常德市重点中学2022届高三物理训练四
(原子物理、动量、电磁感应、交流电 时量：75分钟）
一、选择题：本题共6小题，每小题4分，共24分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。
1．图甲为研究光电效应的电路图，当用频率为ν的光照金属阴极K时，通过调节光电管两端的电压U，测量对应的光电流强度I，绘制了如图乙所示的I－U图象.已知电子所带电荷量为e，图象中遏止电压Uc、饱和光电流Im及入射光的频率ν、普朗克常量h均为已知量.下列说法正确的是
A．光电子的最大初动能为hν－eUc
B．阴极金属的逸出功为eUc
C．若增大原入射光的强度，则Uc和Im均会变化
D．阴极金属的截止频率为
2．下列说法正确的是
A．图甲中，当弧光灯发出的光照射到锌板上时，与锌板相连的验电器铝箔有张角，发生光电效应，证明光具有粒子性
B．如图乙所示为某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，当入射光的频率为2ν0时，光电子逸出的初动能一定等于hν0
C．图丙中，用从n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂，不能发生光电效应
D．图丁是放射性元素发出的射线在垂直于纸面的磁场中偏转示意图，射线c是β粒子流，它产生的机理是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
3．图甲为一台小型发电机构造示意图，线圈逆时针转动，产生的电动势随时间变化的正弦规律图象如图乙所示。发电机线圈内阻为1.0 Ω，外接灯泡的电阻为9.0 Ω，则
A．电压表的示数为6 V
B．在t＝0.01 s的时刻，穿过线圈磁通量为零
C．若线圈转速改为25 r/s，则电动势有效值为3 V
D．若线圈转速改为25 r/s，则通过灯泡的电流为1.2 A
4．如图所示为清洗汽车用的高压水枪．设水枪喷出水柱直径为D，水流速度为v，水柱垂直汽车表面，水柱冲击汽车后水的速度为零．手持高压水枪操作，进入水枪的水流速度可忽略不计，已知水的密度为ρ.下列说法正确的是
A．高压水枪单位时间喷出的水的质量为ρπvD2
B．高压水枪单位时间喷出的水的质量为ρvD2
C．水柱对汽车的平均冲力为ρD2v2
D．当高压水枪喷口的出水速度变为原来的2倍时，喷出的水对汽车的压强变为原来的4倍
5．如图所示，某小型水电站发电机的输出功率P＝100 kW，发电机的电压U1＝250 V，经变压器升压后向远处输电，输电线总电阻R线＝8 Ω，在用户端用降压变压器把电压降为U4＝220 V.已知输电线上损失的功率P线＝5 kW，假设两个变压器均是理想变压器，下列说法正确的是
A．发电机输出的电流I1＝40 A
B．输电线上的电流I线＝625 A
C．降压变压器的匝数比n3∶n4＝190∶11
D．用户得到的电流I4＝455 A
6．如图所示为两个有界匀强磁场，磁感应强度大小均为B，方向分别垂直纸面向里和向外，磁场宽度均为L，距磁场区域的左侧L处，有一边长为L的正方形导体线框，总电阻为R，且线框平面与磁场方向垂直，现用外力F使线框以速度v匀速穿过磁场区域，以初始位置为计时起点，规定电流沿逆时针方向时的电动势E为正，磁感线垂直纸面向里时磁通量Φ的方向为正，外力F向右为正．则以下关于线框中的磁通量Φ、感应电动势E、外力F和电功率P随时间变化的图象正确的是
二、选择题：本题共4小题，每小题5分，共20分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的得0分。
7．如图所示，“核反应堆”通过可控的链式反应实现核能的释放，核燃料 是铀棒，在铀棒周围放“慢化剂”，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子速度减小变为慢中子。下列说法正确的是
A．“慢化剂”使快中子变慢中子，慢中子更难被铀核俘获
B．裂变后的新核氪的比结合能大于铀核的比结合能
C．链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接
一代继续下去的过程
D．一个92U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约 为3.6×10－28kg
