2021年第十四届中学生数理化生综合实践活动应用知识展示高二物理应用知识展示试题（A卷）

第十四届中学生数理化综合实践活动 高二年级物理应用知识展示试题 参考答案及评分标准 （选择题每小题6分，共计48分） 1.C 2.A 3.D 解析：根据题意，区电场能使逸出的自由电子向运动，因负电荷受到的电场力与电场方向相反，所以电场方向由指向，由于电流的方向与负电荷的运动方向相反，所以电源内部的电流方向由指向，故A、B错误； 根据以上对电流方向的分析可知，为电源正极，该电池是将光能转化为电能的装置，C错误，D正确。故选 D。   4. D 解析：A．电子能沿等势面C做匀速圆周运动，受到的电场力指向圆心，故场强从C指向A，A球面电势比B球面电势低，A错误， B．电子在AB间受到的电场力总是指向O点，故加速度是变化的，在偏转电场中做的是非匀变速运动，B错误 C．由场强公式可知，AC与CB距离d相等，AC区域场强E较小，故电势差较小，即 化简可得，C错误 D．动能为Ek0的电子沿等势面C做匀速圆周运动到达N板的正中间，由牛顿第二定律可得 由题意可得 联立可得，等势面C所在处电场强度的大小为，D正确 5. C 解析：A．由左手定则可知，金属中的自由电子受洛伦兹力方向指向极板M，则电子偏向M极板，即M为负、N为正， 当达到平衡时 联立解得 选项C正确，D错误。 故选C。 6、B 解析：A．由于电刷E是金属针状的，故正电荷从电刷E上被喷射到传送带，其实质是尖端放电，A正确，不符合题意； BC．由于感应起电和电晕放电作用，电刷F上将集聚大量正电荷，最终球壳上集聚的是正电荷，且分布在球壳的外表面，B错误，符合题意，C正确，不符合题意； D．整个起电过程满足电荷守恒定律，D正确，不符合题意。 7、 C 解析：小球第一次沿轨道下滑的过程中，小球所受电场力等于其重力的倍，即，电场力垂直于轨道方向的分量为，重力垂直于轨道方向的分量为，则，因此，电场力与重力的合力方向恰好沿着方向，且刚开始时小球与管壁无作用力。当小球从静止运动后，由左手定则可知，小球受到的洛伦兹力垂直于向上，导致小球对管壁有作用力，小球将受到滑动摩擦力，随着速度增大，洛伦兹力增大，小球对管壁的压力，摩擦力增大，合力减小，根据牛顿第二定律可知小球做加速度减小的加速运动，当加速度减至零时做匀速运动，故错误； 、对小球在点受力分析，且由向运动，由牛顿第二定律，则有： 由到点，由机械能守恒定律，有：； 由上综合而得：，由牛顿第三定律知，小球经过点时，对轨道的弹力最小为，不可能，故错误； 、最终小球在间做往复运动，在点和点速度为零。从开始到最终速度为零的点或点，根据动能定理得：，解得：经足够长时间，小球克服摩擦力做的总功，故正确； 、当小球的摩擦力与重力及电场力的合力大小相等时，小球做匀速直线运动，小球在轨道内受到的摩擦力最大，摩擦力最大值为，摩擦力不可能大于，故错误。 故选：。 8.B 解析：水竖直方向运动的最大高度约为，水从电动机喷出的速度为，根据机械能守恒：， 解得： 时间内喷出水的质量为： 喷出水的动能为： 电动机输出功率 解得： 故正确，错误。 故选：。 9. （8分） 解析：处导线在处产生的磁感应强度大小为，，设正方形的边长为，则在产生的磁感应强度大小为，根据安培定则可知，方向由到。 同理，在产生的磁感应强度大小为，方向由到；在点产生的磁感应强度大小为，方向由到， 如图所示： 根据矢量合成得的磁感应强度大小： 10. （8分） 解析：设火星的质量为，火星表面的重力加速度为，火星表面的物体受到的重力等于万有引力，即：， 对物体，由牛顿第二定律当探测器上升到距火星表面高度为火星半径的时：， 解得 探测器上升到距火星表面高度为火星半径的时：， 联立解得： 11、（8分） 解析：该题根据平行板电容器在电荷量不变的情况下，其两端电压随板间距离变化而变化，从而把力学量（压强p）转化为电学量（电压）来测量。