高考物理二輪復習高頻考點專項訓練---電學中的動量和能量問題1.(2019·河北承德市聯校期末)如圖所示，光滑絕緣水平軌道上帶正電的甲球，以某一水平初速度射向靜止在軌道上帶正電的乙球，當它們相距最近時，甲球的速度變為原來的eq\f(1,5).已知兩球始終未接觸，則甲、乙兩球的質量之比是()A．1∶1B．1∶2C．1∶3D．1∶4答案D2.(2019·北京市大興區上學期期末)如圖所示，在矩形MNQP區域中有一垂直紙面向里的勻強磁場．質量和電荷量都相等的帶電粒子a、b、c以不同的速率從O點沿垂直于PQ的方向射入磁場，圖中實線是它們的軌跡．已知O是PQ的中點，不計粒子重力．從圖示軌跡中可以判斷()A．a粒子帶負電，b粒子帶正電B．c粒子的動量大小大于a粒子的動量大小C．b粒子運動的時間大于a粒子運動的時間D．b粒子的加速度大于c粒子的加速度答案D解析根據左手定則知粒子a帶正電，粒子b、c帶負電，故A錯誤；粒子在磁場中做勻速圓周運動時，洛倫茲力提供向心力，由牛頓第二定律得：qvB＝meq\f(v2,r)，解得：p＝mv＝qBr，因c的軌道半徑小于a的軌道半徑，則c粒子動量的大小小于a粒子動量的大小，選項B錯誤；粒子在磁場中做圓周運動的周期T＝eq\f(2πm,qB)相同，粒子在磁場中的運動時間：t＝eq\f(θ,2π)T＝eq\f(θm,qB)，由于m、q、B都相同，粒子a轉過的圓心角大于粒子b轉過的圓心角，則b粒子在磁場中運動的時間小于a粒子在磁場中運動的時間，故C錯誤；根據qvB＝ma，b粒子的速度最大，則b粒子的加速度大于c粒子的加速度，選項D正確．3.(多選)(2019·河南九師聯盟質檢)如圖所示，一長為L＝1m、質量為m＝1kg的導體棒ab垂直放在固定的足夠長的光滑U形導軌底端，導軌寬度和導體棒等長且接觸良好，導軌平面與水平面成θ＝30°角，整個裝置處在與導軌平面垂直的勻強磁場中，磁感應強度B＝0.5T．現給導體棒沿導軌向上的初速度v0＝4m/s，經時間t0＝0.5s，導體棒到達最高點，然后開始返回，到達底端前已做勻速運動．已知導體棒的電阻為R＝0.05Ω，其余電阻不計，重力加速度g取10m/s2，忽略電路中感應電流之間的相互作用，則()A．導體棒到達導軌平面底端時，流過導體棒的電流為5AB．導體棒到達導軌平面底端時的速度大小為1m/sC．導體棒從開始運動到頂端的過程中，通過導體棒的電荷量為3CD．導體棒從開始運動到返回底端的過程中，回路中產生的電能為15J答案BC解析導體棒到達底端前已做勻速運動，由平衡條件得：mgsin30°＝eq\f(B2L2vm,R)，代入數據解得：vm＝1m/s，選項B正確；導體棒到達導軌平面底端時，通過導體棒的電流為I＝eq\f(BLvm,R)＝eq\f(0.5×1×1,0.05)A＝10A，選項A錯誤；導體棒從開始運動到到達頂端的過程中，根據動量定理：－(mgsin30°＋Beq\x\to(I)L)t0＝0－mv0，其中eq\x\to(I)t0＝q，解得q＝3C，選項C正確；導體棒從開始運動到返回底端的過程中，回路中產生的電能為eq\f(1,2)mv02－eq\f(1,2)mvm2＝eq\f(1,2)×1×(42－12)J＝7.5J，選項D錯誤．4.如圖所示是計算機模擬出的一種宇宙空間的情景，在此宇宙空間內存在這樣一個遠離其他空間的區域(其他星體對該區域內物體的引力忽略不計)，以MN為界，上半部分勻強磁場的磁感應強度大小為B1，下半部分勻強磁場的磁感應強度大小為B2.已知B1＝4B2＝4B0，磁場方向相同，且磁場區域足夠大．