陕西省西安铁一中学2023-2024学年高二上学期期末考试物理试题

这是一份陕西省西安铁一中学2023-2024学年高二上学期期末考试物理试题，共20页。试卷主要包含了单项选择题，多项选择题，实验题，解答题等内容，欢迎下载使用。

时间：75分钟 满分：100分
一、单项选择题（本题共7题，每小题4分，共28分。每小题只有一个选项符合题目要求）
1. 下列四组物理量中均为标量的是（ ）
A. 电势、电场强度B. 磁通量、电势能C. 动量、动能D. 速度、加速度
【答案】B
【解析】
【详解】A．电势只有大小没有方向，是标量；电场强度既有大小又有方向，是矢量，故A错误；
B．磁通量、电势能只有大小没有方向，是标量，故B正确；
C．动量既有大小又有方向，是矢量；动能只有大小没有方向，是标量，故C错误；
D．速度和加速度都是既有大小又有方向的物理量，是矢量，故D错误。
故选B。
2. 如图，来自太阳和其他星体宇宙射线含有大量高能粒子，幸好由于地磁场的存在改变了这些带电粒子的运动方向，使很多带电粒子不能到达地面，避免了其对地面生命的危害。已知西安上空某处由南指向北的磁感应强度约为，如果有一速率、电量为的正电荷竖直向下运动穿过此处的地磁场，则该正电荷受到的洛伦兹力约为（ ）
A. 9.6×10-18N 向东B. 9.6×10-18N 向西
C. 9.6×10-16N 向北D. 9.6×10-16N 向南
【答案】A
【解析】
【详解】根据洛伦兹力的表达式可知
根据左手定则可知洛伦兹力由西向东。
故选A。
3. 利用如图所示装置探究匀强磁场中影响通电导线受力的因素，导线垂直匀强磁场方向放置。先保持导线通电部分的长度L不变，改变电流I的大小，然后保持电流I不变，改变导线通电部分的长度L，得到导线受到的安培力F分别与I和L的关系图象，则正确的是（ ）
A. B.
C. D.
【答案】B
【解析】
【详解】根据
F = BIL
可知先保持导线通电部分的长度L不变，改变电流I的大小，则F—I图象是过原点的直线。同理保持电流I不变，改变通过电部分的长度L，则F-L图象是过原点的直线。
故选B。
4. “场离子显微镜”的金属钨针尖处于球形真空玻璃泡的球心O，玻璃泡内壁有一层均匀导电膜：在钨针和导电膜间加上高电压后，玻璃泡上半部分的电场可视为位于O点处点电荷形成的电场，如图所示。a、b、c、d、O为同一平面上的5个点，abc是一段以O为圆心的圆弧，d为Ob的中点。设a、d两点场强大小分别为、，O、a、c、d四点电势分别为、、、。则下列说法正确的是（ ）
A. 、
B. 、
C. 、
D. 、
【答案】D
【解析】
【详解】AB．电场线的疏密表示场强的大小，则
玻璃泡上半部分的电场可视为位于O点处点电荷形成的电场，则根据点电荷形成的电场的电势分布可知
沿着电场线方向电势逐渐降低，可知
故AB错误；
CD．越靠近O场强越强，则d部分的场强均大于db部分的场强，则根据U=Ed，结合微元法可定性判别出
则
故C错误，D正确。
故选D。
5. 阻值相等的甲、乙两电阻分别接到图（a）和（b）所示的方波交变电压、正弦式交变电压电路中，两种电压的周期和峰值都相等，则甲、乙两电阻的电功率之比为（ ）
A. 1∶1B. 2∶1C. 1D. 2
【答案】B
【解析】
【详解】图a中电压有效值为U0；图b中电压有效值为，则根据
可知，两电阻的电功率之比
故选B。
6. 某兴趣小组利用如图所示的装置给小灯泡供电。矩形闭合导线框abcd处于磁感应强度大小为B的水平匀强磁场中，不计线框电阻。线框绕垂直于磁场的轴以角速度匀速转动，并通过变压器给小灯泡供电。下列说法正确的是（ ）
A. 图示位置穿过线框的磁通量为零
B. 图示位置线框产生的感应电动势为最大
C. 使用变压器的目的是提高输出功率
D. 若灯泡变暗，可通过稍微减小原线圈匝数来提高灯泡亮度
【答案】D
【解析】
【详解】AB．由图可知，此时线圈和磁场垂直，线框的磁通量最大，感应电动势为0，故AB错误；
C．变压器只是改变电压和电流，不改变功率和频率，故C错误；
