2021届高考物理（全国通用）精练 第九章 磁场 Word版含答案

这是一份2021届高考物理（全国通用）精练 第九章 磁场 Word版含答案，共14页。试卷主要包含了ABD等内容，欢迎下载使用。
1．本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，共4页．
2．答卷前，考生务必用蓝、黑色字迹的钢笔或圆珠笔将自己的姓名、班级、学号填写在相应位置上．
3．本次考试时间90分钟，满分100分．
4．请在密封线内作答，保持试卷清洁完整．
第Ⅰ卷(选择题，共48分)
一、选择题(本题共12小题，每小题4分，共48分．在每小题给出的四个选项中，第1～6题只有一个选项正确，第7～12题有多项正确，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不选的得0分)
1．将一个质量很小的金属圆环用细线吊起来，在其附近放一块条形磁铁，磁铁的轴线与圆环在同一平面内，且通过圆环中心，如图1所示，当圆环中通以顺时针方向的电流时，从上往下看( )
图1
A．圆环顺时针转动，靠近磁铁B．圆环顺时针转动，远离磁铁
C．圆环逆时针转动，靠近磁铁D．圆环逆时针转动，远离磁铁
2．将长为L的导线弯成六分之一圆弧，固定于垂直于纸面向外、大小为B的匀强磁场中，两端点A、C连线竖直，如图2所示．若给导线通以由A到C、大小为I的恒定电流，则导线所受安培力的大小和方向是( )
图2
A．ILB，水平向左B．ILB，水平向右
C.eq \f(3ILB,π)，水平向右D.eq \f(3ILB,π)，水平向左
3．如图3所示，M、N和P是以MN为直径的半圆弧上的三点，O为半圆弧的圆心，∠MOP＝60°，在M、N处各有一条长直导线垂直穿过纸面，导线中通有大小相等的恒定电流，方向如图所示，这时O点的磁感应强度大小为B1.若将M处长直导线移至P处，则O点的磁感应强度大小为B2，那么B2与B1之比为( )
图3
A.eq \r(3)∶1B.eq \r(3)∶2C．1∶1D．1∶2
4．某空间有一圆柱形匀强磁场区域，磁感应强度大小为B.该区域的横截面的半径为R，磁场方向垂直于横截面．一质量为m、电荷量为q(q＞0)的粒子以某一速率沿横截面的某直径射入磁场，离开磁场时速度方向偏离入射方向74°.不计重力，则初速度v0大小为(已知sin37°＝eq \f(3,5))( )
A.eq \f(4qBR,3m)B.eq \f(5qBR,3m)C.eq \f(3qBR,4m)D.eq \f(3qBR,5m)
5．带电粒子以初速度v0从a点垂直y轴进入匀强磁场，如图4所示．运动中经过b点，Oa＝Ob，若撤去磁场加一个与y轴平行的匀强电场，仍以v0从a点垂直于y轴进入电场，粒子仍能通过b点，不考虑粒子重力，那么电场强度E与磁感应强度B之比为( )
图4
A．v0B．1C．2v0D.eq \f(v0,2)
6．如图5所示，abcd为一正方形边界的匀强磁场区域，磁场边界边长为L，三个粒子以相同的速度从a点沿ac方向射入，粒子1从b点射出，粒子2从c点射出，粒子3从cd边垂直于磁场边界射出，不考虑粒子的重力和粒子间的相互作用．根据以上信息，可以确定( )
图5
A．粒子1带负电，粒子2不带电，粒子3带正电
B．粒子1和粒子3的比荷之比为2∶1
C．粒子1和粒子3在磁场中运动时间之比为4∶1
D．粒子3的射出位置与d点相距eq \f(L,2)
7．如图6所示，带正电的A粒子和B粒子先后以同样大小的速度从宽度为d的有界匀强磁场的边界上的O点分别以30°和60°(与边界的夹角)射入磁场，又都恰好不从另一边界飞出，则下列说法中正确的是( )
图6
A．A、B两粒子在磁场中做圆周运动的半径之比是eq \f(1,\r(3))
B．A、B两粒子在磁场中做圆周运动的半径之比是eq \f(3,2＋\r(3))
C．A、B两粒子eq \f(m,q)之比是eq \f(1,\r(3))
D．A、B两粒子eq \f(m,q)之比是eq \f(3,2＋\r(3))
8.如图7所示为一个质量为m、电荷量为＋q的圆环，可在水平放置的粗糙细杆上自由滑动，细杆处在磁感应强度为B的匀强磁场中，圆环以初速度v0向右运动直至处于平衡状态，则圆环克服摩擦力做的功可能为( )
图7
