安徽省滁州市定远县民族中学2022-2023高二下学期3月月考物理试题（含解析）考试试卷

定远县民族中学2022-2023学年高二下学期3月月考
物理
第I卷（选择题）
一、单选题（本大题共8小题，共32分）
1. 如图所示，两根平行放置的长直导线和长度均为，放置在与导线所在平面垂直的匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度为和中分别通有电流强度为和的恒定电流，且电流方向相同，已知导线受到的磁场力大小为零，则导线受到的磁场力大小为( )
A. B. C. D.
2. 如图所示，一根导体棒用两根细线悬挂在匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度，导体棒与磁场方向垂直，长度，导体棒质量，其中向右的电流，重力加速度取。下列说法正确的是( )
A. 该导体棒所受安培力大小为 B. 该导体棒所受安培力大小为
C. 每根悬线的张力大小为 D. 每根悬线的张力大小为
3. 在光滑绝缘水平面上，用绝缘细线拉着一带负电的小球，在水平面内绕竖直方向的轴做匀速圆周运动，整个空间存在竖直向下的匀强磁场，俯视图如图所示。若磁感应强度比原来增大一些，小球仍做圆周运动，则（ ）
A. 细线中拉力一定增大 B. 小球的速度一定增大
C. 细线中拉力可能为零 D. 小球所受洛伦兹力可能不变
4. 如图，一个用绝缘细线悬挂着的带正电的橡胶球在竖直面内做简谐运动，增加一个如图所示的匀强磁场后，有关带电小球运动情况的描述正确的是( )
A. 小球再次经过平衡位置时，速率不变 B. 小球再次经过平衡位置时，速率变小
C. 小球摆动的周期逐渐变大 D. 小球摆动的周期逐渐变小
5. 一回旋加速器中匀强磁场的磁感应强度为，两形盒狭缝间加的交变电场电势差为。质量为、电荷量为的离子在回旋加速器中，由静止开始经交变电场多次加速后，旋转轨道是半径为的圆，圆心在点。为引出离子，使用磁屏蔽通道法设计引出器，引出器原理如图所示，一对圆弧形金属板组成弧形引出通道，通道的圆心位于点。引出离子时，改变通道内磁场的磁感应强度，从而使离子从点进入通道，沿通道中心线从点射出。则( )
A. 交变电场的变化周期为
B. 粒子的加速次数为
C. 引出离子时，通道内、外的磁场方向相反
D. 引出离子时，通道内的磁感应强度大于
6. 空间存在方向垂直于纸面向里、磁感应强度为的匀强磁场，图中的正方形为其边界。一束速率不同的带正电粒子从左边界中点垂直射人磁场，速度方向与边夹角，已知粒子质量为，电荷量为，粒子间的相互作用和粒子重力不计，则( )
A. 粒子在磁场中运动的最长时问间为
B. 从边射出的粒子在磁场中的运动时间都相等
C. 入射速度越大的粒子，在磁场中的运动时间越长
D. 运动时间相同的粒子，在磁场中的运动轨连可能不同
7. 空间中有两个区域存在有界匀强磁场，如图所示，甲为半径为的圆，乙为边长为的正方形，磁场方向均垂直纸面向外，现有大量质量为，电荷量为，速度大小为的带电粒子分别从两磁场左侧边界水平向右射入磁场，不计粒子重力及其相互作用，有关粒子的运动，下列说法正确的是（ ）
A. 甲图中粒子从同一位置沿不同方向射出磁场，乙图中粒子从不同位置，沿不同方向射出磁场
B. 两图粒子分别从两磁场边界的某一位置射出磁场，且出射方向分别相同
C. 两图中粒子射出磁场时的位置均分别布满两磁场的某一边界
D. 若粒子带负电，两图中粒子射出磁场时的情况分别和带正电粒子相同
8. 关于下列四幅图的说法正确的是( )
A. 图甲是速度选择器示意图，由图可以判断出带电粒子的电性，不计重力的粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是
B. 图乙是磁流体发电机结构示意图，由图可以判断出极板是发电机的正极，且增大磁感应强度可以增大电路中的电流
C. 图丙是质谱仪结构示意图，打在底片上的位置越靠近狭缝说明粒子的比荷越大
D. 图丁是回旋加速器示意图，要使粒子飞出加速器时的动能增大，可仅增加电压
二、多选题（本大题共4小题，共16分）
9. 利用如图所示的电流天平，可以测量匀强磁场中的磁感应强度。它的右臂挂着矩形线圈，匝数为，段导线长为，导线、、段处于匀强磁场中，磁感应强度方向与线圈平面垂直。当线圈没有通电时，天平处于平衡状态。当线圈中通入电流时，通过在右盘加质量为的砝码或移动游码使天平重新平衡。下列说法中正确的是( )
A. 若仅将电流反向，线圈仍保持平衡状态
