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题型：解答题题类：难易度：困难

河北省沧州市沧县中学2023-2024学年高三下学期模拟预测物理试题

如图甲，电阻不计的光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上，导轨左侧和右侧区域分别存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度的大小分别为B和 $\text{[math]}$ ，右侧磁场区域上方边界为正弦曲线，曲线方程为 $\text{[math]}$ 。用同种材料制成的粗细均匀的正方形线框放置在导轨上面，线框前后两边始终与导轨接触良好，线框的质量为m，电阻为R，边长为l。导轨左侧接有电容为C的平行板电容器，导轨上的开关S处于断开状态。线框在水平外力F作用下以速度 $\text{[math]}$ 向左匀速通过右侧匀强磁场区域。

（1）理想电压表的示数是多少？

（2）当线框全部进入左侧磁场时，撤去F，同时闭合开关S，此时导体框的速度为 $\text{[math]}$ ，线框最终匀速运动的速度是多少？

（3）根据图乙可以推导出电容器储存的能量E与电容器的电压U的关系式。如果电容器的电容 $\text{[math]}$ ，线框刚好完全进入磁场时的动能 $\text{[math]}$ ，最后匀速运动时的动能 $\text{[math]}$ ，匀速运动时电容器的电压 $\text{[math]}$ ，从线框刚好完全进入磁场到匀速运动，线框AB边产生的热量是多少？

举一反三

如图所示，在水平面内固定着U形光滑金属导轨，轨道间距为L=0.5m，金属导体棒ab质量为m=0.1 kg，电阻为r=0.2 Ω，横放在导轨上，电阻R的阻值是0.8 Ω（导轨其余部分电阻不计）。现加上竖直向下的磁感应强度为B=0.2 T的匀强磁场。用水平向右的恒力F=0.1 N拉动ab，使其从静止开始运动，则（　　）

如图所示，两根质量均为 $\text{[math]}$ 的相同金属棒a、b垂直地放在水平导轨 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 上，左右两部分导轨间距之比为 $\text{[math]}$ ，导轨间有大小相等但左右两部分方向相反的匀强磁场，两棒电阻与棒长成正比，不计导轨电阻，金属棒b开始位于图中 $\text{[math]}$ 位置，金属棒a在NQ位置。b用绝缘细线绕过光滑定滑轮和一小物块c相连，c的质量 $\text{[math]}$ ， c开始时距地面高度 $\text{[math]}$ 。整个导轨光滑，且和金属棒接触良好，开始用手托着c使系统持静止。现放手开始运动，物体c触地后不再反弹，此时两棒速率之比 $\text{[math]}$ ，此过程b棒上产生的焦耳热为10J，设导轨足够长且两棒始终在不同磁场中运动， $\text{[math]}$ ，求：

（1）从开始运动到c物体着地过程中，a棒上产生的焦耳热；

（2）c物体着地时，两棒的速度大小 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ ；

（3）假设磁感应强度 $\text{[math]}$ ，左侧导轨宽度为1m，求c物体着地后到最后稳定时通过a棒的电荷量为多大？

基于电容器的制动能量回收系统已经在一些品牌的汽车上得到应用。简易模型如图所示。某种材料制成的薄板质量为m，围成一个中空圆柱，半径为 r，薄板宽度为L，可绕过圆心O的水平轴垂直于圆面转动。薄板能够激发沿半径方向向外的辐射磁场，磁场只分布于薄板宽度的范围内，薄板外表面处的磁感应强度为B。一匝数为n的线圈 abcd 固定放置（为显示线圈绕向，图中画出了两匝）， ab 边紧贴薄板外表面但不接触，线圈的两个线头c点和d点通过导线连接有电容为C的电容器、电阻为R的电阻、单刀双掷开关，如图所示。现模拟一次刹车过程，开始时，单刀双掷开关处于断开状态，薄板旋转方向如图所示，旋转中薄板始终受到与薄板表面相切，与运动方向相反的大小为f的刹车阻力作用，当薄板旋转的角速度为 $\text{[math]}$ 时，将开关闭合到位置1，电容器开始充电，经时间t电容器停止充电，开关自动闭合到位置2，直至速度减为零。除刹车阻力外，忽略其他一切阻力，磁场到 cd 连线位置时足够弱，可以忽略。电容器的击穿电压足够大，开始时不带电，线圈能承受足够大的电流，不考虑磁场变化引起的电磁辐射。

