专题07 电与磁（竞赛培优精讲）九年级物理上学期全国通用

专题07 电与磁 目录概览 A考点精研・竞赛考点专项攻坚 1 竞赛培优大纲 1 重点知识讲解 2 核心应用突破 3 考试难度要求 4 竞赛真题剖析 4 B实战进阶・竞赛选拔模拟特训 5 竞赛培优大纲 一、磁场与电磁现象的深层机理 深入理解磁场的物质性与场的基本概念 掌握磁感线的物理意义与空间分布特性 探究磁性材料的微观机理与磁化过程 二、电流磁效应的系统研究 理解毕奥-萨伐尔定律的物理内涵 掌握安培环路定理在复杂磁场分析中的应用 研究电磁铁设计与优化的基本原理 三、电磁感应现象的全面解析 深入理解法拉第电磁感应定律的物理本质 掌握楞次定律的能量守恒解释 探究涡流效应及其工程应用 四、电磁相互作用的综合应用 理解电动机与发电机的工作原理与设计要点 掌握电磁波产生与传播的基本原理 研究现代电磁技术的创新应用 重点知识讲解 一、磁场与电磁现象的深层机理 1. 磁场的物质性理解 磁场是一种特殊的物质形态，虽然看不见摸不着，但具有能量、动量和作用力等物质属性。磁场的存在可以通过其对磁性物质和运动电荷的作用力来证实。现代物理学认为，磁场与电场是电磁场的两个不同表现形式。 2. 磁感线的物理意义 磁感线不仅是为了描述磁场而引入的假想曲线，它们实际上反映了磁场在空间中的分布特性。磁感线的疏密程度表征磁场强度的大小，切线方向表示该点磁场方向。磁感线是闭合曲线，这一特性深刻反映了磁场是无源场的基本性质。 3. 磁性材料的微观机理 物质的磁性源于电子的自旋磁矩和轨道磁矩。在铁磁性材料中，存在许多自发磁化的小区域——磁畴。在外磁场作用下，磁畴取向趋于一致，产生强磁性。理解磁畴理论是掌握磁性材料特性的关键。 4. 地磁场与宇宙磁场 地球本身就是一个巨大的磁体，地磁场起源于地核中的电流体系。地磁场不仅指引方向，还保护地球生命免受宇宙射线侵害。宇宙中其他天体也普遍存在磁场，这些磁场在天体演化过程中起着重要作用。 二、电流磁效应的系统研究 1. 电流磁效应的深层理解 通电导线周围存在的磁场，实质上是运动电荷产生的磁场叠加效果。这一现象揭示了电与磁的内在统一性，为电磁学的发展奠定了基础。电流元产生的磁场满足右手螺旋定则，这是判断磁场方向的重要工具。 2. 复杂磁场的分析方法 对于复杂形状通电导体产生的磁场，可以采用分段分析法，将导体划分为多个电流元，分别计算各电流元的磁场贡献，然后进行矢量叠加。这种方法虽然计算复杂，但物理图像清晰。 3. 安培环路定理的应用 安培环路定理反映了磁场与产生磁场的电流之间的深刻联系。在具有高度对称性的磁场中，利用安培环路定理可以简化解题过程。理解这个定理有助于建立电磁场的整体观念。 4. 电磁铁的优化设计 电磁铁的磁性强弱与线圈匝数、电流强度、铁芯材料等因素密切相关。优化设计时需要综合考虑磁路完整性、散热能力、能耗效率等多方面因素。电磁铁在现代工业中有着广泛的应用。 三、电磁感应现象的全面解析 1. 电磁感应的物理本质 电磁感应现象的实质是变化的磁场能够激发电场，这个电场驱动导体中的自由电荷定向移动，形成感应电流。理解场的变化与感应电场的关系是掌握电磁感应原理的关键。 2. 楞次定律的能量解释 楞次定律指出感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化。从能量角度看，这是能量守恒定律在电磁感应中的具体体现。产生感应电流需要外力做功，这部分机械能转化为电能。 3. 自感与互感现象 当线圈中的电流发生变化时，会在线圈自身产生感应电动势，这就是自感现象。两个相邻线圈之间通过磁场相互联系，一个线圈的电流变化会在另一个线圈中产生感应电动势，称为互感。这两种现象在电子技术中极为重要。 4. 涡流效应的两面性 涡流既是能量损耗的来源，也是许多现代技术的基础。在变压器铁芯中，需要采取措施抑制涡流以减少能量损失；而在感应加热、电磁制动等领域，则要充分利用涡流效应。 四、电磁相互作用的综合应用 1. 电动机的精密控制 现代电动机通过精确控制电流和磁场，实现高效率的能量转换。变频调速技术通过改变电源频率来调节电机转速，在节能方面效果显著。理解电动机的工作原理对掌握现代动力系统至关重要。 2. 发电机的能量转换 发电机将机械能转化为电能，其核心在于电磁感应原理。大型发电机采用旋转磁场式结构，通过控制励磁电流来调节输出电压。发电效率的提升对能源利用具有重要意义。 3. 电磁波的产生机理 变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场，这种相互激发的传播就是电磁波。理解电磁波的产生需要建立动态的电磁场观念，这是麦克斯韦电磁理论的重要预言。 4. 现代电磁技术应用 从磁悬浮列车到粒子加速器，从核磁共振成像到无线能量传输，电磁原理在现代科技中发挥着核心作用。这些应用不仅展示了电磁理论的强大威力，也推动了理论的进一步发展。 核心应用突破 一、电磁系统设计与分析 能够设计满足特定要求的电磁装置 掌握复杂电磁场的分析方法 具备电磁系统优化改进的能力 能够解决电磁兼容性问题 二、电磁能量转换技术 理解各种电机的工作原理与特性 掌握发电机系统的设计与运行 具备电磁能量传输的分析能力 能够评估电磁设备的能效表现 三、现代电磁应用开发 掌握电磁测量技术的原理与方法 能够开发基于电磁原理的创新应用 具备电磁安全防护的设计能力 能够推动电磁技术的工程应用 四、前沿电磁技术研究 了解超导电磁技术的最新进展 掌握磁悬浮技术的原理与应用 具备新型电磁材料的评估能力 能够参与电磁领域的创新研究 考试难度要求 1. 竞赛深度 电与磁专题在物理竞赛中历来是重点和难点，题目往往结合电磁感应的复杂应用、电磁场的空间分布分析、电磁设备的原理设计等深层次问题，要求考生具备扎实的理论基础和空间想象能力。 2. 能力要求 参赛者需要深入理解电磁场的本质特性，掌握电磁感应现象的物理机理，具备分析复杂电磁系统的能力，同时要了解电磁技术在现代科技中的前沿应用。 3. 备考策略 建议通过建立系统的电磁场概念体系，重点突破电磁感应和电磁波等难点内容，加强空间想象能力和理论联系实际的能力培养，多研究工程实践中的电磁应用案例。 竞赛真题剖析 【真题剖析1】31．（24-25九年级下·山东青岛·自主招生）材料一：矢量是物理中非常重要的物理量，矢量包含大小和方向。物理中一般用有向线段表示一个矢量，线段的长度表示矢量的大小，线段的方向表示矢量的方向；且矢量的加法与数值运算不同，其遵守平行四边形定则，具体内容为：如图1所示，将两个矢量的起点重合，以两个矢量为邻边构建平行四边形，对角线的长度和方向即为合矢量的大小和方向。 材料二：物理学上用磁感应强度表示空间中某点的磁场强度，记作B。其中磁感应强度B为矢量，方向与小磁针N极所指的方向相同。 材料三：无限长通电直导线在空间中所激发的磁场强度满足如下规律：为常数，本题中k可以作为已知量，I为通电导线的电流大小，r为空间中某点到直导线垂线段的大小； 磁感线为绕着导线的同心圆，方向满足右手定则：大拇指指向电流的方向，四指弯曲的方向为磁场的方向。若空间中同时存在多条直导线，他们在空间中某点产生的磁场可彼此独立计算之后在按照矢量加法的方法进行合成。空间中方向的表示方法：若方向垂直于纸面向里，则记为，反之则记为。 (1)如图2所示，空间中存在竖直向上的无限长通电直导线，电流大小为，试求M点的磁感应强度的大小和方向，已知M点到直导线的距离为a。 (2)如图3所示，空间中存在两个无限长通电直导线，位置以及电流方向如图3所示，电流大小均为。已知AC垂直于BC，，。求C点磁感应强度的大小和方向。 32．小明在新学校的宿舍前发现有风光互补路灯，如图甲所示。