2025_2026学年山东菏泽市东明县第一中学高三上学期2月阶段测试物理试卷 [含解析]

这是一份2025_2026学年山东菏泽市东明县第一中学高三上学期2月阶段测试物理试卷 [含解析]，共41页。试卷主要包含了选择题的作答，非选择题的作答，3×108JB，5s等内容，欢迎下载使用。
全卷满分100分，考试时间90分钟。
注意事项：
1.答题前，先将自己的姓名、准考证号等填写在答题卡上，并将准考证号条形码粘贴在答题卡上的指定位置。
2.选择题的作答：选出每小题答案后，用2B铅笔把答题卡上对应题目的答案标号涂黑。写在试题卷、草稿纸和答题卡上的非答题区域均无效。
3.非选择题的作答：用签字笔直接写在答题卡上对应的答题区域内。写在试题卷、草稿纸和答题卡上的非答题区域均无效。
4.考试结束后，请将本试题卷和答题卡一并上交。
一、单项选择题：本题共8小题，每小题3分，共24分。每小题只有一个选项符合题目要求。
1. 2025年11月，中国科学院宣布，我国在甘肃武威建成的2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆首次实现堆内钍-铀核燃料转换，成为全球唯一运行并实现钍燃料入堆的熔盐堆。如果一座钍基熔盐堆每日消耗1g钍，每个原子裂变释放约200MeV的能量，理论上该堆每日大约能释放的能量为（已知：阿伏伽德罗常数，钍-232的摩尔质量为232 g·ml-1）（ ）
A. 8.3×108JB. 8.3×1010JC. 8.3×1012JD. 8.3×1013J
【答案】B
【解析】
【详解】每日消耗的钍原子摩尔数
每日消耗的钍原子总数为
每消耗一个钍-232原子裂变释放能量
释放的总能量
故选B。
2. 如图所示是理想的LC振荡电路的两个状态，状态a中电流强度为0，状态b中电容器不带电，已知该电路电磁振荡的周期为T，从状态a到状态b经历的时间小于T。则下列说法中正确的是（ ）
A. 从状态b变化到状态a的最短时间为
B. 从状态b变化到状态a的最短时间为
C. 从状态a到状态b，电路中的电流强度一直增大
D. 从状态a到状态b，线圈L的自感电动势一直减小
【答案】A
【解析】
【详解】AB．状态b中电容器不带电，电流方向为顺时针，回路处于充电过程，随后电容器上极板失去电子带正电，与状态a中上极板所带电性相同，可知，从状态b变化到状态a的最短时间为，故A正确，B错误；
C．结合上述可知，从状态b变化到状态a的最短时间为，则从状态a到状态b的最短时间为即先后经历放电、充电与放电三个过程，可知，电路中的电流强度先后经历增大、减小与增大三个过程，故C错误；
D．结合上述可知，从状态a到状态b的最短时间为即先后经历放电、充电与放电三个过程，电流与时间呈现正弦式变化，由于线圈中的自感电动势
可知，线圈L的自感电动势大小与电流的变化率大小成正比，可知，从状态a到状态b，线圈L的自感电动势先后经历减小、增大与减小三个过程，故D错误。
故选A。
3. 某同学采用如图所示的方案来观察光学现象。初始时，可换光学器件处未放任何器件，能在光屏上看到彩色条纹，则（ ）
A. 若透过红色滤光片观察光屏，会看到红黑相间的条纹
B. 若仅把双缝间距增大，彩色条纹间距将增大
C. 若在可换光学器件处放入偏振片，光屏上的彩色条纹将变成单色明暗相间的条纹
D. 若在可换光学器件处分别放入红色、绿色滤光片，则放入绿色滤光片时，光屏上相邻亮条纹中心间距更大
【答案】A
【解析】
【详解】A．由题意可知，光屏上有彩色的条纹，红色滤光片只允许红光透过，则若透过红色滤光片观察光屏，会看到红黑相间的条纹，故A正确；
C．若在可换光学器件处放入偏振片，光屏上的彩色条纹将变暗，故C错误；
BD．根据可知，增大，则减小，放入绿色滤光片时，波长减小，则光屏上相邻亮条纹中心间距减小，故BD错误。
故选A。
4. 用智能手机能测量加速度，现在某同学通过手机掉落时的加速度情况测量当地的重力加速度，如图所示y轴为竖直方向，则下列说法正确的是（ ）