8．如图所示，虚线框内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，磁场区域上下宽度为l；质量为m、边长为l的正方形线圈abcd平面保持竖直，ab边始终保持水平，从距离磁场上边缘一定高度处由静止下落，以速度v进入磁场，经过一段时间又以相同的速度v穿出磁场，不计空气阻力，重力加速度为g.下列说法正确的是
A．线圈的电阻R＝
B．进入磁场前线圈下落的高度h＝
C．穿过磁场的过程中，线圈电阻产生的热量Q＝2mgl
D．线圈穿过磁场所用时间t＝
9．竖直放置的轻弹簧下端固定在地上，上端与质量为m的钢板连接，钢板处于静止状态。一个质量也为m的物块从钢板正上方h处的P点自由落下，打在钢板上并与钢板一起向下运动x0后到达最低点Q。下列说法正确的是(　　)
A．物块与钢板碰后的速度为
B．物块与钢板碰后的速度为
C．从P到Q的过程中，弹性势能的增加量为mg(2x0＋)
D．从P到Q的过程中，弹性势能的增加量为mg(2x0＋h)
10．如图所示的U形金属框架固定在绝缘水平面上，两导轨之间的距离为L，左端连接一阻值为R的定值电阻，阻值为r、质量为m的金属棒垂直地放在导轨上，整个装置处在竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B，现给金属棒以水平向右的初速度v0，金属棒向右运动的距离为x后停止运动，已知该过程中定值电阻上产生的焦耳热为Q，重力加速度为g，忽略导轨的电阻，整个过程金属棒始终与导轨垂直并接触良好．则该过程中(　　)
A．安培力对金属棒做功为－Q
B．流过金属棒的电荷量为
C．整个过程因摩擦而产生的热量为mv02－Q
D．金属棒与导轨之间的动摩擦因数为－Q
三、非选择题：共56分。
11．（6分） 小明同学在做“探究碰撞中的不变量”的实验，装置如图甲所示。
(1)关于本实验，下列说法正确的是________。
A．斜槽末端的切线必须水平，目的是使两球碰撞时动能无损失
B．入射小球和被碰小球的质量必须相等，且大小相同
C．入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放
D．入射小球在下滑过程中受摩擦力，但实验结果不会因此产生系统误差
(2)实验中得出的落点情况如图乙，则入射小球质量m1和被碰小球质量m2(m1>m2)之比为________。
(3)若只用其中一个小球进行实验，则该装置也可用于探究做功与物体速度变化的关系。实验过程中，小球从斜槽不同高度处静止释放，释放点离桌面的高度用H表示，落地点和抛出点之间的水平位移为x。斜槽对小球的摩擦力不可忽略。下列图象中，关于H和x的关系正确的是________。
12．（9分）现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。
在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。
(1)在图中完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)。
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为________Ω；滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是_________________________________________________。
②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至_________________________________________________________。
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。
13．如图所示，在光滑水平面上有B、C两个木板，B的上表面光滑，C的上表面粗糙，B上有一个可视为质点的物块A，A、B、C的质量分别为3m、2m、m.A、B以相同的初速度v向右运动，C以速度v向左运动．B、C的上表面等高，二者发生完全非弹性碰撞但并不粘连，碰撞时间很短．A滑上C后恰好能到达C的中间位置，C的长度为L，不计空气阻力．求：
(1)木板C的最终速度大小；
(2)木板C与物块A之间的摩擦力的大小Ff；
(3)物块A滑上木板C之后，在木板C上做减速运动的时间t.