它既可以通过太阳能电池板独立发电并储存在蓄电池内，也可以通过风力发电机独立发电并储存在蓄电池内，还可以两者同时发电并将电能储存在蓄电池内，蓄电池晚上供LED路灯照明时使用，这种型号风光互补路灯技术参数如表，其中光电转换效率是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率。路灯的控制电路图如图乙所示，其中是电磁铁的电阻，阻值很小可以忽略；滑动变阻器上标有“50Ω 1A”字样；是一个光敏电阻，与照度E之间的关系如图丙所示，“照度”是反映光照强度的一种物理量，用E表示，国际单位为勒克斯（Lx）。 LED路灯 太阳能电池板 风力发电机 蓄电池 1 2 额定电压 12V 电池板面积 最大限制风速 10m/s 蓄电池容量 400Ah 24Ah 额定功率 72W 光电转换效率 15% 最大输出功率 320W 额定电压恒定 12V 6V (1)图乙中，当早上天色渐亮，照度增大时，光敏电阻阻值 ，控制电路电流达到一定数值，衔铁被电磁铁吸下，衔铁上的动触点就会与静触点 （选填“A”或“B”）吸合； (2)该型号LED路灯正常工作时的电阻是多少； (3)当阳光照到电池板表面每平方米的功率为400W时，利用太阳能板发电10h产生的电能可供该型号LED路灯正常工作多长时间； (4)电路中只有蓄电池2工作时，滑动变阻器的滑片调至一定阻值保持不变，当光照度从1Lx升高至1.5Lx时，通过光敏电阻的电流变化了30mA。求此时滑动变阻器的电功率； (5)小明了解到学校的每盏风光互补路灯总成本约1000元，安装后使用就可不交电费；如果使用相同功率普通的LED路灯，每盏价格约200元，用电价格约为0.6元/度。小明估算风光互补路灯的大约7学年才能回本。如果要缩短风光互补路灯回本时间，请你运用物理所学的知识或科学方法，提一个可行建议： 。 33．阅读短文，回答问题。 综合实践活动——设计蔬菜温室 【任务与要求】为了在冬天能品尝到夏季的蔬菜，同学们为学校的劳动基地设计一个蔬菜温室，要求温度控制在20～30℃之间。 【设计与实施】 任务一：设计温室结构，温室设计为玻璃顶的长方体结构，体积为80m3，由立柱和横梁支撑，墙体四周装有保温层。查阅资料获知，立柱的承重比γ指立柱能承受的最大质量与其质量的比值，能反映承重效率，立柱横截面的形状是影响承重比的重要因素之一，为研究它们之间的关系，利用塑料立柱模型进行实验，发现在其他条件均相同时，横截面为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形模型的承重比关系是γ三＜γ四＜γ五＜γ六。 任务二：设计温控系统温控系统原理如图甲，控制电路的电源电压为6V，电阻箱R0的阻值调为90Ω，热敏电阻R1的阻值随温度的变化图像如图乙。当控制电路中的电流达到30mA时，衔铁被吸下；当电流降低到25mA时，衔铁被弹回。已知工作电路中电热丝R的电阻为22Ω，浴霸灯L标有“220V　275W”字样。 【交流与评价】如表所示是任务二的部分评价指标，根据评价表对活动进行评价。 等　级 优秀 良好 合格 不合格 评价指标 能自动控制室温在规定范围内波动，且降温较平缓 能自动控制室温升降，且降温较平缓 不能控制室温升降，降温较平缓 不能控制室温升降，也不能平缓降温 (1)关于设计蔬菜温室的实践活动，下列说法不正确的是（　　） A．屋顶选用绿色玻璃不利于蔬菜生长 B．墙体选用隔热性能好的材料 C．图甲浴霸灯是为了降温时能平缓些 D．图甲中通电线圈上端是S极 (2)由模型实验可知，搭建温室选用 （三角形/正方形/圆形）立柱的承重比大；已知模型的承重比为γ，质量为m，受力面积为S，g为已知常量，则其上表面所能承受的最大压强p＝ 。 (3)电热丝通电5min产生的热量使温室气温升高5.5℃，则空气吸收的热量为 J，电热丝对温室的加热效率约为 %；电磁铁线圈的电阻忽略不计，电热丝刚停止工作时，室温为 ℃。[ρ空气取1.25kg/m3，c空气取1.0×103J/（kg·℃）] (4)根据评价表中的指标对任务二进行评价，你的评价等级为 ，依据是 ；进一步给出优化建议： 。 34．图甲是一款普通的豆芽机，项目小组想在图甲的豆芽机上增设智能控温和自动淋水功能，从而保证豆子发芽需要的适宜温度和湿度。图乙是智能豆芽机的简化模型。项目小组为此开展了以下的项目式学习。 【任务一】设计豆芽机的温控装置 控温装置的电路设计如图丙所示，可实现加热、保温两挡自动切换， 为热敏电阻（置于发育盒内），为电阻箱，、为电热丝，且。控制电路电流≥5mA时衔铁被吸下。 (1)主要是由 （选填“绝缘体”、“半导体”或“超导体”）材料制作而成，当温度升高时，的阻值 ；（选填“变大”、“变小”或“不变”） (2)如图丙所示，开关闭合时，电磁铁的上端为 极，当衔铁被吸下来时，工作电路处于 （选填“加热”或“保温”）状态，加热与保温功率之比为 ； (3)豆芽适宜在23℃~28℃环境下生长，豆芽机若要实现25℃自动切换挡位，则控制电路中电阻箱应该调为 Ω；干电池用久了，会导致发育盒内温度比设定的温度 （选填“偏高”或“偏低”），除了更换电池外，还可以采取措施是 ，使得豆芽机恢复在25℃自动切换挡位； 【任务二】设计豆芽机的喷淋装置 (4)如图乙所示，水在水泵的作用下通过水管输送到淋水系统，多余的水通过沥水孔会回到水箱。水泵喷口流量指水泵1h内喷出水的质量。若水泵的流速为0.5m/s，喷口的横截面积为0.4cm2，则水泵喷口流量为 kg/h； (5)实验小组结合豆芽的生长特性，采用淋水系统定时给豆芽淋水，而不是将豆芽浸泡在水中的原因是： 。控制水泵间歇性喷水的电路设计如图戊所示，AB两端输入如图己所示的周期性变化的电压，定值电阻，D为电阻可以变化的电子元件。当图戊中时，D两端的电压等于电子元件D两端的实际输入电压；时，电子元件D通过改变阻值，控制保持5V不变。则时，通过电路的电流为 A；若要使豆芽机在1小时内，喷水时间为20min，请你结合上面的电路设计，应设置的电功率 W时，水泵启动喷水。 35．如图甲是温度自动报警器，控制电路中，已知热敏电阻的阻值与温度t成反比例函数关系，如图乙所示；工作电路中，灯泡L标有“9V，”的字样，为电子蜂鸣器。它的电流达到某一固定值时就会发声报警，其阻值。小明依次进行如下操作：闭合开关和，灯泡L恰好正常发光，此时工作电路消耗的电功率为；将的滑片调到某一位置A，所处环境温度升高到设置温度时，控制电路中的电流为，继电器的衔铁刚好被吸下，使动触点与下方静触点接触；调节的滑片，当与的电压之比：1时，电子蜂鸣器恰好能发声，此时工作电路消耗的电功率为。已知控制电路电压、工作电路电压、定值电阻、灯丝电阻都不变，线圈电阻忽略不计。求： (1)灯泡正常发光时的电阻； (2)工作电路的电源电压和的阻值； (3)控制电路中，的滑片保持在位置A不动，所处环境温度升高到时，一分钟消耗的电能为，设此时滑动变阻器消耗的电功率为，求、的大小。 1．如图是某道路限载报警器的工作原理图。控制电路电源电压为6V，a、b处分别接入指示灯和电铃，R1是力敏电阻，其阻值随压力的变化而变化。闭合开关S，当车的质量超过限载质量时，控制电路中电流等于或超过60mA，报警电铃响；当车的质量没有超过限载质量时，指示灯亮。根据不同的路面可以改变滑动变阻器滑片P的位置，来设定不同的限载质量。下列说法正确的是（   ） A．a处应该接入电铃，b处接入指示灯 B．力敏电阻R1的阻值随压力的增大而增大 C．若要降低设定的限载质量，应将滑片P向右移动 D．用久后，电源电压U1会降低，导致报警时车的质量低于设定的限载质量 2．如图所示，是一款磁吸式数据线，线体可以和不同型号的磁性充电头吸附对接，达到一线多头的使用效果，线体和磁性充电头吸附的原理是 ；地球周围也有磁场，地磁南极大致在地理的 极方向，根据通电螺线管周围存在磁场的实验事实，某同学对地磁场产生的原因提出了一个假说：地磁场是由绕地球的环形电流引起的。