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2023届二轮复习专项分层特训 情境9 物理在科技中的应用（含答案）
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这是一份2023届二轮复习专项分层特训 情境9 物理在科技中的应用（含答案），共6页。试卷主要包含了[2022·广东深圳联考]等内容，欢迎下载使用。
1.[2022·广东深圳联考]
自动驾驶汽车依靠人工智能、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人操作的情况下，自动安全地操作机动车辆．某平直公路上一辆自动驾驶汽车正以v1＝40 km/h的速度匀速行驶，某时刻其右前方一小狗(可视为质点)以v2＝5 m/s的速度沿垂直车道方向匀速跑入公路，当汽车传感器探测到小狗时，小狗到汽车右侧所在直线的距离L1＝5 m，到汽车前沿所在直线的距离L2＝8 m，如图所示．已知汽车的车长d1＝5 m、车宽d2＝2 m，汽车加速时的加速度大小a1＝4 m/s2，刹车时的加速度大小a2＝5 m/s2.为了避免与小狗发生碰撞，汽车的自动驾驶系统该作出的正确判断是( )
A．汽车应保持原速通过
B．汽车应刹车减速
C．汽车应加速通过
D．不论汽车是加速还是刹车减速，均不能避免与小狗发生碰撞
2.智能手机带有光线传感器，可以自动调整亮度，光线传感器的工作原理是光电效应．普朗克常量为h，电子的电荷量为e，下面关于光电效应的说法正确的是( )
A．发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
B．在研究光电效应饱和电流时，由I＝neSv可知，光电管所加电压越大，电子获得的速度越大，饱和电流越大
C．入射光频率为ν时，某金属刚好发生光电效应现象，入射光频率变为3ν时，此时的遏止电压为 eq \f(2hν,e)
D．不改变光照强度，增大光的频率，饱和电流不变
3.[2022·江苏盐城二模](多选)如图甲所示，用强磁场将百万度高温的等离子体(等量的正离子和电子)约束在特定区域实现受控核聚变的装置叫托卡马克．多个磁场才能实现磁约束，其中之一叫纵向场，图乙为其横截面的示意图，越靠近管的右侧磁场越强．尽管等离子体在该截面上运动的曲率半径远小于管的截面半径，但如果只有纵向场，带电粒子还会逐步向管壁“漂移”，导致约束失败．不计粒子重力，下列说法正确的是( )
A．正离子在纵向场中沿逆时针方向运动
B．发生漂移是因为带电粒子的速度过大
C．正离子向左侧漂移，电子向右侧漂移
D．正离子向下侧漂移，电子向上侧漂移
4.[2022·哈尔滨五模](多选)超导磁悬浮列车是利用超导磁体使列车车体向上浮起，通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力的新型交通工具．其推进原理可以简化为如图所示的模型：在水平面上相距L的两根平行直导轨间，有等间距分布的垂直轨道平面的匀强磁场，磁感应强度大小分别为B1、B2，且B1＝B2＝B，每个磁场的宽都是L，相间排列，所有这些磁场都以速度v向右匀速运动．跨在两导轨间正方形金属框abcd(悬浮在导轨上方，边长为L)在磁场力作用下也将会运动．设金属框的总电阻为R，运动中所受到的阻力恒为f，则( )
A．金属框在磁场力作用下会向右运动
B．金属框ad边和bc边受到的磁场力大小相等，方向相反
C．金属框的最大速度vm＝ eq \f(4B2L2v－fR,4B2L2)
D．金属框的最大速度vm＝ eq \f(2B2L2v－fR,2B2L2)
5.[2022·山东济南5月模拟]在“天宫课堂”第二课上，航天员给我们展示了“科学实验重器”——“高微重力科学实验柜”．如图甲所示，当柜体受到一个干扰偏离原位置时，柜体通过喷气又慢慢回到了原位置．将该过程简化为如图乙所示的模型，物块静止在光滑水平面上的O点，左、右有两个喷气装置A和B，当给物块一个水平向左的初速度时，喷气装置A立即向左喷气，经过一段时间，装置A关闭，同时装置B向右喷气，直到物块回到出发点O且回到O点时速度为零，假设喷气装置A、B喷气过程中对物块的作用力大小相等且不变，方向始终在水平方向上，喷气对物块和喷气装置整体质量的影响忽略不计，则该过程中A、B喷气装置喷气的时间的比值等于( )
A．1 B．2
C． eq \r(5) D． eq \r(2) ＋1
6.“复兴号”动车在世界上首次实现时速350公里自动驾驶，成为我国高铁自主创新的又一标志性成果．如图所示，由8节车厢组成的动车组在平直的轨道上行驶，若该动车组每节车厢质量均为m，动车组有4节动力车厢，每节动力车厢发动机的额定功率均为P，且均以额定功率行驶，动车组所受的总阻力与其速率成正比(f＝kv，k为常量).
