高考新动向（四） 以新情境为背景考查：电路与电磁感应问题-【创新教程】2027年高考物理大二轮专题增分方案学生用书

物理 高考新动向（四）以新情境为背景考查：电路与电磁感应问题 动向1交变电流在日常生活中的应用 素养训练 素养聚焦 1.(霓虹灯发光现象)有一正弦交流电源，电压有效值U=120V,频率为f=50本题突现物理学科思维品 Hz,向一霓虹灯供电，若霓虹灯的激发电压和熄灭电压均为U。=60√2V,试估质，初看不难，但如果不善 算在一个小时内，霓虹灯发光时间有多长？为什么人眼不能看到这种忽明忽暗于将实际问题转化为合理 的物理模型，并灵活运用学 的现象（人眼视觉暂留时间约6s)? 过的有关知识分析求解，解 答是极为困难的，体现科学 态度与责任的核心素养. 82 第一部分：专题四电路与电磁感应 素养训练 素养聚焦 摩擦小轮 2.(自行车车头灯)有一种能向自行车车头灯 摩擦小轮 本题考查对物理量之间的 发电机 供电的小型交流发电机，图甲为其结构示 车轮 关系的探究，涉及两个物理 大齿轮 小齿轮 意图.图中N、S是一对固定的磁极，abcd 模型： [模型1]齿轮传动和皮带 为固定在转轴上的矩形线圈，转轴过bc的中点、与ab边平行，它的一端有一半 传动模型.此模型的重要特 径。=1.0cm的摩擦小轮，小轮与自行车车轮的边缘相接触，如图乙所示.当征是两齿轮和皮带接触处 车轮转动时，因摩擦而带动小轮转动，从而使线圈在磁极间转动.设线圈由=800的线速度大小相等，如本题 匝的导线组成，每匝线圈围成的面积S=20cm2,磁极间的磁场可视为匀强磁场，中有w,R,=ωR2· 磁感应强度B=0.01T,自行车车轮的半径R,=35cm,小齿轮的半径R,=4.0[模型2]交流发电机模 型.线圈在匀强磁场中绕垂 cm,大齿轮的半径R,=10.0cm,现从静止开始使大齿轮加速转动，问大齿轮的 直于磁感线的轴匀速转动， 角速度为多大时才能使发电机输出电压的有效值U=3.2V?(假定摩擦小轮与自产生正弦式交变电流.此模 行车车轮之间无相对滑动) 型有两个重要特征： ①所产生交流电动势的峰值 为En=nBSw; ②产生的交流电动势的有 或位为E一号 本题的分析求解过程充分 体现了对问题的科学探究 能力的要求。 83 物理 素养训练 素养聚焦 3.(风力发电新能源)风力发电作为新能源，近几年来得到 本题以风力发电作为新能 了快速发展.如图所示风车阵中发电机的输出功率为 源设置问题情境.要求考生 100kW,输出电压是250V,用户需要的电压是220V, 认识科学·技术·社会· 输电线的电阻为102.若输电线因发热而损失的功率为 环境的关系，树立保护环境 输送功率的4%，试求： 并推动社会可持续发展的 (1)在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比. 责任意识. (2)用户得到的电功率 84 第一部分：专题四电路与电磁感应 动向2 电磁感应在现代科技中的应用 素养训练 素养聚焦 1.(安检门)（多选）安检门是一种用于安全检查的“门”，如 门框 机场、车站、重要机关 图所示，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电 等均安装有安检门，对 流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生 ⑧ 安检门的作用、工作原 涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起 安检门 报警电路 报警.以下关于这个安检门的说法正确的是 ( ) 理的了解，是关心身边 线圈 A.这个安检门也能检查出毒品携带者 。交流电 科学的表现，这对培养 B.这个安检门只能检查出金属物品携带者 学生的科学态度与责 C.如果这个“门框”内的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者 任具有重要意义， D.