14．如图所示，两水平放置的光滑平行金属导轨MN、PQ固定在绝缘水平面上，导轨间距离为L＝1 m。M、P间接有阻值为R＝10 Ω的定值电阻，理想电压表接在定值电阻两端。导轨处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁场的磁感应强度大小为B＝1 T。一根质量m＝0.1 kg的金属棒放在导轨上，金属棒接入电路的电阻也为R＝10 Ω。现对金属棒施加一个水平向右的拉力，使金属棒由静止开始向右运动，金属棒运动后电压表的示数U随时间t变化的规律如图2所示，金属棒运动过程中与导轨接触良好且始终与导轨垂直，导轨电阻不计。求：
(1)t＝5 s时，拉力F的大小；
(2)金属棒在运动的前5 s内，拉力F的冲量大小；
(3)金属棒运动10 s时，撤去拉力F，则撤去拉力后金属棒运动0.5 m时速度的大小。
15．如图所示，光滑水平面上有一质量M＝1.98 kg的小车，车的B点右侧的上表面是粗糙水平轨道，车的B点的左侧固定一半径R＝0.7 m的光滑圆弧轨道，圆弧轨道与水平轨道在B点相切，车的最右端D点固定轻质弹簧，弹簧处于自然长度其左端正好对应小车的C点，B与C之间距离L＝0.9 m，一个质量m＝2 kg的小物块，置于车的B点，车与小物块均处于静止状态，突然有一质量m0＝20 g的子弹，以速度v0＝500 m/s击中小车并停留在车中，设子弹击中小车的过程时间极短，已知小物块与水平轨道间的动摩擦因数μ＝0.5，g取10 m/s2，则：
(1)通过计算判断小物块是否能达到圆弧轨道的最高点A，并求当小物块再次回到B点时，小物块的最大速度大小；
(2)若已知弹簧被小物块压缩的最大压缩量x＝10 cm，求弹簧的最大弹性势能。
参考答案
1．答案D 解析　光电子的最大初动能为Ekm＝eUc，选项A错误；根据光电效应方程有Ekm＝hν－W0＝eUc，则阴极金属的逸出功为W0＝hν－eUc，选项B错误；若增大原入射光的强度，则最大初动能不变，则遏止电压Uc不变，但是饱和光电流Im会变化，选项C错误；根据W0＝hνc＝hν－eUc可得，阴极金属的截止频率为νc＝，选项D正确.
2．答案A 解析与锌板相连的验电器的铝箔有张角，说明光照射到锌板上发生光电效应，从锌板上有光电子逸出，光电效应说明光具有粒子性，故A正确；根据光电效应方程有Ek＝hν－W，则当入射光的频率为2ν0时，光电子逸出的初动能不一定等于hν0，故B错误；图丙中，用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂，光子的能量为ΔE＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6)eV＝10.2 eV，大于金属铂的逸出功，所以能发生光电效应，故C错误；图丁是放射线在磁场中偏转示意图，根据左手定则可知，射线c是β粒子流，它是原子核发生β衰变的过程中，由中子转化为一个质子与一个电子时形成的，故D错误。
3．答案　C解析　电压表的示数是外电路交流电压有效值，U＝R＝×9V＝5.4 V，A错误；t＝0.01 s时感应电动势为零，穿过线圈的磁通量最大，B错误；原来线圈的转速为n＝＝＝50 r/s，当线圈的转速改为25 r/s时，感应电动势的最大值为 V＝3V，有效值为3 V，通过灯泡的电流为0.3 A，C正确，D错误。
4．答案D 解析　高压水枪单位时间喷出水的质量等于单位时间内喷出的水柱的质量，即m0＝ρV＝ρπ·v＝πρvD2，故A、B错误；水柱对汽车的平均冲力为F，由动量定理得Ft＝mv，即Ft＝ρπvD2·t·v，解得F＝ρπv2D2，选项C错误；高压水枪喷出的水对汽车产生的压强p＝＝＝ρv2，则当高压水枪喷口的出水速度变为原来的2倍时，压强变为原来的4倍，选项D正确．
5．答案C 解析 发电机输出电流I1＝＝ A＝400 A，故A错误；输电线上损失的功率P线＝I线2R线＝5 kW，所以I线＝＝25 A，故B错误；用户得到的功率P4＝P－P线＝(100－5) kW＝95 kW，则I4＝＝ A＝ A≈432 A，故＝＝，故C正确，D错误.