因为，，，则 所以 Δd= 又 F=pS，2kΔd=pS 则 12、 (1)不是　1.50　5.6　(2)7.1×10-2 （7.0×10-2-8.0×10-2均算正确）（每空3分） 解析： (1)根据电源的U-I图象表示电源的内阻,由图象可知,图象的斜率不是定值,故电源的内阻不是定值;由图丙可知量程为0~3 V,读数要估读一位,故此时电压表的读数为1.50 V;由曲线a知在路端电压为1.5 V时,电路中的电流为I=0.25 A,根据闭合电路欧姆定律得E=U+Ir 可得r=5.6 Ω (2)由曲线a知,路端电压为2.5 V时,对应的电流为I1=0.1 A,设滑动变阻器接入电路的阻值为R,由欧姆定律得I1(R+R0)=2.5 V 代入数据得R+R0=25 Ω，将此电阻U-I先画在图像中 此直线C与曲线b相交点,I'=60 mA,又因为R=25 Ω-R0=20Ω,故R消耗的功率 P=I2R=0.062×20 W=7.2×10-2 W 13.解：(1)0-t0时间内带电圆环的周期 (1分) 带电圆环的等效电流I= (1分) 取Δt为T,则Δq为Q，故 (2分) (2)设t1~t2时间内通过AB棒的电流为I1,因t1~t2时间内“工”字形构架仍然静止, 故mg=BI1l (2分) 解得I1= (2分) 则通过圆形线圈的电流I=2I1= (1分) 回路总电阻R总=R+= (1分) 穿过圆形线圈的磁通量变化率 (1分) 联立解得 (2分) 由左手定则可判断,AB棒中电流方向向右,则线圈中电流方向为逆时针,再根据楞次定律可判断,带电圆环圆周运动的方向为逆时针. (2分) 14、解析 (1)根据楞次定律,可以判断感应电流的磁场方向向上,根据右手螺旋定则可以判断感应电流方向从上往下看为逆时针方向。 (2分) (2)把环分成无数等长的微小电流元,每一小段导线长为Δl,则每一小段导线所受安培力为F1=B1I1Δl (2分) 由对称性可知,所有小段导线所受的安培力水平分力抵消,所以竖直方向分力的合力即为整段导线所受安培力,设有N段导线,则 F=NF1cos θ1=B1I1Lcos θ1 (2分) (3)①在h2处可以理解为永磁铁处于平衡状态,则 mg=B2I2Lcos θ2 (1分) I2= (2分) ②磁铁下降前后环中电流为 I1= (1分) I2= (1分) 根据能量守恒有mg(h1-h2)=Rt0 (1分) 根据电阻定律有R=ρ (1分) 联立可得ρ= (2分) 15.（1）MN沿导轨向右运动切割磁场线产生感应电动势 (2分) 回路中感应电流 (2分) MN受到的安培力 (2分) 加速度为 (2分) 联立上面几式得； (2分) 所以棒的加速度与棒的速度为正比例函数。 (1分) 又因为列车的电气制动过程，可假设MN棒运动的速度与列车的速度、棒的加速度与列车电气制动产生的加速度成正比，所以列车电气制动产生的加速度与列车的速度成正比，为过P点的正比例函数。 (2分) （2）由（2）可知，列车速度越小，电气制动的加速度越小。由题设可知列车还会受到随车速减小而减小的空气阻力，所以电气制动和空气阻力产生的加速度都随速度的减小而减小。 (2分) 由图甲中，列车速度从20m/s降至3m/s的过程中加速度大小不变，因为速度越小机械制动越大，所以列车速度为3m/s附近所需机械制动最强。 (3分) 16、解：（1）由题意，对能量为的电子，在磁场中半径为，洛伦兹力提供向心力有： (1分) 可得： (1分) 变形可求得： (2分) （2）对于能量为△的电子， (1分) 对于能量为△的电子， (1分) 轨迹如图1，由几何关系得： (1分) (1分) 发散电子束进入偏转磁场时的宽度 (2分) （3）对能量为△的电子，，(1分) 进入偏转磁场的发散角为，由轨迹关于偏转磁场的角平分线对称，因此圆心在平分线上的点，半径设为，如图2所示 其中，(1分) (1分) 由正弦定理得： (1分) 得： (1分) 解得：， (1分) 所以 (2分) 学科网（北京）股份有限公司 $$第十四届中学生数理化综合实践活动 高二物理应用知识展示试题(A卷 地区 学校 姓名 信息卡号 测试说明: 1.必须在答题纸上答卷,否则成绩无效;选择题的答案涂到答题纸对应题目的标号上,非 选择题的答案书写在答题纸指定区域内. 2.请在答题纸和试卷上填写有效信息,考试时间为120分钟,满分150分. 3. 成绩查询:2022年1月5日起,可通过指定网站(www.isuyang.cn)查询成绩. 一、选择题(本大题共8小题,每小题6分,共48分,每小题只有1个选项是正确的) 1.北京冬奥会项目图标正式公布,如下图所示.许多冬奥项目均和物理知识有关,假设你是某 个项目的运动员,下列说法错误的是( 。. 。开喜式 自由式滑雪 跳台清雪 高山雪 花样冰 铜架雪车 )冰球 速度冰 两项 雪 短 #不 越野滑雪 北欧两项 阅幕式 个冰 单板清雪 & A.冰壶运动中摩擦力做负功 B. 花样滑冰运动员可以通过手和手臂的伸缩调整旋转动作的速度 C. 自由式滑雪、跳台滑雪、高山滑雪等过程中机械能守恒 D. 短道速滑和速度滑冰转弯时的向心力由摩擦力、支持力和重力的合力提供 2.在城市建设施工中,经常需要确定地下金属管线的位置,如图所 水平地面 示,地下有一根金属管线平行于水平地面,有一种探测方法,首先给 金属管线 金属长直管线通上恒定电流1,再用可以测量磁场强弱、方向的仪器 进行以下操作:①用测量仪在金属管线附近的水平地面上找到磁感应强度最强的某点,记为 A;②在A点附近的地面上找到与A点磁感应强度相同的点B,连接A、B并测得A、B间的 距离为a;③在地面上过A点做垂直于AB的线段AC并测得AC间的距离为b;④用测量 仪测得C点的磁场方向与地面夹角为45{,由此可确定( ). A.地下的金属管线平行于AB,深度为 高二物理(A卷)共8页 第1页 B. 地下的金属管线平行于AB,深度为。 C.地下的金属管线平行于AC,深度为6 D. 地下的金属管线平行于AC,深度为。 3.硅光电池作为电源已广泛应用于人造卫星、灯塔和无人气象站等,高速公 路上安装的“电子眼”通常也采用硅光电池供电,硅光电池的原理如图所示, a、是硅光电池的两个电极,P、N是两块硅半导体,E区是两块半导体自 发形成的匀强电场区,P的上表面有一层增透膜,光照射到半导体P上. 使P内受原子束缚的电子成为自由电子,自由电子经E区电场加速到达半 导体N,从而产生电动势,形成电流.以下说法中正确的是( ). A. E区匀强电场的方向由P指向N B. 电源内部的电流方向由P指向N C.a电极为电池的负极 D. 硅光电池是一种把光能转化为电能的装置 4.“电子能量分析器”主要由处于真空中的电子偏转器和探测板组成,偏转器是由两个相互绝 缘、半径分别为R,和R;的同心金属半球面A和B构成,A、B为电势值不等的等势面,电势 分别为和,其过球心的截面如图所示,一束电荷量为e 质量为n的电子以不同的动能从偏转器左端M的正中间小 孔垂直入射,进人偏转电场区域,最后到达偏转器右端的探测 板N,其中动能为E。的电子沿等势面C做匀速圆周运动到 达N板的正中间.忽略电场的边缘效应,下列说法中正确的是( ). A. A球面电势比B球面电势高 B. 电子在AB间偏转电场中做匀变速运动 C.