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2023年上海高三物理模拟卷汇编:磁现象 磁场
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一、单选题
1.(2023·上海崇明·统考二模)两个完全相同的通电圆形线圈1、2平行放置,两线圈的圆心O1、O2的连线与圆面垂直,如图所示。当两线圈中通以方向、大小都相同的恒定电流时,O1点的磁感应强度大小为B1。若保持线圈1中的电流及线圈2中的电流大小不变,仅将线圈2中电流反向,O1点的磁感应强度大小为B2,则线圈1中的电流在O2产生的磁场的磁感应强度大小为( )
A.B1B.B2C.D.
【答案】C
【详解】设线圈1中的电流和线圈2中的电流在O1处产生的磁感应强度大小分别为Ba、Bb,则当两电流同向时有
当二者反向时
可解得
根据对称性,线圈2在O1处产生的磁感应强度大小与线圈1在O2处产生的磁感应强度大小相等,所以线圈1中的电流在O2产生的磁场的磁感应强度大小等于。
故选C。
2.(2023·上海闵行·统考二模)下列物理量是矢量的是( )
A.功B.重力势能
C.速度的变化量D.磁通量
【答案】C
【详解】ABD.功、重力势能和磁通量都只有大小没有方向,是标量,故ABD错误;
C.速度的变化量既有大小又有方向,是矢量,故C正确。
故选C。
3.(2023·上海崇明·统考二模)如图,两条平行长直导线a和b固定在光滑的绝缘水平桌面上,均通以电流。矩形金属线框位于两条导线的正中间,通以逆时针方向的电流。若线框在a、b产生的磁场作用下静止,则a、b的电流可能是( )
A.大小相等,方向相同B.大小不等,方向相同
C.大小相等,方向相反D.大小不等,方向相反
【答案】C
【详解】A.若a、b电流大小相等,方向向左,根据安培定则以及磁场叠加可知,在线框上边所在处的磁场方向垂直与纸面向外,在线框下边所在处的磁场方向垂直于纸面向里,根据左手定则,线框上边所受的安培力向上,下边所受的安培力也向上,则线框不能处于静止状态,同理电流大小相等,方向向右线框也不能静止,A错误;
B.通以大小不等的电流,方向相同,若a导线电流大于b导线电流,根据右手定则和场强叠加原理,可能使得线框上边与下边磁场相反,电流也相反,安培力方向相同,不平衡;也可能上下边所处的磁场方向相同,但通过通电直导线感应磁场分布的特点可知,上边的磁场强度大于下边的磁场强度,线框的上下边电流相同,故线框上边安培力大于下边安培力,受力不平衡,若a导线电流小于b导线电流,同理分析,B错误;
C.若电流大小相等,a的电流向左,b的电流向右,由右手螺旋定则和场强叠加原理可知上下边所处的磁场强度大小和方向都相同,电流相反,安培力等大反向,故受力平衡,C正确;
D.若电流大小不相等,a的电流向左,b的电流向右,由右手螺旋定则和场强叠加原理可知上下边所处的磁场强度方向相同,大小不等,电流相反等大,安培力反向不等大,故受力不平衡,D错误。
故选C。
4.(2023·上海浦东新·统考二模)磁感应强度的单位用国际单位制基本单位可表示为( )
A.B.C.D.T
【答案】A
【详解】根据题意,由磁感应强度的定义式可知
则单位用国际单位制基本单位可表示为
故选A。
5.(2023·上海奉贤·统考二模)反亥姆霍兹线圈是冷原子实验室中的科研装置,结构如图所示。一对完全相同的圆形线圈,共轴放置。已知O为装置中心点,a、b、c、d点到O点距离相等,直线与线圈轴线重合,直线与轴线垂直。现两线圈内通入大小相等且方向相反的电流,则( )
A.两线圈间为匀强磁场B.O点的磁感应强度为零
C.a、c两点的磁感应强度相同D.b、d两点的磁感应强度相同
【答案】B
