专题跟踪检测（二十三） 电路与电磁感应中的STSE问题

专题跟踪检测（二十三）电路与电磁感应中的STSE问题1．如图所示是一个趣味实验中的“电磁小火车”，“小火车”本体是两端都吸有强磁铁的电池，“轨道”是用裸铜线绕成的螺线管。将干电池与强磁铁组成的“小火车”放入螺线管内，就会沿螺线管运动，则()A．“小火车”通过两端磁铁之间的排斥力而运动B．干电池正负极对调后，“小火车”运动方向将改变C．“小火车”放入绝缘铜线绕成的螺线管后，会沿螺线管运动D．“小火车”放入表面无绝缘层的裸露铜管后，会沿铜管运动解析：选B“小火车”通过两端磁铁与通电螺线管之间的作用力而运动，故A错误；只将干电池的“＋”“－”极左右对调，则螺线管产生的磁场的方向反向，“小火车”运动方向将改变，故B正确；绝缘铜线不导电，螺线管中无电流，不会产生磁场，故C错误；“小火车”放入表面无绝缘层的裸露铜管后，干电池与裸露铜管会形成直线电流，该磁场会导致干电池偏向一侧，不会使“小火车”沿铜管运动，故D错误。2．(2023·浙江温州质检)(多选)如图甲所示，光电编码器由码盘和光电检测装置组成，电动机转动时，码盘与电动机旋转轴同速旋转，发光二极管发出的光经凸透镜转化为平行光，若通过码盘镂空的明道照在光敏管上，信号端输出高电位，反之输出低电位，两个光敏管分布在同一半径上。根据输出两路信号可以测量电动机的转速和判断旋转方向。从左往右看，内、外都均匀分布20个明道的码盘如图乙所示，电动机转动时两信号的图像如图丙所示，则()A．从左往右看，电动机顺时针转动B．从左往右看，电动机逆时针转动C．电动机转动的转速为50r/sD．电动机转动的转速为125r/s解析：选AC由题图丙可知，在t＝1×10－3s时，信号A开始输出低电位，此时信号B开始输出高电位，结合题图乙可知，从左往右看，电动机顺时针转动，故A正确，B错误；由题图丙可知，电动机转动的周期为T＝20×1×10－3s＝2×10－2s，则角速度为ω＝eq\f(2π,T)＝100πrad/s，根据ω＝2πn，可得电动机转动的转速为n＝eq\f(ω,2π)＝50r/s，故C正确，D错误。3．(2023·浙江省名校协作体二模)(多选)杭丽高铁被列入省重大建设项目“十四五”规划，杭丽高铁建成后，丽水前往杭州的时间将缩短至1小时左右。新建成的高铁将应用许多新技术，图示为高铁的牵引供电流程图，利用可视为理想变压器(原、副线圈匝数比为n1∶n2)的牵引变电所，将高压220kV或110kV降至27.5kV，再通过接触网上的电线与车顶上的受电弓使机车获得25kV工作电压，则下列说法正确的是()A．若电网的电压为110kV，则n1∶n2＝4∶1B．若高铁机车运行功率增大，机车工作电压将会高于25kVC．若高铁机车运行功率增大，牵引变电所至机车间的热损耗功率也会随之增大D．如果高铁机车的电动机输出机械功率为9000kW，电机效率为90%，则牵引变电所到机车间的等效电阻为62.5Ω解析：选AC理想变压器原、副线圈电压之比等于匝数之比，若电网的电压为110kV，则变电所的变压器原、副线圈匝数比为eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)＝eq\f(110,27.5)＝eq\f(4,1)，故A正确；机车工作电压由输入电压和线圈匝数决定，不由高铁机车运行功率决定，若高铁机车运行功率增大，根据P＝UI，可知电流将会增大，牵引变电所至机车间的热损耗功率ΔP＝I2R，也会随之增大，故B错误，C正确；根据功率关系可得P＝90%UI，其中U＝25kV＝25000V，则电流为I＝eq\f(P,90%U)＝eq\f(9×106,90%×25000)A＝400A，则牵引变电所至机车间的等效电阻为R＝eq\f(U2－U,I)＝eq\f(27500－25000,400)Ω＝6.25Ω，故D错误。4．(多选)如图为投币机中一种测量硬币某种特性的装置，硬币可竖直通过两线圈中间的狭缝。发射线圈L1的匝数为N1，接有频率为f、电压为U1的低频交流电。接收线圈L2的匝数为N2，在不同情况下，接收线圈输出的电压U2会发生改变，下列说法正确的是()A．