A. 手机下落高度约为1.2m
B. 手机下落的时间大约0.5s
C. 虚线框中加速度逐渐减小，但速度逐渐增大
D. 手机开始下落时加速度迅速增大，这可能是空气阻力导致的
【答案】C
【解析】
【详解】AB．由图可知，物体在空中运动的时间约为，加速度大小约为，所以手机下落的高度约为，故AB错误；
C．虚线框中加速度逐渐减小，但速度与加速度方向相同，仍是逐渐增加的，C正确；
D．物体开始下落时加速度迅速增大，是由于手机受到的重力导致的，故D错误。
故选C。
5. 两相同的球通过相同长度的轻绳悬于竖直平面内直角杆的不同位置上，整个装置绕竖直杆稳定转动，下列图中符合两球实际位置关系的是（ ）
A. B. C. D.
【答案】D
【解析】
【详解】设细线与竖直方向的夹角为，小球的质量为，摆长为L，两球在水平面内做匀速圆周运动，将两球的圆周运动等效成圆锥摆，根据牛顿第二定律可知
可得
h为等效悬点到小球的高度差，由于两球的角速度相同，因此h相同，分别将两球的悬线延长与竖直转轴相交，即符合两球实际位置关系的图像为D选项。
故选D。
6. 如图甲所示为乐清湾农光互补、渔光互补光伏电力项目。该项目以U0=220kV高压输出，通过本地的变电站网络逐级降压配送。图乙是首次降压的变压器示意图，通往居民区的输出电压为U1=110kV，通往工业区的输出电压为U2=55kV。已知工业区耗电功率是居民区的10倍，变压器可视为理想变压器，初级线圈匝数为n0，电流为I0；居民区次级线圈匝数为n1，电流为I1；工业区次级线圈匝数为n2，电流为I2。则（ ）
A. B. I0：I1=11：2
C. I1：I2=1：2D. I1：I2=11：40
【答案】B
【解析】
【详解】A．根据理想变压器的原理
解得，故A错误；
BCD．由于理想变压器输入功率等于输出功率，则有
结合题意可知
代入数据解得，，故B正确，CD错误。
故选B。
7. 地球绕太阳公转的轨道可视为半径为R 的圆，周期为T，彗星A 的椭圆轨道与地球轨道外切（即A 的近日点与地球轨道相切），其远日点到太阳中心的距离为2R；小行星B的椭圆轨道与地球轨道内切（即B 的远日点与地球轨道相切），其近日点到太阳的距离为，所有轨道共面。已知太阳位于椭圆的一个焦点上，质量为M，G为万有引力常量。不考虑彗星A 和小行星B与地球之间的相互作用力，则下列说法正确的是 （ ）
A. 彗星A在远日点的速度大于地球的公转速度
B. 小行星B 在近日点的加速度大小为
C. 彗星A从远日点向近日点运动时，太阳对它的万有引力做负功，机械能减小
D. 彗星A从近日点运动到远日点的时间与地球公转周期T的比值为
【答案】B
【解析】
【详解】A．设物体到太阳中心的圆周运动，速度为，由牛顿第二定律可得
地球的公转速度牛顿第二定律可得
可得，彗星A在远日点需加速才能变轨道成到太阳中心的匀速圆周运动，故，故彗星A在远日点的速度小于地球的公转速度。故A错误；
B．小行星B 在近日点，根据牛顿第二定律可得
解得，故B正确。
C．由开普勒第二定律可知，彗星A从远日点向近日点运动时，速度越来越大，彗星在此过程只受太阳的引力，由动能定理可知
动能增加，故引力做正功，无引力之外其他力做功，故机械能不变，故C错误；
D．由开普勒第三定律半长轴的三次方与周期的平方成正比可知
当中心天体一样时相同，故彗星A从近日点运动到远日点的距离，设彗星A从近日点运动到远日点的为时间，彗星A从近日点运动到远日点的时间与地球公转周期T的关系有
解得，故D错误。
故选B。
8. 如图所示，表面粗糙的“L”型水平轨道固定在地面上，劲度系数为k、原长为的轻弹簧一端固定在轨道上的O点，另一端与安装有位移、加速度传感器的滑块相连，滑块总质量为m。以O为坐标原点，水平向右为正方向建立x轴，将滑块拉至坐标为的A点由静止释放，向左最远运动到坐标为的B点，测得滑块的加速度a与坐标x的关系如图所示，其中为图线纵截距，则滑块由A运动至B过程中（弹簧始终处于弹性限度内）（ ）