A．0B.eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)
C.eq \f(m2g2,2q2B2)D.eq \f(1,2)m(veq \\al(2,0)－eq \f(m2g2,q2B2))
9．如图8所示，在平板PQ上有一匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里．某时刻有a、b、c三个电子(不计重力)分别以大小相等、方向如图所示的初速度va、vb和vc经过平板PQ上的小孔O射入匀强磁场．这三个电子打到平板PQ上的位置到小孔O的距离分别是la、lb和lc，电子在磁场中运动的时间分别为ta、tb和tc.整个装置放在真空中，则下列判断正确的是( )
图8
A．la＝lc＜lbB．la＜lb＜lc
C．ta＜tb＜tcD．ta＞tb＞tc
10．如图9所示，在x轴上的上方有沿y轴负方向的匀强电场，电场强度为E，在x轴下方的等腰直角三角形CDM区域内有垂直于xOy平面向外的匀强磁场，磁感应强度为B，其中C、D在x轴上，它们到原点O的距离均为a.现将质量为m、带电荷量为＋q的粒子从y轴上的P点由静止释放，设P点到O点的距离为h，不计重力作用与空气阻力的影响．下列说法正确的是( )
图9
A．若h＝eq \f(B2a2q,2mE)，则粒子垂直于CM射出磁场
B．若h＝eq \f(B2a2q,2mE)，则粒子平行于x轴射出磁场
C．若h＝eq \f(B2a2q,8mE)，则粒子垂直于CM射出磁场
D．若h＝eq \f(B2a2q,8mE)，则粒子平行于x轴射出磁场
11．如图10所示，竖直放置的两块很大的平行金属板a、b，相距为d，a、b间的电场强度为E，今有一带正电的微粒从a板下边缘以初速度v0竖直向上射入电场，当它飞到b板时，速度大小不变，而方向变为水平方向，且刚好从高度也为d的狭缝进入bc区域，bc区域的宽度也为d，所加电场的场强大小为E，方向竖直向上，磁感应强度方向垂直纸面向里，磁场磁感应强度大小等于eq \f(E,v0)，重力加速度为g，则下列关于微粒运动的说法正确的是( )
图10
A．微粒在ab区域的运动时间为eq \f(v0,g)
B．微粒在bc区域中做匀速圆周运动，圆周半径r＝2d
C．微粒在bc区域中做匀速圆周运动，运动时间为eq \f(πd,6v0)
D．微粒在ab、bc区域中运动的总时间为eq \f((π＋6)d,3v0)
12．如图11所示，两个倾角分别为30°和60°的光滑斜面固定于水平面上，并处于方向垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中．两个质量均为m、带电荷量均为＋q的小滑块甲和乙分别从两个斜面顶端由静止释放，运动一段时间后，两小滑块都将飞离斜面，在此过程中( )
图11
A．甲滑块飞离斜面瞬间的速度比乙滑块飞离斜面瞬间的速度大
B．甲滑块在斜面上运动的时间比乙滑块在斜面上运动的时间短
C．甲滑块在斜面上运动的位移与乙滑块在斜面上运动的位移大小相同
D．两滑落块在斜面上运动的过程中，重力的平均功率相等
第Ⅱ卷(非选择题，共52分)
二、非选择题(共52分)
13．(9分)霍尔效应是电磁基本现象之一，近期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性进展．如图12所示，在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，在M、N间出现电压UH，这个现象称为霍尔效应，UH为霍尔电压，且满足UH＝keq \f(IB,d)，式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数．某同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数．
图12
(1)若该半导体材料是空穴(可视为带正电粒子)导电，电流与磁场方向如图所示，该同学用电压表测量UH时，应将电压表的“＋”接线柱与______(选填“M”或“N”)端通过导线连接．
(2)已知薄片厚度d＝0.40mm，该同学保持磁感应强度B＝0.10T不变，改变电流I的大小，测量相应的UH值，记录数据如下表表示.