6．答案D 解析 当线框运动L时开始进入磁场，磁通量开始增加，当全部进入时达到最大；此后向外的磁通量增加，总磁通量减小；当运动到2.5L时，磁通量最小，故选项A错误；当线框进入第一个磁场时，由E＝BLv可知，E保持不变，而开始进入第二个磁场时，两边同时切割磁感线，电动势应为2BLv，故选项B错误；因安培力总是与运动方向相反，故拉力应一直向右，故选项C错误；拉力的功率P＝Fv，因速度不变，而线框在第一个磁场时，电流为定值，拉力也为定值；两边分别在两个磁场中时，由选项B的分析可知，电流加倍，回路中总电动势加倍，功率变为原来的4倍；此后从第二个磁场中离开时，安培力应等于线框在第一个磁场中的安培力，所以功率应等于在第一个磁场中的功率，故选项D正确．
7．答案BCD 解析　中子的速度不能太快，否则无法被铀核捕获，裂变反应不能进行下去，A错误；重核裂变，质量亏损，释放核能，比结合能大的原子核稳定，故新核氪的比结合能大于铀核的比结合能，B正确；链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知，一个92U裂变释放的能量是200 MeV，此过程中的质量亏损为Δm＝＝3.6×10－28kg，D正确。
8．答案ABC 解析　由题意可知，线圈进入磁场和穿出磁场时速度相等，说明线圈在穿过磁场的过程中做匀速直线运动，则mg＝F安＝BIl＝，R＝，所以A正确；线圈在进入磁场前做自由落体运动，由动能定理得mgh＝mv2，进入磁场前线圈下落的高度为h＝，所以B正确；线圈在穿过磁场的过程中克服安培力做功转化为焦耳热，又安培力与重力平衡，则穿过磁场的过程中线圈电阻产生的热量为Q＝mg·2l＝2mgl，所以C正确；根据线圈在穿过磁场过程中做匀速运动，可得线圈穿过磁场的时间为t＝，所以D错误．
9．答案BC　解析 物块下落h，由机械能守恒：mgh＝mv12；物体与钢板碰撞，则动量守恒：mv1＝2mv2，解得v2＝v1＝，选项A错误，B正确；从碰撞到Q点，由能量关系可知：·2mv22＋2mgx0＝Ep，则弹性势能的增加量为Ep＝mg(2x0＋)，选项C正确，D错误。
10．答案ABD 解析　定值电阻与金属棒串联，金属棒与定值电阻产生的焦耳热之比＝＝，金属棒产生的焦耳热Qr＝，回路产生的总焦耳热Q总＝Q＋Qr＝Q，金属棒克服安培力做功转化为焦耳热，安培力对金属棒做的功为W＝－Q总＝－Q，故A正确；由法拉第电磁感应定律得＝＝，平均感应电流＝，流过金属棒的电荷量q＝Δt，解得流过金属棒的电荷量为q＝，故B正确；对整个过程，由能量守恒定律得mv02＝Q＋Q摩擦，解得Q摩擦＝mv02－Q，故C错误；因摩擦产生的热量Q摩擦＝μmgx，解得μ＝－，故D正确．
11． 答案　(1)CD　(2)7∶2　(3)D
解析　(1)为了保证每次小球都做平抛运动，则斜槽末端必须水平，而不是为了使两球碰撞时动能无损失，故A错误；为了保证小球碰撞为对心碰撞，且碰后不反弹，两小球应该等大，且入射小球的质量大于被碰小球的质量，故B错误；为了保证每次碰撞前入射小球的速度相同，所以入射小球每次都要从斜槽同一高度由静止释放，故C正确；入射小球在下滑过程中虽然受摩擦力的作用，但只要保证入射小球到达斜槽末端的速度相同即可，所以实验结果不会因此产生系统误差，故D正确。
(2)小球做平抛运动抛出点的高度相等，它们在空中的运动时间相等，根据动量守恒定律有m1v0t＝m1v1t＋m2v2t，即m1OP＝m1OM＋m2ON，代入纸带数据有＝＝＝。
(3)设小球与斜槽间的动摩擦因数为μ，斜槽与水平面夹角为θ，桌面到地面的高度为h，斜槽水平部分对小球的摩擦力做的功为W0，对小球根据功能关系可得mgH－μmgcos θ·－W0＝mv，又因为落地点和抛出点之间的水平位移为x，则有x＝v0t，h＝gt2，联立三式整理得H＝x2＋，选项D正确。