这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应 2.(电磁轨道炮)电磁轨道炮利用电流和磁 本题是电磁感应与电 场的作用使炮弹获得超高速度，其原理ET 路、力学知识的综合， 可用来研制新武器和航天运载器.电磁 解决问题的关键是构 轨道炮示意图如图所示，图中直流电源电动势为E,电容器的电容为C,两根固定于水平建平行板电容器模型 面内的光滑平行金属导轨间距为1，电阻不计.炮弹可视为一质量为、电阻为R的金属和导体切割磁感线模 棒MN,垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触.首先开关S接1，使电容器型.构建物理模型是科 完全充电，然后将S接至2，导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁学思维的重要体现. 场（图中未画出），MN开始向右加速运动.当MN上的感应电动势与电容器两极板间的 电压相等时，回路中电流为零，N达到最大速度，之后离开导轨.求： (1)磁场的方向； (2)MN刚开始运动时加速度a的大小； (3)MN离开导轨后电容器上剩余的电荷量Q是多少， 85 物理 素养训练 素养聚焦 3.(电磁缓速器)电磁缓速器是应用于车辆上以提高运行安全性的 本题主要考查安培力、 辅助制动装置，其工作原理是利用电磁阻尼作用减缓车辆的速 平衡条件、法拉第电磁 度.电磁阻尼作用可以借助如下模型讨论：如图所示，将形状相同 感应定律、电磁阻尼、 的两根平行且足够长的铝条固定在光滑斜面上，斜面与水平方向 闭合电路欧姆定律、电 夹角为0.一质量为m的条形磁铁滑入两铝条间，恰好匀速穿过， 阻定律等知识，意在考 穿过时磁铁两端面与两铝条的间距始终保持恒定，其引起电磁感 查考生灵活运用知识 应的效果与磁铁不动、铝条相对磁铁运动相同.磁铁端面是边长 分析、解决问题的能 为的正方形，由于磁铁距离铝条很近，磁铁端面正对两铝条区 力，体现科学思维的核 域的磁场均可视为匀强磁场，磁感应强度为B,铝条的高度大于 心素养 d,电阻率为ρ.为研究问题方便，铝条中只考虑与磁铁正对部分的电阻和磁场，其他 部分电阻和磁场可忽略不计，假设磁铁进入铝条间以后，减少的机械能完全转化为 铝条的内能，重力加速度为g (1)求铝条中与磁铁正对部分的电流I; (2)若两铝条的宽度均为b,推导磁铁匀速穿过铝条间时速度v的表达式； (3)在其他条件不变的情况下，仅将两铝条更换为宽度b>b的铝条，磁铁仍以速度v进 入铝条间，试简要分析说明磁铁在铝条间运动时的加速度和速度如何变化. 86等时，金属棒ab恰好追上金属环，设此时速度为v,由动 量守恒定律有 m6=mo十2mu,解得u=3w, 1 对金属棒ab,由动量定理有一BIL1=m·号-mw, 2 则有BLq=3m, 设金属棒运动距离为x1,金属环运动的距离为x2,则有 q=BL(:) R 联立解得Ax=一x,=mR2豇 B2L2 则金属环圆心初始位置到MP的最小距离 d=L+△x=BL3+mR2gL B2L2 [答案](1)BLV2gL(2)BL2gL 3mR (3)BL'+mR /2gL B2L2 [对点集训] 1.解析：(1)设ab棒下滑到斜面底端时速度为v, 由机城能守恒定律有号md=gsin0, 解得v=√2g5sin0, ab棒刚进入磁场时产生的感应电动势为 E=B。LV, 通过cd的电流为I=2示： E cd棒所受安培力为F=ILB。, F 则最大加速度为am=3m 联立解得am= BL2√2 gssin 0 6mR (2)当ab、cd棒共速时， 由动量守恒定律得mv=4m0共， 解得u4=千√2gsim0, 共速后两棒一起做匀速直线运动，不再产生热量 由能量守恒定律得，两棒产生的总热量 Q-7md-名×4mud,解得Q=子mgssin0, ab排与cd裤电阻相同，所以Q。