2021届北京市海淀区高三上学期期末试卷 物理

  2021届北京市海淀区高三上学期期末试卷 物理

说明：本试卷共8页，共100分。考试时长90分钟。考生务必将答案写在答题纸上，在试卷上作答无效。考试结束后，将本试卷和答题纸一并交回。

第一部分

本部分共10题，每题3分，共30分。在每题给出的四个选项中，有的题只有一个选项是正确的，有的题有多个选项是正确的。全部选对的得3分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分。把正确的答案填涂在答题纸上。  

1．如图1所示为某示波管内的聚焦电场横截面示意图，实线和虚线分别表示电场线和等势线。电场中a、b两点的场强大小分别为Ea和Eb，电势分别为φa和φb。下列说法中正确的是

A．Ea >Eb，φa >φb

B．Ea >Eb，φa<φb

C．Ea<Eb，φa>φb

D．Ea <Eb，φa<φb

2．第五代移动通信技术（简称5G）是最新一代蜂窝移动通信技术，5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、大规模设备连接等。与4G相比，5G使用的电磁波频率更高。下列说法中正确的是

A．5G和4G使用的电磁波都是横波

B．5G和4G使用的电磁波在真空中的传播速度相同

C．5G和4G使用的电磁波都可以发生干涉和衍射现象

D．在真空中5G使用的电磁波波长比4G的长

3．物理课上，老师做了一个奇妙的“自感现象”实验。按图2连接电路，先闭合开关S，电路稳定后小灯泡A正常发光，然后断开开关S，同学们发现小灯泡A闪亮一下再熄灭。已知自感线圈L的直流电阻为RL，小灯泡A正常发光时电阻为RA。下列说法中正确的是

1.       A．RLRA
2.       B．RL<RA
3.       C．断开开关S的瞬间，小灯泡A中的电流方向为
4.       D．断开开关S的瞬间，小灯泡A中的电流方向为

4．用图3所示装置探究感应电流产生的条件，线圈A通过滑动变阻器和开关S1连接到电源上，线圈B通过开关S2连到电流表上，把线圈A装在线圈B的里面。下列说法中正确的是

A．该装置用于探究线圈B中感应电流产生的条件

B．S2处于闭合状态，在S1闭合瞬间，电流表的指针会发生偏转

C．S1处于闭合状态，在S2闭合瞬间，电流表的指针会发生偏转

D．两开关均处于闭合状态，电路稳定后匀速移动滑动变阻器的滑片，电流表的指针会发生偏转

5．中国的特高压直流输电网已达到世界先进水平，向家坝—上海特高压直流输电工程，是世界上同类工程中容量最大、距离最远、技术最先进的。图4甲所示为输电塔，图4乙为其局部放大图，两根在同一水平面内且相互平行的长直导线A和B分别通有方向相同的电流I1和I2，且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。不考虑地磁场的影响。下列说法中正确的是

A．a点和c点处的磁感应强度方向相同

B．b点处的磁感应强度方向竖直向下

C．导线B对A的安培力大于导线A对B的安培力

D．导线B和A之间因安培力的作用而相互吸引

6．如图5所示，匀强磁场中有a、b两个闭合线圈，它们用同样的导线制成，匝数均为n匝，线圈半径ra = 2rb。磁场方向与两线圈所在平面垂直，磁感应强度B随时间均匀增大。两线圈中产生的感应电动势分别为Ea和Eb，感应电流分别为Ia和Ib。不考虑两线圈间的相互影响。下列说法中正确的是

A．Ea∶Eb = 4∶1，感应电流均沿逆时针方向  

B．Ea∶Eb = 2∶1，感应电流均沿顺时针方向

C．Ia∶Ib = 2∶1，感应电流均沿逆时针方向

D．Ia∶Ib = 1∶2，感应电流均沿顺时针方向

7．如图6甲所示，在某电场中建立x坐标轴，O为坐标原点， A点坐标为x1，一电子仅在电场力作用下沿x轴运动，其电势能Ep随其坐标x变化的关系如图6乙所示。下列说法中正确的是

