:

研究对象:线圈B和电流表构成的闭合回路

磁场提供:通电线圈A

请完成下面实验操作填写观察到的现象。偏转填A,不偏转填B。

表中五空分别为:__ ____;______;________;______;________。 

【解析】根据电路图及表中信息可知:断开开关,移动变阻器滑片,穿过副线圈的磁通量不变,不产生感应电流,则电流表指针不偏转。接通开关瞬时、接通开关,移动变阻器滑片,原线圈中电流变化,则穿过副线圈的磁通量变化,产生感应电流,电流表指针偏转。接通开关,变阻器滑片不移动,原线圈中的电流不变,穿过副线圈的磁通量不变,不产生感应电流,电流表指针不偏转。断开开关瞬间,穿过副线圈的磁通量减小,产生感应电流,电流表指针偏转。故表中五个空分别为:B;A;A;B;A。

答案:B　A　A　B　A

三、计算题(本题共3小题,共28分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)

11.(8分)边长l=10 cm的正方形线圈,固定在匀强磁场中,磁场方向与线圈平面垂直,如图所示。磁感应强度随时间变化的规律为B=2+3t(T),则第3 s内穿过线圈的磁通量的变化量ΔΦ为多少?

【解析】第3 s内就是从2 s末到3 s末,所以2 s末时磁感应强度为

B1=(2+3×2) T=8 T(2分)

3 s末时的磁感应强度为

B2=(2+3×3) T=11 T(3分)

所以ΔΦ=ΔBS=(11-8)×0.12 Wb=3×10-2 Wb。 (3分)

答案:3×10-2 Wb

【加固训练】

如图所示,正方形线圈abcO边长为0.8 m,匀强磁场沿x轴正向,B=0.2 T,线圈在图示位置绕Oz轴转过60°的过程中,穿过线圈的磁通量变化了多少?

【解析】由题意,初磁通量Φ1=BSsin0°=0

末磁通量

Φ2=BSsin60°=0.2×0.82× Wb=0.064 Wb≈0.11 Wb

所以ΔΦ=Φ2-Φ1=0.11 Wb。

答案:0.11 Wb

12.(10分)如图所示,将一根长为L=0.5 m的直导线垂直于磁感线方向放入水平匀强磁场中,当导线通过2 A的电流时,导线受到的磁场力为1.0×10-4 N。

(1)求匀强磁场的磁感应强度B的大小。

(2)若该导线中通以3 A的电流,试求此时导线所受磁场力的大小。

【解析】(1)直导线垂直于磁感线方向放入水平匀强磁场中,由B= (2分)

代入数据得:

B===1.0×10-4 T(3分)

故磁场的磁感应强度为1.0×10-4 T

(2)由B=可知在磁感应强度和导线长度一定时,磁场力与电流成正比,即= (3分)

代入数据得:F2=1.5×10-4 N(2分)

答案:(1)1.0×10-4 T　(2) 1.5×10-4 N

13.(10分)一盏灯发光功率为100 W,假设它发出的光向四周均匀辐射,光的平均波长为6.0×10-7 m。

求:在距电灯10 m远处,以电灯为球心的球面上,1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为多少?(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s)

【解析】设离灯10 m远处每平方米面积上灯照射的能量为E0,则有E0=; (2分)

设穿过的光子数为n,则有:nh=E0; (2分)

解得:n=, (3分)

代入数据,得:n=2.4×1017个。 (3分)

答案:2.4×1017个

(30分钟·40分)

14.(5分)(多选)两根通电的长直导线平行放置,电流分别为I1和I2,电流的方向如图所示,在与导线垂直的平面上有a、b、c、d四个点,其中a、b在导线横截面连线的延长线上,c、d在导线横截面连线的垂直平分线上。则导体中的电流在这四点产生的磁场的磁感应强度不可能为零的是              (　　)

A.a点    B.b点

C.c点    D.d点

【解析】选C、D。根据右手螺旋定则判断磁场方向。易知两电流在a点磁场的方向相反,若I1<I2,故在a点I1的磁感应强度大小可能等于I2的磁感应强度大小,则a点磁感应强度可能为0;两电流在b点的磁场方向相反,若I1>I2,而I2离b点近,则两电流在b点产生的磁感应强度可能大小相等,故b点磁感应强度可能为0;两电流在c点、d点的磁场方向不相反,故c、d两点的磁感应强度不可能为0。故本题选C、D。