B. 线圈通电后，、段导线受到的安培力等大反向，段导线的安培力向上
C. 线圈受到的安培力大小为
D. 由以上测量数据可以求出磁感应强度
10. 质量为、电荷量为的微粒，以与水平方向成角的速度，从点进入方向如图所示的正交的匀强电场和匀强磁场组成的混合场区，该微粒在电场力、洛伦兹力和重力的共同作用下，恰好沿直线运动到，重力加速度为，下列说法正确的是( )
A. 该微粒一定带负电荷 B. 微粒从到的运动可能是匀变速运动
C. 该磁场的磁感应强度大小为 D. 该电场的场强为
11. 多选如图所示，三条长直导线、、都通以垂直纸面的电流，其中、两根导线中电流方向垂直纸面向外。点与、、三条导线距离相等，且处于。现在点垂直纸面放置一小段通电导线，电流方向垂直纸面向里，导线受力方向如图所示。则可以判断( )
A. 点处的磁感应强度的方向与相同
B. 长导线中的电流方向垂直纸面向外
C. 长导线中电流小于中电流
D. 长导线中电流小于中电流，合安培力的两种分析思路
12. 日本福岛核电站的核泄漏事故，使碘的同位素被更多的人所了解．利用质谱仪分析碘的各种同位素．如图所示，电荷量均为的碘和碘质量分别为和它们从容器下方的小孔进入电压为的加速电场入场速度忽略不计，经电场加速后从小孔射出，垂直进入磁感应强度为的匀强磁场中，最后打到照相底片上．下列说法正确的是( )
A. 磁场的方向垂直于纸面向里
B. 碘进入磁场时的速率为
C. 碘与碘在磁场中运动的时间差值为
D. 打到照相底片上的碘与碘之间的距离为
第II卷（非选择题）
三、填空题（本大题共2小题，共12分）
13. 利用通电导线在磁场中受到的安培力与磁感应强度的关系可以测定磁感应强度的大小。实验装置如图所示，弹簧测力计下端挂一矩形多匝线圈，宽为，共匝，线圈平面与纸面平行。线圈的下部悬在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面。当开关未闭合时弹簧测力计的示数为不计连接线框的导线对线框的作用力，它表示的是________；再闭合开关，调节滑动变阻器的滑动片使电流表读数为，电流方向如图所示，此时弹簧测力计的示数增大为，由此可知磁感应强度的方向垂直纸面向______选填：“里”或“外”，大小为____________用题目中所给出的物理量表示。
14. 如图所示，为一回旋加速器的示意图，其核心部分为处于匀强磁场中的形盒，两形盒之间接交流电源，并留有窄缝，离子在窄缝间的运动时间忽略不计。已知形盒的半径为，在部分的中央处放有离子源，离子带正电，质量为、电荷量为，初速度不计。若磁感应强度的大小为，每次加速时的电压为忽略离子的重力等因素。则加在形盒间交流电源的周期______；离子在第次通过窄缝后的运动半径______；离子加速后可获得的最大动能______。
四、计算题（本大题共3小题，共40分）
15. （12分）如图所示，一个质子和一个粒子从容器下方的小孔无初速度地飘入电势差为的加速电场。然后垂直进入磁感应强度为的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向外，为磁场的边界。已知质子的电荷量为，质量为，粒子的电荷量为，质量为。求：
质子进入磁场时的速率；
质子在磁场中运动的时间。
质子和粒子在磁场中运动的轨道半径之比。
16. （13分） 如图所示，圆形区域内有垂直纸面的匀强磁场，为磁场边界上的一点，有大量完全相同的带电粒子平行纸面向各个方向以相同的速度大小通过点进入磁场，最后这些粒子从右侧圆弧上射出磁场区域有粒子从点射出。圆弧的弧长是圆周长的，不计粒子之间的相互作用，粒子的质量为，电量为，求：
圆形磁场区域的半径；
粒子在磁场中运动轨迹的最大长度；
若只把磁场撤去，在圆形区域内加场强大小为的平行于纸面的匀强电场，从圆弧射出电场的粒子中，点射出的粒子动最大，求最大动能
17. （15分） 如图所示，两平行金属导轨间的距离，金属导轨所在的平面与水平面夹角，金属导轨的一端接有电动势、内阻的直流电源。现把一个质量的导体棒放在金属导轨上，它与导轨间的动摩擦因数，整个装置放在磁感应强度大小、垂直导轨平面向上的匀强磁场中，导体棒恰好静止。导体棒与金属导轨垂直且接触良好，导体棒与金属导轨接触的两点间的电阻，金属导轨电阻不计，重力加速度取。
求导体棒受到的摩擦力的大小和方向；
若磁感应强度的方向不变而大小可以变化，要使导体棒能静止，求磁感应强度大小的取值范围。
答案和解析
