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  • 2021-05-27 发布

高中物理稳恒电流模拟试题及解析

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高中物理稳恒电流模拟试题及解析 一、稳恒电流专项训练 1.(1)用螺旋测微器测量金属导线的直径,其示数如图所示,该金属导线的直径为 mm. (2)用下列器材装成描绘电阻 0R 伏安特性曲线的电路,请将实物图连线成为实验电路. 微安表 μA (量程 200μA ,内阻约 200Ω); 电压表 V(量程 3V,内阻约 10Ω); 电阻 0R (阻值约 20 k Ω); 滑动变阻器 R(最大阻值 50Ω,额定电流 1 A); 电池组 E(电动势 3V,内阻不计); 开关 S及导线若干. 【答案】( 1)1.880( 1.878~1.882 均正确) (2) 【解析】 (1)首先读出固定刻度 1.5 mm 再读出可动刻度 38. 0 ×0. 01 mm="0.380" mm 金属丝直径为( 1.5+0.380) mm="1.880" mm . (注意半刻度线是否漏出;可动刻度需要估读) (2)描绘一个电阻的伏安特性曲线一般要求电压要从 0 开始调节,因此要采用分压电 路.由于 0 V A 0 100, 0.5R R R R ,因此 μA 表要采用内接法,其电路原理图为 连线时按照上图中所标序号顺序连接即可. 2.如图所示的电路中,电源电动势 E=10V,内阻 r=0.5 Ω,电动机的电阻 R0=1.0 Ω,电阻 R1=1.5 Ω.电动机正常工作时,电压表的示数 U1=3.0V,求: (1)电源释放的电功率; (2)电动机消耗的电功率.将电能转化为机械能的功率; 【答案】 (1)20W (2)12W 8W. 【解析】 【分析】 (1)通过电阻两端的电压求出电路中的电流 I,电源的总功率为 P=EI,即可求得; (2)由 U 内=Ir 可求得电源内阻分得电压,电动机两端的电压为 U=E-U1-U 内,电动机消耗 的功率为 P 电 =UI;电动机将电能转化为机械能的功率为 P 机=P 电 -I2R0. 【详解】 (1)电动机正常工作时,总电流为: I= 1U R I= 3.0 1.5 A=2 A, 电源释放的电功率为: P=EI =10×2 W=20 W; (2)电动机两端的电压为: U= E﹣Ir﹣U1 则 U =(10﹣ 2× 0.5﹣3.0)V=6 V; 电动机消耗的电功率为: P 电 =UI=6×2 W=12 W; 电动机消耗的热功率为: P 热=I2R0 =22× 1.0 W=4 W; 电动机将电能转化为机械能的功率,据能量守恒为: P 机=P 电 ﹣P 热 P 机=( 12﹣4) W=8 W; 【点睛】 对于电动机电路,关键要正确区分是纯电阻电路还是非纯电阻电路:当电动机正常工作 时,是非纯电阻电路;当电动机被卡住不转时,是纯电阻电路.对于电动机的输出功率, 往往要根据能量守恒求解. 3.如图所示,已知电源电动势 E=20V,内阻 r=l Ω,当接入固定电阻 R=3Ω 时,电路中标有 “ 3V,6W”的灯泡 L 和内阻 RD=1Ω的小型直流电动机 D 都恰能正常工作 .试求: (1)流过灯泡的电流 (2)固定电阻的发热功率 (3)电动机输出的机械功率 【答案】 (1)2A(2)7V(3)12W 【解析】 (1)接通电路后,小灯泡正常工作,由灯泡上的额定电压 U 和额定功率 P 的数值 可得流过灯泡的电流为: =2A (2)根据热功率公式 ,可得固定电阻的发热功率: =12W (3)根据闭合电路欧姆定律,可知电动机两端的电压 : =9V 电动机消耗的功率: =18W 一部分是线圈内阻的发热功率: =4W 另一部分转换为机械功率输出,则 =14W 【点睛】( 1)由灯泡正常发光,可以求出灯泡中的电流;( 2)知道电阻中流过的电流, 就可利用热功率方程 ,求出热功率;( 3)电动机消耗的电功率有两个去向:一部 分是线圈内阻的发热功率;另一部分转化为机械功率输出。 4.如下左图所示, R1=14Ω,R2=9Ω,当 S 扳到位置 1 时,电压表示数为 2.8V,当开关 S 扳到位置 2 时,电压表示数为 2.7V,求电源的电动势和内阻?