高中物理稳恒电流题20套(带答案)

高中物理稳恒电流题20套(带答案)

一、稳恒电流专项训练

1．对于同一物理问题，常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究，找出其内在联系，从而更加深刻地理解其物理本质．

（1）一段横截面积为S 、长为l 的直导线，单位体积内有n 个自由电子，电子电荷量为e ．该导线通有电流时，假设自由电子定向移动的速率均为v ． （a ）求导线中的电流I ；

（b ）将该导线放在匀强磁场中，电流方向垂直于磁感应强度B ，导线所受安培力大小为F

安

，导线内自由电子所受洛伦兹力大小的总和为F ，推导F 安=F ．

（2）正方体密闭容器中有大量运动粒子，每个粒子质量为m ，单位体积内粒子数量n 为恒量．为简化问题，我们假定：粒子大小可以忽略；其速率均为v ，且与器壁各面碰撞的机会均等；与器壁碰撞前后瞬间，粒子速度方向都与器壁垂直，且速率不变．利用所学力学知识，导出器壁单位面积所受粒子压力F 与m 、n 和v 的关系．

（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） 【答案】（1）I nvSe =证明见答案 （2）21

3

F P nm S υ== 【解析】 （1）（a ）电流Q

I t

=

，又因为[()]Q ne v St =，代入则I nvSe = （b ）F 安=BIL ，I nvSe =，代入则：F 安=BnvSeL ；因为总的自由电子个数N=nSL ，每个自由电子受到洛伦兹力大小f=Bve ，所以F=Nf =BnvSeL=F 安，即F 安=F ．

（2）气体压强公式的推导：设分子质量为m ，平均速率为v ，单位体积的分子数为n ；建立图示柱体模型，设柱体底面积为S ，长为l ，则l t υ= 柱体体积V Sl = 柱体内分子总数N nV =总

因分子向各个方向运动的几率相等，所以在t 时间内与柱体底面碰撞的分子总数为

’

16

N N 总总＝

设碰前速度方向垂直柱体底面且碰撞是弹性的，则分子碰撞器壁前后，总动量的变化量为

2p m N υ?=，

总

依据动量定理有Ft p =? 又压力Ft p =?

由以上各式得单位面积上的压力201

3

F F nm S υ=

= 【点评】本题的第1题中两问都曾出现在课本中，例如分别出现在人教版选修3-1.P42，选修3-1P .42，这两个在上新课时如果老师注意到，并带着学生思考推导，那么这题得分是很容易的．第2问需要利用动量守恒知识，并结合热力学统计知识，通过建立模型，然后进行推导，这对学生能力要求较高，为了处理相应问题，通过建模来处理问题．在整个推导过程并不复杂，但对分析容易对结果造成影响的错误是误认为所有分析都朝同一方向运动，而不是热力学统计结果分子向各个运动方向运动概率大致相等，即要取总分子个数的

16

． 【考点定位】电流微观表达式、洛伦兹力推导以及压强的微观推导．

2．在如图所示的电路中，电源内电阻r=1Ω，当开关S 闭合后电路正常工作，电压表的读数U=8.5V ，电流表的读数I=0.5A ．求： ①电阻R ； ②电源电动势E ； ③电源的输出功率P ．

【答案】(1)17R =Ω；(2)9E V =；(3) 4.25P w = 【解析】 【分析】 【详解】

(1)由部分电路的欧姆定律，可得电阻为：5U

R I

=

=Ω (2)根据闭合电路欧姆定律得电源电动势为E ＝U ＋Ir ＝12V (3)电源的输出功率为P ＝UI ＝20W 【点睛】

部分电路欧姆定律U =IR 和闭合电路欧姆定律E =U +Ir 是电路的重点，也是考试的热点，要熟练掌握．

3．如图所示，已知电源电动势E=20V ，内阻r=lΩ，当接入固定电阻R=3Ω时，电路中标有“3V,6W”的灯泡L 和内阻R D =1Ω的小型直流电动机D 都恰能正常工作.试求：