(1)只有两节动力车厢提供动力时，求动车组所能获得的最大速度．
(2)只有两节动力车厢提供动力，求速度为所能获得最大速度的 eq \f(\r(2),2) 时动车组的加速度大小．
(3)若四节动力车厢均提供动力，动车组从静止启动，经过时间t达到最大速度，求此过程动车组克服阻力做的功．
7.
我国实践二十号同步通信卫星首次采用了LIPS－300电推进系统，该技术将巨量化学燃料用特殊气体——“氙气”代替，通过将氙气电离，并在电场作用下产生高速离子流形成推力，其效率远远高于传统化学推进效率．离子推进器是太空飞行器常用的动力系统，图示为其简化原理图．横截面半径为R的圆柱体腔分为电离区Ⅰ和加速区Ⅱ，Ⅰ区用高速电子轰击氙气，使其电离获得初速度接近于零的一价正离子；正离子经Ⅱ区两侧面间的电场加速后发射出去，经时间t离子推进器射出的正离子数为n，发射功率恒为P.已知每个正离子的质量为m，元电荷为e，假设飞行器原来静止，质量恒为M.忽略离子的重力及离子间的相互作用．求：
(1)Ⅱ区两侧面间的电压U；
(2)经时间t后飞行器的速度大小u；
(3)0～t时间内飞行器获得的平均动力大小F.
情境9 物理在科技中的应用
1．解析：小狗垂直车道运动距离L1需要的时间t0＝ eq \f(L1,v2) ＝1 s，在此时间内，若汽车保持匀速运动，则通过的位移x1＝v1t0＝11.1 m，在L2和（L2＋d1）之间，小狗会撞到车上，选项A错误；在t0＝1 s时间内，若汽车刹车减速，则通过的位移x2＝v1t0－ eq \f(1,2) a2t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0)) ＝8.6 m，在L2和（L2＋d1）之间，小狗会撞到车上，选项B错误；在t0＝1 s时间内，若汽车做匀加速运动，则通过的位移x3＝v1t0＋ eq \f(1,2) a1t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0)) ＝13.1 m>L2＋d1，故汽车不会与小狗发生碰撞，选项C正确，D错误．
答案：C
2．解析：发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，选项A错误；在研究光电效应饱和电流时，光电管所加电压与饱和电流无关，饱和电流与光照强度有关，光照强度越大，饱和电流越大，选项B错误；频率增大，单个光子能量增加，在光照强度不变的情况下光子数量减少，单位时间内通过的电荷量减少，故饱和电流减小，选项D错误；入射光频率为ν时，某金属刚好发生光电效应现象，由光电效应规律可知W0＝hν，入射光频率变为3ν时，由爱因斯坦光电效应方程可得Ek＝3hν－W0，解得Ek＝2hν，由动能定理可得Ek＝eUc，解得此时的遏止电压为Uc＝ eq \f(2hν,e) ，选项C正确．
答案：C
3．解析：根据左手定则可判断出正离子在纵向场中沿逆时针方向运动，选项A正确；因为左、右两侧磁感应强度不一样，故粒子在左、右两侧磁场内做圆周运动的轨迹半径不同，所以发生漂移，选项B错误；根据qvB＝ eq \f(mv2,R) 得R＝ eq \f(mv,qB) ，因此B越大，R越小，所以粒子在右侧磁场中运动的轨迹半径小于在左侧磁场中运动的轨迹半径，结合左手定则可判断出正离子向下侧漂移，电子向上侧漂移，选项C错误，D正确．
答案：AD
4．解析：由右手定则可知，图示位置金属框中的感应电流方向为顺时针方向，由左手定则可知，bc边和ad边所受的安培力方向均向右，且大小相等，故金属框abcd在磁场力作用下会向右运动，选项A正确，B错误；金属框达到最大速度vm时，ad边和bc边各以相对磁场的速度（v－vm）切割磁感线运动，金属框中产生的感应电动势为E＝2BL（v－vm），电流为I＝ eq \f(E,R) ＝ eq \f(2BL（v－vm）,R) ，由于ad边和bc边均受到安培力，则合安培力为F合＝2BLI＝ eq \f(4B2L2（v－vm）,R) ，由平衡条件可知，金属框达到最大速度时受到的阻力与安培力大小相等，则有f＝F合，联立解得金属框的最大速度为vm＝ eq \f(4B2L2v－fR,4B2L2) ，选项C正确，D错误．
答案：AC
5．解析：设A、B喷气过程中对物块的作用力大小为F，喷气的时间分别为t1和t2，物块初速度大小为v，以水平向左为正方向，设A停止喷气时物块速度大小为v1，根据动量定理有－Ft1＝m（－v1）－mv，Ft2＝0－m（－v1），由运动学规律可得 eq \f(（－v1）＋v,2) t1＝－ eq \f(0＋（－v1）,2) t2，联立解得t1＝（ eq \r(2) ＋1）t2，故选D.
