《光、電、磁、材料及能源》例題選析及對應訓練
2008-04-29 00:00:00謝祥金
物理教學探討 2008年4期
一、例題選析
例1 小明想在家里懸掛一面大鏡子，便于家里三人梳妝、換衣時都能站著看清自己的全身，他的媽媽身高160cm，他的爸爸身高176cm，他自己身高168cm。且人眼到頭頂的豎直距離為身高的1/10。請你幫他設計一個最節省的方案。
解析 要滿足全家人的需求，就必須以身高最高的人進行設計，即小明的爸爸身高176cm，根據人眼到頭頂的豎直距離為身高的1/10，則她的眼睛到頭頂的距離為17.6cm。同時，要看到自己的全身像必須使得頭頂與腳尖發出的光線經過平面鏡反射后都能到達眼睛。利用平面鏡成像的對稱性和反射定律，可作出圖1所示光路圖。人身高的標點A、B和人眼O點組成一個三角形，由對稱性可知平面鏡CD是△ABO的中位線，所以平面鏡CD的長度只需要人身高的一半，即88cm。同理可得C點距頭頂的豎直距離為8.8cm。
例2 在圖2所示中，S是發光點，S′是發光點經凸透鏡所成的像，虛線為主光軸，是作圖確定凸透鏡的位置及其焦點位置。
解析 根據凸透鏡成像規律，過光心的光線不改變方向，平行于主光軸的光線過透鏡后過焦點，過焦點的光線經透鏡后平行于主光軸；經過透鏡后的光線的交點就是實像，經過透鏡后的光線的反向延長線的交點就是虛像。因此，如圖3所示，首先連接S和S′，延長線與主光軸的交點O就是凸透鏡的位置，過O點作出凸透鏡，然后作S發出的平行與主光軸的光線，此光線與凸透鏡與S′連接起來，其延長線就是平行光線過透鏡后的光線，則與主光軸的交點就是凸透鏡的焦點F，利用焦點的對稱性可作出凸透鏡左側的焦點F。
例3 兩條通電直導線AB、CD互相平行，又互相靠近，通入相同方向的電流時，彼此之間的相互作用力是怎樣的？如果通過的是相反的電流時，相互作用力又是怎樣的？
解析 方法一：通電導線之間的相互作用力，實質上是兩根直導線各自形成的磁場之間的作用。根據安培定則判斷AB和CD通電直導線產生的磁場方向如圖4甲所示，在相互靠近的區域，兩直導線產生的磁場方向相反，所以兩直導線是相互吸引。如果兩直導線通過相反的電流時，AB、CD通電直導線產生的磁場如圖4乙所示，在相互靠近區域兩磁場的方向相同，所以兩直導線是相互排斥。
方法二：把兩直導線的相互作用看作是磁場對電流作用的問題。把CD直導線看作是放置于AB直導線產生的磁場中受力的問題，根據安培定則判斷AB通電直導線在左右兩邊區域產生的磁場方向如圖所示，CD直導線放置在AB直導線的右邊區域，根據左手定則可以判斷CD直導線受磁場力的方向，如圖5甲所示。同樣道理也可以判斷AB直到線在CD直導線產生磁場中受到磁場力的方向，如圖5乙所示。所以通入同方向電流時，兩直導線是相互吸引的。通過相反方向的電流時，如圖5丙所示，相互作用是相互排斥的。
例4 如圖6所示，彈簧秤下吊一條形磁鐵，磁鐵N極在上端，S極在下端。閉合開關S彈簧秤示數減小，當向右滑動變阻器的滑片P時，彈簧秤的示數進一步減小，則電源的極性和變阻器應接入的接線柱是：（ ）
A．電源左端為正極，接線柱應接B、C。
B．電源左端為正極，接線柱應接A、C。
C．電源左端為負極，接線柱應接B、D。
D．電源左端為負極，接線柱應接A、B。
解析 閉合開關S使電路接通，電磁鐵具有磁性，對上方的條形磁鐵有磁力的作用。條形磁鐵在豎直方向上受到三個力的作用：重力、磁力和彈簧秤的拉力。
由于閉合開關S后，彈簧秤的示數減小，表明條形磁鐵受到的磁力是斥力的作用，電磁鐵的上端一定與條形磁鐵下端極性相同都為S極。利用右手螺旋定則可以判定螺線管中電流方向如圖7所示。由于電流總是從電源正極流出，然后回到負極。所以可以判斷電源的右端為正極，左端為負極。
當變阻器的滑片P向右滑動時，彈簧秤的示數又減小，表明條形磁鐵受到螺線管上端S極的斥力增大，螺線管磁性增強。在線圈匝數沒有改變的情況下，一定是通過螺線管的電流增大，其原因是電路中電阻變小，即變阻器連入電路中的電阻變小，連入電路部分的長度變短。根據變阻器的示意圖，在滑片P向右滑動時，連入電路部分的長度變短，應接入的接線柱只能是B、C或是B、D。
所以本題的答案應選C。
例5 如圖8所示，EF、GH是兩根水平放置的光滑金屬導軌，在導軌放置的區域內有磁場存在，磁感線方向垂直于紙面向內。AB、CD為導軌上滑動的金屬棒。當AB在外力作用下向右運動時，CD將怎樣運動？為什么？