在距離界線MN為h的P點有一宇航員處于靜止狀態，宇航員以平行于MN的速度向右拋出一質量為m、電荷量為q的帶負電小球，發現小球經過界線處的速度方向與界線成90°角，接著小球進入下半部分磁場．當宇航員沿與界線平行的直線勻速到達目標Q點時，剛好又接住球而靜止．求：(1)請你粗略地作出小球從P點運動到Q點的運動軌跡；(2)PQ間的距離是多大；(3)宇航員的質量是多少．答案(1)見解析圖(2)6h(3)eq\f(5πm,6)解析(1)小球運動軌跡如圖所示．(2)由幾何關系可知R1＝h，由qvB＝eq\f(mv2,R)和B1＝4B2＝4B0，可知R2＝4R1＝4h，設小球的速率為v1，由qv1(4B0)＝eq\f(mv12,R1)解得小球的速率v1＝eq\f(4qB0h,m)，根據運動的對稱性，PQ間的距離為L＝2(R2－R1)＝6h.(3)由qvB＝eq\f(mv2,r)和T＝eq\f(2πr,v)得小球做勻速圓周運動的周期T＝eq\f(2πm,qB)，故小球由P運動到Q的時間t＝eq\f(T1,2)＋eq\f(T2,2)＝eq\f(5πm,4qB0).設宇航員的速度為v2＝eq\f(L,t)＝eq\f(24qB0h,5πm)，宇航員在Q點接住球時，由動量守恒定律有Mv2－mv1＝0，解得宇航員的質量M＝eq\f(5πm,6).5.當金屬的溫度升高到一定程度時就會向四周發射電子，這種電子叫熱電子，通常情況下，熱電子的初始速度可以忽略不計．如圖所示，相距為L的兩塊固定平行金屬板M、N接在輸出電壓恒為U的高壓電源E2上，M、N之間的電場近似為勻強電場，K是與M板距離很近的燈絲，通過小孔穿過M板與外部電源E1連接，電源E1給K加熱從而產生熱電子，不計燈絲對內部勻強電場的影響．熱電子經高壓加速后垂直撞擊N板，瞬間成為金屬板的自由電子，速度近似為零．電源接通后，電流表的示數穩定為I，已知電子的質量為m、電荷量為e.求：(1)電子到達N板前瞬間的速度vN的大小；(2)N板受到電子撞擊的平均作用力F的大小．答案(1)eq\r(\f(2eU,m))(2)Ieq\r(\f(2mU,e))解析(1)由動能定理得eU＝eq\f(1,2)mvN2－0，解得vN＝eq\r(\f(2eU,m)).(2)設Δt時間經過N板的電荷量為Q，Q＝IΔt在Δt時間落在N板上的電子數為N1：N1＝eq\f(IΔt,e)對Δt時間內落在N板上的電子整體應用動量定理：－FΔt＝0－N1mvN，F＝eq\f(N1mvN,Δt)＝Ieq\r(\f(2mU,e)).由作用力與反作用力關系可知，N板受到電子撞擊的平均作用力大小為F′＝F＝Ieq\r(\f(2mU,e)).6.(2019·浙江杭州市高三期末)如圖(俯視圖)所示，質量分布均勻的總質量為M、邊長為L的正方形導體線框ACDE處于某一水平面內(離地面足夠高)；在t＝0時刻(圖示位置)以速度v0將線框水平向右拋入寬度為L、間距也為L的間隔型磁場區域(區域足夠大)；該區域內存在磁場的區域磁場方向豎直向下，磁感應強度大小均為B.若線框ACDE在整個運動過程中都保持水平狀態，每條邊的電阻均為R，不計空氣阻力，重力加速度為g.求：(1)t＝0時刻線框CD邊上的電勢差UCD；(2)t＝0時刻線框加速度的大小a；(3)若線框在0～t0時間內的位移大小為s，求t＝t0時刻線框水平速度v的大小(設t0時刻線框的水平速度大于0，t0為已知量)．