12．解析　(1)电路图如答案图。
(2)U＝18 V，通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，故电路中总电阻R＝，即900 Ω≤R≤1 800 Ω，故滑动变阻器选R2。
(3)热敏电阻为650.0 Ω时，报警器开始报警，电阻箱的阻值也应为650.0 Ω，实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直到报警器开始报警。为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端。
答案　(1)如图所示
(2)R2
(3)①650.0　b　接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏
②c　报警器开始报警
13．答案　(1)v　(2)　(3)
解析　(1)设水平向右为正方向，B、C碰撞过程中动量守恒，
则有：2mv－mv＝(2m＋m)v1 解得v1＝
A滑到C上，A、C组成的系统动量守恒，
则有：3mv＋mv1＝(3m＋m)v2 解得v2＝v；
(2)根据能量关系可知，在A、C相互作用过程中，木板C与物块A之间因摩擦产生的热量为
Q＝(3m)v2＋mv12－(3m＋m)v22
Q＝Ff· 联立解得Ff＝；
(3)在A、C相互作用过程中，以C为研究对象，由动量定理得Fft＝mv2－mv1 解得t＝.
14．解析：(1)由于金属棒两端的电压与时间成正比，根据欧姆定律知，电路中的电流也与时间成正比，电路中的电动势与时间成正比，由E＝BLv可知，速度与时间成正比，即金属棒做匀加速运动。
根据速度时间关系可得：v＝at
则电压U＝BLv＝BLat
结合图象可知：t＝1 s时，U＝BLa＝1 V 解得a＝2 m/s2
t＝5 s时，金属棒的速度大小为v5＝at5＝10 m/s
根据牛顿第二定律可得：F－＝ma 解得F＝0.7 N。
(2)根据(1)可知：F＝＋ma＝·t＋ma＝0.1t＋0.2 N
由于拉力F随时间t线性变化，因此拉力F的冲量I冲＝t＝×5 N·s＝2.25 N·s。
(3)金属棒运动10 s时速度大小为v1＝at′＝20 m/s
撤去拉力F后，金属棒做减速运动。设金属棒减速运动0.5 m时速度大小为v2，
根据动量定理可得：－BILΔt＝mΔv 根据欧姆定律可得：I＝
根据法拉第电磁感应定律可得E＝＝
联立可得：－＝m(v2－v1) 解得v2＝19.75 m/s。
答案：(1)0.7 N　(2)2.25 N·s　(3)19.75 m/s
15． 解析：(1)对于子弹打小车的过程，取向右为正方向，根据动量守恒定律得：m0v0＝(m0＋M)v，可得：v＝5 m/s
当小物块运动到圆轨道的最高点时，三者共速为v共1。
根据动量守恒定律得：m0v0＝(m0＋M＋m)v共1。
解得：v共1＝2.5 m/s
根据机械能守恒定律得：(m0＋M)v2＝(m0＋M＋m)v共12＋mgh
解得：h＝0.625 m当小物块再次回到B点时，小物块速度为v1，车和子弹的速度为v2
根据动量守恒定律得：(m0＋M)v＝mv1＋(m0＋M)v2
根据能量守恒定律得：(m0＋M)v2＝mv12＋(m0＋M)v22 解得v1＝5 m/s，v2＝0。
(2)当弹簧具有最大弹性势能Ep时三者速度相同，由动量守恒定律得：
m0v0＝(m0＋M＋m)v共2，可得v共2＝v共1＝2.5 m/s；
根据能量守恒定律得：μmg(L＋x)＋Ep＝(m0＋M)v2－(m0＋M＋m)v共22。
解得：Ep＝2.5 J。答案：(1)否，5 m/s　(2)2.5 J