解析 當金屬棒AB在外力作用下向右運動時，由于切割磁感線，AB中將有感應電流產生。根據右手定則判斷，感應電流的方向由B向A。感應電流經導軌流入金屬棒CD，CD為通電導線，它在磁場中受到磁場力的作用，磁場力作用的方向用左手定則判斷可知指向右方。CD在這個磁場力的作用下向右運動。
例6 在圖9所示的電路中，電源兩端電壓保持不變，R0為半導體熱敏電阻，R1、R2和R3為普通電阻，除了熱敏電阻以外，其他電阻均不受溫度的影響，那么當環境溫度升高后，有關電表的示數，下列說法正確的是（ ）
A.○A增大，○V1增大，○V2增大。
B.○A增大，○V1減小，○V2增大。
C.○A減小，○V1增大，○V2增大。
D.○A減小，○V1減小，○V2增大。
解析 因為半導體具有熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。熱敏性是半導體的導電性能隨溫度升高而顯著提高，即溫度越高電阻率越?。还饷籼匦允怯行┌雽w受到光照時電阻大大減小；摻雜特性是在純凈的半導體中摻入微量的雜質可使半導體導電性能提高許多。所以四個電阻串聯后接在電源兩端，當環境溫度升高，半導體熱敏電阻R。的阻值減小，電路中總電阻減小，電流增大，所以電流表○A的示數增大；通過R1的電流增大，R1兩端的電壓增大，電壓表○V2的示數增大；電路電流增大，R3兩端的電壓增大，所以電壓表○V1的示數減小。
例7 超導材料電阻降為零的溫度稱為臨界溫度，1987年我國科學家制成了臨界溫度為90K的高溫超導材料。若利用超導材料具有零電阻的性質，可實現無損耗輸電。現有一直流電路，輸電線總電阻為4Ω，輸入電壓為220V，用戶用電器電阻為16Ω。如果用臨界溫度以下的超導體代替原來的輸電線，用戶得到的電壓升高多少？
解析 用輸電線供電，電流
I1=UR1+R2=2204+16A=11A。
用戶用電器電壓為
U1= I1R2=11A×16Ω=176V。
用超導材料輸電，線路上無電壓損耗，
U2=220V。
所以用戶用電電壓可升高
ΔU=U2－U1=(220－176)V=44V。
例8 目前已建成的核電站都是利用（ ）
A．物質的氧化反應產生的能量來發電。
B．物質的還原反應產生的能量來發電。
C．核裂變的鏈式反應產生的能量來發電。
D．核聚變的鏈式反應產生的能量來發電。
解析 本題主要考查學生對新型能源的了解，譬如：太陽能、核能、地熱能、潮汐能和風能，這些能源如何才能被人類利用的簡單原理。所以根據目前人類利用核裂變的鏈式反應產生的能量來發電，則選擇C。
例9 如圖10所示，直流電機提升重物，重物的質量m=50kg，電源供電電壓為110V，不計各處摩擦，當電動機以v=0.90m/s的恒定速度向上提升重物時，電路電流為5A，則電動機線圈的電阻多大？（g取10N/kg）
解析 由題意得愉入電動機的功率
P=UI=110V×5A=550W。
電動機提升重物，克服重力做功的功率
P1=mgv=50×10×0.90W=450W。
所以電動機線圈上消耗的熱功率
P2=P－P1=(550-450)W=100W，
而P2＝I2R，
所以R=P2/I2=100/52=4Ω。
二、對應訓練
1.下列射線中，呈中性的是( )
A．α射線。B．β射線。
C．γ射線。D．陰極射線。
2．下列幾種發電所用能源不是來自地球以外的是（ ）
A．火力發電。 B．風力發電。
C.原子能發電。 D.水力發電。
3、常溫下的超導體能研制成功，它適于做以下哪些元件（ ）
A.保險絲。B.輸電線。
C.電爐絲。D.電磁鐵。
4．關于磁現象的電本質，正確的說法是（ ）
A．一切磁現象都起源于電流或運動電荷，一切磁作用都是電流或運動電荷之間通過磁場而發生的相互作用。
B．除永久磁鐵外，一切磁場都是由運動電荷或電流產生的。
C．根據安培的分子環電流假說，在外界磁場作用下，物體內部分子電流取向變得大致相同時，物體就被磁化，兩端形成磁極。
D．磁就是電，電就是磁，有磁必有電，有電必有磁。
5、關于鏡面反射和漫反射，下面說法中不正確的是（ ）
A.無論鏡面反射還是漫反射，對應一條入射光線，只有一條反射光線。
B.鏡面反射的每一條光線都遵循光的反射規律。
C.漫反射中有些光線不遵循光的反射規律。