（1）流过灯泡的电流

（2）固定电阻的发热功率

（3）电动机输出的机械功率

【答案】（1）2A（2）7V（3）12W

【解析】

（1）接通电路后，小灯泡正常工作，由灯泡上的额定电压U和额定功率P的数值

可得流过灯泡的电流为：=2A

（2）根据热功率公式，可得固定电阻的发热功率：=12W

（3）根据闭合电路欧姆定律，可知电动机两端的电压：=9V

电动机消耗的功率：=18W

一部分是线圈内阻的发热功率：=4W

另一部分转换为机械功率输出，则=14W

【点睛】（1）由灯泡正常发光，可以求出灯泡中的电流；（2）知道电阻中流过的电流，就可利用热功率方程，求出热功率；（3）电动机消耗的电功率有两个去向：一部分是线圈内阻的发热功率；另一部分转化为机械功率输出。

4．超导现象是20世纪人类重大发现之一，日前我国己研制出世界传输电流最大的高温超导电缆并成功示范运行．

（l）超导体在温度特别低时电阻可以降到几乎为零，这种性质可以通过实验研究．将一个闭合超导金属圈环水平放置在匀强磁场中，磁感线垂直于圈环平面向上，逐渐降低温度使环发生由正常态到超导态的转变后突然撤去磁场，若此后环中的电流不随时间变化．则表明其电阻为零．请指出自上往下看环中电流方向，并说明理由．

（2）为探究该圆环在超导状态的电阻率上限ρ，研究人员测得撤去磁场后环中电流为I，并经一年以上的时间t未检测出电流变化．实际上仪器只能检测出大于△I的电流变化，其中△I＜＜I，当电流的变化小于△I时，仪器检测不出电流的变化，研究人员便认为电流没有变化．设环的横截面积为S，环中定向移动电子的平均速率为v，电子质量为m、电荷量为e．试用上述给出的各物理量，推导出ρ的表达式．

（3）若仍使用上述测量仪器，实验持续时间依旧为t．为使实验获得的该圆环在超导状态的电阻率上限ρ的准确程度更高，请提出你的建议，并简要说明实现方法．

【答案】（1）见解析（2）（3）见解析

【解析】

（1）逆时针方向。原磁场磁感线垂直于圆环平面向上，当撤去磁场瞬间，环所围面积的原磁通量突变为零，由楞次定律可知，环中感应电流的磁场方向应与原磁场方向相同，即向上。由右手螺旋定则可知，环中电流的方向是沿逆时针方向。

（2）设圆环周长为、电阻为R，由电阻定律得

由于有电阻，所以圆环在传导电流过程中，电流做功，把电能全部转化为内能。设t时间内环中电流释放焦耳热而损失的能量为，由焦耳定律得

因电流是圆环中电荷的定向移动形成的，故可设环中单位体积内定向移动电子数为n，由电流强度的定义得：

因式中n、e、S不变，所以只有定向移动电子的平均速率的变化才会引起环中电流的变化。电流变化大小取时，相应定向移动电子的平均速率变化的大小为，则

在t时间内单个电子在环中定向移动时减小的动能为：

圆环中总电子为

设环中定向移动电子减少的动能总和为，则

由于，可得

根据能量守恒定律，得

联立上述各式，得

（3）由看出，在题设条件限制下，适当增大超导电流，可以使实验获得的准确程度更高，通过增大穿过该环的磁通量变化率可实现增大超导电流。

此题易错点：分析能量的转换关系以及微观量与宏观量关系时出错。

【考点定位】本题考查楞次定律、电阻定律、电流强度和能量转换等知识，是一道电磁学联系实际的综合问题，意在考查考生灵活应用物理知识解决实际问题的能力。

5．如图所示，闭合电路处于方向竖直向上的磁场中，小灯泡的电阻为10Ω，其它电阻不计．当磁通量在0. 1s内从0.2Wb均匀增加到0.4Wb过程中，求：

①电路中的感应电动势；

②如果电路中的电流恒为0.2A ，那么小灯泡在10s 内产生的热量是多少． 【答案】（1）2V （2）4J 【解析】

（1）当磁通量发生变化时，闭合电路中要产生感应电动势，根据法拉第电磁感应定律，感应电动势大小为：

0.4

0.2

20.1

E V V t ?Φ-=

==? （2）当小灯泡上的电流为I=0.2A 时，根据焦耳定律，10s 钟内产生的热量为： Q=I 2Rt=0.22×10×10J=4J

6．在如图所示的电路中,电源电动势E=3V,内阻 r=0.5Ω,定值电阻R 1 =9Ω,R 2=5.5Ω,电键S 断开．

①求流过电阻R 1的电流; ②求电阻 R 1消耗的电功率;

