國立台灣師大附中
101 學年度第一學期第二次段考試題
科目:高三物理(數理班、語科班)一、單一選擇題:
(每題 3 分,答錯不倒扣,共 60 分) 1. 一長直導線沿南北方向水平放置,於其正下方置一磁針,與導線的距離為 r;導線上的電 流為I 時,磁針較無電流時,偏轉了 θ 的角度,由此可得該處的水平地磁強度為 (A) 0 2 I r μ π tanθ (B) 0 2 I r μ π cotθ (C) 0 2 I r μ π sinθ (D) 0 2 I r μ π cosθ (E) 0 2 I r μ π secθ。 2. 兩平行長直導線,電流相同為 I,且垂直 xy 平面在坐標(1,0),(-1,0)上,如圖,則 x 軸坐標(r,0)之 P 點。當 r >> 1 時,P 點的磁場強度為 r 的何種函數? (A) r-1 (B) r-2 (C) r0 (D) r1 (E) r2。 3. 一長電纜線,橫截面半徑為 1.0cm,當通電流時,在距離電纜中心軸 4.0cm 處的磁場強度 為2.5×10-5T;則在距離電纜中心軸 0.8cm 處的磁場強度為 (A) 3.0 × 10-5 (B) 4.0 × 10-5 (C) 5.0 × 10-5 (D) 6.0 × 10-5 (E) 8.0 × 10-5 T。 4. 一半徑為 40cm 的圓線圈,當通電流 0.5A 時,在通過圓心垂直圈面軸上距圓心 30cm 處所 生磁場強度約為 (A) 2 × 10-7 (B) 4 × 10-7 (C) 6 × 10-7 (D) 8 × 10-7 (E) 1 × 10-6 T。 5. 有一長度 150cm 的螺管線圈,通入 5A 電流時,測得管內磁場為 6.28×10-3N/A-m,則此螺 線管共有幾匝? (A) 100 (B) 150 (C) 500 (D) 1000 (E) 1500。 6. 甲、乙兩個由完全相同材料之銅線所製成的螺線管,其長度及匝數相同,雖管口截面半徑 稍有差異但可忽略不計。若將其兩端分別接於相同電壓V 時,管內磁場皆為 B;今將乙 套於甲內使其並聯,若欲在此新螺線管中產生相同強度之磁場時所接之新的電壓為V', 則V':V 為 (A) 1:2 (B) 2:1 (C) 1:1 (D) 1:4 (E) 4:1。 7. 如圖,在傾斜 30 度的斜面上,有一質量為 m 的通電長直導線,電流方向如圖所示。當斜面處於垂直斜面向上的均勻磁場中,磁場強度分別為B1和B2時, 斜面上長直導線恰欲沿斜面向上及向下滑行;已知導線與斜面間的最大靜摩擦力為 0.25mg,則 B1:B2為 (A) 2:1 (B) 1:3 (C) 3:1 (D) 1:2 (E) 2:3。 8. 一正方形線圈邊長為 a、質量為 m,以線懸掛之,置入 B 之均勻磁場中, 方向如圖所示。今將此線圈通以I 之電流,此線圈受力後不變形,則平 衡後,此線圈之圈面與鉛直面之夾角tanθ 為
(A) 4IaBmg (B) 2IaBmg (C) IaBmg (D) 2IaBmg (E) 4IaBmg 。
9. 如圖,半徑為 R 之空心圓柱導體,表面上通以均勻電流 I;另於其軸心處平行 其軸,亦有細導線上通以同方向之電流I。若圓柱體及導線均非常長,則空心 圓柱每單位長度所受之力矩為 (A) 0 2 I R μ π (B) 2 0 2 I R μ π (C) 2 0 2 I RL μ π (D) 2 0 2 I L R μ π (E) 0。 10. 一均勻磁場 B 進入紙面,一半徑為 R 的圓形封閉迴路置於其中,迴 路面與磁場垂直,如圖所示,並通過以順時針方向的電源I,則封 閉迴路上的張力為 (A) IRB (B) 2IRB (C) IRB (D) 2 IRB (E) 0。