A．过O点的电场线一定与x轴重合

B．A点电场强度的方向沿x轴负方向

C．该电子在A点受到的电场力大于其在O点受到的电场力

D．该电子在O点的动能大于其在A点的动能

8．图7甲是某实验小组的同学通过实验作出的电源E的路端电压U与电流I的关系图像，图7乙是该实验小组的同学通过实验作出的小灯泡L的I-U图像。下列说法中正确的是

A．电源E的电动势约为3.0V

B．电源E的内阻约为12.5

C．电源E的路端电压为V时，电源效率约为50%

D．将小灯泡L接在电源E两端组成闭合回路，此时小灯泡消耗的功率约为0.23W

9．电容器在生产生活中有广泛的应用。用如图8甲所示的电路给电容器充电，其中C表示电容器的电容，R表示电阻的阻值，E表示电源的电动势（电源内阻可忽略）。改变电路中元件的参数对同一电容器进行三次充电，三次充电对应的电容器电荷量q随时间t变化的图像分别如图8乙中①②③所示。第一次充电时电容器两端的电压u随电荷量q变化的图像如图8丙所示。下列说法中正确的是

A．第一次充电时所用电阻阻值大于第二次充电时所用电阻阻值

B．第二次充电时所用电源电动势大于第三次充电时所用电源电动势

C．第二次充电时电容器两端的电压u随电荷量q变化的图线斜率比丙图中图线斜率大

D．第二次充电时t1时刻的电流大于t2时刻的电流

10．图9为某种质谱仪的工作原理示意图。此质谱仪由以下几部分构成：粒子源N；PQ间电压恒为U的加速电场；静电分析器，即中心线半径为R的四分之一圆形通道，通道内有均匀辐射电场，方向沿径向指向圆心O，且与圆心O等距的各点电场强度大小相等；磁感应强度为B的有界匀强磁场，方向垂直纸面向外。当有粒子打到胶片M上时，可以通过测量粒子打到M上的位置来推算粒子的比荷，从而分析粒子的种类以及性质。

由粒子源N发出的不同种类的带电粒子，经加速电场加速后从小孔S1进入静电分析器，其中粒子a和粒子b恰能沿圆形通道的中心线通过静电分析器，并经小孔S2垂直磁场边界进入磁场，最终打到胶片上，其轨迹分别如图9中的S1S2a和S1S2b所示。忽略带电粒子离开粒子源N时的初速度，不计粒子所受重力以及粒子间的相互作用。下列说法中正确的是

A．粒子a和粒子b经过小孔S1时速度大小一定相等

B．若只减小加速电场的电压U，粒子a可能沿曲线S1c运动

C．静电分析器中距离圆心O为R处的电场强度大小为2U/R

D．粒子b的比荷一定大于粒子a的比荷

第二部分

本部分共8题，共70分。

11.（4分）某实验小组在利用实验室提供的器材测量一种金属电阻丝的电阻率时，先用多用电表欧姆挡粗测了金属电阻丝的阻值，所使用的多用电表欧姆挡共有“1” “10”“100”“1k”四个挡。实验小组的主要操作步骤有如下三步：[请填写第（2）步操作]

（1）将红、黑表笔分别插入多用电表的“＋”、“－”插孔，选择“10”倍率的欧姆挡；

    （2）                              ；

（3）把红、黑表笔分别与金属电阻丝的两端相接，表针指在如图10中虚线①的位置。为了能获得更准确的测量数据，应将倍率调整到欧姆挡       的挡位；在一系列正确操作后表针指在如图10中虚线②的位置，则该金属电阻丝阻值的测量值是  Ω；

12.（11分）在第11题中，已粗略测得金属电阻丝的阻值，为了更精确地测量这根金属电阻丝的阻值，进而测得其电阻率，实验小组采用伏安法继续进行测量。现有实验器材如下：

A．电源E（电动势3.0V，内阻约0.5Ω）

B．电压表V1（0～3 V，内阻约3 kΩ）

C．电压表V2（0～15V，内阻约15 kΩ）

D．电流表A1（0～0.6 A，内阻约0.125Ω）

E．电流表A2（0～3A，内阻约0.025Ω）

F．滑动变阻器R1（0～5Ω，3A）

G．滑动变阻器R2（0～1750Ω，1.5A）

H．开关S和导线若干

（1）为了调节方便，测量准确，并能在实验中获得尽可能大的电压调节范围，滑动变阻器应选用    、连接电路时，电压表应选    、电流表应选     （均选填选项前的字母）；

