2023-2024学年陕西省西安市铁一中学高二（上）期末物理试卷（含答案）

这是一份2023-2024学年陕西省西安市铁一中学高二（上）期末物理试卷（含答案），共12页。试卷主要包含了单选题，多选题，实验题，计算题等内容，欢迎下载使用。
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
2.如图，来自太阳和其他星体的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1.2×10−4T，如果有一速率v=5.0×105m/s、电量为1.6×10−19C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
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，得到导线受到的力F分别与I和L的关系图像，则正确的是( )
A. B.
C. D.
4.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. 2：1D. 1： 2
5.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
6.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处的过程中，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
二、多选题：本大题共3小题，共18分。
7.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. v1：v2=1： 3B. v1：v2= 3：1C. t1：t2=3：2D. t1：t2=2：3
8.矩形导线框abcd(图1)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2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.
9.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v04，则速度大小为v02时位置的纵坐标y=3mv032eB
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. 入射速度在范围内均匀分布，则能到达纵坐标y0=2mv05eB位置的电子数占总电子数的80%
三、实验题：本大题共2小题，共14分。
10.某同学设计了如下实验来测量物体的质量。如图1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2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)
11.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r=1Ω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R=99Ω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)
四、计算题：本大题共3小题，共40分。
12.如图，在−∞0)的离子，以初速度v0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，QP=d、PN=2d。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。
14.如图，一组平行等间距的足够长导轨由倾角θ=30°的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 3v0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m0=m2，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时的速度为13v0(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。
参考答案
1.B
2.A
3.B
4.B
5.D
6.C
7.AC
8.AD
9.BD
1.30 0.52
11.A C E 0.021
12.解：(1)粒子经磁场偏转后穿过y轴正半轴离开磁场，当粒子的轨迹与两磁场边界相切时，粒子运动的轨道半径最大，轨迹如图所示

根据几何知识有
R=ℎ
由洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律有
qBvm=mvm2R
解得
vm=qBℎm；
(2)如果速度大小为2vm，则半径为
R′=mvqB=2ℎ
粒子运动的轨迹如图所示

由几何关系可得
sinθ=ℎ2ℎ=12
解得
θ=30°
粒子在磁场中运动的周期为
T=2πmqB
根据对称性，粒子在两磁场中偏转角相同，根据时间与周期的关系，则粒子在磁场中运动的时间为
t=2θ360∘⋅T=16×2πmqB=πm3qB。
答：(1)若粒子经磁场偏转后穿过y轴正半轴离开磁场，在这种情况下速度的最大值为qBℎm；
(2)如果速度大小为，粒子将通过虚线最右侧边界上的某点离开磁场。粒子在磁场中运动的时间t为πm3qB。
13.解：(1)设离子在第三个圆筒内运动时的速度为v，则有
12mv2−12mv02=2qU
离子在每个金属圆筒内运动的时间
t=lv
解得
t=l m4qU+mv02
(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，则有
Eq=mv2R
结合上述解得
R=4qU+mv02Eq
(3)离子在矩形区域CDQP内做类平抛运动，加速度
a=qE′m
沿电场方向和垂直电场方向的位移分别为
2d=12at′2，d=vt′
联立可得
E′=4mv02+16qUqd
答：(1)离子在每个金属圆筒内运动的时间l m4qU+mv02；
(2)离子在转向器中做圆周运动的半径4qU+mv02Eq；
(3)矩形区域CDQP内电场强度的大小4mv02+16qUqd。
14.解：以下解答均以沿倾斜导轨向下为正方向。
(1)小球与导体棒M碰前做平抛运动，设碰前瞬间小球速度为v，由平抛运动的规律得：
vcsθ= 3v0，解得：v=2v0
小球与导体棒M发生弹性碰撞，设碰撞后瞬间小球与导体棒M的速度分别为v1、v2，根据动量守恒定律与机械能守恒定律得：
m0v=m0v1+mv2
12m0v2=12m0v12+12mv22
解得：v1=−23v0，v2=43v0
碰后瞬间导体棒M产生的的感应电动势为：E=Blv2
此时感应电流为：I=ER+R
对N棒，根据牛顿第二定律得：
mgsinθ−f+BIl=ma
由初始两导体棒恰好不滑动，可知：f=mgsinθ
联立解得：a=2B2l2v03mR
(2)因两导体棒在磁场中运动时所受安培力等大反向，又有f=mgsinθ，故两导体棒组成的系统所受合外力为零，可知此系统的动量守恒，两导体棒速度相同后，回路中无感应电流，两导体棒做匀速直线运动，直到导体棒N离开磁场。要保证M、N在磁场中不发生碰撞，初始距离d最小时两导体棒恰好共速时相遇。设两导体棒共速时的速度大小为v3，初始距离d的最小值为dmin，根据动量守恒定律得：
mv2=(m+m)v3
解得：v3=23v0
对导体棒N，根据动量定理得：
BlI−Δt=mv3−0
其中：I−Δt=E−2RΔt=ΔΦ2R=Bldmin2R
联立解得：dmin=4mv0R3B2l2
设N棒上产生焦耳热的最大值为QN，则产生的总的焦耳热为2QN。因f=mgsinθ，故导体棒减少的重力势能等于因摩擦产生的内能，可得产生的焦耳热等于系统减少的动能，则有：
2QN=12mv22−2×12mv32
解得：QN=29mv02
(3)设N棒离开EF时的速度为v4=13v0，此时M棒的速度为v5，由动量守恒定律得：
mv2=mv4+mv5
解得：v5=v0
设N棒离开磁场后，M棒在磁场中运动的最大距离为x，根据动量定理得：
−BlI1−Δt1=0−mv5
其中：I1−Δt1=E1−2RΔt1=ΔΦ12R=Blx2R
联立解得：x=2mv0RB2l2
设N棒离开磁场时，两者的相对位移大小为Δx，对N棒，根据动量定理得：
BlI2−Δt2=mv4−0
其中：I2−Δt2=E2−2RΔt2=ΔΦ22R=BlΔx2R
联立解得：Δx=2mv0R3B2l2
为保证M仍在磁场中且与N未发生碰撞，d需满足：d>Δx
为确保之后M棒也能离开磁场，d需满足：d