11. 兩條互相平行的長直導線 A、B 通以同方向的電流 I,通有電流 i 的矩 形線圈CDEF 在 A、B 導線的平面上;各相關量如圖所示,則線圈 CDEF 所受 A、B 兩導線之淨磁力為 (A) 0 4 iI d μ π ↑ (B) 0 2 iI d μ π ↑ (C) 0iI d μ π ↑ (D) 0 4 iI d μ π ↓ (E) 0。
12. 如圖,水平載流導線正下方,有一電子自某點射出,其初速度與導線 電流同向,則電子運動軌跡以下列何者之描述最為接近? (A)沿路徑 a 運動,曲率半徑漸大 (B)沿路徑 a 運動,曲率半徑漸小 (C)沿路徑 b 運動,曲率半徑漸大 (D)沿路徑 b 運動,曲率半徑漸小 (E)沿路徑 b 作圓周運動。 13. 如圖所示,帶電粒子從離子源射出後,自左端沿 x 軸射入一 有均勻電磁場的交叉區。電場強度為2×104N/C,方向平行 y 軸;磁場強度=4×10-2T,方向平行 z 軸。若此離子沿著直線 前進不偏折,則其速度為a×10bm/s,且 a、b 兩者均為整數, 求a+b 為 (A) 5 (B) 8 (C) 10 (D) 12 (E) 15。 14. 一電荷經 320 V 之電壓加速後,垂直進入一強度為 6 高斯之均勻磁場中,作半徑為 10 cm 之圓周運動,則此電荷之質荷比為 (A) 5.6 × 10-4 (B) 5.6 × 10-6 (C) 5.6 × 10-8 (D) 5.6 × 10-10 (E) 5.6 × 10-12 kg/C。 15. 設有一垂直指出紙面的均勻磁場 B,如有一質量為 m 的電子在紙面上以與磁場邊緣夾 30 度角的方向進入磁場,如圖所示,則該電子在磁場中逗留的時間應為 (A)
1
3
πm
eB
(B)3
2
πm
eB
(C)4
3
πm
eB
(D)5
3
πm
eB
(E)沒給電子速度,故無 法得知逗留時間。 16. 李大仁參加附中運動會,在水平地面上,以手推出鉛球。若重力加速度為 g,鉛球射出 仰角為,初速為 2gh,球離手時高度為h,落地時水平射程為 2h,則17. 如圖,一具有 U 形凹槽的扁長木板至於水平光滑桌面上,凹槽內另置有一小木塊,倚靠 在左方槽邊。設小木塊質量為m,木板質量為 4m,凹槽寬度為 L,小木塊與木板間摩擦 係數為,小木塊之寬度遠小於 L。現在用力快速 撥動小木塊一下,使其在凹槽中滑動,由於小木塊 初速夠大,故得以在凹槽中來回碰撞槽邊。設小木 塊與槽邊的碰撞皆為正面彈性碰撞,碰撞2 次後停 止在凹槽正中央的位置,求此時木板運動的速度 (A) 1 4g L (B) 3 4g L (C) 5 4g L (D) 7 4g L (E) 9 4g L 。 18. 長度為 L 的均勻圓棒的兩端,分別以同長的細繩繫住並鉛直 懸掛,使棒身成水平,如圖所示。當圓棒靜止時,輕輕地剪 斷右繩,則在剪斷的瞬間,左繩的張力為何?(已知均勻圓棒 繞其一端轉動的轉動慣量為13mL ,繞其中央轉動的轉動慣2 量為121 mL ,式中 m 為棒的質量) (A) 2 32mg (B) mg (C) 12mg (D) 14mg (E) 0 。 19. 一登山者的身體表面積為 2.0m2,穿著2.0cm 厚的羽毛衣褲(導熱係數為 2.0×10-2 W/m-K),若身體熱量散失率的上限為 80W,體溫的安全下限為 34oC,則登山者所能承受的最 低氣溫為何? (A) 6oC (B) 0oC (C) -6oC (D)-16oC (E) -26oC。 