（2）如图11所示，实验小组使用螺旋测微器测得金属电阻丝的直径为        mm；

（3）请在图12中用连线代替导线完成实验器材的连接（提示：注意选取合适的电表量程）；

（4）关于本次实验中产生的误差，下列说法中正确的是（本实验所用测量仪器均已校准）       （选填选项前的字母）；

A．用螺旋测微器测量金属电阻丝直径时，由于读数引起的误差属于系统误差

B．用U-I 图像处理实验数据求金属电阻丝电阻可减小偶然误差

C．由于电流表或电压表内阻的影响会使本次实验电阻率测量值小于真实值

（5）保持图12中的电源、开关及滑动变阻器组成的原控制电路部分不变，实验小组对测量电路进行了创新。如图13甲所示，在金属电阻丝上夹有一个可沿电阻丝滑动的金属触头P，触头上固定了接线柱C，按下P时，触头才与电阻丝接触，触头的位置可从刻度尺上读出。实验中改变触头P与电阻丝接触的位置，并移动滑动变阻器的滑片，使电压表示数U保持不变，分别测量出多组接入电路中电阻丝的长度L，记录对应的电流I。利用测量数据画出图像，已知其中图线上某点的坐标为（a，b），如图13乙所示。根据图像信息，用电阻丝的直径d、电压U、a、b及必要常数可计算得出电阻丝的电阻率ρ=       。

13．（8分）如图14所示，间距L＝0.40 m的平行光滑金属导轨固定在绝缘水平面上，导轨的一端连接阻值R=0.40Ω的电阻。导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小B=0.10 T。一根长度为L、电阻r=0.10Ω的导体棒ab放在导轨上，导轨的电阻可忽略不计。现用一垂直于导体棒的水平拉力拉动导体棒使其沿导轨以v=5.0 m/s的速度向右匀速运动，在运动过程中保持导体棒与导轨垂直且接触良好。空气阻力可忽略不计。求：

（1）导体棒ab产生的感应电动势；

（2）通过导体棒的电流I，并说明通过导体棒的电流方向；

（3）导体棒两端的电压大小U，并指出哪端电势高。

14．（8分）如图15所示，长为l的绝缘细线一端悬于O点，另一端系一质量为m、电荷量为-q的小球（可视为质点）。现将此装置放在水平的匀强电场中，小球静止在A点，此时细线与竖直方向成37角。已知电场的范围足够大，空气阻力可忽略不计，重力加速度为g，sin37=0.6，cos37=0.8。

（1）请判断电场强度的方向，并求电场强度E的大小；

（2）求AO两点间的电势差UAO；

（3）若在A点对小球施加一个拉力，将小球从A点沿圆弧缓慢向左拉起至与O点处于同一水平高度且该过程中细线始终张紧，则所施拉力至少要做多少功。

15．（8分）如图16所示，交流发电机的矩形金属线圈，ab边和cd边的长度L1=50cm，bc边和ad边的长度L2=20cm，匝数n=100匝，线圈的总电阻r=10Ω，线圈位于磁感应强度B=0.05T的匀强磁场中。线圈的两个末端分别与两个彼此绝缘的铜环E、F（集流环）焊接在一起，并通过电刷与阻值R=90Ω的定值电阻连接。初始状态时线圈平面与磁场方向平行，现使线圈绕过bc和ad边中点、且垂直于磁场的转轴OOˊ以角速度ω=400rad/s匀速转动。电路中其他电阻以及线圈的自感系数均可忽略不计。

（1）从线圈经过图示位置开始计时，写出线圈内的电流随时间变化的函数关系式；

（2）求线圈转动过程中电阻R的发热功率；

（3）从线圈经过图示位置开始计时，求经过周期时间通过电阻R的电荷量。

16. （9分）如图17为某人设计的电吹风电路的示意图，a、b、c、d为四个固定触点。可动的扇形金属片P可同时接触两个触点。触片P处于不同位置时，电吹风可以处于停机、吹热风、吹自然风三种工作状态。n1和n2分别是理想变压器原线圈和副线圈的匝数。该电吹风正常工作时各项参数如表1所示。不考虑小风扇电机的机械摩擦损耗及温度对电阻的影响。

