三年高考物理试题分项解析专题20电学计算题含答案.docx

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三年高考物理试题分项解析专题20电学计算题含答案

2016年—2018年高考试题精编版分项解析

专题20电学计算题

1．如图所示，真空中四个相同的矩形匀强磁场区域，高为4d，宽为d，中间两个磁场区域间隔为2d，中轴线与磁场区域两侧相交于O、O′点，各区域磁感应强度大小相等．某粒子质量为m、电荷量为+q，从O沿轴线射入磁场．当入射速度为v0时，粒子从O上方处射出磁场．取sin53°=0.8，cos53°=0.6．

（1）求磁感应强度大小B；

（2）入射速度为5v0时，求粒子从O运动到O′的时间t；

（3）入射速度仍为5v0，通过沿轴线OO′平移中间两个磁场（磁场不重叠），可使粒子从O运动到O′的时间增加Δt，求Δt的最大值．

【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理（江苏卷）

【答案】

（1）

（2）（3）

【解析】

（1）粒子圆周运动的半径由题意知，解得

（3）将中间两磁场分别向中央移动距离x

粒子向上的偏移量y=2r（1–cosα）+xtanα

由y≤2d，解得

则当xm=时，Δt有最大值

粒子直线运动路程的最大值

增加路程的最大值

增加时间的最大值

点睛：

本题考查带电粒子在组合磁场中的运动，第

（1）小题先确定粒子圆周运动的半径，再根据洛伦兹力提供向心力列式求解；第

（2）小题解答关键是定圆心、画轨迹，分段分析和计算；第（3）小题求Δt的最大值，关键是要注意带电粒子在磁场中运动的时间不变和速度大小不变，所以中间磁场移动后改变的是粒子在无磁场区域运动的倾斜轨迹的长度，要使Δt最大，则要倾斜轨迹最长，所以粒子轨迹跟中间磁场的上边相切时运动时间最长，再根据运动的对称性列式求解。

2．如图所示，两条平行的光滑金属导轨所在平面与水平面的夹角为，间距为d．导轨处于匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向与导轨平面垂直．质量为m的金属棒被固定在导轨上，距底端的距离为s，导轨与外接电源相连，使金属棒通有电流．金属棒被松开后，以加速度a沿导轨匀加速下滑，金属棒中的电流始终保持恒定，重力加速度为g．求下滑到底端的过程中，金属棒

（1）末速度的大小v；

（2）通过的电流大小I；

（3）通过的电荷量Q．

【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理（江苏卷）

【答案】

（1）

（2）（3）

【解析】

（1）匀加速直线运动v2=2as解得

（2）安培力F安=IdB金属棒所受合力

牛顿运动定律F=ma

解得

（3）运动时间电荷量Q=It

解得

点睛：

本题是通电金属棒在磁场中匀加速运动的问题，考生易误认为是电磁感应问题而用电磁感应规律求解。

3．

（1）静电场可以用电场线和等势面形象描述。

a．请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式；

b．点电荷的电场线和等势面分布如图所示，等势面S₁、S₂到点电荷的距离分别为r₁、r₂。

我们知道，电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小。

请计算S₁、S₂上单位面积通过的电场线条数之比N1/N2。

（2）观测宇宙中辐射电磁波的天体，距离越远单位面积接收的电磁波功率越小，观测越困难。

为了收集足够强的来自天体的电磁波，增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要路径。

2016年9月25日，世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用，被誉为“中国天眼”。

FAST直径为500m，有效提高了人类观测宇宙的精度和范围。

a．设直径为100m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P₁，计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P₂；

b．在宇宙大尺度上，天体的空间分布是均匀的，仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象，设直径为100m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0，计算FAST能够观测到的此类天体数目N。

【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理（北京卷）

【答案】

（1）a．b．

（2）a．b．

【解析】

（1）a．在距Q为r的位置放一电荷量为q的检验电荷

根据库仑定律检验电荷受到的电场力

根据电场强度的定义

得

b．穿过每个面的电场线的总条数是相等的，若面积大，则单位面积上分担的条数就少，

故穿过两等势面单位面积上的电场线条数之比

可得L=5L0

则

故本题答案是：

（1）a;b.