D.入射光線彼此平行時，漫反射后的反射光線彼此不平行。
6、超導研究是當今高科技的熱點之一，對超導材料的研制與開發是一項重大的科研課題。當一塊磁體靠近超導體時，超導體中將產生強大的電流，其主要原因是（ ）
A.超導體的電阻為零。
B.超導體的電阻很大。
C.穿過超導體的磁通量很大。
D.穿過超導體的磁通量很小。
7．一個可自由運動的線圈L1和一個固定的線圈L2互相絕緣垂直放置，且兩個圓線圈的圓心重合，當兩線圈通過如圖11所示方向的電流時，則從左向右看，線圈L1將：（ ）
A．不動。
B．順時針轉動。
C．逆時針轉動。
D．向紙外平動。
8．下列四過程中，能夠正確接收電磁波的過程是( )
A．接收天線、調諧器、檢波器、耳機。
B．接收天線、檢波器、調諧器、耳機。
C．調諧器、接收天線、檢波器、耳機。
D．耳機、調諧器、檢波器、接收天線。
9、一束光線與平面鏡成30°角入射到平面鏡上，當平面鏡轉動20°時，反射光線與入射光線的角為（ ）
A.80°。 B.160°。 C.140°。 D.80°或160°。
10、關于地球同步衛星的下列說法中，正確的是( )
A．同步衛星繞地球轉動的周期和地球自轉的周期一樣。
B.同步衛星可作為轉播微波的中轉站。
C.同步衛星的速度與電磁波的傳播速度相同。
D．要使世界上任何一個地方的電視節目都可以傳送到全世界，至少要有三顆同步衛星。
11、關于能源和能源的利用，下列說法不正確的是（ ）
A.由于我國煤和石油儲量豐富，所以太陽能和核能的開發在我國并不十分重要。
B.能源的利用過程，實質上是能的轉化和傳遞過程。
C.現在人類社會使用的能源主要是煤、石油和天然氣。
D.煤、石油和天然氣的化學能歸根到底是來自太陽能。
12、下列關于超導體的說法中，正確的是（ ）
A.溫度降到4.2℃，導體就能轉變為超導體。
B.超導體的電阻很小。
C.導體的溫度很高，就能變為超導體，叫高溫超導。
D.電流在超導體中傳輸時不發熱。
13、物體從距凸透鏡12cm處移動到距凸透鏡20cm處，調整光屏的位置，總能在光屏上得到倒立放大的像，由此可知次凸透鏡的焦距可能是（ ）
A.9cm。B.11cm。
C.13cm。D.15cm。
14．如圖12所示，當導線MN在外力的作用下沿導軌向右運動時流過R的電流方向是：（ ）
A．由B流向A。
B．由A流向B。
C．無感應電流。
D．無法確定。
15．如圖13所示，a是螺線管，b、c、d是三個小磁針，開關S閉合后，下面說法中錯誤的是：（ ）
A．a的左端為S極。 B．c的左端為S極。
C．b的右端為N極。 D．d的右端為N極。
16．如圖14所示，小圓圈代表閉合電路的一部分導體的橫截面，導體中的感應電流方向垂直于紙面向外，那么導體運動的方向是（ ）
A．向左。 B．向右。
C．向上。 D．向下。
17．在下列的家用電器中，應用直流電動機工作的是（ ）
A．電燙斗。B．電冰箱。
C．電吹風。D．電動剃須刀。
18．質量為m的導體棒用絕緣細線懸掛在勻強磁場中，如圖15所示，欲使懸線對導體棒的拉力為零，則導體棒中應通過電流的方向為_____，導線受到的磁場力大小為______。
19．如圖16所示，當給圓環通電時，與其共面且在正下方的小磁針S極轉向讀者，則圓環中的電流方向是________（填順時針或逆時針），圓環中小磁針的______極轉向讀者。
20．用細導線懸掛起來的輕質導電圓環和條形磁鐵共面，當導電圓環通以如圖17所示的電流時，導線環將如何運動？
21．小華利用自己繞制的電磁鐵設計了一個能使甲、乙兩燈交替發光的電路，電磁鐵及電路圖如圖18甲所示。你認為在開關閉合后實際會看到什么現象？請把改正后的電磁鐵及電路畫在圖18乙的空白處。（Ａ、Ｂ為帶活動觸點的接線柱，ＢＣ間為鐵片）
22．A、B兩電阻的U-I關系圖像如圖19所示。從圖中，求出A、B導體的電阻分別是多大？若兩個電阻串聯。求它們消耗的電功率之比。若兩電阻并聯，求通過兩電阻的電流之比。
23．某家庭電度表盤上標有“220V、10A”，他家想裝一個無水箱式電熱淋浴器。從噴頭里流出熱水供淋浴。已知冷水溫度為16℃，淋浴所需的熱水溫度為41℃，每分鐘要供水4L。請你用幾種方法來分析能不能安裝這個無水箱式電熱淋浴器。
24．一臺舊電視機，說明書已丟失，你能用電能表、秒表和其他器材測出它的電功率嗎？有哪幾種方法？