(电压表为理想电表) 【答案】 E=3V, r=1 Ω 【解析】试题分析:根据开关 S扳到位置 1 和 2 时,分别由闭合电路欧姆定律列出含有电 动势和内阻的方程,联立组成方程组求解. 解:根据闭合电路欧姆定律,可列出方程组: 当开关 S扳到位置 1 时, E=U1+I1r=U1+ 当开关 S扳到位置 2 时, E=U2+I2r=U2+ 代入解得: E=3V, r=1Ω 答:电源的电动势和内阻分别为 3V 和 1Ω. 【点评】本题提供了一种测量电源的电动势和内阻的方法,可以用电阻箱代替两个定值电 阻,即由电压表和电阻箱并连接在电源上,测量电源的电动势和内阻,此法简称伏阻法. 5.如图所示, M 为一线圈电阻 RM =0.5 Ω的电动机, R=8Ω,电源电动势 E=10V.当 S断开 时,电流表的示数 I1=1A,当开关 S闭合时,电流表的示数为 I2=3A. 求: (1)电源内阻 r; (2)开关 S断开时,电阻 R 消耗的功率 P. (3)开关 S闭合时,通过电动机 M 的电流大小 IM. 【答案】( 1)2Ω ( 2) 8W (3) 2.5A 【解析】( 1)当 S 断开时,根据闭合电路欧姆定律: 1E I R r , 10 1 8 r , r=2 Ω; 电阻 R 消耗的功率: 2 2 1 1 8 8P I R W W 路端电压: 2 10 3 2 4U E I r V V R之路电流: 4 0.5 8R UI A A R 电动机的电流: 2 3 0.5 2.5M RI I I A A 点睛:当 S断开时,根据闭合电路欧姆定律求解电源的内阻.当开关 S 闭合时,已知电流 表的示数,根据闭合电路欧姆定律求出路端电压,由欧姆定律求出通过 R的电流,得到通 过电动机的电流. 6.在图所示的电路中,电源电压 U 恒定不变,当 S闭合时 R1 消耗的电功率为 9W,当 S 断 开时 R1 消耗的电功率为 4W,求: (1)电阻 R1 与 R2 的比值是多大? (2)S断开时,电阻 R2 消耗的电功率是多少? (3)S闭合与断开时,流过电阻 R1 的电流之比是多少? 【答案】 2∶1,2W,3∶2 【解析】 【分析】 【详解】 (1)当 S闭合时 R1 消耗的电功率为 9W,则: 2 1 1 9WUP R 当 S 断开时 R1 消耗的电功率为 4W,则: 2 1 1 1 2 ' ( ) 4WUP R R R 解得: 1 2: 2:1R R (2)S 断开时 R1 和 R2 串联,根据公式 2P I R,功率之比等于阻值之比,所以: 1 1 22': ' : 2:1P P R R 又因为 1 ' 4WP ,所以, S断开时,电阻 R2 消耗的电功率: 2 2' WP (3)S 闭合时: 1 UI R S断开时 : 1 2 ' U R I R 所以: 1 2 1 2' 3R RI RI 7.已知电流表的内阻 Rg=120 Ω,满偏电流 Ig=3 mA,要把它改装成量程是 6 V 的电压 表,应串联多大的电阻?要把它改装成量程是 3 A 的电流表,应并联多大的电阻? 【答案】改装成量程是 6 V 的电压表,应串联 1 880 Ω的电阻 ; 要把它改装成量程是 3 A 的 电流表,应并联 0.12 Ω的电阻. 【解析】 【分析】 【详解】 根据欧姆定律和串联电路特点可知,需串联的电阻 1880g g UR R I ; 同理,根据欧姆定律的并联电路的特点可知,改装成 3A 电流表需并联的电阻 0.12g g g I R R I I . 8.如图所示,竖直放置的两根足够长的光滑金属导轨相距为 L,导轨的两端 分别与电源 (串有一滑动变阻器 R)、定值电阻、电容器(原来不带电)和开关 K 相连.整个空间充 满了垂直于导轨平面向外的匀强磁场,其磁感应强度的大小为 B.一质量为 m,电阻不计 的金属棒 ab 横跨在导轨上.已知电源电动势为 E,内阻为 r,电容器的电容为 C,定值电 阻的阻值为 R0,不计导轨的电阻. (1)当 K接 1 时,金属棒 ab 在磁场中恰好保持静止,则滑动变阻器接入电路的阻值 R 为 多大? (2)当 K 接 2 后,金属棒 ab 从静止开始下落,下落距离 s 时达到稳定速度,则此稳定速 度的大小为多大?