=2Q-号mgssin .3 答案：(1)B时LV2gsin0 6mR (2)mgssin 0 2.解析：(1)从M释放到进磁场，根据机械能守恒定律有 mgh-2 mi, M进磁场时，对金属杆N根据牛顿第二定律有 F-BIL-B BIL=2ma, 3R 解得a=BL22g5 6mR 根据左手定则可知，金属杆N所受安培力的方向水平向 右，则加速度方向水平向右. (2)由M、N组成的系统动量守恒，则mv=m十2mu2, 1X2m, 根搭能量守恒定律有Q合m-之m听- 所以细会属杆N产生的焦耳热为Q=号Q-多mgh 5 3 讲解册参考答案 (3)对细金属杆N,根据动量定理可得BILl=2m2,其中 q=1,解得g=m,2g 2BL (4)当N出磁场时M也刚好出磁场，此时N到ab的距 离最小，设细金属杆N到αb的最小距离为x,则整个过 程中通过闭合回路的电荷量为9=3服=3R, △ΦBLx 所以x=3mR√2gh 2B2L2 答案：a水平向右(2是mg 6mR (3)m√2gh (4)3mR√2gh 2BL 2B2L2 课堂评价·高考预测 1.C 2.解析：(I)ab棒由M下滑到N过程中机械能守恒，有 mgR1-c0s60)=7md,解得=VgR, E=BL√gR 进入磁场瞬间，回路中的电流为I=2,十， 3r (2)ab棒在安培力作用下做减速运动，cd棒在安培力作 用下做加速运动，当两棒速度达到相同速度时，电路 中电流为零，安培力为零，cd棒达到最大速度.由动量守 恒定律得mv=(2m十md,解得d=号√gR。 (3)系统释放的热量应等于系统机械能的减少量，故 Q=合md-合×3m”,解得Q=号mgR 答案：1)VRBR(2)号VgR(3)3mgR 3r 高考新动向（四）以新情境为背景考查：电路与电磁感 应问题 动向1 1.解析：由正弦式交流电的电压 峰值U。与有效值U的关系 120/w 得Um=√2U=120√2V 602 设t=0时交流电的瞬时电 ta 压u=0,则交流电的瞬时值 Tts -602----- 表达式可写为u=120√2sin 100πt(V),如图所示， -120w2I 画出一个周期内交流电的u-(图像，其中阴影部分对应 的时间表示霓虹灯不能发光的时间，根据对称性可知， 一个周期内霓虹灯不能发光的时间为4t1. 当u=U。=602V时，由上式得6一600s,又周期 T=2x=1 0s, 故一个周期内霓虹灯能发光的时间，。=T-4红=污 一个小时内克虹为发光的时间为1=30×方s 1 50 =2400s很明显，霓虹灯在工作过程中是忽明忽暗的， 而每次想天的时间只有0s(如图么时刻到与时刻). 由于人的眼睛具有视觉暂留现象，这个视觉暂留时间约为 s远大于30s,因此人眼不会因为克虹灯短暂的地 1 灭而有所感觉. 答案：2400s原因见解析. 9 物理 2.解析：当自行车车轮转动时，通过摩擦小轮使发电机的 线圈在匀强磁场内转动，线圈中产生一正弦式交流电动 势，其峰值Em=na BS, 式中心。为线圈转动的角速度，即摩擦小轮转动的角速度 发电机两瑞电压的有数值U=号巴.， 设自行车车轮转动的角速度为ω，由于自行车车轮与摩擦小 轮之间无相对滑动，则有R仙=仙， 小齿轮转动的角速度与自行车车轮转动的角速度相同， 也为w,设大齿轮转动的角速度为w1,则有山，R3=aωR2, 联立以上各式可得=·尺，代入数据得 3.2rad/s,即大齿轮的角速度应为3.2rad/s 答案：3.2rad/s 3.