专题9 磁场 专项提升练 -2024届高考物理三轮复习情境试题习题+答案

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随着国家教育政策和考试评价体系的不断变化，情境化试题已成为高考物理命题的必然趋势.情境化试题通过创设真实的生产生活、科技创新、体育运动等情境，提出实际问题，让学生在实际问题的解决过程中展现自己的核心素养，既为高校选拔出具有发展潜能的高素质人才，也为知识取向教学转向素养导向教学、落实立德树人教育根本任务指引了方向.
科技情境类试题频繁出现在高考物理试题和一些省市的模拟试题中，这类试题以科技领域的真实情境为测试载体，以物理学科核心素养为测试宗旨，聚焦关键能力、学科素养和思维品质的考查，能较好地契合新课程改革理念及新高考评价体系的要求，也能反映科技领域最新的研究成果，从而引导考生树立民族自信心与自豪感。
一．安培力
（多选）1．（2024•碑林区校级模拟）电磁弹射技术被应用在福建舰上，大大提升了福建舰的战斗力，电磁弹射原理如图所示。电磁弹射器能使飞机在较短距离内很快被加速到起飞速度。下列说法中正确的是（ ）
A．弹射过程飞机机身受到向前的安培力的冲量，使飞机的动量增加
B．通过轨道的电流只是用来产生驱动磁场，不会流过飞机机身
C．流过飞机机身的电流受到的安培力对飞机做正功
D．飞机被弹射的过程中弹射装置获得的电能全部转化为机械能
二．左手定则——磁场对通电导线的作用
2．（2023•大连模拟）如图为一简易电动机，此装置中的金属导线框能绕竖直中心轴转动，那么（ ）
A．若强磁铁上方为N极，从上往下看，金属导线框将顺时针旋转
B．若强磁铁上方为S极，从上往下看，金属导线框将顺时针旋转
C．无论强磁铁上方为N极还是S极，从上往下看，金属导线框都将逆时针旋转
D．无论强磁铁上方为N极还是S极，从上往下看，金属导线框都将顺时针旋转
三．平行通电直导线间的相互作用
3．（2024•重庆模拟）《大国重器》节目介绍的GIL输电系统的三相共箱技术，如图甲所示，管道内部有三根绝缘超高压输电线缆平行且间距相等，截面图如图乙所示，上方两根输电线缆A、B连线水平，某时刻A、C中电流方向垂直于纸面向里，B中电流方向垂直于纸面向外，A、B、C中电流大小均为I，则（ ）
A．正三角形中心O处的磁感应强度为0
B．A、B连线中点处的磁感应强度斜向左上方
C．A、C输电线缆相互吸引
D．A、B输电线缆相互吸引
4．（2024•兴庆区校级一模）特高压直流输电是国家重点能源工程，目前该技术已达世界先进水平，再次体现了中国速度，惊艳了全世界。如图所示，两根等高、相互平行的水平长直导线分别通有方向相同的电流I1和I2，已知I1＝I2。a、b、c三点连线与两根导线等高并垂直，b点位于两根导线间的中点，a、c两点与b点距离相等，d点位于b点正下方。已知通电直导线形成的磁场在空间某点处的磁感应强度B=kIr，k为比例系数，r为该点到导线的距离，I为导线中的电流强度。不考虑地磁场的影响，则（ ）
A．两输电直导线间因安培力而互相排斥
B．a、c两点处的磁感应强度大小相等
C．b、d两点处的磁感应强度大小相等
D．a、c两点处的磁感应强度方向均竖直向下
四．安培力的计算
（多选）5．（2024•淄博一模）如图所示是小齐同学设计的一个能够测量电流的装置，其上部是一根粗细均匀横截面积为S的竖直细管，下部是一截面为正方形（边长为L）的容器。该容器左右两壁为导体，其他各面是绝缘的，其底部与大气相通。容器内有一个正方形的金属活塞，其边长也为L，可在容器内无摩擦滑动。活塞下面有一轻质弹簧支撑着，已知弹簧的劲度系数为k，活塞上部充有密度为ρ的绝缘油（测量过程中细管内始终有绝缘油）。容器的左右两壁与一电路连接，整个装置放在水平向里、磁感应强度为B的匀强磁场中。电键K闭合前，活塞处于静止状态，重力加速度为g，弹簧始终处于弹性限度内，则（ ）
A．闭合电键K后，竖直细管中油柱的上表面会向上移动
B．闭合电键K后，竖直细管中油柱的上表面会向下移动