D．若灯泡变暗，要使灯泡变亮，需增加灯泡两端电压，根据
要使输出电压变大，可通过稍微减小原线圈匝数，故D正确。
故选D。
7. 如图，水平面内有一光滑金属导轨，其MN、PQ边的电阻不计，MP边的电阻阻值R=1.5Ω，MN与MP的夹角为135°，PQ与MP垂直，MP边长度小于1m，将质量m=2kg，电阻不计的足够长直导体棒搁在导轨上，并与MP平行，棒与MN、PQ交点G、H间的距离L=4m，空间存在垂直于导轨平面的匀强磁场，磁感应强度B=0.5T，在外力作用下，棒由GH处以一定的初速度v向左做直线运动，运动时回路的电流强度始终与初始时的电流强度相等，下列说法正确的是（ ）
A. 若v=3m/s，则棒向左移动距离2m到达EF处所受的安培力大小FA=8N
B. 若v=3m/s，则棒向左移动距离2m到达EF所需时间Δt=1s
C. 若棒由GH处向左移动2m到达EF处过程中，外力做功W=7J，则初速度v=1m/s
D. 若棒由GH处向左移动2m到达EF处的过程中，外力做功W=7J，则初速度v=1.5m/s
【答案】C
【解析】
【详解】A．根据法拉第电磁感应定律，有
又
棒向左移动距离2m到达EF处，由几何关系可得EF的长度为
根据安培力表达式，可得
联立，可得
故A错误；
B．棒向左移动距离2m到达EF处，磁通量变化为
依题意，运动时回路中的电流始终与初始时的电流相等，即感应电动势不变
又
联立，可得
故B错误；
CD．设外力做功为W，克服安培力做功为WA，导体棒在EF处的速度为，由动能定理有
克服安培力做功
式中
由于电流始终不变，有
代入数值，联立可得
解得
故C正确，D错误；
故选C。
二、多项选择题（共3题，每小题6分，共18分。每小题有多个选项符合要求，全选得6分，少选得3分，错选得0分）
8. 如图，圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，质量为m、电荷量为的带电粒子从圆周上的M点沿直径MON方向射入磁场。若粒子射入磁场时的速度大小为v1，离开磁场时速度方向偏转，运动时间为t1，若射入磁场时的速度大小为v2，离开磁场时速度方向偏转，运动时间为t2；不计粒子重力，则（ ）
A. B.
C. t1∶t2=3∶2D. t1∶t2=2∶3
【答案】AC
【解析】
【详解】粒子在磁场中做匀速圆周运动，粒子轨迹图如下。
根据几何关系可知以v1、v2射入粒子的轨迹半径为
根据
得
所以
故A正确，B错误；
CD．根据
所以
因此
所以
故C正确，D错误。
故选AC。
9. 矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁感线的方向与导线框所在平面垂直，规定磁场的正方向垂直纸面向里，磁感应强度B随时间变化的规律如图所示。若规定顺时针方向为感应电流i的正方向，bc边所受安培力向左为正方向，则下列各图中正确的是（ ）
A. B.
C. D.
【答案】AD
【解析】
【详解】AB．0-1s内，根据法拉第电磁感应定律可知线框中的电流为
根据右手定则可知线框中产生逆时针电流，且为恒定值，即电流为负方向；
1s-2s内，根据右手定则可知线框中产生顺时针的电流，且为恒定值，即电流为正方向；
2s-3s内，根据右手定则可知线框中产生顺时针的电流，且为恒定值，即电流为正方向；
3s-4s内，根据右手定则可知线框中产生逆时针的电流，且为恒定值，即电流为负方向
故A正确，B错误；
CD．0-1s内，根据左手定则可知安培力向左，即为正值，结合
可知安培力的变化和磁感应强度的成正比，为倾斜直线，同理得出1s-2s、2s-3s、3s-4s各时间内的安培力为负值、正值、负值，故C错误，D正确。
故选AD。
10. 霍尔推进器某局部区域可抽象成如图所示的模型。Oxy平面内存在竖直向下的匀强电场和垂直坐标平面向里的匀强磁场，磁感应强度为B。质量为m、电荷量为e的电子从O点沿x轴正方向水平入射。入射速度为v0时，电子沿x轴做直线运动；入射速度小于v0时，电子的运动轨迹如图中的虚线所示，且在最高点与在最低点所受的合力大小相等。不计重力及电子间相互作用。下列说法正确的是（ ）