下列图中符合他假说的模型是 。 A．    B．  C． 3．电动车充电过程中，电池温度过高可能会自燃。小明设计了一个自动控制装置，当电池温度过高时，启动制冷系统降温。如图甲，控制电路中电源电压恒为6V，为热敏电阻，为电阻箱。当电流时，衔铁被吸下，工作电路制冷系统启动。将两个热敏电阻、分别作为接入电路中，闭合、，测出它们在不同温度时的阻值，绘制成如图所示曲线。在本设计中热敏电阻应选用 （选填“”或“”）。若要将制冷系统启动温度设置为，的阻值应调为 。 4．如图所示为某电动机的原理图。EF、PQ为螺线管，abcd为电动机的线圈，（OO'为转轴。闭合开关，从O点沿转轴观察，线圈顺时针转动，螺线管E端为 （选填“N”或“S”）极，若将电源的正负极对调，从O点沿转轴观察，线圈将 （选填“顺时针转动”或“逆时针转动”）。 5．用如图所示的装置进行实验探究时，将铁片、纸片、钢片、铝片和玻璃片分别置于条形磁体与回形针之间。由此可见，该装置可用来探究 。当在条形磁体与回形针之间插入 时，回形针会掉下来。 6．跨学科实践：自制新能源夜骑灯 【项目背景】 骑行爱好者使用的夜骑灯用USB接口充电不够方便。某小组决定自制一款新能源夜骑灯来辅助解决这一问题。 【项目分析】 （1）某款夜骑灯的电池容量为2000mA⋅h，若充电时的电流恒为1A，则充满电最多需要 h。 （2）小组决定增加太阳能电池板辅助充电，将太阳能先转化为 能，再以 能的形式储存在蓄电池中。 【项目实施】 图甲是小组设计的简化电路示意图。 （3）图乙是小组所用的太阳能电池板，整个板面为正方形，其边长为 cm。某天在阳光下照射5h，太阳能电池板每平方米的平均发电功率为160W，则此太阳能电池板的发电量为 ，能供额定功率为的灯正常发光 h。 【项目优化】 （4）考虑到太阳能充电只能在阳光下进行，小组在以上设计的基础上，增加风力供电模式，利用风力带动风轮旋转，把风能转为风轮的机械能，再带动发电机发电，发电机的原理是 。 （5）如图丙，风轮扫风面积，用的固定风速进行测试，时间内风轮扫风体积V空气= （用上述符号写出表达式）。 仅风力供电时测得该段时间内照明灯两端的电压和通过的电流。 经查阅资料了解到，空气密度可取，风能，若风能转为风轮机械能的效率为，则风轮机械能转化为照明灯电能的效率约为 %（保留整数）。 【评价交流】 （6）实际夜骑时，还要考虑夜骑灯的安全性、便携性和天气情况等因素，请任选一个角度，对自制夜骑灯的小组成员提出一个合理的建议： 。 7．如图所示，水平粗糙且绝缘的轨道左侧有一弹簧，B点为弹簧原长位置，CD区域有一磁场方向垂直纸面向里的均匀磁场（磁场强弱不变）。现将粗糙程度相同的金属框P和塑料框Q分别将弹簧压缩至A点由静止释放（、Q均未画出），最终都停在E点。请结合能量和力学相关知识比较P的质量与Q的质量的大小关系，并说明理由。（不计空气阻力） 8．如图是小闽为家庭养殖场设计的电热孵化器的工作原理图，R1、R2和R3为阻值均为110Ω的加热电阻。控制电路中，电源电压恒为3V，R为滑动变阻器，热敏电阻Rt置于孵化器内，其阻值随温度的变化关系如下表所示。已知电磁继电器的线圈电阻R0=10Ω，当继电器线圈中的电流小于或等于10mA时，继电器的衔铁弹回，工作电路处于加热状态；当继电器线圈中的电流大于或等于15mA时到达孵化温度，继电器的衔铁被吸下，工作电路处于保温状态。 温度t/℃ 32 33 34 35 36 37 38 电阻Rt/Ω 390 290 210 150 100 50 40 (1)此孵化器发热功率； (2)孵化温度为37℃时，R连入电路的阻值； (3)孵化温度为37℃时，此孵化器的调节的温度范围。 9．阅读材料，回答问题。 “珠江翡翠”号游船 2024年2月2日晚，500客位“珠江翡翠”号（如图所示）在广州大沙头码头成功首航.该船是广州珠江夜游最大的纯电动新能源豪华游船，将为粤港澳大湾区水上旅游和绿色珠江建设注入新活力500客位“珠江翡翠”号总长55m，型宽16m，型深3.7m ，设计吃水2.50m，采用纯电池动力全回转对转舵桨双机推进，最大航速18.5km/h。该船搭载LF280K电芯集成的电池包，可驱动2台300kW 的主推电机。凭借此电芯产品，实现了整船的零碳排放，满足绿色低碳航运需求。 (1)电动机是“珠江翡翠”号游船动力系统中的关键部件之一，下列选项中与电动机的原理相符合的是_______。 A． B． C． D． (2)“珠江翡翠”号游船载客500位时，吃水深度即接近设计参数，此时船底受到的水压为 Pa。（ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg） (3)在某次试航过程中，“珠江翡翠”号游船满载乘客，总质量达到100t，以18 km/h 的航速在平静的珠江水面上匀速航行时，游船受到的阻力约为船重的0.1，则游船受到的动力为 N ，动力做功的功率为 W，配备的2台300kW 主推电动机的效率为 %。（最后一空结果保留至0.1%） (4)小明春节期间体验了一次“珠江翡翠”号游珠江的航行，回家后用一泡沫塑料块、两节干电池、两个相同的小电动机（带自制的螺旋桨）、一根铅笔芯、一个开关和一些铜导线等材料，制作了一艘可调速的“珠江翡翠”号模型，如下图所示是他绘制的简易实物图和电路图。其中简易实物图的 组合相当于电路图中的滑动变阻器，用于实现调节船速的作用。 10．水培种植作为现代农业新技术正被越来越广泛地使用应用。大棚中的水培植物（例如蔬菜或花卉），其根部浸在营养液中，储存营养液的水箱埋在地下，通过水泵将营养液送入地面上的营养液槽中。下图是科技小组同学为某农业园设计的自动“输液”控制设备。 图1中，长方体浮块M和T型轻杆相连，应力电阻RF受到压力时阻值变小，其阻值与力大小关系如图2所示。当电磁铁线圈中（线圈电阻不计） 的电流时，某台水泵工作，向营养液槽内注入液体；当线圈中电流时，工作电路被自动切换，另一台水泵开始向营养液槽外抽出过多的液体。已知控制电路的电源电压U=3V，浮块M高为30cm、底面积为100cm2、密度为0.5g/cm3，下表面距离槽底5cm，T型轻杆的长度可调。图中T型连杆与RF之间的距离忽略不计，将R调至10Ω，营养液的密度近似为，求： (1)图示情况下，浮块受到的浮力； (2)图中，与向营养槽中注入液体的水泵所对应的电动机是 （选填“A”或“B”）； (3)槽内液面距离槽底的高度变化范围是 ； (4)现要将营养液槽中的最高液面调高，下列措施中可行的有___________（多选，不全得1分，选错不得分） A．减小电源电压 B．保持M体积一定，减小其横截面积 C．减小电阻箱的阻值R D．增大电阻箱的阻值R (5)在其它条件不变的情况下，要保证装置能正常工作，电阻箱允许的阻值变化范围是 。 5 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $ 专题07 电与磁 目录概览 A考点精研・竞赛考点专项攻坚 1 竞赛培优大纲 1 重点知识讲解 2 核心应用突破 3 考试难度要求 4 竞赛真题剖析 4 B实战进阶・竞赛选拔模拟特训 5 竞赛培优大纲 一、磁场与电磁现象的深层机理 深入理解磁场的物质性与场的基本概念 掌握磁感线的物理意义与空间分布特性 探究磁性材料的微观机理与磁化过程 二、电流磁效应的系统研究 理解毕奥-萨伐尔定律的物理内涵 掌握安培环路定理在复杂磁场分析中的应用 研究电磁铁设计与优化的基本原理 三、电磁感应现象的全面解析 深入理解法拉第电磁感应定律的物理本质 掌握楞次定律的能量守恒解释 探究涡流效应及其工程应用 四、电磁相互作用的综合应用 理解电动机与发电机的工作原理与设计要点 掌握电磁波产生与传播的基本原理 研究现代电磁技术的创新应用 重点知识讲解 一、磁场与电磁现象的深层机理 1. 