解析：(1)输电线损失的功率P摄=P×4%=100kW×4%= 4kW 输电线上的电流L,=√R 4×10A=20A 升压变压器输出电压U,= P=100×10v=5×10V 20 .250V1 升压变压器原、副线圈匝数比，U5X10V= 电压损失U=I2R=20×10V=200V 降压变压器原线圈两端电压U3=U2一U=4800V 降压变压器原、副线圈匝数比=4800Yy=240 na 220V=11: (2)用户得到的电功率即降压变压器的输出功率 P用=P-P=P(1一4%)=96kW 答案：(1)1：20240：11(2)96kW 动向2 1.BD[这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出 金属物品携带者，A错误，B正确；若“门框”内的线圈中 通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使金属物品 内产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错误； 安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流 的磁效应，D正确.门 2.解析：(1)由左手定则知，磁场方向垂直于导轨平面 向下 (2)电容器完全充电后，两极板间电压为E,当开关S接 2时，电容器放电，设刚放电时流经MN的电流为I,有 E 1一R' ① 设MN受到的安培力为F,有F=ILB, ② 由牛顿第二定律，有F=ma, ③ 联立①②③式得a=BE, mR’ ④ (3)当电容器充电完毕时，设电容器上电荷量为Q,有 Qo=CE, ⑤ 开关S接2后，MN开始向右加速运动，速度达到最大值 vmx时，设MN上的感应电动势为E,有E=BlUmas, ⑥ 依题意有E-是。 ⑦ 设在此过程中MN的平均电流为I,MN上受到的平均 安培力为F,有F=IlB, ⑧ 由动量定理，有F△t=mmx一0， 又I△t=Q-Q, 0 联立⑤⑥⑦⑧⑨⑩式得Q=BPCE m+BIC 答案：（1)垂直于导轨平面向下 (2)B1E mR (3)B'PCE m+B21C 3 3.解析：(1)磁铁在铝条间运动时，两根铝条受到的安培力大 小相等，均为F安，有F安=IdB 设磁铁受到沿斜面向上的作用力为F,其大小为 F=2F 磁铁匀速运动时受力平衡，则有F一mgsin0=0,联立解 得I=mgsin0 2Bd (2)磁铁在铝条间运动时，在铝条中产生的感应电动势 为E=Bdv,设铝条与磁铁正对部分的电阻为R,由电阻 定律有R=P品，由欧拇定徐有1一是，联立解得 v=emgsin 0 2B2d26 (3)磁铁以速度口进入铝条间，恰好做匀速运动时，磁铁 受到沿斜面向上的作用力F,则由以上各式可得F= 2F囊=2Bd6加，当铝条的宽度6>b时，磁铁以速度 进入铝条间时，磁铁受到沿斜面向上的作用力变为F, 有F=2B60,可见，F>F=mgin0,磁铁所受到的合力 方向沿斜面向上，获得与运动方向相反的加速度，磁铁 将减速下滑，刚进入铝条间时加速度最大.之后，随着运 动速度减小，F减小，磁铁所受的合力也减小，由于磁铁 加速度与所受到的合力成正比，磁铁的加速度逐渐减小，综 上所述，磁铁做加速度逐渐减小的减速运动，直到F= mngsin0时，磁铁达到平衡状态，以较小的速度匀速下滑. 答案：(1)mgsin0 2Bd (2)v=emgsin 0 2B2db (3)见解析 第一部分专题五 机械振动与 机械波光学 电磁波 第13讲机械振动与机械波 核心素养·助学提能 考点一 [例1][解析] 同一个单摆，拉开相同的角度A=A。 月球表面重力加速度小于地 球表面重力加速度；单摆振动 B正确 T月>T 周期T=2x√g [答案]B [对点集训] 1.D 2.ABD 考点二考向1 [例2][解析]根据题意由题图可知，t=0时，质点b在 波峰，1.2s时b第一次回到波峰，则波的周期为1.2s, 故A正确；由于1=0.5s=昌T<号T时a振动至波谷， 则t=0时，质点a沿y轴负方向振动，则波沿x轴正方 向传播，质点。由泼峰振动到此位置的时间为2工，则质 点a的振功传鵝到质点6需要-2T=0.1s,则波速 为。=子-8m/s=5m/s,故B错误；设流的振幅为 A,结合上述分析可知，质，点a的振动方程为y= Asin(+号)m, 又有t=0时，y=6cm, 0