（1）吹自然风时，触片P应接触哪两个触点？求出变压器原、副线圈的匝数比n1 ：n2；

（2）计算吹热风时电热丝中的电流；

（3）求小风扇电机的内阻。

17．（10分）XCT扫描是计算机X射线断层扫描技术的简称，XCT扫描机可用于对多种病情的探测。图18甲是某种XCT机主要部分的剖面图，其中产生X射线部分的示意图如图18乙所示。图18乙中M、N之间有一电子束的加速电场，虚线框内为偏转元件中的匀强偏转场S：经调节后电子从静止开始沿带箭头的实线所示的方向前进，打到水平圆形靶台上的中心点P，产生X射线（如图中带箭头的虚线所示）。

已知电子的质量为m，带电荷量为e，MN两端的电压为U0，偏转场区域水平宽度为L0，竖直高度足够长，MN中电子束距离靶台竖直高度为H，忽略电子的重力影响，不考虑电子间的相互作用及电子进入加速电场时的初速度，不计空气阻力。

（1）求电子刚进入偏转场时的速度大小；

（2）若偏转场S为垂直纸面向里的匀强磁场，要实现电子束射出偏转场S时速度方向与水平方向夹角为30°，求匀强磁场的磁感应强度B的大小；

（3）若偏转场S为在竖直平面内竖直向上的匀强电场，当偏转电场强度为E时电子恰好能击中靶台P点。而仪器实际工作时，电压U0会随时间成正弦规律小幅波动，波动幅度为U，如图18丙所示。电子通过加速电场的时间远小于加速电压U0的变化周期，不考虑加速电场变化时产生的磁场，在此情况下，为使电子均能击中靶台，求靶台的最小直径。

18．（12分）卫星在一定高度绕地心做圆周运动时，由于极其微弱的阻力等因素的影响，在若干年的运行时间中，卫星高度会发生变化（可达15km之多），利用离子推进器可以对卫星进行轨道高度、姿态的调整。图19甲是离子推进器的原理示意图：将稀有气体从O端注入，在A处电离为带正电的离子，带正电的离子飘入电极B、C之间的匀强加速电场（不计带正电的离子飘入加速电场时的速度），加速后形成正离子束，以很高的速度沿同一方向从C处喷出舱室，由此对卫星产生推力。D处为一个可以喷射电子的装置，将在电离过程中产生的电子持续注入由C处喷出的正离子束中，恰好可以全部中和带正电的离子。

（1）在对该离子推进器做地面静态测试时，若BC间的加速电压为U，正离子被加速后由C处喷出时形成的等效电流大小为I，产生的推力大小为F。已知每个正离子的质量为m，每个电子的电荷量为e。求：

①单位时间内从D处注入的电子数N1；

②正离子的电荷量q；

（2）离子推进器所能提供的推力大小F与加速正离子所消耗的功率P之比，是衡量推进器性能的重要指标。已知BC间的加速电压为U，正离子的比荷为k。

①请推导F与P的关系式，并在图19乙中绘制出F-P图像；

②在加速正离子所消耗的能量相同的情况下，要使离子推进器提供的推力的冲量更大，可采取什么措施？

物理答案                   

一、本题共10小题，每小题3分，共30分。在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项是符合题意的，有的小题有多个选项是符合题意的。全部选对的得3分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分。

二、本题共2小题，共15分。

11.（4分）

（2）将红、黑表笔直接接触，调整“欧姆调零旋钮”，使表针指向0 。（2分）或（将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮进行欧姆调零）

（3）×1（1分）；6（1分）

12.（11分）

（1）F（1分）；B（1分）；D（1分）

（2）0.673～0.677 mm（2分）

（3）如图1所示（2分）

（4）BC（2分）

（5）（2分）

三、本题包括6小题，共55分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤。只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。