磁场的物质性理解 磁场是一种特殊的物质形态，虽然看不见摸不着，但具有能量、动量和作用力等物质属性。磁场的存在可以通过其对磁性物质和运动电荷的作用力来证实。现代物理学认为，磁场与电场是电磁场的两个不同表现形式。 2. 磁感线的物理意义 磁感线不仅是为了描述磁场而引入的假想曲线，它们实际上反映了磁场在空间中的分布特性。磁感线的疏密程度表征磁场强度的大小，切线方向表示该点磁场方向。磁感线是闭合曲线，这一特性深刻反映了磁场是无源场的基本性质。 3. 磁性材料的微观机理 物质的磁性源于电子的自旋磁矩和轨道磁矩。在铁磁性材料中，存在许多自发磁化的小区域——磁畴。在外磁场作用下，磁畴取向趋于一致，产生强磁性。理解磁畴理论是掌握磁性材料特性的关键。 4. 地磁场与宇宙磁场 地球本身就是一个巨大的磁体，地磁场起源于地核中的电流体系。地磁场不仅指引方向，还保护地球生命免受宇宙射线侵害。宇宙中其他天体也普遍存在磁场，这些磁场在天体演化过程中起着重要作用。 二、电流磁效应的系统研究 1. 电流磁效应的深层理解 通电导线周围存在的磁场，实质上是运动电荷产生的磁场叠加效果。这一现象揭示了电与磁的内在统一性，为电磁学的发展奠定了基础。电流元产生的磁场满足右手螺旋定则，这是判断磁场方向的重要工具。 2. 复杂磁场的分析方法 对于复杂形状通电导体产生的磁场，可以采用分段分析法，将导体划分为多个电流元，分别计算各电流元的磁场贡献，然后进行矢量叠加。这种方法虽然计算复杂，但物理图像清晰。 3. 安培环路定理的应用 安培环路定理反映了磁场与产生磁场的电流之间的深刻联系。在具有高度对称性的磁场中，利用安培环路定理可以简化解题过程。理解这个定理有助于建立电磁场的整体观念。 4. 电磁铁的优化设计 电磁铁的磁性强弱与线圈匝数、电流强度、铁芯材料等因素密切相关。优化设计时需要综合考虑磁路完整性、散热能力、能耗效率等多方面因素。电磁铁在现代工业中有着广泛的应用。 三、电磁感应现象的全面解析 1. 电磁感应的物理本质 电磁感应现象的实质是变化的磁场能够激发电场，这个电场驱动导体中的自由电荷定向移动，形成感应电流。理解场的变化与感应电场的关系是掌握电磁感应原理的关键。 2. 楞次定律的能量解释 楞次定律指出感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化。从能量角度看，这是能量守恒定律在电磁感应中的具体体现。产生感应电流需要外力做功，这部分机械能转化为电能。 3. 自感与互感现象 当线圈中的电流发生变化时，会在线圈自身产生感应电动势，这就是自感现象。两个相邻线圈之间通过磁场相互联系，一个线圈的电流变化会在另一个线圈中产生感应电动势，称为互感。这两种现象在电子技术中极为重要。 4. 涡流效应的两面性 涡流既是能量损耗的来源，也是许多现代技术的基础。在变压器铁芯中，需要采取措施抑制涡流以减少能量损失；而在感应加热、电磁制动等领域，则要充分利用涡流效应。 四、电磁相互作用的综合应用 1. 电动机的精密控制 现代电动机通过精确控制电流和磁场，实现高效率的能量转换。变频调速技术通过改变电源频率来调节电机转速，在节能方面效果显著。理解电动机的工作原理对掌握现代动力系统至关重要。 2. 发电机的能量转换 发电机将机械能转化为电能，其核心在于电磁感应原理。大型发电机采用旋转磁场式结构，通过控制励磁电流来调节输出电压。发电效率的提升对能源利用具有重要意义。 3. 电磁波的产生机理 变化的电场产生磁场，变化的磁场又产生电场，这种相互激发的传播就是电磁波。理解电磁波的产生需要建立动态的电磁场观念，这是麦克斯韦电磁理论的重要预言。 4. 现代电磁技术应用 从磁悬浮列车到粒子加速器，从核磁共振成像到无线能量传输，电磁原理在现代科技中发挥着核心作用。这些应用不仅展示了电磁理论的强大威力，也推动了理论的进一步发展。 核心应用突破 一、电磁系统设计与分析 能够设计满足特定要求的电磁装置 掌握复杂电磁场的分析方法 具备电磁系统优化改进的能力 能够解决电磁兼容性问题 二、电磁能量转换技术 理解各种电机的工作原理与特性 掌握发电机系统的设计与运行 具备电磁能量传输的分析能力 能够评估电磁设备的能效表现 三、现代电磁应用开发 掌握电磁测量技术的原理与方法 能够开发基于电磁原理的创新应用 具备电磁安全防护的设计能力 能够推动电磁技术的工程应用 四、前沿电磁技术研究 了解超导电磁技术的最新进展 掌握磁悬浮技术的原理与应用 具备新型电磁材料的评估能力 能够参与电磁领域的创新研究 考试难度要求 1. 竞赛深度 电与磁专题在物理竞赛中历来是重点和难点，题目往往结合电磁感应的复杂应用、电磁场的空间分布分析、电磁设备的原理设计等深层次问题，要求考生具备扎实的理论基础和空间想象能力。 2. 能力要求 参赛者需要深入理解电磁场的本质特性，掌握电磁感应现象的物理机理，具备分析复杂电磁系统的能力，同时要了解电磁技术在现代科技中的前沿应用。 3. 备考策略 建议通过建立系统的电磁场概念体系，重点突破电磁感应和电磁波等难点内容，加强空间想象能力和理论联系实际的能力培养，多研究工程实践中的电磁应用案例。 竞赛真题剖析 【真题剖析1】31．（24-25九年级下·山东青岛·自主招生）材料一：矢量是物理中非常重要的物理量，矢量包含大小和方向。物理中一般用有向线段表示一个矢量，线段的长度表示矢量的大小，线段的方向表示矢量的方向；且矢量的加法与数值运算不同，其遵守平行四边形定则，具体内容为：如图1所示，将两个矢量的起点重合，以两个矢量为邻边构建平行四边形，对角线的长度和方向即为合矢量的大小和方向。 材料二：物理学上用磁感应强度表示空间中某点的磁场强度，记作B。其中磁感应强度B为矢量，方向与小磁针N极所指的方向相同。 材料三：无限长通电直导线在空间中所激发的磁场强度满足如下规律：为常数，本题中k可以作为已知量，I为通电导线的电流大小，r为空间中某点到直导线垂线段的大小； 磁感线为绕着导线的同心圆，方向满足右手定则：大拇指指向电流的方向，四指弯曲的方向为磁场的方向。若空间中同时存在多条直导线，他们在空间中某点产生的磁场可彼此独立计算之后在按照矢量加法的方法进行合成。空间中方向的表示方法：若方向垂直于纸面向里，则记为，反之则记为。 (1)如图2所示，空间中存在竖直向上的无限长通电直导线，电流大小为，试求M点的磁感应强度的大小和方向，已知M点到直导线的距离为a。 (2)如图3所示，空间中存在两个无限长通电直导线，位置以及电流方向如图3所示，电流大小均为。已知AC垂直于BC，，。求C点磁感应强度的大小和方向。 【答案】(1)；方向为垂直纸面向里 (2)；方向为右上，且与竖直方向夹角为 【详解】（1）由题可知，直导线电流大小为，M点到直导线的距离为a， 根据，M点磁感应强度的大小为 根据右手定则，M点磁场方向为：垂直纸面向里； （2）图3的中，，， 则 A处导线在C点产生的磁场强度为 方向为：水平向右， B处导线在C点产生的磁场强度为 方向为：竖直向上， 两磁场方向垂直，C点磁感应强度大小为以两磁场为直角边组成的直角三角形的斜边长，即 设C点磁感应强度方向与竖直方向的夹角为，则有 解得 即C点磁感应强度方向为：右上，且与竖直方向夹角为 32．小明在新学校的宿舍前发现有风光互补路灯，如图甲所示。它既可以通过太阳能电池板独立发电并储存在蓄电池内，也可以通过风力发电机独立发电并储存在蓄电池内，还可以两者同时发电并将电能储存在蓄电池内，蓄电池晚上供LED路灯照明时使用，这种型号风光互补路灯技术参数如表，其中光电转换效率是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率。