【详解】B.根据安培定则,左侧线圈产生的磁场在b、d点处的磁感应强度方向整体向右,右侧线圈产生的磁场在b、d点处的磁感应强度方向整体向左,由于两线圈内通入的电流大小相等,根据对称性可知,两线圈在O点产生的磁场的磁感应强度大小相等,方向相反,则O点的磁感应强度为零,B正确;
A.根据上述O点的磁感应强度为零,可知两线圈间的磁场不是匀强磁场,A错误;
C.根据环形电流磁场的磁感线分布规律可知,左侧线圈在a点的磁场方向斜向右下方,在c点的磁场方向斜向右上方,右侧线圈在a点的磁场方向斜向左下方,在c点的磁场方向斜向左上方,根据对称性结合磁场叠加可知,两线圈在a、c两点的磁感应强度大小相等,方向相反,即a、c两点的磁感应强度不相同,C错误;
D.根据环形电流磁场的磁感线分布规律可知,左侧线圈在b、d两点的磁场方向均向右,右侧线圈在b、d两点的磁场方向均向左,根据对称性结合磁场叠加可知,b、d两点的磁感应强度大小相等,方向相反,即b、d两点的磁感应强度不相同,D错误。
故选B。
6.(2023·上海宝山·统考一模)如图所示,均匀绕制的螺线管水平放置,在其正中心的上方附近用绝缘绳水平吊起通电直导线A,A与螺线管垂直,A导线中的电流方向垂直纸面向里,开关S闭合,A受到通电螺线管磁场的作用力的方向是( )
A.水平向左B.水平向右C.竖直向下D.竖直向上
【答案】D
【详解】首先根据安培定则判断通电螺线管的磁场,右端等效为磁铁的N极,左端为S极,则A处产生的磁场方向为水平向左。再根据左手定则判断可知:A受到通电螺线管磁场的作用力的方向为竖直向上,故ABC错误,D正确。
故选D。
二、填空题
7.(2023·上海金山·统考二模)已知环形电流在圆心处的磁感应强度大小与其半径成反比。纸面内闭合线圈由两个相同的同心半圆电阻丝构成,电流从A流入,由B流出,如图所示。流经上半圆的电流在圆心O点产生磁场的磁感应强度为B,方向______;线圈中电流在O点产生磁场的磁感应强度大小为______。
【答案】 垂直纸面向里 0
【详解】[1]根据右手螺旋定则可知流经上半圆的电流在圆心O点产生磁场的方向垂直纸面向里。
[2]上下半圆中电流大小相等,在O点处产生的磁场大小相等,方向相反,合场强为0,线圈中电流在O点产生磁场的磁感应强度大小为。
8.(2023·上海宝山·统考二模)三根电阻相同的电阻丝连接成一个闭合的正三角形线框,O为正三角形线框的中心。当强度为I的电流从a点流入c点流出时,ac边在O点产生的磁场方向为___________(选填:“垂直于纸面向里”或“垂直于纸面向外”)。已知通电直导线在O点产生磁场的磁感应强度与导线中的电流强度成正比,若ac边在O点产生的磁场磁感应强度为B,则整个线框在O点产生的磁场磁感应强度大小为___________。
【答案】 垂直于纸面向里 0
【详解】[1]当电流从a点流入c点流出时,根据右手螺旋定则可知,ac边在O点产生的磁场方向为垂直于纸面向里;
[2]三根电阻相同的电阻丝,ab与bc串联,再与ac并联,所以ab与bc中的电流为ac中的一半,又因为通电直导线在O点产生磁场的磁感应强度与导线中的电流强度成正比,根据安培定则和矢量的叠加原理可知,ab与bc中的电流在O点产生的磁场垂直纸面向外,磁感应强度与ac边在O点产生的磁感应强度相等,所以整个线框在O点产生的磁场磁感应强度大小为0。
9.(2023·上海宝山·统考二模)如图甲所示,一竖直放置的载流长直导线和abcd矩形导线框固定在同一竖直平面内,线框在长直导线右侧,且其长边与长直导线平行。在t=0到t=t1时间内,长直导线中电流i随时间变化如图乙所示,图中箭头表示电流i的正方向,则线框中感应电流的方向为___________;线框受到的安培力方向为___________。