A. B.
C. 最大动能为D. 系统产生的热量为
【答案】C
【解析】
【详解】A．由图可知，当滑块运动到x2位置时，滑块的加速度为零，滑块受到水平向右的滑动摩擦力和水平向左的弹力，所以弹簧处于伸长状态，而不是原长，故A错误；
C．加速度为零时，速度达到最大，动能最大，根据动能定理，结合图线与横轴所围区域的面积可得
故C正确；
D．根据牛顿第二定律得
可得
系统产生的热量为
故D错误；
B．物体从A到B过程由动能定理可知
且有

解得
由此可知，两位置的加速度大小相等，故B错误。
故选C。
二、多项选择题：本题共4小题，每小题4分，共16分。每小题有多个选项符合题目要求，全部选对得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分。
9. 图甲表示一根没有发生形变的弹簧，上面用数字标出一些质点的平衡位置；图乙表示弹簧中产生纵波时，某一时刻各个质点相对于各自的位移；把该时刻各质点的位移画到纵轴的方向上，纵坐标为正表示位移向右，为负表示位移向左，得到了图丙所示的图像。已知1为波源，类比横波相关知识，可知（ ）
A. 此时质点2速度向左
B. 此时质点3回复力为零
C. 质点2比质点5先回到平衡位置
D. 质点4和质点8的振动速度总是等大反向
【答案】BD
【解析】
【详解】A．由图知，质点1正处于位移正向最大，质点2跟随质点1振动，故质点2向右运动，故A错误；
B．由图知质点3位移为零，则加速度为零，回复力为零，故B正确；
C．质点2先向右运动再返回，运动时间超过四分之一个周期，而质点5只需四分之一个周期，故C错误；
D．质点4和质点8相隔半个波长，二者振动速度总是等大反向，故D正确。
故选BD。
10. 2023年10月，中国轮滑（滑板）公开赛在安徽省安庆市开幕，滑行、带板、曲身、飞腾……比赛现场，选手们来回驰骋，动作利落又极具美感，体现着勇往直前、敢于拼搏的体育精神。图甲为某参赛者模拟训练斜面项目，简化为物理模型如图乙所示：斜面倾角为α，人与滑板（小木块替代）总质量为m，将木块置于斜面右下角，同时使木块以v0的速度大小沿与斜面下沿夹角为β的方向滑行，滑行过程中不计空气阻力及滑轮与斜面的摩擦，重力加速度为g。下列说法正确的是（ ）
A. 小木块在斜面上的运动轨迹为一条抛物线
B. 小木块获得的加速度大小为
C. 小木块向上滑行的最大高度
D. 小木块从出发点到最高点的动量变化量大小为
【答案】AD
【解析】
【详解】AB．如图所示
对小物块分析，只受重力、垂直于斜面的支持力，则有，
沿斜面向上和平行于斜面下沿建立平面直角坐标系，则物体在斜面上做类斜抛运动，运动轨迹为一条抛物线；小木块获得的加速度大小为
故A正确，B错误；
C．物体在y轴方向做匀减速运动，加速度大小为，则有
解得
最大高度为
故C错误；
D．根据动量定理可得
出发到最高点时间
故有
故D正确。
故选AD
11. 如图所示，光滑、绝缘、半径为R的半圆形细杆ABC位于竖直平面内，O为半圆的圆心，AC为水平直径，B为最低点。带电量为+Q的点电荷固定在D点（D点为O点关于B点的对称点），另一质量m、带负电的小球P套在细杆上，当小球P静止在B点时受到细杆沿BO方向的支持力大小为2mg，现将小球P从A点由静止释放。已知无穷远处的电势为零，带电量为Q的点电荷电场中某点的电势，其中r为该点到点电荷的距离，重力加速度为g，小球P带的电荷不影响点电荷的电场分布。下列说法正确的是（ ）