路灯的控制电路图如图乙所示，其中是电磁铁的电阻，阻值很小可以忽略；滑动变阻器上标有“50Ω 1A”字样；是一个光敏电阻，与照度E之间的关系如图丙所示，“照度”是反映光照强度的一种物理量，用E表示，国际单位为勒克斯（Lx）。 LED路灯 太阳能电池板 风力发电机 蓄电池 1 2 额定电压 12V 电池板面积 最大限制风速 10m/s 蓄电池容量 400Ah 24Ah 额定功率 72W 光电转换效率 15% 最大输出功率 320W 额定电压恒定 12V 6V (1)图乙中，当早上天色渐亮，照度增大时，光敏电阻阻值 ，控制电路电流达到一定数值，衔铁被电磁铁吸下，衔铁上的动触点就会与静触点 （选填“A”或“B”）吸合； (2)该型号LED路灯正常工作时的电阻是多少； (3)当阳光照到电池板表面每平方米的功率为400W时，利用太阳能板发电10h产生的电能可供该型号LED路灯正常工作多长时间； (4)电路中只有蓄电池2工作时，滑动变阻器的滑片调至一定阻值保持不变，当光照度从1Lx升高至1.5Lx时，通过光敏电阻的电流变化了30mA。求此时滑动变阻器的电功率； (5)小明了解到学校的每盏风光互补路灯总成本约1000元，安装后使用就可不交电费；如果使用相同功率普通的LED路灯，每盏价格约200元，用电价格约为0.6元/度。小明估算风光互补路灯的大约7学年才能回本。如果要缩短风光互补路灯回本时间，请你运用物理所学的知识或科学方法，提一个可行建议： 。 【答案】(1) 减小 B (2) (3) (4)0.45W (5)见详解 【详解】（1）[1][2]由图丙可知，光敏电阻的特性是：照度越大，阻值越小。因此当照度增大时，光敏电阻阻值减小。早上照度增大时，光敏电阻阻值减小，电路的总电阻减小，根据欧姆定律可知，控制电路的电流增大，电磁铁磁性增强，衔铁被吸下，此时应切换到给蓄电池充电状态，故动触点与静触点B吸合。 （2）已知路灯的额定电压，额定功率，由功率计算公式可得，LED路灯正常工作时的电阻 （3）太阳能电池板面积为，每平方米接收功率为400W，光电转换效率15%，则转换后的电功率 太阳能板发电时间 10h产生的电能 由可得LED路灯正常工作多长时间 （4）蓄电池2电压  ① 由图乙可知，滑动变阻器​与光敏电阻串联。由图丙可知，与照度之间成反比例关系，当光照度为时，此时光敏电阻的阻值为  ② 当光照度升高时，由反比例函数的性质可得，此时光敏电阻的阻值为  ③ 已知当光照度从1Lx升高至1.5Lx时，通过光敏电阻的电流变化了  ④ 由欧姆定律可得  ⑤ 将①②③④代入⑤可解得 由欧姆定律可得，此时电路的电流 滑动变阻器的电功率为 （5）可以提高太阳能电池板的光电转换效率，由前面计算可知，光电转换效率影响着太阳能板发电的多少，效率提高，相同光照条件下产生的电能增多，可供路灯工作的时间延长，从而减少风光互补路灯的回本时间；或者降低风光互补路灯的制造成本，也能缩短回本时间。 33．阅读短文，回答问题。 综合实践活动——设计蔬菜温室 【任务与要求】为了在冬天能品尝到夏季的蔬菜，同学们为学校的劳动基地设计一个蔬菜温室，要求温度控制在20～30℃之间。 【设计与实施】 任务一：设计温室结构，温室设计为玻璃顶的长方体结构，体积为80m3，由立柱和横梁支撑，墙体四周装有保温层。查阅资料获知，立柱的承重比γ指立柱能承受的最大质量与其质量的比值，能反映承重效率，立柱横截面的形状是影响承重比的重要因素之一，为研究它们之间的关系，利用塑料立柱模型进行实验，发现在其他条件均相同时，横截面为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形模型的承重比关系是γ三＜γ四＜γ五＜γ六。 任务二：设计温控系统温控系统原理如图甲，控制电路的电源电压为6V，电阻箱R0的阻值调为90Ω，热敏电阻R1的阻值随温度的变化图像如图乙。当控制电路中的电流达到30mA时，衔铁被吸下；当电流降低到25mA时，衔铁被弹回。已知工作电路中电热丝R的电阻为22Ω，浴霸灯L标有“220V　275W”字样。 【交流与评价】如表所示是任务二的部分评价指标，根据评价表对活动进行评价。 等　级 优秀 良好 合格 不合格 评价指标 能自动控制室温在规定范围内波动，且降温较平缓 能自动控制室温升降，且降温较平缓 不能控制室温升降，降温较平缓 不能控制室温升降，也不能平缓降温 (1)关于设计蔬菜温室的实践活动，下列说法不正确的是（　　） A．屋顶选用绿色玻璃不利于蔬菜生长 B．墙体选用隔热性能好的材料 C．图甲浴霸灯是为了降温时能平缓些 D．图甲中通电线圈上端是S极 (2)由模型实验可知，搭建温室选用 （三角形/正方形/圆形）立柱的承重比大；已知模型的承重比为γ，质量为m，受力面积为S，g为已知常量，则其上表面所能承受的最大压强p＝ 。 (3)电热丝通电5min产生的热量使温室气温升高5.5℃，则空气吸收的热量为 J，电热丝对温室的加热效率约为 %；电磁铁线圈的电阻忽略不计，电热丝刚停止工作时，室温为 ℃。[ρ空气取1.25kg/m3，c空气取1.0×103J/（kg·℃）] (4)根据评价表中的指标对任务二进行评价，你的评价等级为 ，依据是 ；进一步给出优化建议： 。 【答案】(1)D (2) 圆形 (3) 83.3 20 (4) 良好 见解析 将电阻箱R0的阻值调大至130Ω 【详解】（1）A．蔬菜是不透明物体，且叶子通常是绿色的，只反射绿光，说明蔬菜不喜欢绿光，若屋顶选用绿色玻璃，绿色玻璃只透过绿光，则会导致蔬菜无法获得所需要的色光进行光合作用，不利于蔬菜生长，故A正确，A不符合题意； B．墙体选用隔热性能好的材料，可以减少蔬菜温室内外的热专递，可以使蔬菜温室内的温度控制在一定范围内，故B正确，B不符合题意； C．由图甲得，当衔铁被吸下时，电阻丝不工作，浴霸灯工作，此时浴霸灯可以向蔬菜温室内提供热量，可以使降温时能平缓些，故C正确，C不符合题意； D．图甲中电流从线圈的上端流入，下端流出，由安培定则得，通电线圈上端是N极，故D错误，D符合题意。 故选D。 （2）[1]由材料信息得，在其他条件均相同时，横截面为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形模型的承重比关系是 即模型的横截面的边数越多承重比越大，圆形可以看作无数条变构成的多边形，因此由模型实验可知，搭建温室选用圆形立柱的承重比大。 [2]由立柱的承重比指立柱成承受的最大质量与其质量的比值可知，承重比 则质量为m的模型能承受的最大质量 模型上表面所成承受的最大压力 则模型上表面所成承受的最大压强 （3）[1]蔬菜温室内空气的质量 空气吸收的热量为℃ [2]电热丝通电5min产生的热量 电热丝对温室的加热效率为 [3]依题意得，当控制电路中的电流达到30mA时，衔铁被吸下，此时电热丝刚停止工作，由欧姆定律可知，此时控制电路的总电阻为 由串联电路的电阻特点，此时热敏电阻R1的阻值 由图乙得，此时的室温为20℃。 （4）[1][2]由题意值，当控制电路中的电流达到30mA时，衔铁被吸下，此时电热丝刚停止工作，当电流降低到25mA时，衔铁被弹回，此时电热丝开始工作，说明蔬菜温度室能自动控制室温升降，电热丝刚停止工作时，浴霸灯工作，使得将温较平缓。当电流降低到25 mA时，由欧姆定律得，此时控制电路中的总电阻 由串联电路电阻特点得，此时热敏电阻R1的阻值 由图乙得，此时的室温约为13℃，即温度控制在13~20℃之间。由题意得，蔬菜温度室能自动控制温度升降，且降温较平缓，但温度只能在13~20℃之间，而要求温度控制在20~30℃之间，即不能自动控制室温在规定范围内不动，则所设计的蔬菜温度室等级为良好。 [3]现在所设计的蔬菜温度室等级为良好。进一步优化可使等级提升到优秀，使温度控制在20~30℃之间。由图乙可知，热敏电阻的阻值在70Ω~110Ω之间。由前面计算可知，总电阻的范围在200Ω~240Ω之间。因此电阻箱的阻值调为130Ω，故进一步给出优化建议：将电阻箱R0的阻值调大至130Ω。 34．图甲是一款普通的豆芽机，项目小组想在图甲的豆芽机上增设智能控温和自动淋水功能，从而保证豆子发芽需要的适宜温度和湿度。图乙是智能豆芽机的简化模型。项目小组为此开展了以下的项目式学习。 【任务一】设计豆芽机的温控装置 控温装置的电路设计如图丙所示，可实现加热、保温两挡自动切换， 为热敏电阻（置于发育盒内），为电阻箱，、为电热丝，且。控制电路电流≥5mA时衔铁被吸下。 (1)主要是由 （选填“绝缘体”、“半导体”或“超导体”）材料制作而成，当温度升高时，的阻值 ；（选填“变大”、“变小”或“不变”） (2)如图丙所示，开关闭合时，电磁铁的上端为 极，当衔铁被吸下来时，工作电路处于 （选填“加热”或“保温”）状态，加热与保温功率之比为 ； (3)豆芽适宜在23℃~28℃环境下生长，豆芽机若要实现25℃自动切换挡位，则控制电路中电阻箱应该调为 Ω；干电池用久了，会导致发育盒内温度比设定的温度 （选填“偏高”或“偏低”），除了更换电池外，还可以采取措施是 ，使得豆芽机恢复在25℃自动切换挡位； 【任务二】设计豆芽机的喷淋装置 (4)如图乙所示，水在水泵的作用下通过水管输送到淋水系统，多余的水通过沥水孔会回到水箱。水泵喷口流量指水泵1h内喷出水的质量。若水泵的流速为0.5m/s，喷口的横截面积为0.4cm2，则水泵喷口流量为 kg/h； (5)实验小组结合豆芽的生长特性，采用淋水系统定时给豆芽淋水，而不是将豆芽浸泡在水中的原因是： 。控制水泵间歇性喷水的电路设计如图戊所示，AB两端输入如图己所示的周期性变化的电压，定值电阻，D为电阻可以变化的电子元件。当图戊中时，D两端的电压等于电子元件D两端的实际输入电压；时，电子元件D通过改变阻值，控制保持5V不变。则时，通过电路的电流为 A；若要使豆芽机在1小时内，喷水时间为20min，请你结合上面的电路设计，应设置的电功率 W时，水泵启动喷水。 【答案】(1) 半导体 变小 (2) S 保温 3∶1 (3) 偏高 减小R的阻值 (4)72 (5) 保证豆芽呼吸作用所需氧气 5 12.5 【详解】（1）[1]热敏电阻是一种电阻值随温度显著变化的半导体元件，所以主要是由半导体材料制作而成。 [2]根据图丙分析，热敏电阻的阻值随温度升高而变小。 （2）[1]如图丙所示，根据安培定则，电流从电磁铁的下端流入，伸出右手，四指弯曲所指方向为电流的方向，则大拇指指向电磁铁的N极，即电磁铁的下端为N极，电磁铁的上端是S极。 [2]分析图丙所示的工作电路，当衔铁被吸下来时，R1和R2串联，根据串联电路的电阻特点，串联电路时总电阻最大，当衔铁释放时，工作电路中仅有R2，由可得，衔铁被吸下来时，工作电路处于保温状态，衔铁释放时，工作电路处于加热状态。 [3]工作电路处于保温状态时的功率为 工作电路处于加热状态时的功率为 因为，则可得 （3）[1]豆芽机若要实现25℃自动切换挡位，即当热敏电阻的阻值为300Ω时，如图丙所示，控制电路中，电阻箱R与热敏电阻Rx串联，当控制电路中电流达到5mA即0.005A，衔铁被吸下，实现换挡，由欧姆定律可得，热敏电阻两端的电压为 由串联分压可得，电阻箱R两端的电压为 则控制电路中电阻箱的阻值为 [2][3]干电池用久了，控制电路的总电压值减小，衔铁被吸下时控制电路中的电流不变，由欧姆定律可得，电路的总电阻减小，若电阻箱的阻值不变，则热敏电阻的阻值变小，由丁图可知，热敏电阻的阻值变小，温度变高，故会导致发育盒内温度比设定的温度偏高；若想豆芽机恢复在25℃自动切换挡位，即热敏电阻的阻值不变，可以减小电阻箱R的阻值。 （4）由题意可知，喷口的横截面积为0.4cm2，即为 若水泵的流速为0.5m/s，则水泵每秒流过水的体积为 由可得，每秒流过水的质量为 则水泵1h内喷出水的质量为 即水泵喷口流量为72kg/h。 （5）[1]豆芽生长时需要氧气，如果将豆芽浸泡在水中，豆芽呼吸作用时所需氧气不足，故采用淋水系统定时给豆芽淋水，保证豆芽呼吸作用所需氧气。 [2]当时，由图己可知，，由题可知，时，电子元件D通过改变阻值，控制保持5V不变，根据图戊可知，电子元件D与定值电阻R0串联，根据串联电路分压特点可得，定值电阻R0两端电压为 根据串联电路电流处处相等，由可得，通过电路的电流为 [3]若要使豆芽机在1小时内，喷水时间为20min，结合题意，淋水系统每3秒之中要工作1秒，从第2秒工作至第3秒，由图己可得，第2秒时， 此时电子元件D两端的电压为5V，电阻R0两端的电压为 由可得，此时R0的电功率为 故应设置的电功率12.5W时，水泵启动喷水。 35．如图甲是温度自动报警器，控制电路中，已知热敏电阻的阻值与温度t成反比例函数关系，如图乙所示；工作电路中，灯泡L标有“9V，”的字样，为电子蜂鸣器。它的电流达到某一固定值时就会发声报警，其阻值。小明依次进行如下操作：闭合开关和，灯泡L恰好正常发光，此时工作电路消耗的电功率为；将的滑片调到某一位置A，所处环境温度升高到设置温度时，控制电路中的电流为，继电器的衔铁刚好被吸下，使动触点与下方静触点接触；调节的滑片，当与的电压之比：1时，电子蜂鸣器恰好能发声，此时工作电路消耗的电功率为。已知控制电路电压、工作电路电压、定值电阻、灯丝电阻都不变，线圈电阻忽略不计。求： (1)灯泡正常发光时的电阻； (2)工作电路的电源电压和的阻值； (3)控制电路中，的滑片保持在位置A不动，所处环境温度升高到时，一分钟消耗的电能为，设此时滑动变阻器消耗的电功率为，求、的大小。 【答案】(1) (2)12V， (3)3V， 【详解】（1）灯泡L标有“9V，”的字样，根据可知，灯泡正常发光时的电流为 灯泡正常发光时的电阻为 （2）闭合开关和，灯泡与串联，灯泡L恰好正常发光，此时工作电路消耗的电功率为，则……① 继电器的衔铁刚好被吸下，使动触点与下方静触点接触，此时、和串联，此时工作电路消耗的电功率为，则……② ……③ 由①②③解得：； 与的电压之比，由分压原理， 故 当灯泡与串联时，根据欧姆定律可知，电流……④ 当、和串联时，根据欧姆定律可知，电流……⑤ 由④⑤解得：。 （3）控制电路中，的滑片保持在位置A不动，所处环境温度升高到时，由图乙可知，；因，则； 由图乙可知，与t成反比例函数关系，则当温度为时的阻值为 当所处环境温度升高到时，一分钟消耗的电能为，根据可知，电路中的电流为 此时电源电压为……⑥ 同理，当所处环境温度升高到设置温度时，控制电路中的电流为，则电源电压为……⑦ 由⑥⑦解得：； 此时滑动变阻器消耗的电功率为 1．如图是某道路限载报警器的工作原理图。控制电路电源电压为6V，a、b处分别接入指示灯和电铃，R1是力敏电阻，其阻值随压力的变化而变化。闭合开关S，当车的质量超过限载质量时，控制电路中电流等于或超过60mA，报警电铃响；当车的质量没有超过限载质量时，指示灯亮。根据不同的路面可以改变滑动变阻器滑片P的位置，来设定不同的限载质量。下列说法正确的是（   ） A．a处应该接入电铃，b处接入指示灯 B．力敏电阻R1的阻值随压力的增大而增大 C．若要降低设定的限载质量，应将滑片P向右移动 D．用久后，电源电压U1会降低，导致报警时车的质量低于设定的限载质量 【答案】C 【详解】AB．