答案(1)－eq\f(3BLv0,4)(2)eq\r(\f(B2L2v0,4MR)2＋g2)(3)v0－eq\f(B2L2\r(4s2－g2t04),8MR)解析(1)E＝BLv0根據電路相關知識可得UCD＝－eq\f(3BLv0,4)(2)線框所受的水平方向的安培力F＝BIL＝eq\f(B2L2v0,4R)所以線框水平方向的加速度大小ax＝eq\f(B2L2v0,4MR).線框加速度大小a＝eq\r(\f(B2L2v0,4MR)2＋g2).(3)根據動量定理，水平方向上有－eq\f(B2L2v,4R)Δt＝MΔv即－eq\f(B2L2Δx,4R)＝MΔv兩邊同時求和可知－eq\f(B2L2x,4R)＝M(v－v0)．又s＝eq\r(x2＋\f(1,2)gt022)，所以線框水平速度大小v＝v0－eq\f(B2L2\r(4s2－g2t04),8MR).7.(2019·江西重點中學協作體第一次聯考)固定在豎直平面內的固定光滑絕緣軌道LMN，其中MN水平且足夠長，LM下端與MN平滑相接．在OP與QR之間的區域內有方向如圖所示的勻強電場和勻強磁場．質量為m和5m的絕緣小物塊C、D(可視為質點)，其中D帶有電荷量q，C不帶電，現將物塊D靜止放置在水平軌道的MO段，將物塊C從離水平軌道MN距離h高的L處由靜止釋放，物塊C沿軌道下滑進入水平軌道，然后與D正碰(C、D的電荷量都不變)，碰后物塊C被反彈，物塊D進入虛線OP右側的復合場中沿直線OQ運動且恰好對水平軌道無壓力，最后離開復合場區域．已知：重力加速度g、電場強度E＝eq\f(mg,q)、磁感應強度B＝eq\f(8m,q)eq\r(\f(2g,h))，求：(1)物塊D進入復合場的速度大小；(2)物塊C反彈后滑回斜面LM的最大高度H；(3)若已知OQ間距為h，保持其他條件不變，僅將電場強度增大為E2＝5E，同時磁感應強度減小為B2＝eq\f(B,8)，求物塊D離開電磁場后所到達軌跡最高點與水平軌道MN之間的高度差．答案(1)eq\f(\r(2gh),4)(2)eq\f(h,16)(3)0.54h解析(1)物塊D進入復合場后做勻速直線運動且對軌道無壓力，可知D帶正電，且Eq＋qvDB＝5mg解得vD＝eq\r(\f(1,8)gh)＝eq\f(\r(2gh),4)(2)對物塊C在斜面上由L→M的過程有mgh＝eq\f(1,2)mv02即v0＝eq\r(2gh)C碰D瞬間動量守恒mv0＝mvC＋5mvD解得vC＝－eq\f(1,4)v0＝－eq\r(\f(1,8)gh)物塊C返回斜面過程有eq\f(1,2)mvC2＝mgH解得H＝eq\f(h,16)(3)物塊D在電磁場中5Eq＝5mg，重力與靜電力平衡，做勻速圓周運動，有qB2vD＝5meq\f(vD2,r)做圓周運動半徑r＝eq\f(5mvD,qB2)＝eq\f(5,4)h設物塊D在有界場中運動軌跡的圓心角為θ，sinθ＝eq\f(h,r)＝eq\f(4,5)h1＝r－rcosθ從Q點正上方處離開電磁場．物塊D離開電磁場后做曲線運動，豎直分速度為vy＝vDsinθ則h2＝eq\f(vy2,2g)物塊D離開電磁場后所到達軌跡最高點與水平軌道MN之間的高度差為H′＝h1＋h2＝0.54h.8.如圖所示，在光滑絕緣水平面上由左向右沿一條直線等間距的排著多個形狀相同的靜止的帶正電荷的絕緣小球，依次編號為1、2、3…每個小球所帶的電荷量都相等且均為q＝T．現給第一個小球一個水平速度v0＝8m/s，使第一個小球向前運動并且與后面的小球發生彈性正碰，若碰撞過程中電荷不轉移，則第幾個小球被碰后可以脫離地面？