【答案】 沿adcba方向 先水平向左,后水平向右
【详解】[1]根据右手螺旋定则,可知长直导线在右侧产生的磁场方向垂直纸面向里,又因为电流先变小后反向增大,所以穿过闭合回路的磁通量先是垂直纸面向里在减少,后是垂直纸面向外的再增加,根据楞次定律可知,线圈中产生沿adcba方向的电流;
[2]根据左手定则可知,线框的ad边初始受到向左的安培力,bc边受到向右的安培力,又因为ad边离直导线较近,所以受到的安培力较大,线框受到的安培力的合力水平向左;之后直导线中的电流反向增大,同理,线框的ad边受到向右的安培力,bc边受到向左的安培力,又因为ad边离直导线较近,所以受到的安培力较大,线框受到的安培力合力水平向右。故线框受到的安培力先是水平向左,后是水平向右。
10.(2023·上海黄浦·上海市大同中学统考二模)四根完全相同的长直导线互相平行,它们的截面处于正方形abcd的四个顶点,导线中都通有大小相同的电流,方向如图所示。正方形对角线的交点为O,通电导线a在O点产生的磁感应强度为B,四根通电导线在O点产生磁场的磁感应强度大小为___________,方向为___________。
【答案】 2B 由O指向b
【详解】[1]据安培定则可得通电电流的磁场方向如图所示
正方形abcd的四个顶点,导线中都通有大小相同的电流,通电导线a在O点产生的磁感应强度为B,所以通电导线bcd在O点产生的磁感应强度均为B,由矢量叠加可得四根通电导线在O点产生磁场的磁感应强度大小为
[2]由叠加原理可得O点产生磁场的方向为由O指向b。
11.(2023·上海徐汇·统考二模)三根平行长直导线a、b、c中,通有大小相等、方向如图所示的恒定电流。其中a、b固定,c从a、b连线中点出发,沿a、b连线的中垂线方向逐渐远离a、b。运动过程中,c所在位置磁感强度的大小将________,c受到的安培力对c的做功情况是:________。
【答案】 先增大后减小 一直做正功
【详解】[1]根据右手定则可知a、b导线在连线的中点处的合磁感应强度为零,在中垂线的右侧合磁感应强度垂直于中垂线竖直向上,在离a、b导线无穷远处合磁感应强度为零,所以运动过程中,c所在位置磁感强度的大小将先增大后减小;
[2]根据右手定则可知c导线受到的安培力水平向右,所以安培力一直做正功。
12.(2023·上海浦东新·统考一模)在“研究通电螺线管的磁感应强度”实验中,得到如图所示的图线。由图可知,螺线管内中央处的磁感应强度大小约为__________T,若螺线管内的横截面积为,则穿过中央横截面的磁通量约为__________。
【答案】
【详解】[1]螺线管内中央区域附近磁感应强度不变,由图可知,中央处的磁感应强度大小约为。
[2]穿过中央横截面的磁通量约为
13.(2023·上海·一模)载流长直导线周围磁场的磁感应强度大小为,式中常量,为电流强度,r为距导线的距离。在水平长直导线MN正下方,矩形线圈abcd通以逆时针方向的恒定电流,被两根轻质绝缘细线静止地悬挂,如图所示。
开始时MN内不通电流,此时两细线内的张力均为。当MN通以强度为的电流时,两细线内的张力均减小为,当MN内电流强度变为时,两细线内的张力均大于。
当MN分别通以强度为、的电流时,线框受到的安培力与大小之比___________。当MN内的电流强度为时两细线恰好断裂,在此瞬间线圈的加速度大小为a,则等于___________。
【答案】
【详解】[1]当MN通以强度为的电流时,两细线内的张力均减小为,知此时线框所受安培力合力方向竖直向上,则ab边所受的安培力向上,cd边所受安培力方向向下,线圈所受安培力大小为
当MN通以强度为的电流时,两细线内的张力均大于,则此时ab边所受的安培力向下,cd边所受安培力方向向上,线圈所受安培力大小为
所以
[2]根据平衡条件