根据表中数据在图13中的坐标纸上画出UH－I图线，利用图线求出该材料的霍尔系数为____________×10－3V·m·A－1·T－1(保留2位有效数字)．
图13
(3)该同学查阅资料发现，使半导体薄片中的电流反向再次测量，取两个方向测量的平均值，可以减小霍尔系数的测量误差，为此该同学设计了如图14所示的测量电路．S1、S2均为单刀双掷开关，虚线框内为半导体薄片(未画出)．为使电流自Q端流入，P端流出，应将S1掷向______(选填“a”或“b”)，S2掷向______(选填“c”或“d”)．
图14
为了保证测量安全，该同学改进了测量电路，将一合适的定值电阻串接在电路中．在保持其他连接不变的情况下，该定值电阻应串接在相邻器件________和________(填器件代号)之间．
14．(9分)如图15所示，在水平地面上固定一对与水平面夹角为α的光滑平行导电轨道，轨道间的距离为l，两轨道底端的连线与轨道垂直，顶端接有电源．将一根质量为m的直导体棒ab放在两轨道上，且与两轨道垂直．已知轨道和导体棒的电阻及电源的内电阻均不能忽略，通过导体棒的恒定电流大小为I，方向由a到b，图乙为图甲沿a→b方向观察的平面图．若重力加速度为g，在轨道所在空间加一竖直向上的匀强磁场，使导体棒在轨道上保持静止．
图15
(1)请在图乙所示的平面图中画出导体棒受力的示意图；
(2)求出磁场对导体棒的安培力的大小；
(3)如果改变导轨所在空间的磁场方向，试确定使导体棒在轨道上保持静止的匀强磁场磁感应强度B的最小值的大小和方向．
15．(10分)在直径为d的圆形区域内存在着匀强磁场，磁感应强度为B，磁场方向垂直于圆面指向纸外．一电荷量为q、质量为m的带正电粒子，从磁场区域的一条直径AC上的A点沿纸面射入磁场，其速度方向与AC成α＝15°角，如图16所示．若此粒子在磁场区域运动的过程中，速度的方向一共改变了90°.重力可忽略不计，求：
图16
(1)该粒子在磁场区域内运动所用的时间t；
(2)该粒子射入时的速度大小v.
16．(12分)如图17所示，在平面直角坐标系中AO是∠xOy的角平分线，x轴上方存在水平向左的匀强电场，下方存在竖直向上的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，两电场的电场强度大小相等．一质量为m、电荷量为＋q的质点从OA上的M点由静止释放，质点恰能沿AO运动而通过O点，经偏转后从x轴上的C点进入第一象限内并击中AO上的D点(C，D均未画出)．已知OD＝eq \f(3,4)OM，匀强磁场的磁感应强度大小为B＝eq \f(m,q)(T)，重力加速度为g＝10m/s2.求：
图17
(1)两匀强电场的电场强度E的大小；
(2)OM的长度L；
(3)质点从M点出发到击中D点所经历的时间t.
17．(12分)如图18所示，竖直平面坐标系xOy的第一象限有垂直xOy面向外的水平匀强磁场和竖直向上的匀强电场，大小分别为B和E；第四象限有垂直xOy面向里的水平匀强电场，大小也为E；第三象限内有一绝缘光滑竖直放置的半径为R的半圆轨道，轨道最高点与坐标原点O相切，最低点与绝缘光滑水平面相切于N，一质量为m的带电小球从y轴上(y＞0)的P点沿x轴正方向进入第一象限后做圆周运动，恰好通过坐标原点O，且水平切入半圆轨道并沿轨道内侧运动，过N点水平进入第四象限，并在电场中运动(已知重力加速度为g)．
图18
(1)判断小球的带电性质并求出其所带电荷量；
(2)P点距坐标原点O至少多高；
(3)若该小球以满足(2)中OP最小值的位置和对应速度进入第一象限，通过N点开始计时，经时间t＝2eq \r(\f(R,g))小球距坐标原点O的距离s为多远？
答案精析
1．C
2．D
3．B
4．A
5．C
6．B
7．BD
8．ABD
9．AD
10．AD
11．ABD
12．AD
13．(1)M (2)见解析图 1.5(1.4～1.6均可) (3)b c S1 E(或E S2)
解析 (1)根据左手定则可判断带正粒子向M端偏转，故应将电压表的“＋”接线柱与M端连接．
(2)作出UH－I图线如图所示．由UH＝keq \f(IB,d)得k＝eq \f(UHd,IB)，求出图线斜率，再将题目中给出的B、d的值代入，可计算出k＝1.5×10－3V·m·A－1·T－1.