答案：D
6．解析：（1）只有两节动力车厢提供动力且速度达到最大时有2P＝f1v1m，且f1＝kv1m
解得动车组所能获得的最大速度为v1m＝ eq \r(\f(2P,k)) .
（2）速度为最大速度的 eq \f(\r(2),2) 时满足2P＝Fv，v＝ eq \f(\r(2),2) v1m，f＝kv
根据牛顿第二定律有F－f＝8ma
解得此时动车组的加速度大小为a＝ eq \f(\r(kP),8m) .
（3）四节动力车厢均提供动力，速度最大时有4P＝kv2m·v2m
根据动能定理有4Pt－W克＝ eq \f(1,2) ×8mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2m)) －0
解得此过程动车组克服阻力做的功为W克＝4Pt－ eq \f(16mP,k) .
7．解析：（1）一个正离子经电场加速后，根据动能定理有eU＝ eq \f(1,2) mv2－0，解得v＝ eq \r(\f(2eU,m)) ，离子推进器经时间t发射离子的能量为E＝Pt，E＝n· eq \f(1,2) mv2，解得U＝ eq \f(Pt,ne) .
（2）推进器工作过程中，系统受合外力为零，根据动量守恒定律有nmv－Mu＝0
解得u＝ eq \f(1,M) eq \r(2nmPt) .
（3）对飞行器，根据动量定理有Ft＝Mu－0，解得F＝ eq \r(\f(2nmP,t)) .
另解：对n个正离子，根据动量定理有F′t＝nmv－0
根据牛顿第三定律知F＝F′
解得F＝ eq \r(\f(2nmP,t)) .
1.[2022·广东深圳联考]
自动驾驶汽车依靠人工智能、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人操作的情况下，自动安全地操作机动车辆．某平直公路上一辆自动驾驶汽车正以v1＝40 km/h的速度匀速行驶，某时刻其右前方一小狗(可视为质点)以v2＝5 m/s的速度沿垂直车道方向匀速跑入公路，当汽车传感器探测到小狗时，小狗到汽车右侧所在直线的距离L1＝5 m，到汽车前沿所在直线的距离L2＝8 m，如图所示．已知汽车的车长d1＝5 m、车宽d2＝2 m，汽车加速时的加速度大小a1＝4 m/s2，刹车时的加速度大小a2＝5 m/s2.为了避免与小狗发生碰撞，汽车的自动驾驶系统该作出的正确判断是( )
A．汽车应保持原速通过
B．汽车应刹车减速
C．汽车应加速通过
D．不论汽车是加速还是刹车减速，均不能避免与小狗发生碰撞
2.智能手机带有光线传感器，可以自动调整亮度，光线传感器的工作原理是光电效应．普朗克常量为h，电子的电荷量为e，下面关于光电效应的说法正确的是( )
A．发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
B．在研究光电效应饱和电流时，由I＝neSv可知，光电管所加电压越大，电子获得的速度越大，饱和电流越大
C．入射光频率为ν时，某金属刚好发生光电效应现象，入射光频率变为3ν时，此时的遏止电压为 eq \f(2hν,e)
D．不改变光照强度，增大光的频率，饱和电流不变
3.[2022·江苏盐城二模](多选)如图甲所示，用强磁场将百万度高温的等离子体(等量的正离子和电子)约束在特定区域实现受控核聚变的装置叫托卡马克．多个磁场才能实现磁约束，其中之一叫纵向场，图乙为其横截面的示意图，越靠近管的右侧磁场越强．尽管等离子体在该截面上运动的曲率半径远小于管的截面半径，但如果只有纵向场，带电粒子还会逐步向管壁“漂移”，导致约束失败．不计粒子重力，下列说法正确的是( )