A. 入射速度小于v0时，电子在最高点与在最低点速度大小相等
B. 若电子入射速度为，则速度大小为时位置的纵坐标
C. 若将电子变为质量和电量不变的正电荷，入射速度小于v0时，轨迹与图中虚线相同
D. 入射速度在0【答案】BCD
【解析】
【详解】A．电子在竖直向下的匀强电场和垂直坐标平面向里的匀强磁场的复合场中，由于洛伦兹力不做功，向上运动到最高点，电场力做正功，电子速度变大，向下运动到最低点，电场力做负功，电子速度变小，电子在最高点与在最低点速度大小不相等，故A错误；
B．入射速度v0时，电子沿x轴做直线运动则有
Ee=ev0B
解得
E=v0B
电子入射速度为，则电子受到的电场力大于洛伦兹力，则电子向上偏转，速度大小为时，根据动能定理有
解得
故B正确；
C．若将电子变为质量和电量不变的正电荷，正电荷向上的洛伦兹力和向下的电场力，力的大小不变，入射速度小于v0时，轨迹与图中虚线相同，故C正确；
D．若电子以v入射时，设电子能达到的最高点位置的纵坐标为y，则根据动能定理有
由于电子在最高点与在最低点所受的合力大小相等，则在最高点有
F合=evmB－eE
在最低点有
F合=eE－evB
联立有
要让电子达纵坐标位置，即
y≥y2
解得
则若电子入射速度在0故选BCD。
三、实验题（11题6分，12题8分）
11. 某同学设计了如下实验来测量物体的质量。如图所示，利用铁架台固定一轻质滑轮，通过跨过滑轮的轻质细绳悬吊两个相同的物块A、B，物块A侧面粘贴小遮光片（质量忽略不计）。在物块A、B下各挂5个相同的小钩码，每个小钩码的质量m≤50g。光电门C、D通过连杆固定于铁架台上，并处于同一竖直线上，光电门C、D之间的距离h=30.0cm。两光电门与数字计时器相连（图中未画出），可记录遮光片通过光电门的时间。初始时，整个装置处于静止状态，取当地的重力加速度g=10m/s2。实验步骤如下：
（1）如图所示，用10分度的游标卡尺测量遮光片的宽度，遮光片的宽度d=______cm；
（2）将1个钩码从物块B的下端摘下并挂在物块A下端的钩码下面。释放物块，计时器记录遮光片通过光电门C、D的时间分别为t1=22.80ms，t2=11.40ms。物块A下落过程的加速度a=______m/s2，单个物块的质量M=______kg。（结果均保留两位小数）
【答案】 ①. 1.14 ②. 1.25 ③. 0.15
【解析】
【详解】（1）[1]由图可知遮光片的宽度
（2）[2]利用极短时间内的平均速度表示瞬时速度，则物块A通过光电门C、D时的速度分别为
从C到D的过程中，根据匀变速直线运动的规律可知
[3]以A、B两物体和10个小钩码组成系统为研究对象，由牛顿第二定律可知
代入数据解得
12. 目前我国正大力推进节能环保产品的研发，其中光电子LED二极管在日常生活中有着非常广泛的应用。二极管具有单向导电性，某发光二极管的反向电阻无穷大，课外兴趣小组在实验室通过实验测得该发光二极管两端接正向电压U和通过它的电流I的多组数据，并在坐标纸上描绘出了该发光二极管的伏安特性曲线，如图甲所示。实验室提供了以下器材：
A．电压表（量程0～3V，内阻约20kΩ）
B．电压表（量程0～15V，内阻约100kΩ）
C．电流表（量程0～50mA，内阻约40Ω）
D．电流表（量程0～0.6A，内阻约2Ω）
E．滑动变阻器（0～20Ω，额定电流2A）
F．滑动变阻器（0～500Ω，额定电流10A）
G．电源（电动势6V，内阻不计）
H．开关、导线若干
（1）该小组在实验时，电压表选用______，电流表选用______，滑动变阻器选用______（填器材前面的字母代号）。
（2）在图乙所示的方框内画出电路图_______。
（3）现将此发光二极管与电动势为3V、内阻的电池组相连，为保护电源及发光二极管，电路中又串联一阻值的电阻，则此时发光二极管的功率P=______W。（结果保留两位有效数字）
【答案】 ①. A ②. C ③. E ④. ⑤.