说明：计算题提供的参考解答，不一定都是唯一正确的。对于那些与此解答不同的正确解答，同样得分。

13．（8分）

（1）导体棒运动产生的感应电动势  E=BLv=0.2V…………………………………（2分）

（2）根据右手定则可判断出，导体棒上的电流方向为从b向a …………（1分）

通过导体棒的电流  I== 0.4A………………………………………（2分）

（3）导体棒两端的电压 U=IR=0.16V ………………………………………（2分）

a端电势高………………………………………（1分）

14．（8分）

（1）带电小球静止时电场力水平向左，与场强方向相反，所以电场强度方向水平向右。 ……………………………………………………………………………………（1分）

小球受重力、电场力和细线的拉力，根据平衡条件有

      ………………………………………………………………（1分）

解得   …………………………………………………（1分）

（2）根据匀强电场中电势与场强的关系可得

     UAO=El sin37=…………………………………………………（2分）

（3）小球从A点沿圆弧缓慢向左拉起至与O点处于同一水平高度的过程，由动能定理有

…………………………（2分）

解得 …………………………（1分）

15．（8分）

（1）对于n匝线圈，ab边与cd边一起切割磁感线的情况，应有

           …………………………（1分）

根据闭合电路欧姆定律有 ………………………………………………（1分）

从线圈经过图示位置开始计时，圈内的电流随时间变化的函数关系式为

       ………………………………………………（1分）

（2）电路中电流的有效值为  …………………………………………（1分）

电阻R的发热功率   …………………………………………（1分）

（3）线框从此位置转过四分之一周期的过程中：

平均感应电动势   …………………………………………（1分）

平均感应电流  …………………………………………（1分）

通过电阻R的电荷量q= …………………………………………（1分）

16．（9分）

    （1）电吹风处于吹自然风工作状态时，电路中只有带动小风扇的电动机工作，故触片P与应与触点b、c接触。…………………………………………（1分）

设原线圈输入电压为U0，则变压器原、副线圈的匝数比   …（2分）

（2）电热丝的功率P =P1- P2=440W …………………………………（2分）

         电热丝中的电流 A …………………………………（1分）

（3）小风扇正常工作时的电流 …………………………………………（1分）

小风扇内阻的热功率 …………………………………………（1分）

解得小风扇的内阻 R=8 Ω  …………………………………………（1分）

17．（10分）

（1）由动能定理有

…………………………………………（1分）

解得电子刚进入偏转场时的速度大小   ……………………（1分）

（2）由几何关系可得，此时电子在磁场中的运动半径 r = 2L0  ……………（1分）

     由牛顿第二定律得   ……………………（1分）

联立两式并将速度v代入解得磁感应强度  ……………………（1分）

（3）设偏转场右边界距P点的水平距离为L

电子偏出电场时垂直初速方向的位移 ……………（1分）

电子偏出电场后到达靶上P点，在垂直初速方向的位移 ……（1分）

由几何关系有

联立两式并将速度v代入解得  ……………………（1分）

随电压的变化电子在靶上的扫描长度为 ……………………（1分）

因此靶台的最小直径d = ……………………（1分）

    18.（12分）

（1）①根据电荷守恒有

It=N1te ……………………………………………………（1分）

解得 ……………………………………………………（1分）

②设正离子的电荷量为q，单位时间内射出的正离子个数为N

由动量定理有 Ft=Ntmv ……………………………………………………（1分）

由动能定理有 ……………………………………………………（1分）

根据电流的定义有 I=Nq ……………………………………………………（1分）

联立以上几式可得 ……………………………………………………（1分）

（2）方法一 ①设单位时间内喷射出的正离子个数为N

由动量定理有 Ft=Ntmv

由功率的定义有 ……………………………………………………（1分）

由动能定理有 ……………………………………………………（1分）

联立以上几式可得 ………………………………………（1分）

F与P的关系式图像如图2所示。………………………………………（1分）

方法二

根据 ……………………………………………………（1分）

由功率的定义有 ……………………………………………………（1分）

联立以上几式可得 ………………………………………（1分）

F与P的关系式图像如图2所示。………………………………………（1分）

②由于，可得，因此推力冲量。由表达式可得，在加速正离子所消耗的能量相同的情况下，要使离子推进器提供的推力的冲量更大，可采用比荷较小的离子作推进剂，减小加速电压。……………………（2分）