细线恰好断裂,说明安培力向下
根据[1]结论
三、实验题
14.(2023·上海杨浦·统考二模)如图所示是“用DIS研究通电螺线管的磁感应强度”的实验装置。
(1)图中螺线管应接________(选填“低压直流电源”或“低压交流电源”),通电后螺线管产生的磁场可视作多个________的组合;
(2)已知当磁传感器的探管指向与磁感线方向相同时,测量值为正值。图中磁传感器测得的磁场值为负值,则通电螺线管的右端相当于磁铁的________极;
(3)我们也可以利用地磁场来估测磁极远端的磁感应强度。上海某中学实验室里,小明同学将罗盘放置在水平桌面上,待罗盘中的小磁针静止时,记录其N极的指向并绘制一条虚线a。再将条形磁铁放在同一水平桌面上,条形磁铁的轴线垂直于虚线a且通过小磁针的转轴,观测到小磁针的N极偏离原来的方位转过角,如图所示,已知上海地区地磁场的磁感应强度水平分量为,则条形磁铁的________极指向小磁针,其在小磁针处产生的磁感应强度大小约为________。
【答案】 电压直流电源 环形电流产生的磁场 N S
【详解】(1)[1] 螺线管应接低压直流电源,产生的磁场是稳定的,若接低压交流电源,则产生的磁场是变化的;
[2]螺线管产生的磁场可视作多个环形电流产生的磁场的组合;
(2)[3]由题可知,当磁传感器的探管指向与磁感线方向相同时,测量值为正值,电螺线管的左端相当于磁铁的N极,当磁传感器测得的磁场值为负值,则通电螺线管的右端相当于磁铁的N极。
(3)[4][5]由题可知
条形磁铁在小磁针处的磁场方向如图所示,故条形磁铁的S极指向小磁针,其在小磁针处产生的磁感应强度大小约为
15.(2023·上海黄浦·上海市大同中学统考一模)利用智能手机中的磁传感器可以测量磁感应强度B。如图,在手机上建立直角坐标系,手机显示屏所在平面为xOy面。某同学在某地对地磁场进行了五次测量,每次测量时y轴指向不同方向而z轴正向保持竖直向上。当磁感应强度沿坐标轴各分量方向与坐标轴的正方向一致时软件读数为正,反之读数为负。根据表中测量结果可推理得测量地点位于______半球(选填“南”或“北”),当地的地磁场大小约为________μT。(保留2位有效数字)
【答案】 北 44/45
【详解】[1]地磁场分别如图所示
地球可视为一个大磁场,磁场南极大致在地理北极附近,磁场北极在地理南极附近。由表中z轴数据可看出z轴的磁场竖直向下,则测量地点应位于北半球。
[2]磁感应强度为矢量,由表格中可得处当地的地磁场大小约为
16.(2023·上海浦东新·统考一模)利用手机中的磁传感器可测量埋在地下的水平高压直流长直电缆的深度。在手机上建立了空间直角坐标系后保持方位不变,且始终竖直向上,如图(a)所示。电缆上方的水平地面上有E、F、G、H四个点,如图(b)所示。长均为且垂直平分。电缆通电前将各分量调零,通电后测得四点的分量数据见表,其中。则电缆中电流沿____________(选填“”、“”、“”或“”)方向,距离地面的深度为__________m。
【答案】 1.2
【详解】[1]如图所示为通电直导线周围的磁感线示意图
由题中数据可知,E、F两点水平方向的磁感应强度大小相等,方向均沿+x方向,竖直方向的磁感应强度大小相等,E点沿+z方向分量与F点沿-z方向分量相等,结合G、H两点在y、z方向磁感应强度均为零可知E、F点位置如图所示,G、H在EF的中垂线上,故电缆中电流沿方向。
[2]F点的磁感应强度分解如图所示
可得
EF长为,由几何关系可得
解得距离地面的深度为
测量序号
B/μT
B/μT
B/μT
1
0
30
−32
2
0
−29
−33
3
29
0
−33
4
−29
0
−33
5
−30
0
−32
方位
E
8
0
6
F
8
0
G
0
0
H
0
0