如图所示，闭合开关S，当车的质量超过限载质量时，控制电路中电流等于或超过60mA，即车重越大，电流越大，力敏电阻R1的阻值随压力的增大而减小，电磁铁磁性增强，将衔铁吸下，此时报警电铃响，而当车的质量没有超过限载质量时，指示灯亮，因此a处应该接入指示灯，b处接入电铃，故AB错误； C．若要降低设定的限载质量，即力敏电阻所受压力变小，力敏电阻阻值更大，报警电流还是为60mA，即总电阻保持不变，因此应将滑动变阻器接入阻值调小，应将滑片P向右移动，故C正确； D．用久后，电源电压U1会降低，电路中电流会减小，要达到报警电流60mA，总电阻减小，而滑动变阻器接入阻值不变，则敏电阻接入阻值减小，力敏电阻R1的阻值随压力的增大而减小，即车对力敏电阻压力更大，导致报警时车的质量高于设定的限载质量，故D错误。 故选C。 2．如图所示，是一款磁吸式数据线，线体可以和不同型号的磁性充电头吸附对接，达到一线多头的使用效果，线体和磁性充电头吸附的原理是 ；地球周围也有磁场，地磁南极大致在地理的 极方向，根据通电螺线管周围存在磁场的实验事实，某同学对地磁场产生的原因提出了一个假说：地磁场是由绕地球的环形电流引起的。下列图中符合他假说的模型是 。 A．    B．  C． 【答案】 异名磁极相互吸引 北 B 【详解】[1]磁吸式数据线的线体和磁性充电头能吸附对接，其原理是异名磁极相互吸引。因为磁性充电头和线体上分别带有不同的磁极，异名磁极间存在相互吸引的作用力。 [2]地球周围存在地磁场，地磁南极在地理的北极附近，地磁两极与地理两极方向大致相反。 [3]根据安培定则，用右手握住螺线管，让四指指向螺线管中电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的N极。地球周围的地磁场的磁感线是从地理南极附近出发到地理北极附近，若地磁场是由绕地球的环形电流引起的，根据安培定则可知，电流方向应该是顺时针（北极上空俯视地球），故B符合题意，AC不符合题意。 故选B。 3．电动车充电过程中，电池温度过高可能会自燃。小明设计了一个自动控制装置，当电池温度过高时，启动制冷系统降温。如图甲，控制电路中电源电压恒为6V，为热敏电阻，为电阻箱。当电流时，衔铁被吸下，工作电路制冷系统启动。将两个热敏电阻、分别作为接入电路中，闭合、，测出它们在不同温度时的阻值，绘制成如图所示曲线。在本设计中热敏电阻应选用 （选填“”或“”）。若要将制冷系统启动温度设置为，的阻值应调为 。 【答案】 270 【详解】[1]当电池温度过高时需要启动制冷系统，即温度升高时，控制电路中的电流需达到或超过20mA以使衔铁被吸下。根据欧姆定律，在控制电路电源电压恒定的情况下，电流增大意味着电路的总电阻需减小。这表明热敏电阻的阻值要随温度升高而减小，才能满足温度升高时启动制冷系统的要求。因此，根据曲线特性，热敏电阻应选用阻值随温度升高而变小的。 [2]当制冷系统启动温度设置为时，电路中的电流 根据欧姆定律可知，此时控制电路的总电阻 由曲线可知，当时，热敏电阻的阻值。因为控制电路中与是串联关系，根据串联电路总电阻等于各分电阻之和，则的阻值 4．如图所示为某电动机的原理图。EF、PQ为螺线管，abcd为电动机的线圈，（OO'为转轴。闭合开关，从O点沿转轴观察，线圈顺时针转动，螺线管E端为 （选填“N”或“S”）极，若将电源的正负极对调，从O点沿转轴观察，线圈将 （选填“顺时针转动”或“逆时针转动”）。 【答案】 N 顺时针转动 【详解】[1]由图可知，电流从螺线管E左端流入，F端流出，根据安培定则可判断出螺线管的E端为N极。 [2]因为电动机中通电线圈的转动方向与电流方向和磁场方向有关，只改变其中一个因素，转动方向改变；若同时改变电流方向和磁场方向，转动方向不变。将电源的正负极对调，根据安培定则，两个螺线管的磁极改变，F端为N极，P端为S极，磁场方向改变；线圈中的电流方向也改变，即磁场方向和电流方向同时改变，所以线圈的转动方向不变，仍顺时针转动。 5．用如图所示的装置进行实验探究时，将铁片、纸片、钢片、铝片和玻璃片分别置于条形磁体与回形针之间。由此可见，该装置可用来探究 。当在条形磁体与回形针之间插入 时，回形针会掉下来。 【答案】 铁片、纸片、钢片、铝片和玻璃片是否是磁性材料 铁片和钢片 【详解】[1]由题意可知，在条形磁体与回形针之间插入实验材料之后，观察回形针是否掉下来，则可以探究铁片、纸片、钢片、铝片和玻璃片是否是磁性材料等实验。 [2]磁体可以把磁性材料磁化，非磁性材料不能被磁化。当磁性材料插入中间时，磁性材料被磁化，磁铁的磁场不能穿越磁性材料，下端没有磁场，所以回形针会脱落，即当在条形磁体与回形针之间插入磁性材料铁片和钢片时，回形针会脱落。 6．跨学科实践：自制新能源夜骑灯 【项目背景】 骑行爱好者使用的夜骑灯用USB接口充电不够方便。某小组决定自制一款新能源夜骑灯来辅助解决这一问题。 【项目分析】 （1）某款夜骑灯的电池容量为2000mA⋅h，若充电时的电流恒为1A，则充满电最多需要 h。 （2）小组决定增加太阳能电池板辅助充电，将太阳能先转化为 能，再以 能的形式储存在蓄电池中。 【项目实施】 图甲是小组设计的简化电路示意图。 （3）图乙是小组所用的太阳能电池板，整个板面为正方形，其边长为 cm。某天在阳光下照射5h，太阳能电池板每平方米的平均发电功率为160W，则此太阳能电池板的发电量为 ，能供额定功率为的灯正常发光 h。 【项目优化】 （4）考虑到太阳能充电只能在阳光下进行，小组在以上设计的基础上，增加风力供电模式，利用风力带动风轮旋转，把风能转为风轮的机械能，再带动发电机发电，发电机的原理是 。 （5）如图丙，风轮扫风面积，用的固定风速进行测试，时间内风轮扫风体积V空气= （用上述符号写出表达式）。 仅风力供电时测得该段时间内照明灯两端的电压和通过的电流。 经查阅资料了解到，空气密度可取，风能，若风能转为风轮机械能的效率为，则风轮机械能转化为照明灯电能的效率约为 %（保留整数）。 【评价交流】 （6）实际夜骑时，还要考虑夜骑灯的安全性、便携性和天气情况等因素，请任选一个角度，对自制夜骑灯的小组成员提出一个合理的建议： 。 【答案】 2 电 化学 5.00 2×10-3 4 电磁感应现象 Sv空气t 56 见详解 【详解】（1）[1]夜骑灯的电池容量，充电电流 充满电最多需要时间 （2）[2][3]太阳能电池板将太阳能先转化为电能，再以化学能的形式储存在蓄电池中。 （3）[4][5][6]图乙中刻度尺分度值为1mm，电池板边长为 面积为 照射时间，每平方米发电功率 则发电量为 能供额定功率 则灯正常发光时间为 （4）[7]发电机的原理是电磁感应现象，即闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中会产生感应电流。 （5）[8][9]风轮扫风面积内扫风距离，扫风体积，空气的质量 风能为 风能转为风轮的机械能为 照明灯消耗的电能为 所以风轮机械能转化为照明灯电能的效率为 （6）[10]提升LED亮度、优化光照范围、采用防水材料及稳固的安装方式，从而确保夜骑安全。 7．如图所示，水平粗糙且绝缘的轨道左侧有一弹簧，B点为弹簧原长位置，CD区域有一磁场方向垂直纸面向里的均匀磁场（磁场强弱不变）。现将粗糙程度相同的金属框P和塑料框Q分别将弹簧压缩至A点由静止释放（、Q均未画出），最终都停在E点。请结合能量和力学相关知识比较P的质量与Q的质量的大小关系，并说明理由。（不计空气阻力） 【答案】见解析 【详解】金属框P的质量小于塑料框Q的质量。 理由：由于弹簧被压缩的程度相同，P和Q获得的能量相同。由于轨道粗糙，在摩擦力的作用下，克服摩擦做功，两框速度逐渐减小，最终停止。P为金属框，在进入和离开均匀磁场的过程中，由电磁感应现象和焦耳定律知部分动能先转化为电能后转化为内能被消耗；而Q为塑料框，不会出现这种能量损失。