第1章 情境题专项-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册同步练习（人教版2019）

练 高中物理选择性必修 第二册 （人教版） 1. 某同学通过某短视频学习制作了一个电动 机模型， 如图所示， 把电池放在圆柱形强 磁铁上， 强磁铁的导电性介于金属和半导 体之间， 其上端为 N 极， 把 “ 仔 ” 形线圈 放在电池上， 线圈可以在电池上绕竖直转 轴转动， 转动过程中线圈两个电刷 A 、 B 始终与磁铁相互接触， 下列有关说法正确 的是 （ ） A. 该线圈转动的原理是电磁感应 B. 若把磁铁固定， 从上往下看， 线圈会 顺时针转动 C. 线圈稳定转动过程中， 竖直导线没有 切割磁感线 D. 若将强磁铁两极对调， 则线框转动方 向不变 2. （多选） 某同学在老师指导下利用如图甲 装置做实验， 在固定支架上悬挂一蹄形磁 铁， 悬挂轴与一手柄固定连接， 旋转手柄 可连带磁铁一起绕轴线 OO′ 旋转， 蹄形磁 铁两磁极间有一可绕轴线 OO′ 自由旋转的 矩形线框 abcd （ cd 与轴线 OO′ 重合）。 手 柄带着磁铁以 8 rad/s 的角速度匀速旋转， 某时刻蹄形磁铁与线框平面正好重合， 如 图乙所示 ， 此时线框旋转的角速度为 6 rad/s ， 已知线框边 ab=5 cm ， ad=2 cm ， 线框所在处磁场可视为匀强磁场， 磁感应 强度大小为 B=0.4 T ， 线框匝数为 200 匝， 电阻为 1.6 赘 ， 则下列说法正确的是 （ ） A. 若手柄逆时针旋转 （俯视）， 线框将顺 时针旋转 B. 若手柄逆时针旋转 （俯视）， 在图乙时 刻线框中电流的方向为 abcda C. 在图乙时刻线框中电流的热功率为 0.016 W D. 在图乙时刻线框 bc 边受到的安培力大 小为 8×10 -4 N 3. （多选） 如图所示， 把 柔软的铝箔条折成天 桥状并用胶纸粘牢两 端固定于桌面上 ， 使 蹄形磁铁横跨过 “天 桥”， 当电池与铝箔接通时 （ ） A. 铝箔条中部向下方运动 B. 铝箔条中部向上方运动 C. 蹄形磁铁对桌面的压力增大 D. 蹄形磁铁对桌面的压力减小 4. （多选） 如图所示， 比荷为 k 的粒子从静 情境题专项 金 属 导 线 强磁铁 干 电 池 乙甲 第 1 题图 S N O O′ 线框 S N O O′ c d a b 乙甲 第 2 题图 铝箔 胶纸 按下 胶纸 S N + 第 3 题图 + A B 22 第一章 安培力与洛伦兹力 练 止开始， 经加速电场 U 加速后进入辐向 的电场 E 进行第一次筛选， 在辐向电场中 粒子做半径为 R 的匀速圆周运动， 经过 无场区从小孔 P 1 处垂直边界进入垂直纸 面向外的匀强磁场 B 中进行第二次筛选， 在与 O 2 距离为 d 小孔 P 2 垂直边界射出并 被收集。 已知静电分析器和磁分析器界面 均为四分之一圆弧， 以下叙述正确的是 （ ） A. 静电分析器 K 1 的电势高于 K 2 的电势 B. 被收集的带电粒子一定带正电 C. 电场强度 E 与磁感应强度 B 的比值关 系为 E B = R d 2kU 姨 D. 若增大 U ， 为保证 B 不变， 则被收集 粒子的 k 比原来大 5. 如图所示是一种利用电磁原理制作的充气 泵的结构示意图。 其工作原理类似于打点 计时器， 当电磁铁通入电流时， 可吸引或 排斥上部的小磁铁， 从而带动弹性金属片 对橡皮碗下面的气室施加力的作用， 达到 对外充气的效果。 请回答以下问题： （ 1 ） 当电流从电磁铁的接线柱 a 流入时， 发现吸引小磁铁向下运动， 则电磁铁 的上端为 极， 小磁铁的下端 为 极。 （ 2 ） 你认为这种充气泵是利用直流电好， 还是利用交流电好？ 。 （ 3 ） 缠绕电磁铁用的铁芯可分为硬磁性材 料和软磁性材料。 硬磁性材料在磁场 撤去后还会有很强的磁性， 而软磁性 材料在磁场撤去后就没有明显的磁性 了。 你认为这种铁芯最好用 材料制作。 6. “电磁炮” 是利用电磁力对弹体加速的新 型武器， 具有速度快、 效率高等优点， 图 示是 “电磁炮” 的原理结构示意图。 光滑 平行水平导轨间距 L=0.2 m ， 在导轨间有 竖直向上的匀强磁场， 磁感应强度 B=5× 10 2 T 。 “电磁炮” 弹体总质量 m=0.2 kg ， 所用电源的电压能自行调节， 以保证 “电 磁炮” 匀加速发射。 在某次试验发射时， 电源为加速弹体提供的电流是 I=5×10 3 A ， 不计空气阻力。 求： （ 1 ） 弹体所受安培力大小。 （ 2 ） 弹体从静止加速到 5 m/s ， 导轨长度 的最小值。 磁分析器 收集器 离子源 加速电场 静电分析器 O A K 1 U K 2 O 1 P 1 P 2 S 1 S 2 d 第 4 题图 弹性金属片 橡皮碗 气室 空气导管 固定端 小磁铁 电磁铁 a b 第 5 题图 - + 第 6 题图 23 参考答案与解析 越大， 能量越大； 磁场越强， 能量越大， 则 A 正确， C 错误； 回旋加速器是利用电场加速增大速度、 磁场偏转 来改变粒子的速度方向， B 错误； 粒子在磁场中转动两 个半圆的过程 ， 电场方向变换两次 ， 则 T 电 =2× T 磁 2 = T 磁 = 2πm qB ， D 正确。 提升练习 6. C 【解析】 直线加速过程， 根据动能定理， 有 qU= 1 2 mv 2 ① 电场中偏转过程， 根据牛顿第二定律， 有 qE= mv 2 R ② 磁场中偏转过程， 根据牛顿第二定律， 有 qvB= mv 2 r ③ 由 ①② 计算得出 v= 2qU m 姨 ④ R= 2U E ⑤ 由 ⑤ 式， 只要满足 R= 2U E ， 所有粒子都可以在弧形 电场区通过； 由 ④ 式， 比荷不同的粒子从小孔 S 进入磁 场的粒子速度大小一定不同， 故 A 错误； 由 ① 式， 从小 孔 S 进入磁场的粒子动能为 qU ， 故不同电量的粒子的 动能不同， 故 B 错误； 由 ③④ 计算得出 r= 1 B 2mU q 姨 ， 打 到胶片上同一点的粒子的比荷一定相等； 由 ④ 式， 比荷 相同， 故粒子的速度相同， 所以 C 正确； 由 ③④ 计算得 出 r= 1 B 2mU q 姨 ， 故打到胶片上位置距离 O 点越远的 粒子， 比荷越小， 故 D 错误。 7. D 【解析】 粒子在电场中加速， 根据动能定理， 有 E n =nqU ， 故 A 错误； 粒子在 A 、 B 电场中受电场力对 其做功 qU ， 使之加速， 在 A 、 B 之外时电场力又对其做 功 -qU 使其减速， 粒子绕行一周， 电场对其做的总功为 零， 能量不会增大， 故 B 错误； 粒子始终保持做半径为 R 的匀速圆周运动， T=2π R v n ， 显然因粒子能量不同， 其 速度也不同， 则周期不可能不变， 故 C 错误； 由动能定 理知 nqU= 1 2 mv 2 n ， 得到 v n = 2nqU m 姨 。 由牛顿第二定律有 mv 2 n R =qv n B n ， 计算得 B n = mv n qR ， 代 入得 B= m qR 2nqU m 姨 = 1 R 2nmU q 姨 ， 所以 D 正确。 * 8. （ 1 ） E B 1 2E B 1 B 2 D 1 （ 2 ） 6πB 2 D 1 B 1 （ 3 ） d< B 2 B 1 D 1 【解析】 （ 1 ） 速度选择器中直线 qv 0 B 1 =qE ， 解得 v 0 = E B 1 ， 分离器中粒子圆周运动的半径 r= D 1 2 ， 由 qv 0 B 2 = m v 2 0 r ， 解得 q m = 2E B 1 B 2 D 1 。 （ ２ ） 三种离子在磁场中做圆周运动周期分别为 T 1 = 2πm qB 1 = πB 2 D 1 E ， T 2 = 2π · 2m qB 1 = 2πB 2 D 1 E ， T 3 = 2π · 3m qB 1 = 3πB 2 D 1 E ， 三种离子都能通过， 则 t 0 =6T 1 ， 极板最小长度 L=v 0 t 0 = 6πB 2 D 1 B 1 。 （ ３ ） 离子在速度选择器中做圆周运动分运动的最大 半径为 d 4 ， 对三种离子都有 d 4 = m x Δv x qB 1 = mΔv 1 qB 1 = 2mΔv 2 qB 1 = 3mΔv 3 qB 1 ， 氕在分离器中的最大直径为 D m1 = 2m （ v 0 +Δv 1 ） qB 2 ， D m1 =D 1 + 2mΔv 1 qB 2 =D 1 + 2mΔv 1 qB 1 · B 1 B 2 =D 1 + d 2 · B 1 B 2 ， 同理氘的 最小直径为 D n2 =2D 1 - d 2 · B 1 B 2 ， 解得 d< B 2 B 1 D 1 ， 同理氘的 最大直径为 D m2 =2 D1 + d 2 · B 1 B 2 ， 氚的最小直径为 D n3 =3D 1 - d 2 · B 1 B 2 ， 解得 d< B 2 B 1 D 1 。 情境题专项 1. B 【解析】 根据图可知， 线框中的电流方向右半 部分向右， 而左半部分向左， 依据左手定则， 右半部分 受到向里的安培力， 而左半部分受到向外的安培力， 因 此从上向下看， 线框沿顺时针方向旋转， 该线圈转动的 原理不是电磁感应， 故 A 错误， B 正确； 线圈稳定转动 过程中， 竖直导线有切割磁感线， 故 C 错误； 若将强磁 铁两极对调， 则线框转动方向变化， 故 D 错误。 2. BC 【解析】 若手柄逆时针旋转 （俯视）， 根据楞 次定律， 知安培力将阻碍线框与磁场间的相对运动， 线 框所受的安培力使线框也逆时针旋转， A 错误； 若手柄 逆时针旋转 （俯视）， 由安培定则判断知， 此时线框中 电流的方向为 abcda ， B 正确； 在题图乙时刻， 线框中 11 第二册 （人教版）高中物理选择性必修 感应电动势 E=NBab （ v 1 -v 2 ）， 又 ab 边所在处磁场的线速 度大小 v 1 =ω 1 ad=0.16 m/s ， ab 边的线速度大小 v 2 =ω 2 ad= 0.12 m/s ， 可得 E=0.16 V ， 感应电流 I= E R =0.1 A ， 电流 的热功率 P=I 2 R=0.016 W ， C 正确； 在题图乙时刻线框 bc 边不受安培力作用， 故 D 错误。 3. BC 【解析】 由题意可知， 通过天桥的电流方向 由外向内， 而磁场方向由 N 到 S 极， 根据左手定则可 知， 箔条中部受到的安培力向上， 铝箔条中部向上方运 动； 故 A 错误， B 正确； 箔条受到磁铁的安培力向上， 根据牛顿第三定律可知箔条对磁铁的磁力向下， 则蹄形 磁铁对桌面的压力增大， 故 C 正确， D 错误。 