(3)S1掷向b，S2掷向c.加入定值电阻的目的是为了防止两个开关同时掷向a、c或b、d而将电源短路，故应将定值电阻串接在相邻器件E和S1或E和S2之间．
14．(1)见解析图 (2)mgtanα (3)eq \f(mgsinα,Il)，方向垂直于轨道平面向上
解析 (1)如图所示．
(2)根据共点力平衡条件可知，磁场对导体棒的安培力的大小F＝mgtanα.
(3)要使磁感应强度最小，则要求安培力最小．根据受力情况可知，最小安培力Fmin＝mgsinα，方向平行于轨道斜向上，所以最小磁感应强度Bmin＝eq \f(Fmin,Il)＝eq \f(mgsinα,Il)，根据左手定则可判断出，此时的磁感应强度的方向为垂直于轨道平面向上．
15．(1)eq \f(πm,2qB) (2)eq \f(\r(6)qBd,4m)
解析 (1)粒子在匀强磁场中运动的周期：T＝eq \f(2πm,qB)
带正电粒子的速度方向改变了90°，所用的时间：
t＝eq \f(T,4)＝eq \f(πm,2qB)
(2)设粒子做圆周运动的半径为r，则粒子的运动情况如图所示．
由几何关系知，△AOD是等腰直角三角形．
所以AD＝eq \r(2)r
在△CAD中，∠CAD＝90°－α－∠OAD＝30°，则AD＝dcs30°＝eq \f(\r(3),2)d
解得半径r＝eq \f(\r(6),4)d
又因为qvB＝meq \f(v2,r)
因此粒子射入时的速度大小v＝eq \f(\r(6)qBd,4m).
16．(1)eq \f(mg,q) (2)20eq \r(2)m或eq \f(20\r(2),9)m (3)7.71s或6.38s
解析 (1)质点在第一象限内受重力和水平向左的电场力作用沿AO做加速直线运动，所以有mg＝qE，即E＝eq \f(mg,q)
(2)质点在x轴下方，重力与电场力平衡，质点做匀速圆周运动，从C点进入第一象限后做类平抛运动，其轨迹如图所示．有Bqv＝meq \f(v2,R)
由运动学规律知v2＝2aL，a＝eq \r(2)g
设粒子从C点运动到D点所用时间为t3，
由类平抛运动规律知
R＝vt3，R－eq \f(3L,4)＝eq \f(1,2)ateq \\al(2,3)
联立解得L＝20eq \r(2)m或eq \f(20\r(2),9)m.
(3)质点做匀加速直线运动有L＝eq \f(1,2)ateq \\al(2,1)
得t1＝2s或eq \f(2,3)s
质点做匀速圆周运动有t2＝eq \f(3,4)×eq \f(2πm,Bq)＝4.71s
质点做类平抛运动有R＝vt3，得t3＝1s
质点从M点出发到击中D点所经历的时间为
t＝t1＋t2＋t3＝7.71s或6.38s.
17．(1)带正电 eq \f(mg,E) (2)eq \f(2E,B)eq \r(\f(R,g)) (3)2eq \r(7)R
解析 (1)小球进入第一象限正交的电场和磁场后，在垂直磁场的平面内做圆周运动，说明重力与电场力平衡，设小球所带电荷量为q，则有
qE＝mg①
解得q＝eq \f(mg,E)②
又电场方向竖直向上，故小球带正电．
(2)设小球做匀速圆周运动的速度为v、轨道半径为r.由洛伦兹力提供向心力得
qBv＝eq \f(mv2,r)③
小球通过半圆轨道的最高点并恰能沿轨道运动，为满足题目要求，则有
mg＝eq \f(mv2,R)④
由②③④得r＝eq \f(E,B)eq \r(\f(R,g))⑤
即PO的最小距离为y＝2r＝eq \f(2E,B)eq \r(\f(R,g)).
(3)设小球到达N点的速度为vN，由机械能守恒定律得：
mg·2R＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,N)－eq \f(1,2)mv2⑦
由④⑦解得：vN＝eq \r(5gR)⑧
小球从N点进入电场区域后，在绝缘光滑水平面上做类平抛运动，设加速度为a，则有
沿x轴方向x＝vNt⑨
沿电场方向z＝eq \f(1,2)at2⑩
由牛顿第二定律得：a＝eq \f(qE,m)⑪
t时刻小球距O点为
s＝eq \r(x2＋(2R)2＋z2)＝2eq \r(7)R⑫
I/×10－3A
3.0
6.0
9.0
12.0
15.0
18.0
UH/×10－3V
1.1
1.9
3.4
4.5
6.2
6.8