20. 一密度大於水、不透水的均質半球形物體以細繩懸之,使浸入水中, 半球的平面部分平行於水面,如圖所示。設半球的半徑為R、重量 為W,細繩的延長線通過球心 O,半球的底面距水面的高度為 h。 水的密度為ρ,重力加速度為 g,則平衡時,繩張力為何? (A) W 23R g3 (B) R g h2 ( 23R) (C) 23R g3 (D) 2 R gh (E) 2 W R gh 。
二、多重選擇題:
(每題 5 分,多漏一選項倒扣 1 分,扣到該題分扣完為止,共 25 分) 21. 若將小磁棒斜向拋入均勻磁場中,不計空氣阻力的作用,則磁棒 (A)質心必沿著重力場方向運動 (B)質心必作等加速度運動 (C)所受重力為零 (D)所受磁力為零 (E)所受磁力矩為零。 22. 如圖,質量不計,半徑 R 的 N 匝圓形線圈以絕緣線懸於磁場 B 當中,B 的方向鉛直向下。線圈可繞通過其中心之一水平軸轉動。線圈一端以絕 緣線懸吊一質量為m 的物體,線圈上通有電流 I 時,線圈終將轉到一平 衡位置,當時圈面的法線與磁場B 的夾角為 θ ,重力加速度為g,則 (A)由上方視之,電流為順時針方向 (B)線圈受到的磁力矩為 2 NI R B (C) tan NI RBmg (D) cot NI RBmg (E)平衡時,物體 m 會在懸吊點 O 的正下方。 23. 空間中有z方向的均勻磁場B;在0 z 的 區域另有z方向的均勻電場E。質量為m,電 量絕對值為q的電荷,在z0的區域,一方面 向z方向等速行進,一方面繞z軸做半徑為r 的圓周運動(運動方向在z0平面的投影如圖所 示)。若電荷通過z 的平面後,運動速度的z 分量為vz。若地球引力的影響可以不計,則下列有關該電荷的敘述哪些正確? (A)電荷 為正 (B)垂直於z軸的速度分量大小為qBrm (C)在z 區域時,總動能為12mvz2 (D)在0 z 的區域,磁力作功為 z qv B (E)在z0區域時,總動能為 2 2 ( ) 1 2 2 z qBr mv qE m 。 24. 如圖所示,在水平放置間距d15.0釐米的平行導軌一端架著一根質量m40.0克的金屬 棍ab,導軌另一端通過電鍵與電源相連。該裝置放在高h10.0釐米的絕緣墊塊上。當有 鉛直向下,強度B0.120特斯拉的均勻磁場時,接通開關k通過穩定電流後,金屬棍ab會 被拋到距導軌右端水平距離s15釐米處,則下列敘述何者正確?(重力加速度g10公尺/ 秒2) (A)接通時,電流方向為ab (B)金屬棍ab在導軌上做等速度運動 (C)金屬棍ab離開導軌至落地歷時0.141 秒 (D)通電後流過金屬棍ab的總電量為2.36 庫侖 O(E)拋出的水平距離,和通過的電量成正比。 25. 如圖所示,在平行於+y 方向上施加一強度為 E 的均勻電場,另在垂直射出紙面的方向 上施加一強度為 B 的均勻磁場。起始時,有一質量為 m、帶有正電荷 q 的質點,靜止放 置在原點處。若質點只受此電磁場的作用力,在此情況下(重力可不計),在質點的運動過 程中,下列敘述何者正確? (A)任何時刻質點的加速度朝向+ y 方向 (B)任何時刻磁場對質點不作功 (C)任何時刻電場對質點不作功 (D)任何時刻電場對質點的作用力方向不變 (E)質點在此電磁場中的運動軌跡為圓形。
三、非選擇題:
(共 25 分,以黑、藍色原子筆或中性筆作答) 1. 迴旋加速器,1930 年由美國人勞倫斯發明。第一台迴旋加速器 直徑約12 公分,可將質子加速至 80keV。隨後的加速器尺寸越做 越大,以使帶電粒子獲得更多的能量,但當粒子被加速到接近光 速時(約光速的三分之一時),由於相對論的效應,使得粒子的有效 質量增加,而使得加速器中加速電場的變換頻率與粒子迴旋頻率 無法互相配合。粒子接近光速後若要再進一步加速則必須使用其 他方法,例如同步加速器等。已知質子質量為 1.6×10-27 kg,電量 為1.6×10-19 C。試回答下列論題: (1) 已知一電子經 1V 的電壓加速後獲得的動能稱為 1eV,試估計 80keV 質子的速率。(3 分) (2) 試估計第一台迴旋加速器所使用的磁場強度。(3 分) (3) 欲得到更大的質子速率,我們改良第一台迴旋加速器,將其直徑增加為原來的 10 倍,磁 場強度亦增加為原來的10 倍,試估計改良後的加速器產生的質子速率。(3 分) (4) 在「迴旋加速器」發明之前,已有「直線加速器」,也就是單獨使用電場使帶電粒子加 速,試說明迴旋加速器比起直線加速器,最大的優點在哪裡?(3 分) (本題作答時請用 SI 制,並注意有效數字) 2. 高斯定律與安培定律是計算靜電場與靜磁場非常有用的法則,尤其是當要計算的系統具有空間對稱性時。高斯定律的內容是:任一封閉曲面上,電場 E與面法向量a內積的總和, 正比於此封閉區面內的電量,其數學式可表示為:
E a 4k Qin ,其中k 為庫倫常數。 而安培定律的內容是:空間中沿著任一封閉曲線,磁場 B與路徑 內積的總合,正比於此 封閉曲線內的電流,其數學式可表示為:
B 0 inI ,其中 為真空中的磁導率。0 例如我們要計算下圖(一)中,靜止於導線旁,與均勻帶電無限長導線(電量線密度為)相距 r 的 A 點的電場,可利用圖(三)中,以帶電導線為軸的圓柱面計算,此圓柱面上下圓形面由 於電場與法向量垂直而對內積無貢獻,而圓柱側面由於對稱性
E a E 2rL4 k L, 可得電場E 2k r 。 又例如我們要計算下圖(二)中,靜止於帶電板旁,與均勻帶電無限大薄板(電量面密度為) 相距r 的 A 點的電場,可利用圖(四)中,跨過平面的圓柱面計算,此圓柱側面由於電場與法 向量垂直而對內積無貢獻,而圓柱上下面由於對稱性
E a E a2 4 k a,可得電場 2 E k ,與距離r 無關。試回答下列問題: (1) 下圖(一)中,均勻帶電無限長導線(電量線密度為)南北放置,B 點在導線正上方距離為 r 處,以等速度v 向南運動,則 B 為認為長導線上的電流大小為何?方向為何?(2 分) (2) 承(1),利用安培定律,計算長導線對 B 產生的磁場大小與方向。(3 分) (3) 下圖(二)中,均勻帶電無限大薄板(電量面密度為)水平放置,B 點在大薄板上方距離為 r 處,以等速度v 向南運動,則 B 為認為無限大薄板上,每單位截面長的電流大小為何? 方向為何?(2 分) (4) 承(3),利用安培定律,計算無限大薄板對 B 產生的磁場大小與方向。(3 分) (5) 圖(一)中,B 點磁場與 A 點電場的比例為何?圖(二)中,B 點磁場與 A 點電場的比例為何? (3 分) 圖(一) 圖(二)圖(三) 圖(四) 本試卷滿分為 110 分,得分超過 100 分時,以 分計。100 《試題結束》
國立台灣師大附中
101 學年度第一學期第二次段考答案卷
科目:高三物理(數理班、語科班) 班級:_________ 座號:_______ 姓名:_______________ 題號 作答區 題號 作答區《背面也可作答》 物理