A. 小球P带负电，电荷量大小为
B. 小球P从A点由静止释放后可以到达C点
C. 小球P从A点由静止释放后所受的电场力一直增大
D. 小球P从A点由静止释放后经过B点时对杆的压力F=5mg
【答案】AB
【解析】
【详解】A．由题意可知小球P带负电，设电荷量大小为q，当它静止在B点时，对小球P受力分析有
所以
解得
A正确；
B．由点电荷电场的对称性可知
由于细杆光滑，所以小球在A和C之间沿杆往复运动，B正确；
C．当小球P从A点向B点运动时，两个电荷间的距离减小，库仑力不断增大，但从B点向C点运动时，两个电荷间的距离增大，库仑力不断减小，C错误；
D．小球P从A点向B点运动过程中，由能量守恒定律有
在B点对小球P受力分析结合牛顿第二定律有
由牛顿第三定律有
解得
D错误；
故选AB。
12. 如图所示，边长为L的正方体ABCD-A'B'C'D'空间区域内存在匀强电场和匀强磁场，以正方体左侧面DAA'D'中心O为坐标原点，垂直正方体的三个侧面分别建立x、y、z坐标轴。已知O处有一离子源，该离子源以同一速率v0不断沿x轴正方向发射电量为+q、质量为m的离子。匀强电场大小为、方向沿-y轴，离子恰好做直线运动，不考虑离子间的碰撞、相互作用及离子重力，也不考虑因电磁场突变对离子运动的影响。则（ ）
A. 匀强磁场沿-z方向，磁感应强度大小为
B. 若仅撤去匀强电场，离子能从右侧面BCC'B'射出该正方体空间
C. 若仅撤去匀强磁场，离子通过正方体空间的时间为
D. 若仅增大匀强电场的大小，使离子能从右侧面BCC'B'射出该正方体空间，则离子在空间内运动的最大速率为
【答案】ACD
【解析】
【详解】A．离子恰好做直线运动，电场力和洛伦兹力平衡，有
解得，方向沿方向，故A正确；
B．若仅撤去匀强电场，离子在匀强磁场中做匀速圆周运动半径
离子从上侧面离开，故B错误；
C．若仅撤去匀强磁场，离子匀强电场中做类平抛运动，在竖直平面内方向有
解得
x方向有
离子恰好从C'B'射出，故C正确；
D．若仅增大匀强电场的大小，粒子沿方向做匀速直线运动和在平面内做逆时针方向的匀速圆周运动，粒子做滚轮线运动
粒子做逆时针方向的匀速圆周运动，最大半径为
速率为
另一分运动为大小为的向右的匀速直线运动
经过半个圆周，粒子运动到最低点，此时速率最大，故D正确。
故选ACD。
三、非选择题：本题共6小题，共60分。
13. 用如图甲所示的实验装置来探究加速度与质量、合外力的关系。在探究质量一定，加速度与合外力关系时，用小桶和砂的重力代替小车受到的拉力，测出多组加速度与对应合外力的数据，并作出图像。
（1）下列实验操作，正确有______（填选项字母代号）。
A. 调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行
B. 每次实验，都要先放开小车，再接通打点计时器的电源
C. 平衡摩擦力时，应将悬挂小桶的细线系在小车上
（2）小芳与小刚的图像有较大差异，小芳的既不过原点，又发生了弯曲，如图乙所示，代表小车加速度，代表小桶和砂的总重力，下列原因分析正确的是______（填选项字母代号）