等势面C所在处电势的大小为十n D.等势面C所在处电场强度的大小为E一- E e(R十R) 5.2021年2月10日,“天问一号”火星探测器由地火转移阶段进人火星俘获阶段后,将环绕火 星飞行三个月,反复对首选着陆区进行预先探测“天问一号”环 绕器携带磁强计等探测仪器,目前有一种磁强计,用于测定磁场 的磁感应强度,原理如图所示,电路有一段金属导体,它的横截 面是宽为a、高为6的长方形,放在沿y轴正方向的匀强磁场 中,导体中通有沿:轴正方向、大小为I的电流,已知金属导体 单位长度中的自由电子数为n,电子电荷量为e,金属导电过程 高二物理(A卷)共8页 第2页 中,自由电子所做的定向移动可视为匀速运动.两电极M、N均与金属导体的前后两侧接触, 用电压表测出金属导体前后两个侧面间的电势差为U/.则关于磁感应强度的大小和电极M、N 的正负说法正确的是( ). A.M为正、N为负 B.电子速度大小为ne/1 neU C. 磁感应强度的大小为 D. 磁感应强度的大小为nebU 6. 范德格拉夫静电加速器是一种可通过产生粒子束(射线)来治疗 某些痛症的直线加速器,它由两部分组成,一部分是产生高电压的 装置,叫作范德格拉夫起电机;另一部分是利用高压加速带电粒子 的加速管,其起电机部分结构如图所示,金属球壳固定在绝缘支杜 顶端,绝缘材料制成的传送带套在两个转轮上,由电动机带动循环 运转,E和F是两排金属针(称做电刷),与传送带靠近但不接触,其 中电刷F与金属球壳内壁相连,当电刷E与几万伏的直流高压电 源的正极接通时,正电荷将被喷射到传送带上,并被传送带带着向 上运动,当正电荷到达电剧F附近时,由于感应起电和电晕放电作 用,最终使得球壳上集聚大量电荷,从而在金属球壳与大地之间形 成高电压、强电场,用以加速带电粒子,根据以上信息,下列说法错误的是( ). A. 正电荷从电刷E上被喷射到传送带,其实质是尖端放电 B. 由于感应起电,电刷F上将集聚大量负电荷 C. 最终球壳上集聚的是正电荷,且分布在球壳的外表面 D. 整个起电过程满足电荷守恒定律 7. 如图所示,绝缘中空轨道竖直固定,圆孤段COD光滑,对应圆 # 心角为120{,C、D两端等高,0为最低点,圆狐圆心为O,半径 为R;直线段AC、HD粗糙,与圆孤段分别在C、D端相切;整个 装置处于方向垂直于轨道所在平面向里、磁感应强度大小为B 的匀强磁场中,在竖直虚线MC左侧和ND右侧还分别存在着 ☆0% 场强大小相等、方向水平向右和向左的匀强电场,现有一质量为 n、电荷量恒为g、直径略小于轨道内径、可视为质点的带正电小球,从轨道内距C点足够远的 ). A. 小球第一次沿轨道AC下滑的过程中,先做加速度减小的加速运动,后做减速运动 高二物理(A卷)共8页 第3页 B. 小球经过O点时,对轨道的弹力可能为2mg一2oBvgR 2/③ C.经足够长时间,小球克服摩擦力做的总功是 3g -23 D. 小球在轨道内受到的摩擦力可能大于 -ng 8.国庆节期间,某地广场设计了一个喷水表演,若喷出的 水最高约40层楼高;且喷泉管口的直径约为10cm.喷水 装置的核心部件是电动机,试估算该电动机的输出功率约 ). A.5×10W B.5×10W C.5×10W D.5×10*w 二、填空及实验探究题(本大题共4小题,共36分) 9.(8分)已知电流强度为I的通电直导线在距离为;处产生的磁感应 强度大小为B一b -.为常数.三根通有大小相等电流的长直导线垂直 于平面abcd放置,且分别位于a、c、d三个顶点,电流方向如图所示,若 a处的导线在b处产生的磁感应强度大小为B,则O点的磁感应强度大 小为 10.