A．正离子在纵向场中沿逆时针方向运动
B．发生漂移是因为带电粒子的速度过大
C．正离子向左侧漂移，电子向右侧漂移
D．正离子向下侧漂移，电子向上侧漂移
4.[2022·哈尔滨五模](多选)超导磁悬浮列车是利用超导磁体使列车车体向上浮起，通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力的新型交通工具．其推进原理可以简化为如图所示的模型：在水平面上相距L的两根平行直导轨间，有等间距分布的垂直轨道平面的匀强磁场，磁感应强度大小分别为B1、B2，且B1＝B2＝B，每个磁场的宽都是L，相间排列，所有这些磁场都以速度v向右匀速运动．跨在两导轨间正方形金属框abcd(悬浮在导轨上方，边长为L)在磁场力作用下也将会运动．设金属框的总电阻为R，运动中所受到的阻力恒为f，则( )
A．金属框在磁场力作用下会向右运动
B．金属框ad边和bc边受到的磁场力大小相等，方向相反
C．金属框的最大速度vm＝ eq \f(4B2L2v－fR,4B2L2)
D．金属框的最大速度vm＝ eq \f(2B2L2v－fR,2B2L2)
5.[2022·山东济南5月模拟]在“天宫课堂”第二课上，航天员给我们展示了“科学实验重器”——“高微重力科学实验柜”．如图甲所示，当柜体受到一个干扰偏离原位置时，柜体通过喷气又慢慢回到了原位置．将该过程简化为如图乙所示的模型，物块静止在光滑水平面上的O点，左、右有两个喷气装置A和B，当给物块一个水平向左的初速度时，喷气装置A立即向左喷气，经过一段时间，装置A关闭，同时装置B向右喷气，直到物块回到出发点O且回到O点时速度为零，假设喷气装置A、B喷气过程中对物块的作用力大小相等且不变，方向始终在水平方向上，喷气对物块和喷气装置整体质量的影响忽略不计，则该过程中A、B喷气装置喷气的时间的比值等于( )
A．1 B．2
C． eq \r(5) D． eq \r(2) ＋1
6.“复兴号”动车在世界上首次实现时速350公里自动驾驶，成为我国高铁自主创新的又一标志性成果．如图所示，由8节车厢组成的动车组在平直的轨道上行驶，若该动车组每节车厢质量均为m，动车组有4节动力车厢，每节动力车厢发动机的额定功率均为P，且均以额定功率行驶，动车组所受的总阻力与其速率成正比(f＝kv，k为常量).
(1)只有两节动力车厢提供动力时，求动车组所能获得的最大速度．
(2)只有两节动力车厢提供动力，求速度为所能获得最大速度的 eq \f(\r(2),2) 时动车组的加速度大小．
(3)若四节动力车厢均提供动力，动车组从静止启动，经过时间t达到最大速度，求此过程动车组克服阻力做的功．
7.
我国实践二十号同步通信卫星首次采用了LIPS－300电推进系统，该技术将巨量化学燃料用特殊气体——“氙气”代替，通过将氙气电离，并在电场作用下产生高速离子流形成推力，其效率远远高于传统化学推进效率．离子推进器是太空飞行器常用的动力系统，图示为其简化原理图．横截面半径为R的圆柱体腔分为电离区Ⅰ和加速区Ⅱ，Ⅰ区用高速电子轰击氙气，使其电离获得初速度接近于零的一价正离子；正离子经Ⅱ区两侧面间的电场加速后发射出去，经时间t离子推进器射出的正离子数为n，发射功率恒为P.已知每个正离子的质量为m，元电荷为e，假设飞行器原来静止，质量恒为M.忽略离子的重力及离子间的相互作用．求：
(1)Ⅱ区两侧面间的电压U；
(2)经时间t后飞行器的速度大小u；
(3)0～t时间内飞行器获得的平均动力大小F.