A. 图像不过原点，可能是木板与桌面平行
B. 图像不过原点，可能是平衡摩擦力时木板倾角过大
C. 图像发生弯曲，可能是小车的质量过大
D. 图像发生弯曲，可能是小桶和砂的质量非常接近小车的质量
（3）在探究加速度与力的关系时，若取车的质量，改变小桶和砂质量的值，进行多次实验，以下的取值最不合适的一个是______（填选项字母代号）
A. B. C. D.
（4）甲、乙两同学在同一实验室，各取该套装置放在水平桌面上，分别在小车上放不同数量的砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度与拉力的关系，分别得到了如图丙所示的甲、乙两条直线，设甲、乙用的小车与长木板间的动摩擦因数分别为、，由图可知，______（选填“>”、“
【解析】
【小问1详解】
A．为了保证小车运动过程，细线拉力恒定不变，应调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行，故A正确；
B．为了充分利用纸带，每次实验，都要先接通打点计时器的电源，再放开小车，故B错误；
C．平衡摩擦力时，不能将悬挂小桶的细线系在小车上，故C错误。
故选A。
【小问2详解】
由小芳的图像可知，当小桶和砂的总重力达到一定数值时，小车才开始产生加速度，所以不过原点的原因是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不够，可能是木板与桌面平行，也可能是平衡摩擦力时木板倾角过小；
根据牛顿第二定律可得，
可得
当满足小桶和砂的质量远小于小车的质量时，图像的斜率近似等于，保持不变；当不满足小桶和砂的质量远小于小车的质量时，图像的斜率随的增大而明显减小，图线向下弯曲，所以图像发生弯曲，可能是小桶和砂的质量非常接近小车的质量。
故选AD。
【小问3详解】
根据牛顿第二定律可得，
可得细线拉力为
为了使细线拉力近似等于小桶和砂的总重力，应使，若取车的质量，选项中的取值最不合适的一个是。
故选D。
【小问4详解】
根据牛顿第二定律可得
可得
由图丙纵轴截距可得
则有
14. 为制作电子吊秤，物理小组找到一根拉力敏感电阻丝，拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生微小形变（宏观上可认为形状不变），它的电阻也随之发生变化，其阻值R随拉力F变化的图象如图（a）所示，小组按图（b）所示电路制作了一个简易“吊秤”。电路中电源电动势E=3V，内阻r=19Ω；灵敏毫安表量程、内阻均未知；R1是滑动变阻器，A、B两接线柱等高且固定。现将这根拉力敏感电阻丝套上轻质光滑绝缘环，将其两端接在A、B两接线柱上。通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，不计敏感电阻丝重力。
（1）为测量毫安表量程，该同学设计了如图（c）所示电路，闭合开关，调节R1滑片至中间位置附近某处，并将R2调到100Ω时，毫安表恰好满偏，此时电压表示数为1.5V；将R2调到250Ω，微调滑动变阻器R1滑片位置，使电压表V示数仍为1.5V，发现此时毫安表的指针恰好半偏，由以上数据可得毫安表的内阻Rg=______Ω，毫安表的量程Ig=______mA；
（2）把毫安表接入如图（b）所示电路中，具体步骤如下：
步骤a：滑环下不吊重物时，闭合开关，调节R1，使毫安表指针满偏；
步骤b：滑环下吊已知重力的重物G，测出电阻丝与竖直方向的夹角为；读出此时毫安表示数I；