【解析】
【详解】（1）[1][2][3]根据题图甲可知最大电压为2.80V，最大电流为30.0mA，所以电压表应选择A，电流表应选择C。由于电流、电压均从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法，滑动变阻器应选阻值较小的E。
（2）[4]通过估算二极管的阻值可知其随电压升高阻值在增大，最大值
满足
所以电流表应外接。因此电路图如图
（3）[5]设二极管两端电压为U，流过电流为I，由闭合电路欧姆定律知
即
在I—U图象中作的图线
由两线交点可读出时对应的电压，则
四、解答题（13题10分，14题12分，15题18分）
13. 如图，在，两区域内存在磁感应强度大小均为B，方向相反的匀强磁场，两区域磁场宽度都为h。一质量为m，电荷量为q(q>0)的粒子以某速度从磁场区域左侧O点沿x轴进入磁场，不计重力。
（1）若粒子经磁场偏转后穿过y轴正半轴离开磁场，求在这种情况下速度的最大值vm；
（2）如果速度大小为2vm，粒子将通过虚线最右侧边界上的某点离开磁场。求粒子在磁场中运动的时间t。
【答案】（1）；（2）
【解析】
【详解】（1）粒子经磁场偏转后穿过y轴正半轴离开磁场，则最大半径为h，如图所示：
由洛伦兹力提供向心力，有
解得
（2）如果速度大小为2vm，半径为
如图所示
由几何关系可得
根据对称性，粒子在两磁场中偏转角相同，则运动时间为
14. 如图所示，A、B接在电压大小恒为U的交变电源上，质量为m、电荷量为的离子，以初速度进入直线加速器第1个金属圆筒左侧的小孔，离子在每个筒内均做匀速直线运动，时间均相等，在相邻两筒间的缝隙内被电场加速，加速时间不计。离子从第3个金属圆筒右侧出来后，立即由M点射入转向器，转向器中有辐射状电场，离子沿着圆弧虚线（等势线）运动，并从N点射出，离子射出时速度方向与矩形区域CDQP内有界匀强电场的电场强度方向垂直，最终离子恰好打在Q点。已知第3个金属圆筒的长度为l，转向器虚线MN处电场强度的大小为E，、。求：
（1）离子在每个金属圆筒内运动的时间；
（2）离子在转向器中做圆周运动的半径；
（3）矩形区域CDQP内电场强度的大小。

【答案】（1）；（2）；（3）
【解析】
【详解】（1）设离子在第三个圆筒内运动时的速度为v，则有
离子在每个金属圆筒内运动的时间
解得
（2）离子由M点射入转向器，沿着圆弧虚线（等势线）做圆周运动运动，则有
结合上述解得
（3）离子在矩形区域CDQP内做类平抛运动，加速度
沿电场方向和垂直电场方向的位移分别为
，
联立可得
15. 如图，一组平行等间距的足够长导轨由倾角粗糙倾斜导轨与水平导轨相连构成，导轨间距为l，在倾斜导轨的边界EF上方，存在垂直于斜面向上，大小为B的匀强磁场。现将质量为m，电阻为R的导体棒M，放在倾斜导轨顶端，与其相距d处（仍在磁场中）放置完全相同的导体棒N，发现两导体棒恰好不滑动。一质量为m0，可视为质点的小球，从水平轨道平面中轴线上方某点，以初速度水平抛出，恰好平行于倾斜导轨，在M杆中心处与导体棒M发生弹性碰撞。已知，重力加速度为g，接触面间的最大静摩擦与滑动摩擦力相等。
（1）求小球与导体棒M碰后瞬间，N棒的加速度大小a；
（2）若要保证M、N在磁场中不发生碰撞，求两导体棒初始距离d的最小值及N棒上产生焦耳热的最大值；
（3）若N棒离开EF时的速度与M棒速度相等（M仍在磁场中且与N未发生碰撞），为确保之后M棒也能离开磁场，则d应该满足的条件范围。
【答案】（1）；（2），；（3）
【解析】
【详解】（1）小球与导体棒M碰前瞬间，小球速度为v，则
小球与导体棒M发生弹性碰撞，根据动量守恒及能量守恒定律有
解得
，
碰后瞬间，感应电动势
根据闭合电路欧姆定律和安培力表达式得
，
对N棒根据牛顿第二定律，联立有
由于未碰撞前导体棒恰好不下滑，则有
解得
（2）两导体棒在磁场中运动过程中，动量守恒，最终两棒速度相等，设为v3，则
解得
对M分析，开始运动到MN共速过程中，根据动量定理有
当M、N在磁场中不发生碰撞，两导体棒初始距离的最小值为该过程中相对位移大小整理得
解得
两导体棒在磁场中运动过程中，重力势能的减小量恰好等于两导体棒滑动摩擦产生的热量，设回路产生的焦耳热为Q，由能量守恒定律
解得
N棒上产生焦耳热的最大值为
（3）N棒离开磁场后，M棒切割磁感线做减速运动，由动量定理得
解得
故为确保之后M棒也能离开磁场，d最小为
应该满足的条件范围