（1）电容器充电过程中，判断极板M带电的电性；

（2）求充电结束时，薄板的角速度 $\text{[math]}$ 大小；

（3）求薄板运动的整个过程中该系统的能量回收率。

如图所示，竖直平面内有间距为l的固定平行金属导轨M和N，其下端通过开关S₁连接电阻R，通过单刀双掷开关S₂连接电容C和内外半径分别r₁和r₂的金属环，金属环位于同一竖直平面内。在两导轨虚线框内和在两金属环间，存在相同的、方向垂直导轨平面、大小为B的匀强磁场。电阻为R、质量为m、长为l的两相同的导体棒ab和cd，ab通过劲度系数为k的绝缘轻质弹簧相连，当开关S₁和S₂断开时，ab位于靠近磁场上边界处（但在磁场内），处于水平静止状态并与导轨接触良好；cd置于两金属环上，且绕过圆心O的轴以角速度 $\text{[math]}$ 匀速旋转。已知k=400N/m，m=1kg，l=1m，B=2T，R=0.5 $\text{[math]}$ ， C=0.25F，ω=5rad/s，r₁=0.1m，r₂=0.9m，不计其它电阻和摩擦阻力，棒ab始终在导轨所在平面内运动，g取10m/s²。

（1）S₁断开，S₂掷向2，求电容器所带电荷量的大小q；

（2）S₁断开，S₂掷向1时ab棒以v=1.0m/s的速度竖直向上运动离开磁场时，求此时电容器所带电荷量的大小q^' ，并判断cd的旋转方向；

（3）ab棒再进磁场前断开S₂ ，接通S₁ ， ab在磁场内运动至距磁场上边界0.04m处时速度为零，求此过程中电阻R消耗的焦耳热。（提示：弹簧伸长量为 $\text{[math]}$ 时，其弹性势能 $\text{[math]}$ ，导体棒ab在运动过程中弹簧末超出弹性限度）

水平放置的金属细圆环P的半径为l，其内部充满方向竖直向上的匀强磁场，磁感应强度大小为B。电阻为r，长度恰为l的细导体棒a一端搭接在细圆环上，可绕圆心处的金属细圆柱O在水平面内转动。两平行竖直金属导轨的间距为d，其中M导轨与小圆柱O相连，N导轨与圆环P相连，两导轨上方通过电键K连接能提供恒定电流大小为I，方向水平向右的恒流源S。质量为m，电阻为R的均匀导体棒b水平搁置在固定支架上并与两导轨紧密接触，棒b处在方向垂直于导轨平面向内的匀强磁场中，磁感应强度的大小为B。除了导体棒a和导体棒b外其余电阻不计，一切摩擦不计。

（1）若电键K断开，外力使导体棒a以某一角速度 $\text{[math]}$ 匀速转动时导体棒b对支架的作用力恰好为0。求此时导体棒a的旋转方向（俯视图）和 $\text{[math]}$ 的大小。

（2）若电键K闭合，导体棒a作为“电动机”在水平内旋转。

①“电动机”空载时导体棒a所受安培力为零，其匀速转动的角速度记为 $\text{[math]}$ ，求 $\text{[math]}$ 的大小。

②求“电动机”机械效率为50%时导体棒a的角速度 $\text{[math]}$ 。

如图所示，两根电阻不计的光滑水平导轨A₁B₁、A₂B₂平行放置，间距L=1m，处于竖直向下 B=0.4T的匀强磁场中，导轨左侧接一电容C=0.1F的超级电容器，初始时刻电容器带一定电量，电性如图所示。质量 $\text{[math]}$ 、电阻不计的金属棒 ab垂直架在导轨上，闭合开关S后，ab棒由静止开始向右运动，且离开B₁B₂时已以 $\text{[math]}$ 匀速。下方光滑绝缘轨道C₁MD₁、C₂ND₂间距也为L，正对A₁B₁、A₂B₂放置，其中C₁M、C₂N为半径r=1.25m、圆心角θ=37°的圆弧，与水平轨道MD₁、ND₂相切于M、N两点，其中NO、MP两边长度d=0.5m，以O点为坐标原点，沿导轨向右建立坐标系，OP右侧0<0.5m处存在磁感应强度大小为 $\text{[math]}$ 的磁场，磁场方向竖直向下。质量 $\text{[math]}$ 电阻R=1Ω的“U”型金属框静止于水平导轨 NOPM处。导体棒 ab 自 B₁B₂抛出后恰好能从C₁C₂处沿切线进入圆弧轨道，并在MN处与金属框发生完全非弹性碰撞，碰后组成导电良好的闭合线框一起向右运动。重力加速度的大小g取10m/s²。请解决下列问题：

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