（2）a;b.

点睛：

本题是一道信息题，要读懂题目中所描述的物理情景，然后结合物理知识求解，在电场线条数一定的情况下，圆的半径越大，则单位面积上的条数就越少；同样要知道地球上不同望远镜观测同一天体，单位面积上接收的功率应该相同，要借助于这些条件处理问题。

4．如图1所示，用电动势为E、内阻为r的电源，向滑动变阻器R供电。

改变变阻器R的阻值，路端电压U与电流I均随之变化。

（1）以U为纵坐标，I为横坐标，在图2中画出变阻器阻值R变化过程中U-I图像的示意图，并说明U-I图像与两坐标轴交点的物理意义。

（2）a．请在图2画好的U-I关系图线上任取一点，画出带网格的图形，以其面积表示此时电源的输出功率；

b．请推导该电源对外电路能够输出的最大电功率及条件。

（3）请写出电源电动势定义式，并结合能量守恒定律证明：

电源电动势在数值上等于内、外电路电势降落之和。

【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理（北京卷）

【答案】

（1）U–I图象如图所示：

图象与纵轴交点的坐标值为电源电动势，与横轴交点的坐标值为短路电流

（2）a如图所示：

b.

（3）见解析

【解析】

（1）U–I图像如图所示，

其中图像与纵轴交点的坐标值为电源电动势，与横轴交点的坐标值为短路电流

（2）a．如图所示

本题答案是：

（1）U–I图像如图所示，

其中图像与纵轴交点的坐标值为电源电动势，与横轴交点的坐标值为短路电流

（2）a．如图所示

当外电路电阻R=r时，电源输出的电功率最大，为

（3）

点睛：

运用数学知识结合电路求出回路中最大输出功率的表达式，并求出当R=r时，输出功率最大。

5．一足够长的条状区域内存在匀强电场和匀强磁场，其在xoy平面内的截面如图所示：

中间是磁场区域，其边界与y轴垂直，宽度为l，磁感应强度的大小为B，方向垂直于xoy平面；磁场的上、下两侧为电场区域，宽度均为，电场强度的大小均为E，方向均沿x轴正方向；M、N为条形区域边界上的两点，它们的连线与y轴平行。

一带正电的粒子以某一速度从M点沿y轴正方向射入电场，经过一段时间后恰好以从M点入射的速度从N点沿y轴正方向射出。

不计重力。

（1）定性画出该粒子在电磁场中运动的轨迹；

（2）求该粒子从M点射入时速度的大小；

（3）若该粒子进入磁场时的速度方向恰好与x轴正方向的夹角为，求该粒子的比荷及其从M点运动到N点的时间。

【来源】2018年普通高等学校招生全国统一考试物理（全国II卷）

【答案】

（1）轨迹图如图所示：

（2）（3）;

【解析】试题分析：

（1）粒子在电场中做类平抛，然后进入磁场做圆周运动，再次进入电场做类平抛运动，结合相应的计算即可画出轨迹图

（2）在电场中要分两个方向处理问题，一个方向做匀速运动，一个方向做匀加速运动。

（3）在磁场中的运动关键是找到圆心，求出半径，结合向心力公式求解。

（1）粒子运动的轨迹如图（a）所示。

（粒子在电场中的轨迹为抛物线，在磁场中为圆弧，上下对称）

（2）粒子从电场下边界入射后在电场中做类平抛运动。

设粒子从M点射入时速度的大小为v0，在下侧电场中运动的时间为t，加速度的大小为a；粒子进入磁场的速度大小为v，方向与电场方向的夹角为（见图（b）），速度沿电场方向的分量为v1，根据牛顿第二定律有

qE=ma①

由几何关系得

⑥

联立①②③④⑤⑥式得

⑦

（3）由运动学公式和题给数据得

⑧

联立①②③⑦⑧式得

⑨

设粒子由M点运动到N点所用的时间为，则

⑩

式中T是粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期，

⑪

由③⑦⑨⑩⑪式得

⑫

故本题答案是：

（1）轨迹图如图所示：

（2）（3）;