4. BD 【解析】 在磁场中， 由左手定则可知， 粒子 带正电， 粒子在静电分析器中做匀速圆周运动， 其向心 力由电场力提供， 故其电场方向沿着半径指向圆心， 静 电分析器 K 2 的电势高于 K 1 的电势， 故 A 错误 ， B 正 确； 根据电场力提供向心力， 则有 qE=m v 2 R ， 又有电场 力加速运动， 则有 qU= 1 2 mv 2 ， 在磁场中根据洛伦兹力 提供向心力有 qvB=m v 2 d ， 联立解得 E B = d R 2kU 姨 ， 故 C 错误； 由 C 中式可知： B= 1 d 2U k 姨 ， 故若 U 增大， 为 保证 B 不变， 则被收 集粒子的 k 比原来大， 故 D 正确。 5. （ 1 ） S N （ 2 ） 交流电好 （ ３ ） 软磁性 【解析 】 （ 1 ） 由安培定则可知 ， 螺线管上端为 S 极； 小磁铁被吸引向下运动， 由异名磁极相互吸引可 知， 小磁铁的下端为 N 极。 （ 2 ） 如果用直流电， 小磁 铁要么被吸引不放， 要么被排斥而远离， 无法进行继续 充气， 故用交流电好。 （ 3 ） 因为需要连续充气， 所以 用软磁性材料制作最好。 6. （ 1 ） 5×10 5 N （ 2 ） 5 m 【解析】 （ 1 ） 在导轨通有电流 I 时， 炮弹作为导体 受到磁场施加的安培力为 F=ILB=5×10 3 ×0.2×5×10 2 N= 5×10 5 N 。 （ 2 ） 由动能定理 Fx= 1 2 mv 2 可知 ， 弹体从 静 止 加 速到 5000 m/s ， 则轨道长度至少要 x= mv 2 2F = 0.2×5000 2 2×5×10 5 m=5 m 。 章末测试 1. D 【解析】 利用左手定则， 四指指向电流方向， 磁感线穿过掌心， 大拇指所指的方向就是受力方向， 因 此 D 正确。 2. D 【解析】 由于速度方向与磁场方向垂直， 粒子 受洛伦兹力作用做匀速圆周运动， 即 qvB＝ mv 2 r ， 轨道 半径 r＝ mv qB ， 从较强磁场进入较弱磁场后， 磁感应强度 变小， 速度大小不变， 轨道半径 r 变大， 根据角速度 ω＝ v r ＝ qB m 可知角速度变小， 故 D 正确。 3. C 【解析】 两粒子做圆周运动的轨迹如图所示， 设 P 点到 MN 的距离为 L ， 由图知 b 粒子的运动轨迹半 径为 R b ＝L ， 对于 a 粒子有 L＋ R a cos60°＝R a ， 解得 R a ＝2L ， 即 两粒子的运动半径之比为 R a ∶ R b ＝2 ∶ 1 ， 粒子做圆周运动的 周期为 T＝ 2πm qB ， 由题意知 1 6 · 2πm a q a B ＝ 1 4 · 2πm b q b B ， 得 m a q a ∶ m b q b ＝3 ∶ 2 ， 粒子所受的 洛伦兹力提供其所需的向心力 ， 有 qvB＝ mv 2 R ， 得 v＝ qBR m ， 联立解得 v a v b ＝ 4 3 。 4. D 【解析 】 正电子 向右偏转， 负电子向左偏 转 ， 若正电子不从 OC 边 射出， 负电子一定不会从 OC 边射出 ， 二者运动轨 迹对应的圆心角均为 180° ， 可知二者在磁场中运动时间之比为 1 ∶ 1 ， 故 A 、 B 错误； 若负电子不从 OC 边射出且正电子也不从 OC 边射出 ， 正、 负电子在磁场中运动轨迹的圆心角都为 180° ， 可知 二者在磁场中运动的时间之比为 1 ∶ 1 ； 当负电子恰好不 从 OC 边射出时， 运动轨迹对应的圆心角为 180° ， 由几 何关系知， 此时正电子运动轨迹的圆心角为 30° ， 正负 电子在磁场中的运动的周期相等， 根据 t＝ θ 2π T 知， 正、 负电子在磁场中运动的时间之比为 1 ∶ 6 ， 故若负电子不 从 OC 边射出， 正、 负电子在磁场中的运动时间之比在 第 3 题答图 30° A C O 1 O M O 2 第 4 题答图 60° 90° N M O a a b O b P 60° 12