1. 【解析】由题意可知，匀强磁场对导线的安培力大小为，匀强磁场对导线的安培力大小为，根据左手定则可知匀强磁场对两导线的安培力方向均向左，由于导线所受磁场力为零，则可知导线对导线的磁场力大小为，方向向右；根据牛顿第三定律可知导线对导线的磁场力大小为，方向向左，所以导线受到的磁场力的大小为，故D正确，ABC错误。故选D。
2. 【解析】根据安培力公式得出，导体棒受到的安培力为，故A正确，B错误；
根据左手定则可知，导体棒受到的安培力方向向上，根据受力分析可得平衡方程为，得出张力为：，故CD错误。
3. 【解析】若带负电的小球沿逆时针方向旋转，小球所受的洛伦兹力方向背离圆心。此时磁感应强度比原来增大一些，洛伦兹力和拉力都增大，合力不变，小球速度不变，依然沿原来轨迹做圆周运动。
若带负电的小球沿顺时针方向旋转，小球所受的洛伦兹力方向指向圆心。细绳拉力分两种情况：洛伦兹力充当向心力，细绳拉力为零；细绳有拉力，与洛伦兹力的合力充当向心力。若是第一种情况，则磁感应强度比原来增大一些后，洛伦兹力增大，小球做近心运动；若是第二种情况，则磁感应强度比原来增大一些后，洛伦兹力增大，细绳拉力减小没有减小到零，小球依然沿原来的圆周运动；也可能洛伦兹力增大，拉力刚好减小到零，由洛伦兹力充当向心力，小球依然沿原来的圆周运动；也可能洛伦兹力增大较多，在细绳拉力减小到零后做近心运动。以上各种，由于洛伦兹力和拉力均不做功，所以小球速度大小均不变。
故C正确，ABD错误。故选C。
4. 【解析】小球在磁场中做简谐运动时，受到的洛伦兹力沿细线方向，对小球不做功，只有重力做功，所以机械能守恒，则当小球经过平衡位置时其速度大小相等，即速率相等，故速率不会发生变化；又因为小球受到洛伦兹力沿细线方向，不提供小球的回复力，因此磁场对摆的周期无影响，故周期不会发生改变。故选A。
5. 【解析】A.离子从形盒边缘飞出时，有，
解得 ， ，
交变电压的周期与离子在磁场中运动的周期相等，为，
A错误；
B.离子从释放到飞出加速器，由动能定理可得，
解得，
B正确；
C.引出离子时，通道内、外的磁场使离子都是顺时针偏转，故方向相同，C错误；
D.引出离子时，离子在通道内的圆周运动半径大于在通道外的圆周半径，由 知通道内的磁感应强度小于，D错误。故选B。
6. 【解析】、粒子对应的圆心角越大，在磁场中运动的时间越长，最长时间对应的轨迹如图所示：
从边射出对应的轨迹的圆心角最大，为，故最长时间为：，故A错误；
B、因粒子的质量和电量相同，则周期相同，从边射出的粒子的速度不同，做圆周运动的半径不同如图所示，所对的圆心角不同，则所用的时间不相等，故B错误；
C、由图可知，若粒子从、或边射出，入射速度越大的粒子在磁场中的运动弧所对的圆心角越小，则时间越短，故C错误；
D、运动时间相等的粒子，在磁场中的运动轨迹可能不同，例如从边射出的粒子运动时间均为，但轨迹不同，故D正确；故选：。
7. 【解析】根据洛伦兹力提供向心力，有，则可得，则
题图甲中、两个代表粒子的运动轨迹如图甲所示：
根据几何关系可得四边形与四边形均为棱形，由图可知，粒子、从同一位置离开，但射出的方向不相同；
乙图中，如图乙所示：
题图乙中、两个代表粒子的运动轨迹如图乙所示，粒子的出射位置和方向都不同，故A正确，BC错误；
D.若粒子带负电，粒子都向上偏转，所以出射情况和带正电粒子规律不同，故D错误。故选A。
8. 【解析】A.图甲是速度选择器示意图，由图无法判断出带电粒子的电性，粒子做匀速直线运动，列平衡方程，则有，所以，A错误；
B.根据左手定则可知，正电荷向下偏转，负电荷向上偏转，所以下极板带正电，板是电源的负极，板是电源的正极，B错误。
C.粒子先经历加速电场，则有，粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，则有，所以，所以越靠近狭缝半径越小，比荷越大，C正确。
D.粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，则有，故，所以速度与电压无关，最大动能与加速电压无关，D错误。
9. 【解析】、线圈通电后，根据左手定则可知、段导线受到的安培力等大反向，段导线的安培力向上。当线圈没有通电时，天平处于平衡状态，设左盘质量为，右盘质量为，有。当线圈中通入电流时，向上的安培力大小为，在右盘加质量为的砝码或移动游码使天平重新平衡，则有，解得，则磁感应强度。故BCD正确；
A、若仅将电流反向，则安培力方向向下，其他条件不变，由以上分析可知，线圈不能保持平衡状态，故 A错误。
10.