C．若油柱稳定后上表面变化的高度为x，则回路中的电流为I=kS+ρgL2(L2−S)BL3x
D．若油柱稳定后上表面变化的高度为x，则回路中的电流为I=kS−ρgL2(L2−S)BL3x
五．磁电式电流表
6．（2024•二模拟）如图1所示为磁电式电流表的结构图，其基本组成部分是磁体和放在磁体两级之间的线圈，线圈缠绕在铝框上。极靴和中间软铁制成的圆柱形成辐向磁场，使磁场总沿半径方向，如图2所示。当线圈中有恒定电流时，安培力带动线圈偏转，在螺旋弹簧的共同作用下最终稳定。下列说法正确的是（ ）
A．线圈受到的安培力的大小随转动发生改变
B．线圈的磁通量始终为0
C．线圈在转动过程中不产生感应电动势
D．增加线圈匝数，可增加测量的灵敏度
六．左手定则——磁场对带电粒子的作用
7．（2024•平谷区模拟）图示照片是2023年12月1日晚网友在北京怀柔拍摄到的极光。当太阳爆发的时候，就会发生日冕物质抛射，一次日冕物质抛射过程能将数以亿吨计的太阳物质以数百千米每秒的高速抛离太阳表面。当日冕物质（带电粒子流）与地球相遇后，其中一部分会随着地球磁场进入地球南北两极附近地区的高空，并与距离地面一百到四百千米高的大气层发生撞击，撞击的过程伴随着能量交换，这些能量被大气原子与分子的核外电子吸收之后，又快速得到释放，释放的结果就是产生极光。绿色与红色极光便是来自氧原子，紫色与蓝色极光则往往来自氮原子。则下列说法中最合理的是（ ）
A．若带正电的粒子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，在地球磁场的作用下将会向西偏转
B．地球南北两极附近的地磁场最强。但在两极附近，地磁场对垂直射向地球表面的带电粒子的阻挡作用最弱
C．若氮原子发出紫色极光的光子能量为E0，则与该氮原子核外电子发生撞击的带电粒子的能量也为E0
D．若氧原子的核外电子吸收能量为E0的光子后，则该氧原子就会放出能量为E0的光子
七．带电粒子在匀强磁场中的运动
8．（2024•甘肃模拟）2023年12月1日晚，我国多地出现绝美极光，如图甲所示，实际上极光是太阳风和地球磁场相互作用产生的。地磁产生至少有35亿年历史，它通过地球内部延伸到宇宙中，形成地球磁层，这个磁层可以阻挡太阳带电粒子流的侵害，保护地球的大气层和自然生态。如图乙所示，是来自太阳的高能带电粒子流被地磁场俘获后的运动轨迹示意图，忽略引力和带电粒子间的相互作用，以下说法正确的是（ ）
A．图甲中的极光现象只能出现在北半球
B．带电粒子在靠近地球北极过程中旋转周期变大
C．带电粒子在靠近地球北极过程中动能增大
D．图乙中所示的带电粒子带负电
9．（2023•宁波一模）在现代研究受控热核反应的实验中，需要把107～109K的高温等离子体限制在一定空间区域内，这样的高温下几乎所有作为容器的固体材料都将熔化，磁约束就成了重要的技术。如图所示，科学家设计了一种中间弱两端强的磁场，该磁场由两侧通有等大同向电流的线圈产生。假定一带正电的粒子（不计重力）从左端附近以斜向纸内的速度进入该磁场，其运动轨迹为图示的螺旋线（未全部画出）。此后，该粒子将被约束在左右两端之间来回运动，就像光在两个镜子之间来回“反射”一样，不能逃脱。这种磁场被形象地称为磁瓶，磁场区域的两端被称为磁镜。根据上述信息并结合已有的知识，可以推断该粒子（ ）
A．从左端到右端的运动过程中，沿磁瓶轴线方向的速度分量逐渐变小
B．从靠近磁镜处返回时，在垂直于磁瓶轴线平面内的速度分量为最大值
C．从左端到右端的运动过程中，其动能先增大后减小
D．从左端到右端的运动过程中，其运动轨迹的螺距先变小后变大
（多选）10．（2024•顺德区二模）某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗过程中，来自质子源的质子（初速度为零）先被电场加速到具有较高的能量，然后被磁场引向轰击肿瘤，杀死其中恶性细胞，如图所示．若加速电场可看成单个匀强电场，质子的加速长度为L，加速的末速度为v，质子质量为m，电荷量为e，下列说法正确的是（ ）
A．质子在加速过程中电场力对其做正功，电势能减少
B．该加速电场的电场强度大小为E=mv22eL
C．若要提高质子飞出时的动能，可在其他条件不变的情况下提高加速电压
D．质子击中肿瘤时的速度大于质子进入磁场时的速度
八．带电粒子在重力场、电场及磁场混合场中的运动
（多选）11．（2023•天河区一模）据报道，我国空间站安装了现代最先进的霍尔推进器用以空间站的轨道维持。如图乙，在很窄的圆环空间内有沿半径向外的磁场1，其磁感应强度大小可近似认为处处相等；垂直圆环平面同时加有匀强磁场2和匀强电场（图中没画出），磁场1与磁场2的磁感应强度大小相等、已知电子电量为e，质量为m。若电子恰好可以在圆环内沿顺时针方向做半径为R、速率为v的匀速圆周运动，则以下说法正确的是（ ）
A．电场方向垂直环平面向外
B．电子运动周期为2πRv
C．垂直环平面的磁感应强度大小为mveR
D．电场强度大小为mv2eR
九．回旋加速器
12．（2024•广东一模）如图所示为世界上第一台回旋加速器，这台加速器的最大回旋半径只有5cm，加速电压为2kV，可加速氘离子达到80keV的动能。关于回旋加速器，下列说法正确的是（ ）
A．若仅加速电压变为4kV，则可加速氘离子达到160keV的动能
B．若仅最大回旋半径增大为10cm，则可加速氘离子达到320keV的动能
C．由于磁场对氘离子不做功，磁感应强度大小不影响氘离子加速获得的最大动能
D．加速电压的高低不会对氘离子加速获得的最大动能和回旋时间造成影响
十．霍尔效应
13．（2024•北京一模）在霍尔效应中，霍尔电压与通过导体的电流之比被定义为霍尔电阻，可用符号rH表示，通常情况下，霍尔电阻与外加磁场的磁感应强度成正比。但在超低温、强磁场的极端条件下，某些材料的霍尔电阻却随着强磁场的增加出现量子化现象：rH=1v⋅ℎe2，h是普朗克常数，e是电子的电量，v既可以取1、2、3…等整数，也可以取某些小于1的分数，这就是量子霍尔效应现象。实验发现，当霍尔电阻处于量子态时，材料中的电子将沿边缘带做定向运动，几乎不受阻力作用。2013年，清华大学薛其坤团队发现，在超低温（0.03K）环境条件下，具备特殊结构的拓补绝缘体材料可以自发地发生磁化，此时不需要外加磁场也会发生量子霍尔效应，这种现象被称为量子反常霍尔效应。结合以上资料，可以判断下列说法正确的是（ ）
A．同欧姆电阻类似，霍尔电阻越大，表明材料对通过它的电流的阻碍越强
B．要发生量子霍尔效应现象，外部环境条件有两个，一是要具备超低温环境，二是要具备超强的磁场
C．具备量子反常霍尔效应的磁性拓补绝缘材料已成为新一代低能耗芯片的制造材料
D．霍尔电阻的量子态表达式中的常数组合ℎe2与欧姆电阻具有相同的单位
14．（2024•江西模拟）利用霍尔元件可以进行微小位移的测量，如图甲所示，在两块磁感应强度相同、N极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件。该霍尔元件长为a，宽为b，厚为c，建立如图乙所示的空间坐标系，保持沿+x方向通过霍尔元件的电流I不变，霍尔元件沿±z方向移动时，由于不同位置处磁感应强度B不同，在M、N表面间产生的霍尔电压UMN不同，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，UMN为0，将该点作为位移的零点，在小范围内，磁感应强度B的大小与位移z的大小成正比，这样就可以把电压表改装成测量物体微小位移的仪表，下列说法中正确的是（ ）
A．该仪表的刻度线是不均匀的
B．该仪表只能测量微小位移的大小，不能确定位移的方向
C．某时刻测得霍尔电压为U，则霍尔电场的场强大小为|Ub|
D．若霍尔元件中导电的载流子为电子，则当Δz＜0时，M表面电势低于N表面的电势
15．（2024•佛山一模）在自行车上安装码表可记录骑行情况。如图，码表由强磁铁、霍尔传感器及显示器组成。霍尔传感器固定在自行车前叉一侧，强磁铁固定在车轮的一根辐条上。车轮半径为R，霍尔传感器到车轴的距离为r。强磁铁每次经过霍尔传感器时，PQ端均输出一次电信号，若每秒强磁铁n次经过霍尔传感器，同时显示器数据更新一次，则（ ）
