2013高考物理 真題分類解析 專題24 力學(xué)電學(xué)綜合性應(yīng)用問題

2013高考物理分類解析2013高考物理分類解析專題二十四、力學(xué)電學(xué)綜合性應(yīng)用問題1（2013高考浙江理綜第24題）(20分)“電子能量分析器”主要由處于真空中的電子偏轉(zhuǎn)器和探測板組成。偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)相互絕緣、半徑分別為RA和RB的同心圓金屬半球面A和B構(gòu)成，A、B為電勢值不等的等勢面，其過球心的截面如圖所示。一束電荷量為e、質(zhì)量為m的電子以不同的動(dòng)能從偏轉(zhuǎn)器左端M的正中間小孔垂直入射，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場區(qū)域，最后到達(dá)偏轉(zhuǎn)器右端的探測板N，其中動(dòng)能為Ek0的電子沿等勢面C做勻速圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)N板的正中間。忽略電場的邊緣效應(yīng)。（1）判斷球面A、B的電勢高低，并說明理由；（2）求等勢面C所在處電場強(qiáng)度E的大?。唬?）若半球面A、B和等勢面C的電勢分別為A、B和C，則到達(dá)N板左、右邊緣處的電子，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電場前、后的動(dòng)能改變量EK左和EK右分別為多少？（4）比較|EK左|和|EK右|的大小，并說明理由。解析：（1）電子(帶負(fù)電)做圓周運(yùn)動(dòng)，電場力方向指向球心，電場方向從B指向A，B板電勢高于A板。（2）據(jù)題意，電子在電場力作用下做圓周運(yùn)動(dòng)，考慮到圓軌道上的電場強(qiáng)度B大小相同，有：eE=mv2/R，Ek0= mv2/2，R=(RA+RB)/2，聯(lián)立解得：E=（3）電子運(yùn)動(dòng)時(shí)只有電場力做功，根據(jù)動(dòng)能定理，有：EK=qU對(duì)到達(dá)N板左側(cè)邊緣的電子，電場力做正功，動(dòng)能增加，有：EK左=e(B-C)對(duì)到達(dá)N板右側(cè)邊緣的電子，電場力做負(fù)功，動(dòng)能減小，有：EK右=e(A-C)（4）根據(jù)電場線的特點(diǎn)，等勢面B與C之間的電場強(qiáng)度大于C與A之間的電場強(qiáng)度，考慮到等勢面間距相等，有：B-C>A-C即：EK左>EK右2（2013高考浙江理綜第25題）（22分）為了降低潛艇噪音，提高其前進(jìn)速度，可用電磁推進(jìn)器替代螺旋槳。潛艇下方有左、右兩組推進(jìn)器，每組由6個(gè)相同的用絕緣材料制成的直線通道推進(jìn)器構(gòu)成，其原理示意圖如下。在直線通道內(nèi)充滿電阻率=0.2m的海水，通道中a×b×c=0.3m×0.4m×0.3m的空間內(nèi)，存在由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B=6.4T、方向垂直通道側(cè)面向外。磁場區(qū)域上、下方各有a×b=0.3m×0.4m的金屬板M、N，當(dāng)其與推進(jìn)器專用直流電源相連后，在兩板之間的海水中產(chǎn)生了從N到M，大小恒為I=1.0×103A的電流，設(shè)電流只存在于磁場區(qū)域。不計(jì)電源內(nèi)阻及導(dǎo)線電阻，海水密度=1.0×103kg/m3。（1）求一個(gè)直線通道推進(jìn)器內(nèi)磁場對(duì)通電海水的作用力大小，并判斷其方向。（2）在不改變潛艇結(jié)構(gòu)的前提下，簡述潛艇如何轉(zhuǎn)彎？如何倒車？（3）當(dāng)潛艇以恒定速度v0=30m/s前進(jìn)時(shí)，海水在出口處相對(duì)于推進(jìn)器的速度v=34m/s，思考專用直流電源所提供的電功率如何分配，求出相應(yīng)功率的大小。解析：（1）將通電海水看成導(dǎo)線，所受磁場力：F=IBL，代入數(shù)據(jù)得：F=IBc=1.0×103×6.4×0.3N=1.92×103N.用左手定則判斷磁場對(duì)海水作用力方向向右（或與海水出口方向相同）（2）考慮到潛艇下方有左、右兩組推進(jìn)器，可以開啟或關(guān)閉不同個(gè)數(shù)的左、右兩側(cè)的直線通道推進(jìn)器，實(shí)施轉(zhuǎn)彎。