点睛：

在复合场中的运动要分阶段处理，每一个运动建立合理的公式即可求出待求的物理量。

6．真空管道超高速列车的动力系统是一种将电能直接转换成平动动能的装置。

图1是某种动力系统的简化模型，图中粗实线表示固定在水平面上间距为l的两条平行光滑金属导轨，电阻忽略不计，ab和cd是两根与导轨垂直，长度均为l，电阻均为R的金属棒，通过绝缘材料固定在列车底部，并与导轨良好接触，其间距也为l，列车的总质量为m。

列车启动前，ab、cd处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨平面向下，如图1所示，为使列车启动，需在M、N间连接电动势为E的直流电源，电源内阻及导线电阻忽略不计，列车启动后电源自动关闭。

（1）要使列车向右运行，启动时图1中M、N哪个接电源正极，并简要说明理由；

（2）求刚接通电源时列车加速度a的大小；

（3）列车减速时，需在前方设置如图2所示的一系列磁感应强度为B的匀强磁场区域，磁场宽度和相邻磁场间距均大于l。

若某时刻列车的速度为，此时ab、cd均在无磁场区域，试讨论：

要使列车停下来，前方至少需要多少块这样的有界磁场？

【来源】2018年全国普通高等学校招生同一考试理科综合物理试题（天津卷）

【答案】

（1）M接电源正极，理由见解析

（2）（3）若恰好为整数，设其为n，则需设置n块有界磁场，若不是整数，设的整数部分为N，则需设置N+1块有界磁场

设两根金属棒所受安培力之和为F，有F=BIl③

根据牛顿第二定律有F=ma④，联立①②③④式得⑤

（3）设列车减速时，cd进入磁场后经时间ab恰好进入磁场，此过程中穿过两金属棒与导轨所围回路的磁通量的变化为，平均感应电动势为，由法拉第电磁感应定律有⑥，其中⑦；

设回路中平均电流为，由闭合电路欧姆定律有⑧

设cd受到的平均安培力为，有⑨

以向右为正方向，设时间内cd受安培力冲量为，有⑩

同理可知，回路出磁场时ab受安培力冲量仍为上述值，设回路进出一块有界磁场区域安培力冲量为，有⑪

设列车停下来受到的总冲量为，由动量定理有⑫

联立⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫式得⑬

讨论：

若恰好为整数，设其为n，则需设置n块有界磁场，若不是整数，设的整数部分为N，则需设置N+1块有界磁场。

⑭．

【点睛】如图所示，在电磁感应中，电量q与安培力的冲量之间的关系，如图所示，以电量为桥梁，直接把图中左右两边的物理量联系起来，如把导体棒的位移和速度联系起来，但由于这类问题导体棒的运动一般都不是匀变速直线运动，无法直接使用匀变速直线运动的运动学公式进行求解，所以这种方法就显得十分巧妙，这种题型难度最大。

7．如图所示，在水平线ab下方有一匀强电场，电场强度为E，方向竖直向下，ab的上方存在匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向里，磁场中有一内、外半径分别为R、的半圆环形区域，外圆与ab的交点分别为M、N。

一质量为m、电荷量为q的带负电粒子在电场中P点静止释放，由M进入磁场，从N射出，不计粒子重力。

（1）求粒子从P到M所用的时间t；

（2）若粒子从与P同一水平线上的Q点水平射出，同样能由M进入磁场，从N射出，粒子从M到N的过程中，始终在环形区域中运动，且所用的时间最少，求粒子在Q时速度的大小。

【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试理科综合物理试题（天津卷）

【答案】

（1）

（2）

【解析】试题分析：

粒子在磁场中以洛伦兹力为向心力做圆周运动，在电场中做初速度为零的匀加速直线运动，据此分析运动时间；粒子进入匀强磁场后做匀速圆周运动，当轨迹与内圆相切时，所有的时间最短，粒子从Q射出后在电场中做类平抛运动，在电场方向上的分运动和从P释放后的运动情况相同，所以粒子进入磁场时沿竖直方向的速度同样为v，结合几何知识求解．

（1）设粒子在磁