步骤c：换用不同已知重力的重物，挂在滑环上记录每一个重力值对应的电流值；
步骤d：将电流表刻度盘改装为重力刻度盘。
若图（a）中R0=50Ω，图象斜率k=0.50Ω/N，测得= 60°，毫安表指针半偏，则待测重物重力G=______N；
（3）改装后的重力刻度盘，其零刻度线在电流表______（填“零刻度”或“满刻度”）处；
（4）若电源电动势不变，内阻变大，其他条件不变，用这台“吊秤”称重前，进行了步骤a操作，则测量结果______（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
【答案】 ①. ②. ③. ④. 满刻度 ⑤. 不变
【解析】
【分析】
【详解】(1)[1][2]根据欧姆定律可得
解得
(2)[3]由受力情况及平行四边形定则可知
解得
实验步骤中可知，当没有挂重物时，电流为满偏电流，即
由欧姆定律得
电流是半偏的，代入数据解得
(3)[4]由实验步骤可知，当拉力为F时，电流为I，因此根据闭合电路的欧姆定律得
由图乙可知，拉力与电阻的关系式
解得
电流值I与压力G不成正比，刻度盘不均匀；该秤的重力越小，电阻越小，则电流表示数越大，故重力的零刻度应在靠近电流表满刻度处；
(4)[5]根据操作过程a可知，当内阻增大，仍会使得电流表满偏，则电阻R1会变小，即r+R1之和仍旧会不变，也就是说测量结果也不变。
15. 导光管采光系统由采光装置、导光管和漫射装置组成，如图甲所示。某地铁站导光管采光系统中的半球形采光装置和圆柱形导光管过球心的截面如图乙所示，半球的直径，导光管长度，一束平行单色光在该竖直平面内从采光装置上方以与竖直方向成角的方向射入，已知采光装置对该单色光的折射率为，导光管底面到地铁站地面的距离为。求：
（1）上有光照射到的区域长度是多少？
（2）当无采光装置和漫射装置（如图丙所示）时地面上左、右两侧光斑的最远距离是多少？
【答案】（1）
（2）645m
【解析】
【小问1详解】
根据题意，由折射定律画出光路图，如图所示
根据题意，由折射定律可得，解得
即r=45°，由几何关系可得
则AB界面有光照射到的区域长度为AC=AO+OC=
【小问2详解】
无采光装置和漫射装置时，根据题意有
可知单色光将在导光管中发生全反射，根据题意画出光路图，可得单色光由导光管中射出时的光路图如图所示
根据几何知识可知CD=3mtan45°=3m
由于对称性可得，无采光装置和漫射装置时地面上左、右两侧光斑的最远距离为x=2CD+d
解得x=6.45m
16. 如图所示，某探究小组设计了一测量大气压的实验装置。容器A上端连有一直管，直管上的阀门K控制气体进出，A的右端与内部气体体积不能忽略的玻璃弯管相连。弯管的下端连接容器B，与容器B下端相连的玻璃直管底部由橡皮管相连，其中右边直管C上端开口，且可以上下移动。测量开始时，打开K，缓慢调节C，使左侧水银面到达位置1，关闭K，缓慢调节C，使左侧水银面到达位置2，此时两管水银面的高度差；随后打开K，放入体积为的物体，缓慢调节C使左侧水银面到达位置1，关闭K，缓慢调节C，使左侧水银面到达位置2，此时两管水银面的高度差。已知，容器B体积，容器内的气体可视为理想气体，环境温度保持不变。整个装置导热性能良好。忽略橡皮管变化的影响。
（1）放入物体关闭阀门K，左侧水银面从位置1到位置2过程中，外界对气体做功28J，求气体放出的热量Q；
（2）求大气压强；
（3）物体仍置于容器A内，若使该容器内气体的温度缓慢升高，通过缓慢竖直调节C，使左侧水银面仍处于位置2，求温度升高到时，在原先基础上，C管需要调节的高度。