A．显示器上的里程110.0km是指骑行的位移大小
B．磁铁如图经过传感器时，导电的电子向Q端会聚
C．上图中PQ两端电势的高低，与磁铁运动的方向有关
D．自行车的速度21.8km/h是由2πnr换算得来的
16．（2024•南京模拟）霍尔效应传感器可用于自行车速度计上，如图甲所示，将霍尔传感器固定在前叉上，磁铁安装在前轮辐条上，轮子每转一圈，磁铁就靠近霍尔传感器一次，传感器就会输出一个脉冲电压。霍尔传感器原理如图乙所示，电源电压为U1，当磁场通过霍尔元件时，在导体前后表面间出现电压U2。某次行驶时，霍尔传感器测得的电压U2随时间t变化如图丙所示，车轮半径为R，霍尔传感器离轮轴距离为r，下列说法中正确的是（ ）
A．如图乙所示，霍尔元件前表面电势低于后表面的电势，则载流子带正电
B．霍尔电压U2的峰值与电源电压U1无关，与自行车的车速有关
C．自行车的速度可表示为2πRt3−t1
D．若前轮漏气，不影响速度计测得的骑行速度
17．（2023•台州二模）笔记本电脑机身和显示屏分别装有霍尔元件和磁体，实现开屏变亮，合屏熄灭。图乙为一块利用自由电子导电，长、宽、高分别为a、b、c的霍尔元件，电流方向向右。当合上显示屏时，水平放置的元件处于竖直向下的匀强磁场中，元件前、后表面间产生电压，当电压达到某一临界值时，屏幕自动熄灭。则元件的（ ）
A．合屏过程中，前表面的电势比后表面的低
B．开屏过程中，元件前、后表面间的电压变大
C．若磁场变强，可能出现闭合屏幕时无法熄屏
D．开、合屏过程中，前、后表面间的电压U与b无关
18．（2023•通州区校级三模）磁敏元件在越来越多的电子产品中被使用，市场上看到的带皮套的智能手机就是使用磁性物质和霍尔元件等起到开关控制的，当打开皮套，磁体远离霍尔元件，手机屏幕亮；当合上皮套，磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，手机进入省电模式。如图所示，一块宽度为d、长为l、厚度为h的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入水平向右大小为I的电流时，当手机套合上时元件处于垂直于上表面、方向向上且磁感应强度大小为B的匀强磁场中，于是元件的前、后表面产生稳定电势差U；以此来控制屏幕熄灭，则下列说法正确的是（ ）
A．前表面的电势比后表面的电势高
B．自由电子所受洛伦兹力的大小为eUHℎ
C．用这种霍尔元件探测某空间的磁场时，霍尔元件的摆放方向对UH无影响
D．若该元件单位体积内的自由电子个数为n，则发生霍尔效应时，元件前后表面的电势差为UH=BIneℎ
19．（2023•镇海区模拟）如图所示装置均可以将非电学量转化成电学量，方便地用于测量、传输、处理和控制。关于这些装置，以下说法正确的是（ ）
A．甲图装置霍尔元件左右移动时，能产生霍尔电压的原理是电磁感应
B．乙图中物体向左移，则电容器的电容变小
C．丙图装置中通过物体位置变化引起线圈的自感系数改变从而将位置量换转成电学量
D．丁图装置只要有声音，即使不接入电源，R两端也有电压输出
（多选）20．（2024•南开区一模）2020年12月2日22时，经过约19小时月面工作，嫦娥5号完成了月面自动采样封装，这其中要用到许多压力传感器。有些压力传感器是通过霍尔元件将压力信号转化为电信号，当压力改变时有电流通过霍尔元件。如图所示，一块宽为a、长为c、厚为h的长方体半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为﹣e的自由电子，通入如图所示方向的电流时，电子的定向移动速度为v。若元件处于磁感应强度为B、方向垂直于上表面向下的匀强磁场中，前后两表面会形成电势差U。下列说法中正确的是（ ）
A．自由电子受到的洛伦兹力方向为垂直前表面向外
B．前表面的电势比后表面的高
C．自由电子受到的洛伦兹力大小为eUa
D．前、后表面间电势差U＝Bhv