(不計電荷之間的庫侖力，取g＝10m/s2)答案第6個解析第一個小球質量m1＝m，第二個小球質量m2＝eq\f(1,2)m1＝eq\f(1,2)m第三個小球質量：m3＝eq\f(1,2)m2＝(eq\f(1,2))2m于是第n個小球質量mn＝eq\f(1,2)mn－1＝(eq\f(1,2))n－1m設第一個小球與第二個小球碰撞后速度分別為v1和v2根據動量守恒，選取初速度的方向為正方向：m1v0＝m1v1＋m2v2根據機械能守恒：eq\f(1,2)m1v02＝eq\f(1,2)m1v12＋eq\f(1,2)m2v22所以：v2＝eq\f(2m1,m1＋m2)v0＝eq\f(4,3)v0同理第二個小球與第三個小球碰撞后，第三個小球的速度：v3＝eq\f(4,3)v2＝(eq\f(4,3))2v0第n個小球被撞后速度：vn＝(eq\f(4,3))n－1v0設第n個小球被撞后能離開地面，則qvnB≥mng解得：n≥6，所以第6個小球被碰后可以脫離地面．9.(2019·浙江寧波市3月模擬)如圖所示，兩根一端帶有擋柱的金屬導軌MN和PQ與水平面成θ＝37°角，兩導軌間距L＝1m，導軌自身電阻不計，整個裝置處在磁感應強度大小B＝2T的勻強磁場中，磁場方向垂直于導軌平面向上．兩根完全相同的金屬棒ab和cd，每根棒長為L，質量m＝1kg，電阻R＝1Ω，垂直放在導軌平面上且始終與導軌保持良好接觸．現讓金屬棒cd靠在擋柱上，金屬棒ab在沿斜面向上的外力F作用下從軌道上某處由靜止開始做加速度a＝2.5m/s2的勻加速直線運動，直到金屬棒cd剛要滑動時撤去外力F；此后金屬棒ab繼續向上運動0.35s后減速為0，且金屬棒ab向下返回到初始出發點時的速度大小為1m/s.已知兩金屬棒與導軌間的動摩擦因數均為0.5，假設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，重力加速度g取10m/s2.求：(1)金屬棒cd剛要滑動時，金屬棒ab的速度大小；(2)金屬棒ab沿斜面向上勻加速運動過程中外力的最大值；(3)金屬棒ab從最高點返回到初始出發點過程中，金屬棒ab產生的焦耳熱．答案(1)5m/s(2)22.5N(3)5.5J解析(1)當金屬棒cd剛要滑動時滿足：BIL＝mgsinθ＋μmgcosθI＝eq\f(BLv,2R)聯立解得：v＝5m/s(2)對金屬棒ab：F－mgsinθ－μmgcosθ－BIL＝maI＝eq\f(BLv,2R)v＝at代入數據可知F隨t線性變化，當v＝5m/s時，最大值Fm＝22.5N；(3)勻加速階段金屬棒ab的位移為：x1＝eq\f(v2,2a)撤去F后金屬棒cd仍靜止，設金屬棒ab減速滑行的位移為x2由動量定理得(μmgcosθ＋mgsinθ＋Beq\x\to(I)L)Δt＝mveq\x\to(I)Δt＝eq\f(BLx2,2R)解得x2＝0.75m設金屬棒ab返回到出發點的速度為v1，由能量守恒：mg(x1＋x2)sinθ＝μmgcosθ(x1＋x2)＋eq\f(1,2)mv12＋2Q解得Q＝5.5J.10.(2019·福建福州市期末質量檢測)如圖所示，空間存在一個范圍足夠大的豎直向下的勻強磁場，磁場的磁感應強度大小為B；邊長為L的正方形金屬框abcd(簡稱方框)放在光滑的水平地面上，其外側套著一個與方框邊長相同的U形金屬框架MNQP(僅有MN、NQ、QP三條邊，簡稱U形框)，U形框的M、P端的兩個觸點與方框接觸良好且無摩擦，其他地方沒有接觸．兩個金屬框每條邊的質量均為m，每條邊的電阻均為r.(1)若方框固定不動，U形框以速度v0垂