情境9 物理在科技中的应用
1．解析：小狗垂直车道运动距离L1需要的时间t0＝ eq \f(L1,v2) ＝1 s，在此时间内，若汽车保持匀速运动，则通过的位移x1＝v1t0＝11.1 m，在L2和（L2＋d1）之间，小狗会撞到车上，选项A错误；在t0＝1 s时间内，若汽车刹车减速，则通过的位移x2＝v1t0－ eq \f(1,2) a2t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0)) ＝8.6 m，在L2和（L2＋d1）之间，小狗会撞到车上，选项B错误；在t0＝1 s时间内，若汽车做匀加速运动，则通过的位移x3＝v1t0＋ eq \f(1,2) a1t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0)) ＝13.1 m>L2＋d1，故汽车不会与小狗发生碰撞，选项C正确，D错误．
答案：C
2．解析：发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，选项A错误；在研究光电效应饱和电流时，光电管所加电压与饱和电流无关，饱和电流与光照强度有关，光照强度越大，饱和电流越大，选项B错误；频率增大，单个光子能量增加，在光照强度不变的情况下光子数量减少，单位时间内通过的电荷量减少，故饱和电流减小，选项D错误；入射光频率为ν时，某金属刚好发生光电效应现象，由光电效应规律可知W0＝hν，入射光频率变为3ν时，由爱因斯坦光电效应方程可得Ek＝3hν－W0，解得Ek＝2hν，由动能定理可得Ek＝eUc，解得此时的遏止电压为Uc＝ eq \f(2hν,e) ，选项C正确．
答案：C
3．解析：根据左手定则可判断出正离子在纵向场中沿逆时针方向运动，选项A正确；因为左、右两侧磁感应强度不一样，故粒子在左、右两侧磁场内做圆周运动的轨迹半径不同，所以发生漂移，选项B错误；根据qvB＝ eq \f(mv2,R) 得R＝ eq \f(mv,qB) ，因此B越大，R越小，所以粒子在右侧磁场中运动的轨迹半径小于在左侧磁场中运动的轨迹半径，结合左手定则可判断出正离子向下侧漂移，电子向上侧漂移，选项C错误，D正确．
答案：AD
4．解析：由右手定则可知，图示位置金属框中的感应电流方向为顺时针方向，由左手定则可知，bc边和ad边所受的安培力方向均向右，且大小相等，故金属框abcd在磁场力作用下会向右运动，选项A正确，B错误；金属框达到最大速度vm时，ad边和bc边各以相对磁场的速度（v－vm）切割磁感线运动，金属框中产生的感应电动势为E＝2BL（v－vm），电流为I＝ eq \f(E,R) ＝ eq \f(2BL（v－vm）,R) ，由于ad边和bc边均受到安培力，则合安培力为F合＝2BLI＝ eq \f(4B2L2（v－vm）,R) ，由平衡条件可知，金属框达到最大速度时受到的阻力与安培力大小相等，则有f＝F合，联立解得金属框的最大速度为vm＝ eq \f(4B2L2v－fR,4B2L2) ，选项C正确，D错误．
答案：AC
5．解析：设A、B喷气过程中对物块的作用力大小为F，喷气的时间分别为t1和t2，物块初速度大小为v，以水平向左为正方向，设A停止喷气时物块速度大小为v1，根据动量定理有－Ft1＝m（－v1）－mv，Ft2＝0－m（－v1），由运动学规律可得 eq \f(（－v1）＋v,2) t1＝－ eq \f(0＋（－v1）,2) t2，联立解得t1＝（ eq \r(2) ＋1）t2，故选D.
答案：D
6．解析：（1）只有两节动力车厢提供动力且速度达到最大时有2P＝f1v1m，且f1＝kv1m
解得动车组所能获得的最大速度为v1m＝ eq \r(\f(2P,k)) .
（2）速度为最大速度的 eq \f(\r(2),2) 时满足2P＝Fv，v＝ eq \f(\r(2),2) v1m，f＝kv
根据牛顿第二定律有F－f＝8ma
解得此时动车组的加速度大小为a＝ eq \f(\r(kP),8m) .
（3）四节动力车厢均提供动力，速度最大时有4P＝kv2m·v2m
根据动能定理有4Pt－W克＝ eq \f(1,2) ×8mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2m)) －0
解得此过程动车组克服阻力做的功为W克＝4Pt－ eq \f(16mP,k) .
7．解析：（1）一个正离子经电场加速后，根据动能定理有eU＝ eq \f(1,2) mv2－0，解得v＝ eq \r(\f(2eU,m)) ，离子推进器经时间t发射离子的能量为E＝Pt，E＝n· eq \f(1,2) mv2，解得U＝ eq \f(Pt,ne) .
（2）推进器工作过程中，系统受合外力为零，根据动量守恒定律有nmv－Mu＝0
解得u＝ eq \f(1,M) eq \r(2nmPt) .
（3）对飞行器，根据动量定理有Ft＝Mu－0，解得F＝ eq \r(\f(2nmP,t)) .
另解：对n个正离子，根据动量定理有F′t＝nmv－0
根据牛顿第三定律知F＝F′
解得F＝ eq \r(\f(2nmP,t)) .
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