【答案】（1）
（2）
（3）
【解析】
【小问1详解】
由热力学第一定律可得
解得放出的热量
【小问2详解】
设容器与玻璃弯管的体积为，未放入物体，发生等温变化，由玻意耳定律可得
放入物体，发生等温变化，由玻意耳定律可得
联立解得
【小问3详解】
整个过程为等容变化，由查理定律可得
解得
上移的高度
17. 如图，长为的轻绳一端固定在点，另一端连接质量的小球。起始时小球位于点上方的点，与竖直方向夹角为，绳子恰好伸直，使小球由静止下落，当小球运动到最低点时恰好与静置于足够长水平面上质量为的滑块发生碰撞，碰撞时间极短，且碰撞后滑块的速度大小为。足够长的水平面上每间隔铺设有宽度为的防滑带。滑块与水平面间的动摩擦因数为，滑块与防滑带间的动摩擦因数为，重力加速度大小取。求：
（1）小球与滑块碰撞前瞬间速度的大小；
（2）小球与滑块碰撞过程中损失的机械能；
（3）滑块从开始运动到静止的位移大小。
【答案】（1）8.0m/s
（2）32J （3）12m
【解析】
【小问1详解】
小球从点先做自由落体运动，当轻绳再次与竖直方向成时绳子再次伸直，则根据自由落体规律可得
解得
当绳子再次伸直以后，将以为初速度开始做圆周运动，根据机械能守恒定律得
解得。
【小问2详解】
设、碰撞后瞬间速度大小为，则根据动量守恒定律和能量守恒定律可得，
联立解得。
【小问3详解】
滑块经过一个间隔损失的动能为
经过一个防滑带损失的动能为
而滑块的总动能为
联立可得滑块经过间隔和防滑带数为
则滑块从开始运动到静止运动的位移大小。
18. 电磁制动是通过电磁规律实现制动的技术，具有响应速度快，方便控制，不易磨损等优点，广泛用于现代各种机械设备中。某学习小组对矩形线圈进入磁场的制动特点进行研究。如图甲所示是位于光滑水平桌面上的直角坐标系，在的一侧，存在匀强磁场，磁场方向垂直平面向里，磁感应强度的大小为。在水平面区域有矩形线框，边长分别为和，每个边电阻为0，每个边电阻为，线框初速度沿轴正方向。若矩形线框受力，其形变可忽略不计。
（1）研究小组发现线框进入磁场区域速度会逐渐变小。实验中小组成员给线框施加外力，使线框保持初速度大小和方向不变，匀速进入磁场区域，求此线框进入磁场全过程中外力做的功。
（2）研究小组对线框进行改造，3个题干所述矩形线框，其中1个线框保持不变，其余2个线框各去掉一个边，如图乙所示焊接在一起。已知该大线框整体质量为，忽略自感效应。若要改造后大金属框能够整体进入题述磁场区域，求初速度大小的最小值。
（3）研究小组对线框制动的另一改造设想为降低环境温度，使单个线框始终保持超导状态。若给线框初速度，线框沿轴正方向减速，边未全部进入磁场区域即减速为0。已知单个线框质量为，自感系数为。求此线框边进入磁场到减速为0所用时间。
（提示：超导状态线圈电阻为零，自感电动势与动生电动势等大反向，即整个回路有）
【答案】（1）
（2）
（3）
【解析】
【小问1详解】
线框进入磁场切割磁感线，产生的电动势大小为
线框中的电流大小
外力所做的功转化为焦耳热
【小问2详解】
在第一个边进入磁场的过程中，设第一个线框完全进入后的速度大小为，根据动量定理
其中
在第二个边进入磁场的过程中，设第二个线框完全进入后的速度大小为，则
其中，
在第三个边进入磁场的过程中，设第三个线框完全进入后的速度大小为，当取最小值时
其中，
由上述分析可知
解得
【小问3详解】
由自感电动势与动生电动势等大反向可知
在时间内
即
可得
线框所受安培力为
故线框所受合外力与位移成正比，且方向与位移方向相反，则线框做简谐运动，由简谐运动周期公式可得