无硬币通过时，若L1与L2为完全相同的线圈，则U2＝U1B．无硬币通过时，若只增大U1，则U2也增大C．硬币通过狭缝时，硬币中会产生感应电流D．硬币通过狭缝的全过程中，其加速度不变解析：选BC无硬币通过时，若L1、L2为完全相同的线圈，两线圈的匝数相同，由于两线圈之间存在磁损，因此U2与U1不相等，A错误；无硬币通过时，只增大U1，L2磁通量的变化率增大，因此U2也增大，B正确；硬币通过狭缝时，硬币中的磁通量会变化，因此硬币中会产生感应电流，C正确；硬币通过狭缝的全过程中，硬币中产生了感应电流，硬币受到的安培力发生变化，硬币所受的合力发生变化，根据牛顿第二定律，其加速度发生变化，D错误。5．(2023·浙南名校联盟第二次联考)霍尔效应这一现象是物理学家霍尔于1879年发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差被称为霍尔电势差。现有一金属导体霍尔元件连在如图所示电路中，电源内阻不计，电动势恒定，霍尔电势差稳定后，下列说法正确的是()A．a端电势低于b端电势B．若元件的厚度增加，a、b两端电势差减小C．霍尔电势差的大小只由单位体积内电子数目和电子的热运动速率决定D．若要测量南极附近的地磁场，工作面应保持水平解析：选D由题图知电流方向从右向左，则霍尔元件中电子从左向右定向移动，根据左手定则判断可知在洛伦兹力的作用下电子向b端偏转，故b端电势较低，A错误；稳定后，定向移动的电子受到的电场力与洛伦兹力大小相等，即evB＝eeq\f(U,d)，由电流微观表达式I＝neSv，联立可得U＝Bdv＝Bdeq\f(I,neS)＝Bdeq\f(E,RneS)＝Bdeq\f(E,ρ\f(l,S)neS)＝eq\f(BdE,ρnle)，则a、b两端电势差U与磁感应强度B、元件的前后距离d、单位体积内电子数目n等因素有关，与题中元件的厚度无关，B、C错误；由于南极附近的地磁场垂直于地面，若要测量南极附近地磁场，工作面应该处于水平状态，D正确。6．(2023·绍兴调研)列车脱轨、侧翻的重要原因是铁路轨道不平整。我国的高铁对轨道平整度有着极高的要求，为了检测高铁轨道可能存在的微小不平整，某科学兴趣小组设计了如图甲所示的方案：M为水平待测轨道，其上有一可沿轨道无摩擦运动的小车Ⅰ，车上固定竖直放置的n匝线圈ABCD，总阻值为R，小车与线圈总质量为m，线圈中连有微电流传感器，可显示ABCD中非常微弱的电流信号，A→B为电流正方向；N为标准水平平整轨道(轨道N与轨道M平行正对放置)，其上有一可沿轨道运动的小车Ⅱ，小车Ⅱ上安装了车速控制系统，且车上固定磁场发射装置EFGH，该装置可在EFGH范围内激发垂直并指向ABCD的匀强磁场，磁感应强度大小为B0，AB＝DC＝EF＝HG＝L1，BC＝AD＝FG＝EH＝L2。现先将小车Ⅰ、Ⅱ平行正对放置，调节ABCD的高度，使之略高于EFGH，其高度差远小于L2但大于待测轨道凹凸不平引起的高度差，然后给小车Ⅰ大小为v0的初速度，同时控制小车Ⅱ以相同的速度向前匀速行驶。(不考虑磁场的边缘效应，忽略轨道不平整对小车沿轨道方向速度的影响)(1)若在t1～t2时间内，微电流传感器显示出如图乙所示的电流信号，问这段时间内经过的待测轨道是凸起还是凹陷？试简要说明理由。(2)若小车Ⅱ在行驶过程中突然停止，求小车Ⅰ继续前进并离开磁场的过程中，线圈上产生的总热量Q。(3)现控制小车Ⅱ做匀减速直线运动，为确保微电流传感器不损坏，线圈中电流不能超过Im，求小车Ⅱ做匀减速直线运动时加速度的最大值。解析：(1)根据题图乙可知，电流先正后负，说明线圈内磁通量先减少后增加，线圈ABCD先向上运动后向下运动，故此处轨道有凸起。(2)若小车Ⅱ在行驶过程中突然停止，由动量定理得－nB0eq\o(I,\s\up6(－))L2Δt＝mv1－mv0，通过线圈的电荷量q＝eq\o(I,\s\up6(－))Δt＝eq\f(nB0L1L2,R)根据能量守恒定律得Q＝eq\f(1,2)mv02－eq\f(1,2)mv12＝eq\f(v0n2B02L1L22,R)－eq\f(n4B04L12L24,2mR2)(3)根据题意分析，小车Ⅰ、Ⅱ相对速度不断变大，小车Ⅰ线圈中的电流不断增大，做加