(8分)2021年6月11日,中国国家航天局举行了天问一号探测器着陆火星首批科学影像 图揭幕仪式,公布了由“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡 合影”等影像图,首批科学影像图的发布,标志着中国首次火星探测任务取得囤满成功,设未来 的某天,该探测器在火星表面完成探测任务返回地球,探测器在控制系统的指令下,离开火星 表面竖直向上做加速直线运动;探测器的内部有一固定的压力传感器,质量为n的物体水平 放置在压力传感器上,当探测器上升到距火星表面高度为火星半径的一时,探测器的加速度为 a,压力传感器的示数为F,引力常量为G.忽略火星的自转,则火星表面的重力加速度为 11.(8分)某些非电磁量的测量是可以通过一些相应 的装置转化为电磁量来测量的,一平行板电容器的两 个极板竖直放置在光滑的水平平台上,极板的面积为 甲 七 高二物理(A卷)共8页 第4页 (E是常数但未知).极板1固定不动,与周围绝缘,极板2接地,且可在水平平台上滑动,并始 终与极板1保持平行,极板2的侧边与劲度系数为k,自然长度为L的两个完全相同的弹篝相 连,两弹篝的另一端固定,弹策1.与电容器垂直,如图甲所示,如图乙所示是这一装置的应用示 意图,先将电容器充电至电压U后,即与电源断开,再在极板2的右侧的整个表面上施以均匀 向左的待测压强,,使两极板之间的距离发生微小的变化,测得此时电容器的电压改变量为 AU.设作用在电容器极板2上的静电力不致于引起弹策可测量到的形变,试求待测压强力 12.(12分)嫦娥四号采用同位素温差发电与热电综合利用技术结合的方式供能,也就是用航 天器两面太阳翼收集的太阳能和月球车上的同位素热源两种能源供给探测器,图甲中探测器 两侧张开的是光伏发电板,光伏发电板在外太空将光能转化为电能 甲 某同学利用图乙所示电路探究某光伏电池的路端电压U与电流1的关系,图中定值电阻 R。一50,设相同光照强度下光伏电池的电动势不变,电压表、电流表均可视为理想电表 50 100 150 200 250 300 1mA 。 (1)实验一:用一定强度的光照射该电池,闭合开关S,调节滑动变阻器的阻值,通过测量 得到该电池的U-I曲线a(如图丁).由此可知该电源内阻 (填“是”或“不是”)定值,某 时刻电压表示数如图丙所示,读数为 V,由图象可知此时电源内阻为 o(计 算结果保留两位有效数字). (2)实验二:在实验一中当滑动变阻器接入电路的电阻为某值时,路端电压为2.5V,减小 实验一光照的强度,重复实验,测得U-I曲线6(如图丁),则在实验二中滑动变阻器接入电路 的电阻仍为该值时,滑动变阻器消耗的电功率为_ W(计算结果保留两位有效数字). 高二物理(A卷)共8页 第5页 三、解答题(本大题共4小题,共66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。) 13.(15分)如图甲所示,竖直面内有一圆形小线圈,与绝缘均匀带正电的圆环同心放置,带电 圆环的电荷量为Q,绕圆心做圆周运动,其角速度o随时间:变化的关系如图乙所示(图中 m。、、t。为已知量).线圈通过绝缘导线连接两根竖直的间距为/的光滑平行金属长导轨,两 导轨间的矩形区域内存在垂直于纸面向里的水平匀强磁场,磁场的上、下边界间距为h,磁感 应强度大小恒为B.“工”字形构架由通过绝缘杆固连的间距为H(H>h)的水平金属棒AB。 CD组成,并与导轨紧密接触,初始时锁定“工”字形构架,使AB棒位于磁场内的上边沿,1:时 刻解除锁定,t。时刻开始运动.已知“工”字形构架的质量为n,AB棒和CD棒离开磁场下边 沿时的速度大小均为v,金属棒AB、CD和圆形线圈的电阻均为R,其余电阻不计,重力加速 度为g,不考虑线圈的自感 (1)0~1:时间内,求带电圆环的等效电流 (2)7.