下落 s 的过程中所需的时间为多少? (3) ab 达到稳定速度后,将开关 K 突然接到 3,试通过推导,说明 ab 作何种性质的运 动?求 ab 再下落距离 s 时,电容器储存的电能是多少?(设电容器不漏电,此时电容器没 有被击穿) 【答案】( 1) EBL r mg (2) 4 4 2 2 0 2 2 0 B L s m gR mgR B L (3)匀加速直线运动 2 2 2 2 mgsCB L m cB L 【解析】 【详解】 (1)金属棒 ab 在磁场中恰好保持静止 ,由 BIL=mg EI R r 得 EBLR r mg (2)由 2 2 0 B L vmg R 得 0 2 2 mgRv B L 由动量定理,得 mgt BILt mv 其中 0 BLsq It R 得 4 4 2 2 0 2 2 0 B L s m gRt mgR B L (3)K 接 3 后的充电电流 q C U CBL v vI CBL CBLa t t t t mg-BIL=ma 得 2 2 mga m CB L =常数 所以 ab 棒的运动性质是 “匀加速直线运动 ”,电流是恒定的. v22-v2=2as 根据能量转化与守恒得 2 2 2 1 1( ) 2 2 E mgs mv mv 解得 : 2 2 2 2 mgsCB LE m cB L 【点睛】 本题是电磁感应与电路、力学知识的综合,关键要会推导加速度的表达式,通过分析棒的 受力情况,确定其运动情况. 9.在如图所示的电路中,两平行正对金属板 A、B 水平放置,两板间的距离 d=4.0cm.电 源电动势 E=400V,内电阻 r=20Ω,电阻 R1=1980 Ω.闭合开关 S,待电路稳定后,将一带正 电的小球(可视为质点)从 B 板上的小孔以初速度 v0=1.0m/s 竖直向上射入两板间,小球 恰好能到达 A 板. 若小球所带电荷量 q=1.0 ×10-7C,质量 m=2.0 × 10-4kg,不考虑空气阻力, 忽略射入小球对电路的影响,取 g=10m/s 2.求: (1)A、B 两金属板间的电压的大小 U; (2)滑动变阻器消耗的电功率 P; (3)电源的效率 η. 【答案】 (1)U =200V(2) 20W(3) 0 099.5 【解析】 【详解】 (1)小球从 B 板上的小孔射入恰好到达 A 板的过程中,在电场力和重力作用下做匀减速 直线运动,设 A、B 两极板间电压为 U,根据动能定理有: 2 0 10 2 qU mgd mv , 解得: U = 200 V. (2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为 R,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中的 电流 1 EI R R r ,而 U = IR, 解得: R = 2 ×103 Ω 滑动变阻器消耗的电功率 2 20UP W R . (3)电源的效率 2 1 2 1 ( ) 099.5 0( ) P I R R P I R R r 出 总 . 【点睛】 本题电场与电路的综合应用,小球在电场中做匀减速运动,由动能定理求电压.根据电路 的结构,由欧姆定律求变阻器接入电路的电阻. 10. 对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联 系,从而更加深刻的理解其物理本质。一段长为 l、电阻率为 ρ、横截面积为 S 的细金属直 导线,单位体积内有 n 个自由电子,电子电荷量为 e、质量为 m。 (1)当该导线通有恒定的电流 I 时: ①请根据电流的定义,推导出导线中自由电子定向移动的速率 v; ②经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子(即金属原子失去电 子后的剩余部分)的碰撞,该碰撞过程将对电子的定向移动形成一定的阻碍作用,该作用 可等效为施加在电子上的一个沿导线的平均阻力。若电子受到的平均阻力大小与电子定向 移动的速率成正比,比例系数为 k。请根据以上的描述构建物理模型,推导出比例系数 k 的表达式。 (2)将上述导线弯成一个闭合圆线圈,若该不带电的圆线圈绕通过圆心且垂直于线圈平面 的轴匀速率转动,线圈中不会有电流通过,若线圈转动的线速度大小发生变化,线圈中会 有电流通过,这个现象首先由斯泰瓦和托尔曼在 1917 年发现,被称为斯泰瓦 —托尔曼效 应。这一现象可解释为:当线圈转动的线速度大小均匀变化时,由于惯性,自由电子与线 圈中的金属离子间产生定向的相对运动。取线圈为参照物,金属离子相对静止,由于惯性 影响,可认为线圈中的自由电子受到一个大小不变、方向始终沿线圈切线方向的力,该力 的作用相当于非静电力的作用。 已知某次此线圈匀加速转动过程中,该切线方向的力的大小恒为 F。根据上述模型回答下 列问题: ① 求一个电子沿线圈运动一圈,该切线方向的力 F 做功的大小; ② 推导该圆线圈中的电流 'I 的表达式。 【答案】( 1)① Iv neS;② ne2ρ;(2)① Fl;② ' FSI eρ 。 【解析】 【分析】 【详解】 (1)①一小段时间 t 内,流过导线横截面的电子个数为: N n Sv t 对应的电荷量为: Q Ne n Sv t e 根据电流的定义有: QI neSv t 解得: Iv neS ②从能量角度考虑,假设金属中的自由电子定向移动的速率不变,则电场力对电子做的正 功与阻力对电子做的负功大小相等,即: 0Ue kvl 又因为: neSv lU IR nev l S 联立以上两式得: 2k ne (2)①电子运动一圈,非静电力做功为: 2W F r Fl非 ②对于圆线圈这个闭合回路,电动势为: W FlE e e 非 根据闭合电路欧姆定律,圆线圈这个闭合回路的电流为: EI R 联立以上两式,并根据电阻定律: lR S 解得: FSI eρ 11. 对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联 系,从而更加深刻地理解其物理本质。一段长为 l、横截面积为 S的细金属直导线,单位体 积内有 n 个自由电子,电子电荷量为 e、质量为 m。 (1)该导线通有电流时,假设自由电子定向移动的速率恒为 v。 ① 求导线中的电流 I; ②为了更精细地描述电流的分布情况,引入了电流面密度 j,电流面密度被定义为单位面积 的电流强度,求电流面密度 j 的表达式; ③经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子(即金属原子失去电 子后的剩余部分)的碰撞,该碰撞过程将对电子的定向移动形成一定的阻碍作用,该作用 可等效为施加在电子上的一个沿导线的平均阻力。若电子受到的平均阻力大小与电子定向 移动的速率成正比,比例系数为 k。请根据以上描述构建物理模型,求出金属导体的电阻 率 ρ的微观表达式。 (2* )将上述导线弯成一个闭合圆线圈,若该不带电的圆线圈绕通过圆心且垂直于线圈平 面的轴匀速率转动,线圈中不会有电流通过,若线圈转动的线速度大小发生变化,线圈中 会有电流通过,这个现象首先由斯泰瓦和托尔曼在 1917 年发现,被称为斯泰瓦 —托尔曼效 应。这一现象可解释为:当线圈转动的线速度大小均匀变化时,由于惯性,自由电子与线 圈中的金属离子间产生定向的相对运动,从而形成电流。若此线圈在匀速转动的过程中突 然停止转动,由于电子在导线中运动会受到沿导线的平均阻力,所以只会形成短暂的电 流。已知电子受到的沿导线的平均阻力满足( 1)问中的规律,求此线圈以由角速度 ω匀 速转动突然停止转动(减速时间可忽略不计)之后,通过线圈导线横截面的电荷量 Q。 【答案】( 1)① neSv;② nev ;③ 2 k ne (2) 2π nem lS k 【解析】 【详解】 (1)①导线中的电流 QI neSv t ; ②电流面密度 Ij nev S ; ③取长度为 L 一段导体,则电子做定向移动时满足电场力与阻力相等,即 Ukv eE e L 而 U IR I neSv LR S 联立解得 2 k ne (2)设线圈经过时间 ?t 停止运动,则对内部的粒子,由动量定理: f t mv m r 其中 f kv 2l r 则 2 m lkv t ; 而 Q nS le l v t 联立可得 2π nem lSQ k 12. 为了检查双线电缆 CE、FD 中的一根导线由于绝缘皮损坏而通地的某处,可以使用如 图所示电路。