【解析】若粒子带正电，电场力向左，洛伦兹力垂直于线斜向右下方，则电场力、洛伦兹力和重力不能平衡，若粒子带负电，符合题意，故A正确；
B.粒子如果做匀变速运动，重力和电场力不变，而洛伦兹力变化，粒子不能沿直线运动，与题意不符，故B错误；
C.由平衡条件得 ，解得磁感应强度大小，故C错误；
D.粒子受力如图：
由图，所以，故D正确。故选AD。
11. 【解析】由安培力方向特点可知，安培力的方向与点处的磁感应强度的方向一定垂直，A错误；由同向电流相互吸引，异向电流相互排斥可知、对处电流的安培力、的方向如图所示，要保证处电流所受的安培力如图中方向，对处电流的安培力方向必定沿方向。由此可判断长导线中的电流方向垂直纸面向外，由平行四边形定则可知，，中的电流小于中电流，、选项正确，选项错误。
12.
【解析】A.根据粒子带正电，结合左手定则可知，磁场方向垂直纸面向外，故A错误；
B.由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，解得：，故B正确；
C.根据周期公式，因运动的时间为周期的一半，则有：在磁场中运动的时间差值为：，故C错误；
D.由洛伦兹力提供向心力，粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为， 则有： 即由此可得它们的距离之差，故D正确。
故选BD。
13.；里，
【解析】在接通电路前，待线框静止后，先观察并记录下弹簧测力计的读数；
由于导线框此时只受到重力和弹簧的拉力，所以重力等于弹簧的拉力，即；
接通电路，调节滑动变阻器使电流表读数为，待线框静止后，弹簧测力计的示数增大为，此时导线框受到重力、向下安培力和拉力的作用，根据左手定则可分析出磁感应强度的方向垂直纸面向里；
线框处于平衡状态，平衡方程为：
所以：
又：
则：．
14.
【解析】加在形盒间交流电源的周期等于粒子在磁场中的运行周期。
在磁场中洛伦兹力提供向心力，则有：
联立可得：
设第次通过窄缝后粒子的速度为，则有：
在磁场中洛伦兹力提供向心力，则有：
联立可得：
设粒子的最大速度为，对应着粒子的最大运动半径即，则有：
联立可得：
故答案为：；；
15.解：质子在电场中加速，根据动能定理得
粒子在磁场中做匀速圆周运动
质子在磁场中运动的时间
根据
质子和粒子在磁场中运动的轨道半径之比
16.（1）
【解析】当轨道半径小于或等于磁场区半径时，粒子射出圆形磁场的点离入射点最远距离为轨迹直径如图一所示，当粒子从圆周射出磁场时，粒子在磁场中运动的轨道直径为
粒子都从圆弧之间射出，根据几何关系可得轨道半径，解得
粒子在磁场中做圆周运动
解得
（2）带电粒子在磁场中运动的半径不变，粒子在磁场中运动的最大实际为图乙轨迹所对应的轨迹长度最大，故
（3）若只把磁场撤去，在圆形区域内加场强大小为的平行于纸面的匀强电场，从圆弧射出电场的粒子中，点射出的粒子动最大，求最大动能
17.解：根据闭合电路欧姆定律得，
由左手定则可知安培力沿斜面向上，，
重力沿斜面的分力为，
由于安培力小于重力沿斜面的分力，故摩擦力向上；
当较小时，安培力较小，在导体棒重力的分力作用下导体棒有沿导轨下滑的趋势，金属棒所受的静摩擦力沿导轨向上，金属棒刚好不下滑时，满足平衡条件，
则得，
代入数据解得，
当较大时，安培力较大，摩擦力方向沿导轨向下时，
代入数据解得，
则磁感应强度的取值范围为。
答：导体棒受到的摩擦力的大小为，方向沿导轨向上；
若磁感应强度的方向不变而大小可以变化，要使导体棒能静止，磁感应强度大小的取值范围是。