改變電流方向，或者磁場方向，可以改變海水所受磁場力的方向，根據(jù)牛頓第三定律，使?jié)撏А暗管嚒?。?）電源提供的電功率中的第一部分：牽引功率：P1=F牽v0。根據(jù)牛頓第三定律：F牽=12IBL。當(dāng)v0=30ms時(shí)，代入數(shù)據(jù)得：P1=F牽v0=12×1.92×103×30W=6.9×105W。第二部分：海水的焦耳熱功率對(duì)單個(gè)直線推進(jìn)器，根據(jù)電阻定律，R=L/S。代入數(shù)據(jù)得：R=c/ab=0.2×=0.5.由熱功率公式：P=I2R，代入數(shù)據(jù)得：P單=I2R=(1.0×103)2×0.5W=5.0×105W。P2=12×5.0×105W=6.0×106W第三部分：單位時(shí)間內(nèi)海水動(dòng)能的增加值設(shè)t時(shí)間內(nèi)噴出海水的質(zhì)量為m，P3=12×考慮到海水的初動(dòng)能為零，Ek= Ek=mv，m=bcvt，P3=12×= P3=12×bcv=4.6×104W。3. （2013高考天津理綜物理第12題）(20分）超導(dǎo)現(xiàn)象是20世紀(jì)人類重大發(fā)現(xiàn)之一，日前我國己研制出世界傳輸電流最大的高溫超導(dǎo)電纜并成功示范運(yùn)行。(l）超導(dǎo)體在溫度特別低時(shí)電阻可以降到幾乎為零，這種性質(zhì)可以通過實(shí)驗(yàn)研究將一個(gè)閉合超導(dǎo)金屬圈環(huán)水平放置在勻強(qiáng)磁場中，磁感線垂直于圈環(huán)平面向上，逐漸降低溫度使環(huán)發(fā)生由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變后突然撤去磁場，若此后環(huán)中的電流不隨時(shí)間變化則表明其電阻為零。請指出自上往下看環(huán)中電流方向，并說明理由。（2）為探究該圓環(huán)在超導(dǎo)狀態(tài)的電阻率上限，研究人員測得撤去磁場后環(huán)中電流為I,并經(jīng)一年以上的時(shí)間t未檢測出電流變化。實(shí)際上儀器只能檢測出大于I的電流變化，其中I<<I，當(dāng)電流的變化小于I時(shí)，儀器檢測不出電流的變化，研究人員便認(rèn)為電流沒有變化。設(shè)環(huán)的橫截面積為S，環(huán)中定向移動(dòng)電子的平均速率為v，電子質(zhì)量為m、電荷量為e試用上述給出的各物理量，推導(dǎo)出的表達(dá)式。(3）若仍使用上述測量儀器，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間依舊為t為使實(shí)驗(yàn)獲得的該圓環(huán)在超導(dǎo)狀態(tài)的電阻率上限的準(zhǔn)確程度更高，請?zhí)岢瞿愕慕ㄗh，并簡要說明實(shí)現(xiàn)方法解析：（1）逆時(shí)針方向。撤去磁場瞬間，環(huán)所圍面積的磁通量突變?yōu)榱?，由楞次定律可知，環(huán)中電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相同，即向上。由安培定則可知，環(huán)中電流方向是沿逆時(shí)針方向。（2）設(shè)圓環(huán)周長為L，電阻為R，由電阻定律，得R=L/S。設(shè)t時(shí)間內(nèi)環(huán)中電流釋放焦耳熱而損失的能量為E，由焦耳定律得：E=I2Rt。設(shè)環(huán)中單位體積內(nèi)定向移動(dòng)電子數(shù)為n，則：I=nevS。式中n、e、S不變，只有定向移動(dòng)電子的平均速率的變化才會(huì)引起環(huán)中電流的變化。電流變化大小取I時(shí)，相應(yīng)定向移動(dòng)電子的平均速率變化的大小為v，則：I=neSv。設(shè)環(huán)中定向移動(dòng)電子減少的動(dòng)能總和為Ek，則：Ek =nLSmv2-m(v-v)2.由于I<<I，可得：Ek =I。根據(jù)能量守恒定律，得：E=Ek 。聯(lián)立解得：=。（3）由=看出，在題設(shè)條件限制下，適當(dāng)增大超導(dǎo)電流，可以使實(shí)驗(yàn)獲得的準(zhǔn)確程度更高。通過增大穿過該環(huán)的磁通量變化率可實(shí)現(xiàn)增大超導(dǎo)電流。4