用导线将 AC、BD、EF连接, AB为一粗细均匀的长 LAB=100 厘米的电阻丝, 接触器 H 可以在 AB 上滑动。当 K1 闭合移动接触器,如果当接触器 H 和 B 端距离 L1=41 厘 米时,电流表 G 中没有电流通过。试求电缆损坏处离检查地点的距离(即图中 DP的长度 X)。其中电缆 CE=DF=L=7.8 千米, AC、BD 和 EF段的电阻略去不计。 【答案】 6.396km 【解析】 【试题分析】由图得出等效电路图,再根据串并联电路规律及电阻定律进行分析,联立可 求得电缆损坏处离检查地点的距离. 等效电路图如图所示: 电流表示数为零,则点 H 和点 P 的电势相等。 由 得, 则 又 由以上各式得: X=6.396km 【点睛】本题难点在于能否正确作出等效电路图,并明确表头电流为零的意义是两端的电 势相等. 13. 如图甲所示,发光竹蜻蜓是一种常见的儿童玩具,它在飞起时能够发光.某同学对竹 蜻蜓的电路作如下简化:如图乙所示,半径为 L 的金属圆环绕垂直于圆环平面、通过圆心 O 的金属轴 O1O2 以角速度 ω匀速转动,圆环上接有电阻均为 r 的三根导电辐条 OP、OQ、OR,辐条互成 120°角.在圆环内,圆心角为 120°的扇形区域内存在垂直圆环平 面向下磁感应强度为 B 的匀强磁场,在转轴 O1O2 与圆环的边缘之间通过电刷 M 、N 与一个 LED灯 (可看成二极管,发光时电阻为 r).圆环及其它电阻不计,从辐条 OP 进入磁场开始 计时. (1)顺磁感线方向看,圆盘绕 O1O2 轴沿什么方向旋转,才能使 LED灯发光?在不改变玩 具结构的情况下,如何使 LED灯发光时更亮? (2)在辐条 OP 转过 60 °的过程中,求通过 LED灯的电流; (3)求圆环每旋转一周, LED灯消耗的电能. 【答案】 (1)逆时针;增大角速度( 2) 2 8 BL r (3) 2 4 32 B L r 【解析】 试题分析:( 1)圆环转动过程,始终有一条导电辐条在切割磁感线,产生感应电动势,并 通过 M.N 和二极管构成闭合回路.由于二极管的单向导电性,只有转轴为正极,即产生指 向圆心的感应电流时二极管才发光,根据右手定则判断,圆盘逆时针旋转. 要使得 LED灯发光时更亮,就要使感应电动势变大,即增大转速增大角速度 . (2)导电辐条切割磁感线产生感应电动势 21 2 E BL 此时 O 点相当于电源正极, P 点为电源负极,电源内阻为 r 电源外部为二个导体辐条和二极管并联,即外阻为 3 r . 通过闭合回路的电流 3 4 3 E EI r rr 带入即得 2 2 1 3 32 4 8 BL BLI r r 流过二极管电流为 2 3 8 I BL r (3)转动过程始终有一个导电辐条在切割磁感线,所以经过二极管的电流不变 转过一周所用时间 2T 所以二极管消耗的电能 2 4 2 2' ( ) 3 32 I B LQ I rT rT r 考点:电磁感应 串并联电路 14. 如图 25 甲为科技小组的同学们设计的一种静电除尘装置示意图,其主要结构有一长为 L、宽为 b、高为 d 的矩形通道,其前、后板使用绝缘材料,上、下板使用金属材料.图 25 乙是该主要结构的截面图,上、下两板与输出电压可调的高压直流电源 (内电阻可忽略不计 ) 相连.质量为 m、电荷量大小为 q 的分布均匀的带负电的尘埃无初速度地进入 A、 B两极 板间的加速电场.已知 A、B 两极板间加速电压为 U0,尘埃加速后全都获得相同的水平速 度,此时单位体积内的尘埃数为 n.尘埃被加速后进入矩形通道,当尘埃碰到下极板后其 所带电荷被中和,同时尘埃被收集.通过调整高压直流电源的输出电压 U 可以改变收集效 率 η(被收集尘埃的数量与进入矩形通道尘埃的数量的比值).尘埃所受的重力、空气阻 力及尘埃之间的相互作用均可忽略不计.在该装置处于稳定工作状态时: (1)求在较短的一段时间 Δt内, A、B 两极板间加速电场对尘埃所做的功; (2)若所有进入通道的尘埃都被收集,求通过高压直流电源的电流; (3)请推导出收集效率 η随电压直流电源输出电压 U 变化的函数关系式. 【答案】 (1)nbdΔtqU 0 02qU m (2) 02qUnqbd m (3)若 y