1. BBEBE 6. ACDEA 11. BCCED 16. EADCA 21.BD 22.AC 23.BE 24.ACDE 25.BD
( )15.0兩平行長直導線各載以同向電流 I 安培及 3I 安培,兩導線相隔為 d 公尺,則在距 I 安培導線若干公尺處之合磁場強度為零? (A) d4 (B) d2 (C) 3d4 (D) 2d 3 (E) d 3 。 答案:(A) ( )32.0半徑 r 之圓形迴線,通有穩定電流,則在中心垂直軸線上距圓心為 x(x> r) 處,由電流形成之磁場 B 的強度與 x 之關係為 (A) B x-2 (B) B x-3 (C) B x-1 (D) B x (E) B x2。 答案:(B) ( )11.0如圖所示,一銅棒重 100 克,靜置於相距 1 公尺之兩軌道上,並由一軌載送 50 安 培電流至另一軌道。若靜摩擦係數為 0.5,欲使銅棒滑動,最小磁場強度為(g=10 公尺∕秒2) (A) 1 × 10-2 (B) 2 × 10-2 (C) 4 × 10-2 (D) 8 × 10-2 (E) 5 × 10-2 特斯拉。 答案:(A) ( )23.0XY 平面上,有一彎曲導線通有電流 2 A,放置如圖所示。設均勻磁場 =4 T, 垂直指出 XY 平面(指出紙面),則導線所受磁力為若干? (A) 12 (B) 24 (C) 32 (D) 40 (E) 48 N。 答案:(D)
( )27.0質量不計但半徑為 R 的載電流圓形線圈,一端以絕緣線繫於天花板上,如圖所示。 已知線圈上的電流為 I,且下半圈有均勻磁場為 B 垂直入紙面,則細線上的張力為 (A) 0 (B) IRB (C) 2IRB (D)πIRB (E) 2πIRB。 答案:(C) 9.0如圖,圓弧形導線電流 I,置於垂直進入紙面的均勻磁場 B 中;圓半徑為 R,∠AOC 為 θ 弧度,則圓弧形導線於磁場中所受的磁力為 (A) IBRθ (B)(2π-θ)IBR (C) IBR sinθ (D) 2IBR sin
θ
2
(E) 0。 答案:(D) ( )18.0在均勻磁場 B 中,有一個質量為 m、帶電量為+q 的小球,沿著鉛垂方向的細桿 以等速度 v 下滑,如圖所示,則小球與細桿間的摩擦係數為(重力加速度為 g) (A)√
mg
qvB
(B)2mg
qvB
(C)mg
qvB
(D)qvB
2mg
(E)qvB
mg
。 答案:(C) ( )03.0有一導線在監視器的上方,且平行監視器的管軸,如圖所示。在導線未通電流前, 監視器上陰極射線(電子束)形成的亮點,恰落於螢光幕中央 O 點(陰極射線的 運動方向為離開紙面垂直射出),則當導線通入垂直進入紙面的電流時,螢光幕上 的亮點會偏向 A、B、C、D 的哪個方向? (A) A (B) B (C) C (D) D (E) 仍然是 O 點。答案:(A) ( )56.0如圖所示,由兩直線段和半徑各為 a 和 b 的兩同心半圓構成的導線,載電流為 i。 當此導線置於一平行於紙面的均勻磁場 B0 時,則此導線所受的力矩大小為何? (A) iπB0( a2-b2) 2 (B) iπB0( a2+b2) 2 (C) iπ( a2-b2) 2B0 (D) iπ( a2+b2) 2B0 (E) 0。 答案:(A) ( )49.0如圖所示,P 點之中子以速度 v 正向碰撞靜止於 Q 點之質子,且撞後質子垂直進 入均勻磁場中,繞過半圓距入射點 x 處離開。若 Q 質點的質子改為氦核,被撞後 氦核垂直進入均勻磁場,同樣繞過半圓在距入射點 x' 處離開,則 xx' 為 (A)