金属框P和塑料框Q最终都停在E点，即动能被全部消耗，说明金属框P克服水平面的摩擦做功要小一些，由于克服摩擦的路程相同，由可知，金属框P受到的摩擦力要小一些，由滑动摩擦力大小的决定因素知金属框对轨道的压力小，由压力可知金属框P的质量小于塑料框Q的质量。 8．如图是小闽为家庭养殖场设计的电热孵化器的工作原理图，R1、R2和R3为阻值均为110Ω的加热电阻。控制电路中，电源电压恒为3V，R为滑动变阻器，热敏电阻Rt置于孵化器内，其阻值随温度的变化关系如下表所示。已知电磁继电器的线圈电阻R0=10Ω，当继电器线圈中的电流小于或等于10mA时，继电器的衔铁弹回，工作电路处于加热状态；当继电器线圈中的电流大于或等于15mA时到达孵化温度，继电器的衔铁被吸下，工作电路处于保温状态。 温度t/℃ 32 33 34 35 36 37 38 电阻Rt/Ω 390 290 210 150 100 50 40 (1)此孵化器发热功率； (2)孵化温度为37℃时，R连入电路的阻值； (3)孵化温度为37℃时，此孵化器的调节的温度范围。 【答案】(1)440W (2)140Ω (3)35℃∼37℃ 【详解】（1）继电器的衔铁弹回，工作电路处于加热状态，此时触点与b相连，接入电路，孵化器发热功率为 （2）由图可知，控制电路中，R、、线圈，三者串联，由表格数据可知，孵化温度为时，的阻值为，线圈吸合电流为15mA，根据欧姆定律和串联电路电阻规律可得，即 解得 （3）衔铁回弹电流为10mA，根据欧姆定律有 即 解得，对照表格可知，此时的温度为，故孵化器调节的温度范围为35℃∼37℃ 9．阅读材料，回答问题。 “珠江翡翠”号游船 2024年2月2日晚，500客位“珠江翡翠”号（如图所示）在广州大沙头码头成功首航.该船是广州珠江夜游最大的纯电动新能源豪华游船，将为粤港澳大湾区水上旅游和绿色珠江建设注入新活力500客位“珠江翡翠”号总长55m，型宽16m，型深3.7m ，设计吃水2.50m，采用纯电池动力全回转对转舵桨双机推进，最大航速18.5km/h。该船搭载LF280K电芯集成的电池包，可驱动2台300kW 的主推电机。凭借此电芯产品，实现了整船的零碳排放，满足绿色低碳航运需求。 (1)电动机是“珠江翡翠”号游船动力系统中的关键部件之一，下列选项中与电动机的原理相符合的是_______。 A． B． C． D． (2)“珠江翡翠”号游船载客500位时，吃水深度即接近设计参数，此时船底受到的水压为 Pa。（ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg） (3)在某次试航过程中，“珠江翡翠”号游船满载乘客，总质量达到100t，以18 km/h 的航速在平静的珠江水面上匀速航行时，游船受到的阻力约为船重的0.1，则游船受到的动力为 N ，动力做功的功率为 W，配备的2台300kW 主推电动机的效率为 %。（最后一空结果保留至0.1%） (4)小明春节期间体验了一次“珠江翡翠”号游珠江的航行，回家后用一泡沫塑料块、两节干电池、两个相同的小电动机（带自制的螺旋桨）、一根铅笔芯、一个开关和一些铜导线等材料，制作了一艘可调速的“珠江翡翠”号模型，如下图所示是他绘制的简易实物图和电路图。其中简易实物图的 组合相当于电路图中的滑动变阻器，用于实现调节船速的作用。 【答案】(1)B (2)2.5×104 (3) 1×105 5×105 83.3 (4)铅笔芯和铜环 【详解】（1）电动机原理是通电导体在磁场中受力转动，即磁场对电流的作用。 A．如图可知，是验证磁极间的相互作用，故A不符合题意； B．如图可知，是利用通电导体在磁场中受力转动，是电动机的原理，故B符合题意； C．如图可知，是奥斯特实验，即通电导体周围存在磁场，是电磁铁的工作原理，故C不符合题意； D．如图可知，是导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生感应电流，是发电机的原理，故D不符合题意。 故选B。 （2）由题可知，“珠江翡翠”号游船载客500位时，吃水深度为2.50m，由可得产生船底受到的压强为 （3）[1][2][3]由题可知，总质量 重力 阻力 匀速航行时，动力 航速 动力做功功率（有用功率） 电动机最大功率 300kW×2，现在实际输出机械功率为500kW（即250kW每台），所以效率 （4）电路图中滑动变阻器用来改变电动机电压从而调速。实物图中，铅笔芯是电阻材料，用铜环在铅笔芯上移动改变接入电阻，所以铅笔芯和铜环组合相当于滑动变阻器。 10．水培种植作为现代农业新技术正被越来越广泛地使用应用。大棚中的水培植物（例如蔬菜或花卉），其根部浸在营养液中，储存营养液的水箱埋在地下，通过水泵将营养液送入地面上的营养液槽中。下图是科技小组同学为某农业园设计的自动“输液”控制设备。 图1中，长方体浮块M和T型轻杆相连，应力电阻RF受到压力时阻值变小，其阻值与力大小关系如图2所示。当电磁铁线圈中（线圈电阻不计） 的电流时，某台水泵工作，向营养液槽内注入液体；当线圈中电流时，工作电路被自动切换，另一台水泵开始向营养液槽外抽出过多的液体。已知控制电路的电源电压U=3V，浮块M高为30cm、底面积为100cm2、密度为0.5g/cm3，下表面距离槽底5cm，T型轻杆的长度可调。图中T型连杆与RF之间的距离忽略不计，将R调至10Ω，营养液的密度近似为，求： (1)图示情况下，浮块受到的浮力； (2)图中，与向营养槽中注入液体的水泵所对应的电动机是 （选填“A”或“B”）； (3)槽内液面距离槽底的高度变化范围是 ； (4)现要将营养液槽中的最高液面调高，下列措施中可行的有___________（多选，不全得1分，选错不得分） A．减小电源电压 B．保持M体积一定，减小其横截面积 C．减小电阻箱的阻值R D．增大电阻箱的阻值R (5)在其它条件不变的情况下，要保证装置能正常工作，电阻箱允许的阻值变化范围是 。 【答案】(1)15N (2)A (3) (4)ABD (5) 【详解】（1）由图1可知，水泵A正在向营养槽注入液体，此时电路中的电流，控制电路中的总电阻 应力电阻 由图2可知，此时RF受到的压力，则浮块处于漂浮状态，浮块的重力 浮块受到的浮力 （2）向营养槽中注入液体时，营养槽中液位较小，浮块对RF的压力小，RF的电阻较大，控制电路中的电流小，衔铁不能被吸下，此时注入液体的水泵所对应的电动机是A。 （3）另一台水泵B开始向营养液槽外抽出过多的液体时，控制电路中电流时，控制电路中总电阻 此时应力电阻 由图2可知，RF受到的压力 此时浮块受到的浮力 此时浮块浸入深度 此时槽内液面距离槽底的高度 当浮块受到的浮力时，浮块浸入深度 此时槽内液面距离槽底的高度 所以槽内液面距离槽底的高度变化范围是 （4）ACD．现要将营养液槽中的最高液面调高，浮块浸入的深度增大，浮力增大，RF受到压力的增大，由图2可知，RF变小，电路正常工作的总电阻变小，抽液时的总电流不变，由可知，可减小电源电压，或增大电阻箱的阻值R，故AD符合题意，C不符合题意； B．正常排液时，控制电路中的总电阻不变，RF的大小不变，浮块的体积不变，其重力不变，浮块M受到的浮力不变，浮块M的底面积减小，浸入深度增大，故B符合题意。 故选ABD。 （5）装置能正常工作时，应力电阻受到的最小压力为零，此时 最大压力是M浸没状态时，M浸没时受到的浮力 此时RF受到的压力 图2中RF与F的函数关系式为，当时，RF的最小值为5Ω；当向营养液槽内注入液体时，所以 当向营养液槽外排液体时，，此时 所以电阻箱允许的阻值变化范围是 5 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $