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热点14　物理学中的STSE问题
一、选择题(1～8题为单项选择题，9～12题为多项选择题)
1．为了减少污染，工业废气需用静电除尘器除尘，某除尘装置如图所示，其收尘极为金属圆筒，电晕极位于圆筒中心．当两极接上高压电源时，电晕极附近会形成很强的电场使空气电离，废气中的尘埃吸附离子后在电场力的作用下向收尘极运动并沉积，以达到除尘目的．假设尘埃向收尘极运动过程中所带电量不变，下列判断正确的是(　　)
A．金属圆筒内存在匀强电场
B．金属圆筒内越靠近收尘极电势越低
C．带电尘埃向收尘极运动过程中电势能越来越大
D．带电尘埃向收尘极运动过程中受到的电场力越来越小
2．电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力．感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受到压力时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C、电阻R组成图甲所示的回路．红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两个脉冲电流，如图乙所示，即视为“闯红灯”，电子眼拍照，则红灯亮时(　　)
A．车轮停在感应线上时，电阻R上有恒定电流
B．车轮经过感应线的过程中，电容器先充电后放电
C．车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流先增大后减小
D．汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，不会被电子眼拍照
3．有一种手持金属探测器实物及其结构原理图可简化为图所示．探测器运用的是电磁感应原理，发射线圈(外环)可以产生垂直于线圈平面且大小和方向均变化的磁场；内环线圈是接收线圈，用来收集被查金属物发出的磁场(接收线圈能完全屏蔽发射线圈产生的磁场)．随着发射线圈产生的磁场方向反复变化，它会与所遇的金属物发生作用，导致金属物自身也会产生微弱的磁场，来自金属物的磁场进入内环线圈被接收到后，检测器会发出报警声．若发射线圈产生向下且增强的磁场，则下列说法中正确的是(　　)
A．金属物产生的感应磁场的方向竖直向下
B．金属物中的涡流从上往下看是沿顺时针方向
C．金属物发出的磁场穿过接收线圈时，接收线圈会产生微弱的电流，此类探测器相应的元件就是依据这一电流进行报警的
D．如果金属物中某时刻发出向上的磁场，那么接收线圈中的感应电流方向从上往下看是沿逆时针方向
4.
在研发无人驾驶汽车的过程中，对比甲、乙两辆车的运动，两车在计时起点时刚好经过同一位置沿同一方向做直线运动，它们的速度随时间变化的关系如图所示，由图可知(　　)
A．甲车任何时刻加速度大小都不为零
B．在t＝3 s时，两车第一次相距最远
C．在t＝6 s时，两车又一次经过同一位置
D．甲车在t＝6 s时的加速度与t＝9 s时的加速度相同
5.
[2020·河北石家庄质检]飞艇常常用于执行扫雷、空中预警、电子干扰等多项作战任务．如图所示为飞艇拖曳扫雷具扫除水雷的模拟图．当飞艇匀速飞行时，绳子与竖直方向恒成θ角．已知扫雷具质量为m，重力加速度为g，扫雷具所受浮力不能忽略，下列说法正确的是(　　)
A．扫雷具受3个力作用
B．绳子拉力大小为
C．海水对扫雷具作用力的水平分力小于绳子拉力
D．绳子拉力一定大于mg
6.
据《科技日报》报道，上海中车公司生产的全球最大马力无人遥控潜水器近日在上海下线．该潜水器自重5×103 kg，主要用于深海搜寻和打捞等. 若在某次作业中，潜水器带着4×103 kg的重物从3 000 m深的海底一起匀速上升到了海面，已知上升过程中潜水器的机械功率恒为180 kW，水对潜水器(含重物)的浮力和阻力相互平衡，则潜水器上升的时间为(　　)
A．0.5×103 s　B．1.0×103 s
C．1.5×103 s D．2.0×103 s
7.
蓝牙是一种无线技术标准，可实现各种设备之间的短距离数据交换．某同学用安装有蓝牙设备的玩具车A、B进行实验，如图所示，在距离为d＝6 m的两条平直轨道上，O1O2的连线与轨道垂直，A车自O1点从静止开始以加速度a＝2 m/s2向右做匀加速直线运动，B车自O2点前方s＝3 m处的O3点以速度v0＝6 m/s向右做匀速直线运动．已知当两车间的距离超过10 m时，两车无法实现通信，忽略信号传递的时间．若两车同时出发，则两车能通信的时间为(　　)
A．1 s B．5 s
C．(2＋3) s D．(2－1) s
8.
水刀切割具有精度高、无热变形、无毛刺、无需二次加工以及节约材料等特点，得到广泛应用．某水刀切割机床如图所示，若横截面直径为d的水流以速度v垂直射到要切割的钢板上，碰到钢板后水的速度可视为零，已知水的密度为ρ，则钢板受到水的冲力大小为(　　)
A．πρd2v B．πρd2v2
C. πρd2v D.πρd2v2
9．2020年5月5日18时，为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭在海南文昌首飞成功，长征五号B以长征五号运载火箭为基础改进研制而成，主要承担着我国空间站舱段等重大航天发射任务，是目前我国近地轨道运载能力最大的火箭．以下判断中正确的是(　　)
A．长征五号B运载火箭选在纬度较低的海南文昌发射场发射，是为了充分利用地球自转的线速度
B．长征五号B运载火箭在加速升空时推力大于重力，返回舱减速返回地面时推力将小于重力
C．近地卫星运行的加速度小于地球赤道上物体的加速度
D．利用长征五号B运载火箭发射载人飞船试验船时，发射速度应大于或等于7.9 km/s，小于11.2 km/s
10.
2020年6月25日(五月初五)，在某公园举行的杂技表演中，一男一女两位演员利用挂于同一悬点的两根轻绳在同一水平面内做匀速圆周运动，如图所示．已知男演员的体重大于女演员的体重，不计空气阻力，则(　　)
A．女演员运动的周期大
B．男、女演员运动的周期相等
C．男演员对轻绳的拉力大
D．男、女演员对轻绳的拉力可能相等
11.
来自太阳的带电粒子会在地球的两极引起极光．带电粒子与地球大气层中的原子相遇，原子吸收带电粒子的一部分能量后，立即将能量释放出来就会产生奇异的光芒，形成极光．极光的光谱线波长范围约为310 nm～670 nm.据此推断以下说法正确的是(　　)
A．极光光谱线频率的数量级约为1014 Hz
B．极光出现在极地附近与带电粒子受到洛伦兹力有关
C．原子从高能级向低能级跃迁时会产生极光
D．对极光进行光谱分析可以鉴别太阳物质的组成成分
12．疫情中某新建病房的供电系统可简化为如图所示的电路图．图中a、b所接的电源的内阻为r＝1 Ω，电动势E随时间的变化关系为E＝325sin 100πt(V)；Ⅰ等效为病房中的照明电路，其等效电阻为22 Ω；Ⅱ等效为病房中的紫外线消毒电路，其等效电阻为10.5 Ω；Ⅲ等效为医护人员使用的生活区照明电路，其等效电阻为44 Ω.下列说法正确的是(　　)
A．当S1、S2、S3都打开时，电压表读数为220 V
B．当S1闭合，S2、S3都打开时，电流表读数为10 A
C．当S2闭合，S1、S3都打开时，电压表读数为210 V
D．当S1、S3都闭合，S2打开时，电流表读数为20 A
二、非选择题
13．新型冠状病毒肺炎疫情发生后，全国人民踊跃捐款捐物，支援武汉人民抗疫．为了与时间赛跑，运送抗疫物资的某运输车以恒定功率P启动后以最大速度vm行驶．已知运输车总质量为m.
(1)求运输车速度为vm时的加速度；
(2)假设运输车启动后经过时间t1，达到最大速度vm，求时间t1内运输车行驶的距离；
(3)假设运输车启动后行驶距离s到达武汉，运输车刹车时所受合外力等于正常行驶时阻力的2倍，求运输车行驶的总时间．
14．某试验列车按照设定的直线运动模式，利用计算机控制制动装置，实现安全准确地进站停车．制动装置包括电气制动和机械制动两部分．图1所示为该列车在进站停车过程中设定的加速度大小a车随速度v的变化曲线．
(1)求列车速度从20 m/s降至3 m/s经过的时间t及行进的距离x.
(2)有关列车电气制动，可以借助图2模型来理解．图中水平平行金属导轨处于竖直方向的匀强磁场中，回路中的电阻阻值为R，不计金属棒MN及导轨的电阻．MN沿导轨向右运动的过程，对应列车的电气制动过程，可假设MN棒运动的速度与列车的速度、棒的加速度与列车电气制动产生的加速度成正比．列车开始制动时，其速度和电气制动产生的加速度大小对应图1中的P点．论证电气制动产生的加速度大小随列车速度变化的关系，并在图1中画出图线．
(3)制动过程中，除机械制动和电气制动外，列车还会受到随车速减小而减小的空气阻力．分析说明列车从100 m/s减到3 m/s的过程中，在哪个速度附近所需机械制动最强？
(注意：解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量，要在解题时做必要的说明)
热点14　物理学中的STSE问题
1．答案：D
解析：由于金属圆筒接的是正极，圆筒中心接的是负极，所以电场线由金属圆筒指向圆筒中心，因此金属圆筒内存在的不是匀强电场，故A项错误；金属圆筒内越靠近收尘极即越靠近正极，其电势越高，故B项错误；带电尘埃向收尘极运动过程中，电场力做正功，电势能减小，故C项错误；由于金属圆筒内的电场越靠近收尘极，电场线越稀疏，电场强度越小，因此带电尘埃向收尘极运动过程中受到的电场力越来越小，故D项正确．
2．答案：B
解析：车轮停在感应线上时，压电薄膜受到的压力不变，压电薄膜两端产生的电压不变，电容器C连在电路中相当于断路，R上无电流通过，故A错误；车轮经过感应线的过程中，压电薄膜两端产生的电压先增大后减小，电容器先充电(回路中电流先增大后减小)后放电(回路中电流反向先增大后减小)，故B正确，C错误；若汽车前轮越过感应线，又倒回到线内，前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍会拍照，故D错误．
3．答案：C
解析：先根据探测器发射线圈发出的磁场判定穿过金属物的磁通量方向和变化情况，再根据楞次定律确定金属物中感应电流产生的磁场方向，用安培定则判断金属物中的感应电流的方向，这里特别要注意感应电流产生的磁场与原磁场不能混淆；金属物发出的磁场穿过接收线圈时，会引起接收线圈产生微弱的电流，使探测器报警，选项C正确；如果金属中发出向上逐渐增加的磁场，接收线圈感应电流从上向下看为顺时针方向，选项D错误．
4．答案：B
解析：速度—时间图象切线的斜率表示加速度，甲车的v ? t图象的“波峰”“波谷”处切线的斜率为零，即所对应的时刻加速度为零，选项A错误；根据v ? t图象与坐标轴围成的面积表示位移可知，在t＝3 s时，两车第一次相距最远，选项B正确；在t＝6 s时，两车又一次速度相等，由图分析可知，此时两车位移不相等，即不经过同一位置，选项C错误；甲车在t＝6 s时的加速度与t＝9 s时的加速度方向相反，选项D错误．
5．答案：C
解析：对扫雷具进行受力分析，受到重力、浮力、拉力和水的水平方向的阻力，如图所示，故A错误；根据平衡条件，有：
竖直方向：F浮＋FTcos θ＝mg，
水平方向：Ff＝FTsin θ，
计算得出：FT＝，故B错误；扫雷具受到海水的水平方向的阻力等于拉力的水平分力，即小于绳子的拉力，而绳子拉力不一定大于mg，故C正确、D错误．
6．答案：C
解析：由题意可知，潜水器(含重物)匀速运动，动力等于重力， F＝mg，由P＝Fv可得上升速度为v＝2 m/s，由h＝vt解得潜水器上升的时间为t＝1.5×103 s，选项C正确．
7．答案：D
解析：设经过时间t，两车相距s0，由运动学规律可知，A车的位移sA＝at2，B车的位移sB＝v0t，由几何关系有(sB＋s－sA)2＋d2＝s，当s0＝10 m时，则有t2－6t－3＝±8，解得t1＝1 s，t2＝5 s，t3＝(2＋3) s，t4＝(－2＋3)s(舍去)．分析知，两车通信的时间段为0～t1，t2～t3，故两车能通信的时间为Δt＝t1＋t3－t2＝(2－1) s，D项正确．
8．答案：D
解析：设t时间内有V体积的水打在钢板上，则这些水的质量为m＝ρV＝ρSvt＝πd2ρvt.以该部分水为研究对象，它受到钢板的作用力为F，以水运动的方向为正方向，由动量定理有Ft＝0－mv，解得F＝－＝－πρd2v2，由牛顿第三定律知，钢板受到水的冲力大小为πρd2v2，D项正确．
9．答案：AD
解析：地球自转时纬度较低的位置对应的圆轨道半径较大，自转线速度较大，可以用来作为发射卫星的初速度，A正确；长征五号B运载火箭在加速升空时推力大于重力，加速度向上，返回舱减速返回地面时加速度向上，推力还是大于重力，B项错误；卫星运行的角速度ω＝，故近地卫星的角速度大于同步卫星的角速度，地球赤道上物体的角速度与同步卫星的角速度相等，因此近地卫星的角速度大于赤道上物体的角速度，根据a＝ω2R可知，近地卫星运行的加速度大于地球赤道上物体的加速度，C项错误；利用长征五号B运载火箭发射载人飞船试验船时，发射速度应大于或等于7.9 km/s，但小于11.2 km/s，若超过11.2 km/s，但小于16.7 km/s，将会摆脱地球的引力成为环绕太阳运动的“人造卫星”，D项正确．
10．答案：BD
解析：设演员做匀速圆周运动的平面与悬点间的距离为h，圆周运动的半径为r，轻绳的长度为l，轻绳与竖直方向的夹角为θ，则tan θ＝，又mgtan θ＝mr·2，解得T＝2π，由此可知男、女演员运动的周期相等，选项A错误，B正确；设轻绳的拉力为F，则Fcos θ＝mg，又cos θ＝，因此F＝，由于男演员的质量较大，所拉轻绳较短，所以男、女演员对轻绳的拉力可能相等，选项C错误，D正确．
11．答案：ABC
解析：由f＝知，极光光谱线频率的最大值fmax＝＝ Hz≈9.7×1014Hz，极光光谱线频率的最小值fmin＝＝ Hz≈4.5×1014Hz，所以极光光谱线频率的数量级约为1014Hz，A项正确；来自太阳的带电粒子到达地球附近时，在地磁场的作用下有一部分带电粒子受洛伦兹力作用集中到地球南北两极，带电粒子与地球大气层中的原子相遇，原子吸收带电粒子的一部分能量后，立即将能量释放出来就会产生奇异的光芒，形成极光，所以极光出现在极地附近与带电粒子受到洛伦兹力有关，B项正确；地球大气层中的原子吸收来自太阳的带电粒子的一部分能量后，从高能级向低能级跃迁时会产生极光，故对极光进行光谱分析可以鉴别地球大气层的组成成分，C项正确，D项错误．
12．答案：BC
解析：由电动势E随时间的变化关系E＝325sin 100πt(V)可知，电动势有效值为E′＝230 V．当S1、S2、S3都打开时，路端电压等于电源电动势，所以电压表读数为230 V，选项A错误；当S1闭合，S2、S3都打开时，外电路电阻R1＝22 Ω，由闭合电路欧姆定律可知，电流表读数为I1＝＝ A＝10 A，选项B正确；当S2闭合，S1、S3都打开时，外电路电阻R2＝10.5 Ω，由闭合电路欧姆定律可知，电流表读数为I2＝＝ A＝20 A，电压表读数为U＝E′－I2r＝230 V－20×1 V＝210 V，选项C正确；当S1、S3都闭合，S2打开时，外电路为Ⅰ和Ⅲ电路并联，则外电路电阻R3＝ Ω，由闭合电路欧姆定律可知，电流表读数为I3＝＝ A＝14.7 A，选项D错误．
13．答案：(1)　(2)　(3)
解析：(1)由P＝fvm，解得f＝，由P＝F解得运输车速度为vm时的牵引力F＝，由牛顿第二定律有F－f＝ma，解得加速度a＝.
(2)由动能定理得Pt1－fx1＝mv，解得时间t1内运输车行驶的距离x1＝＝.
(3)运输车刹车时匀减速运动的加速度为a′＝，从刹车到运输车停下需要的时间t3＝，联立解得t3＝，从刹车到运输车停下运动的距离x3＝＝，运输车匀速运动的距离x2＝s－x1－x3＝，运输车匀速运动的时间t2＝，又f＝，则运输车行驶的总时间t＝t1＋t2＋t3＝.
14．答案：(1)t≈24.3 s，x≈279.3 m
(2)列车电气制动产生的加速度与列车的速度成正比，为过P点的正比例函数，论证过程见解析．画出的图线如下图所示：
(3)3 m/s
解析：(1)由图1可知，列车速度从20 m/s降至3 m/s的过程为加速度为0.7 m/s2的匀减速直线运动，
由加速度的定义式a＝
得t＝＝ s＝ s≈24.3 s
由速度位移公式v2－v＝－2ax
得x＝＝ m≈279.3 m
(2)由MN沿导轨向右运动切割磁感线产生感应电动势E＝BLv
回路中感应电流I＝
MN受到的安培力F＝BIL
加速度为a＝
结合上面几式得a＝
所以棒的加速度与棒的速度为正比例函数．又因为列车的电气制动过程，可假设MN棒运动的速度与列车的速度、棒的加速度与列车电气制动产生的加速度成正比，所以列车电气制动产生的加速度与列车的速度成正比，为过P点的正比例函数．画出的图线如下图所示．
(3)由(2)可知，列车速度越小，电气制动的加速度越小．由题设可知列车还会受到随车速减小而减小的空气阻力．所以电气制动和空气阻力产生的加速度都随速度的减小而减小．由图1中，列车速度从20 m/s降至3 m/s的过程中加速度大小a车随速度v减小而增大，所以列车速度从20 m/s降至3 m/s的过程中所需的机械制动逐渐变强，所以列车速度为3 m/s附近所需机械制动最强．

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