1
2
(B)3
2
(C)3
4
(D)5
4
(E)3
2
。 答案:(D) 7.0如圖所示,一線性彈簧吊一矩形迴線,迴線下端在均勻磁場 B 中。當迴線上通電流 1 A 時,彈簧伸長量 1.9 cm;電流 2 A 時,伸長量為 3.3 cm;則未通電流時,彈簧伸長 量為 (A) 0.2 (B) 0.4 (C) 0.5 (D) 0.8 (E) 1.2 cm。答案:(C) ( )17.0如圖所示,xy 平面內,x 軸上有一極長直導線電流 I,在 y 軸上坐標 a 點有一正電 荷,電量 q 以速率 v 與 y 軸夾角 53°運動,則此電荷受磁力為 (A)
μ
0Iqv
2 πa
(B)3 μ
0Iqv
10πa
(C)2 μ
0Iqv
5 πa
(D)μ
0Iqv
5 πa
(E) 0。 答案:(A) ( )05.0運動中的電子經過均勻電場 和均勻磁場 互相垂直的區域,恰能作等速度運動; 不計重力,若 方向指向正北, 方向向下,則電子的運動方向不可能為 (A)東 偏北 30° (B)北偏西 60° (C)東方 (D)東南方 (E)向下。 答案:(B)(E) ( )18.0兩長直導線平行排列,相距 0.20 公尺,各載電流 10 安培,方向相同,如圖所示。 假設這三點與兩導線均在同一平面上,則有關 A、B、C 三點磁場的強度和方向, 下列哪些選項是正確的? (A)兩條長直導線在 A 點產生的磁場方向相同 (B) A 點處磁場的強度為 9 × 10-6 特斯拉 (C) B 點處磁場為 1.8 × 10-5 特斯拉,方向為 垂直穿出紙面 (D) C 點處磁場為 1.5 × 10-5 特斯拉,方向為垂直指入紙面 (E)A、B、C 三點中以 A 點的磁場強度最大。 答案:(A)(D)(E) ( )41.0一細長導線有電流 I,被彎成如圖之形狀,其中圓弧部分半徑為 a,則下列有關導 線各部分在圓心 O 處磁場之強度中的敘述,正確的有哪些? (A)直導線
AB
在 圓心 O 處的磁場強度為 μ0I 2 πa (B) 1 4 圓弧 ︵ 在圓心 O 處的磁場強度為 μ0I 8a (C) 1 4 圓弧 ︵ 在圓心 O 處的磁場強度為 μ0I 8πa (D)直導線CD
在圓心 O 處的 磁場強度為 μ0I 4 πa (E)直導線CD
在圓心 O 處的磁場強度為 μ0I 4 a 。 答案:(B)(D) 0在一桌面上豎立有一通了電流的螺旋線圈,且由其正上方俯視之, 其電流為逆時針方向。而今若將一軟鐵棒插入線圈中,另 將一軟鐵釘水平放在桌面上,緊鄰線圈,如圖,則軟鐵棒 與軟鐵釘被磁化之結果為何? (A)軟鐵棒的上端與軟鐵釘 的左端被磁化成 N 極 (B)軟鐵棒的上端與軟鐵釘的右端被 磁化成 N 極 (C)軟鐵棒的下端與軟鐵釘的左端被磁化成 N 極 (D)軟鐵棒的下端與 軟鐵釘的右端被磁化成 N 極 (E)軟鐵棒的存在對周圍附近的磁場有削弱的作用。 A 答案:(D) ( )11.0下列敘述,何者正確? (A)電荷所受之電力必與電場同方向 (B)磁針 N 極所 受之磁力與磁場同方向 (C)正電荷在均勻磁場中運動,所受之磁力與磁場同方向 (D)電荷在均勻電場中運動時,必作變速率運動 (E)電荷在均勻磁場中運動時必作等速率運動。 答案:(B)(D)(E) ( )37.0一電量 q 之質點,垂直通過一互相垂直之電場與磁場中,恰能筆直穿過。設電場 與磁場強度各為 E、B,若質點在此區域中運動時,突然使電場消失,使質點作半 徑 R 的圓周運動,則質點 (A)質量為 qB 2 R E (B)週期為