~t:时间内,求穿过圆形线圈的磁通量变化率的大小,并判断带电圆环圆周运动的 方向. 1轨 乙 _永磁铁 14.(15分)利用超导体可以实现磁悬浮, 超环 如图甲是超导磁悬浮的示意图,在水平桌 面上有一个周长为L的超导圆环,将一块 永磁铁沿圆环中心轴线从圆环的正上方 缓慢向下移动,由于超导圆环与永磁铁之 短 乙 间有排斥力,结果永磁铁能够悬浮在超导圆环的正上方高处 (1)从上向下看试判断超导圆环中的电流方向; (2)若此时超导圆环中的电流为I.,圆环所处位置的磁感应强度为B。,磁场方向与水平 方向的夹角为0,求超导圆环所受的安培力F的大小; 高二物理(A卷)共8页 第6页 (3)在接下来的几周时间内,发现永磁铁在缓慢下移.经过较长时间:后永磁铁的平衡位 置变为离桌面h:高处,有一种观点认为超导体也有很微小的电阻率,只是现在一般仪器无法 直接测得,超导圆环内电流的变化造成了永磁铁下移,若已知永磁铁在h:高处时,圆环所处位 置的磁感应强度大小为B,,磁场方向与水平方向的夹角为6。,永磁铁的质量为n,重力加速 度为g。 ①永磁铁的平衡位置变为离桌面h:高处时,求超导圆环内的电流I。 ②若超导圆环中的电流的二次方随时间变化的图象如图乙所示,且超导圆环的横截面积 为S,求该超导圆环的电阻率p. 15.(18分)某试验列车按照设定的直线运动模式,利用计算机控制制动装置,实现安全准确地 进站停车,制动装置包括电气制动和机械制动两部分,图甲所示为该列车在进站停车过程中设 定的加速度大小a.随速度v的变化曲线 222 △a(m.s-) , 1 甲 2 (1)有关列车电气制动,可以借助图乙模型来理解,图中水平平行金属导轨处于竖直方向 的匀强磁场中,回路中的电阻阻值为R,不计金属棒MN及导轨的电阻.MN沿导轨向右运动 的过程,对应列车的电气制动过程,可假设MN棒运动的速度与列车的速度、棒的加速度与列 车电气制动产生的加速度成正比,列车开始制动时,其速度和电气制动产生的加速度大小对应 图甲中的P点,论证电气制动产生的加速度大小随列车速度变化的关系. (2)制动过程中,除机械制动和电气制动外,列车还会受到随车速减小而减小的空气阻 力,分析说明列车从100m·s减到3m·s的过程中,在哪个速度附近所需机械制动最强 (注意:解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量,要在解题时做必要的说明) 高二物理(A卷)共8页 第7页 16.(18分)医用电子直线加速器结构主要包括电子枪、加速系统、束流传输系统等部件,原理 简化如图所示,其中束流传输系统由导向磁场、偏转磁场和聚焦磁场组成,可以使电子束转向 270{后打到靴,由于电子经过加速后有一定能量宽度,经过导向磁场后会使电子束发散,从而 造成成像色差,因此需要通过偏转磁场和聚焦磁场来消除色差,束流传输系统由三个半径为d 的90}扇形磁场组成,圆心为O,方向垂直纸面向外,其中导向磁场和聚焦磁场为匀强磁场,础 感应强度为B,B:一B。一B,偏转磁场为非匀强磁场,磁感应强度B:呈一定规律分布,可使电 子在其间做匀速圆周运动,现电子束经加速系统后,以能量宽度[E一AE,E+△E]垂直导向磁 场边界从P进入束流传输系统,最终粒子能在Q点汇聚并竖直向下打到靴上.已知PO 束流传输系统 !聚焦慰场 偏转磁场 电子枪 加速系统 导向磁场 (1)若电子电荷量为e,求电子质量m; (2)求发散电子束进入偏转磁场时的宽度;(计算半径时可使用小量近似公式:当x1 (3)对于能量为E十△E的电子,求在偏转磁场中运动轨迹处的磁感应强度B 高二物理(A卷)共8页 第8页