15.(5分)(多选)如图所示,在匀强磁场中有两条平行的金属导轨,磁场方向与导轨平面垂直。导轨上有两条可沿导轨自由移动的金属棒ab、cd,与导轨接触良好。这两条金属棒ab、cd的运动速度分别是v1、v2,且“井”字形回路中有感应电流通过,则可能              (　　)

A.v1>v2    B.v1<v2

C.v1=v2    D.无法确定

【解析】选A、B。只要金属棒ab、cd的运动速度不相等,穿过“井”字形回路的磁通量就会发生变化,闭合回路中就会产生感应电流。故选项A、B正确。

16.(5分)(多选)如图所示,A为通电线圈,电流方向如图所示,B、C为与A在同一平面内的两同心圆,ΦB、ΦC分别为穿过两圆面的磁通量的大小,下述判断中正确的是              (　　)

A.穿过两圆面的磁通量方向是垂直纸面向外

B.穿过两圆面的磁通量方向是垂直纸面向里

C.ΦB>ΦC

D.ΦB<ΦC

【解析】选A、C。由安培定则判断,凡是垂直纸面向外的磁感线都集中在线圈内,因磁感线是闭合曲线,则必有相应条数的磁感线垂直纸面向里,这些磁感线分布在线圈外,所以B、C圆面都有垂直纸面向里和向外的磁感线穿过,垂直纸面向外的磁感线条数相同,垂直纸面向里的磁感线条数不同,B圆面的较少,C圆面的较多,但都比垂直向外的少,所以穿过B、C的磁通量方向应垂直纸面向外,且ΦB>ΦC。

17.(10分)为判断线圈绕向,可将灵敏电流计G与线圈L连接,如图所示。已知线圈由a端开始绕至b端,当电流从电流计G左端流入时,指针向左偏转。

(1)将磁铁N极向下从线圈上方竖直插入L时,发现指针向左偏转。俯视线圈,其绕向为____(选填“顺时针”或“逆时针”)。 

(2)当条形磁铁从图中的虚线位置向右远离L时,指针向右偏转。俯视线圈,其绕向为____(选填“顺时针”或“逆时针”)。 

【解析】(1)将磁铁N极向下从线圈上方竖直插入L时,发现指针向左偏转,说明L中电流从b到a。根据楞次定律,L中应该产生竖直向上的磁场。由安培定则可知,俯视线圈,电流为逆时针方向,线圈绕向为顺时针。

(2)当条形磁铁从图中的虚线位置向右远离L时,指针向右偏转,说明L中电流从a到b。根据楞次定律,L中应该产生竖直向上的磁场。由安培定则可知,俯视线圈,电流为逆时针方向,俯视线圈,其绕向为逆时针。

答案:(1)顺时针　(2)逆时针

18.(15分)如图,在磁感应强度大小为B0的匀强磁场中,两长直导线P和Q垂直于纸面固定放置,两者之间的距离为l。在两导线中均通有方向垂直于纸面向里的电流I时,纸面内与两导线距离均为l的a点处的磁感应强度为零。如果让P中的电流反向、其他条件不变,则a点处磁感应强度的大小为多少?方向如何?

【解析】导线P和Q中电流I均向里时,设其在a点产生的磁感应强度大小BP=BQ=B1,如图所示,则其夹角为60°(2分)

它们在a点的合磁场的磁感应强度平行于PQ向右、大小为B1 (2分)

又根据题意Ba=0,则B0=B1,且B0平行于PQ向左 (2分)

若P中电流反向,则BP反向、大小不变,BQ和BP大小不变,夹角为120°,合磁场的磁感应强度大小为B1′=B1(方向垂直PQ向上、与B0垂直) (3分)

a点合磁场的磁感应强度

B==B0 (3分)

设B与B0夹角为θ,如图所示:

则满足tanθ==即θ=30°, (2分)

故B的方向为与B0成30°角且斜向左上方。 (1分)

答案:B0　方向与B0成30°角且斜向左上方