③将S 闭合时,流过电阻R 1的电流大小如何变化? 【答案】(1)0.2A ；(2)0.36W ；(3)变大 【解析】

试题分析：（1）电键S 断开时，根据闭合电路的欧姆定律求出电流；（2）根据2

11

P I R =求出1R 消耗的电功率；（3）将S 闭合时回路中的总电阻减小，根据闭合电路的欧姆定律分析电流的变化．

（1）电键S 断开时，根据闭合电路的欧姆定律得：12E

I R R r

=

++，解得：I=0.2A

（2）根据211P I R =，得210.290.36P W =?=

（3）将S 闭合时，2R 被短接，回路中的总电阻减小，根据闭合电路的欧姆定律：

E

I R r

=

+，可知电流变大，即流过电阻1R 的电流变大 【点睛】本题主要考查了闭合电路的欧姆定律，解决本题的关键就是要知道闭合电路的欧姆定律的表达式，并且知道回路中的电阻变化了，根据闭合电路的欧姆定律可以判断电流的变化．

7．在现代生活中，充电宝是手机一族出行的必备品.当充电宝电量不足时，需要给充电宝充电，此时充电宝相当于可充电的电池，充电过程可简化为如图所示电路.先给一充电宝充电，充电电压为5V ，充电电流为1000mA ，充电宝的内阻为0.2.Ω试求：

()1充电宝的输入功率；

()2充电宝内阻消耗的热功率； ()3一分钟内充电宝储存的电能．

【答案】()1 5W ；()2?

0.2W ；()3 288． 【解析】 【分析】

(1)根据P UI =求解充电宝的输入功率；(2)根据2P I r =求解热功率；(3)根据2Q Pt I rt =-求解一分钟内充电宝储存的电能． 【详解】

(1)充电宝的输入功率为：3

51000105P UI W 入-==??=； (2)充电宝内阻消耗的热功率为：22

10.20.2P I r W ==?=热；

(3)一分钟内充电宝储存的电能为：2

5600.260288Q P t I rt J =-=?-?=入．

【点睛】

注意本题中的充电宝是非纯电阻电路，输入功率不等于热功率，知道热功率只能用

2P I r =求解.

8．在图所示的电路中，电源电压U 恒定不变，当S 闭合时R 1消耗的电功率为9W ，当S 断开时R 1消耗的电功率为4W ，求：

（1）电阻R 1与R 2的比值是多大？

（2）S 断开时，电阻R 2消耗的电功率是多少？ （3）S 闭合与断开时，流过电阻R 1的电流之比是多少？ 【答案】2∶1，2W ，3∶2 【解析】 【分析】 【详解】

（1）当S 闭合时R 1消耗的电功率为9W,则：

2

1

19W

U

P

R

==

当S断开时R1消耗的电功率为4W，则：

2

11

12

'()4W

U

P R

R R

=

+

=

解得：

12

:2:1

R R=

(2)S断开时R1和R2串联，根据公式2

P I R

=，功率之比等于阻值之比，所以：

112

2

':':2:1

P P R R

==

又因为1'4W

P=，所以，S断开时，电阻R2消耗的电功率：

2

2

'W

P=

(3)S闭合时：

1

U

I

R

=

S断开时:

12

'

U

R

I

R

+

=

所以：

12

1

2

'

3

R R

I

R

I

+

=

=

9．如图所示，已知R3＝3Ω，理想电压表读数为3v，理想电流表读数为2A，某时刻由于电路中R3发生断路，电流表的读数2．5A，R1上的电压为5v，求：

（1）R1大小、R3发生断路前R2上的电压、及R2阻值各是多少？（R3发生断路时R2上没有电流）

（2）电源电动势E和内电阻r各是多少？

【答案】（1）1V 1Ω（2）10 V ；2Ω

【解析】

试题分析：（1）R3断开时电表读数分别变为5v和2．5A 可知R1=2欧

R3断开前R1上电压U1=R1I=4V

U1= U2 + U3

所以 U 2=1V U 2：U 3 = R 2：R 3 =1:3 R 2=1Ω

（2）R 3断开前 总电流I 1=3A E = U 1 + I 1r

R 3

断开后 总电流I 2=2．5A

E = U 2 + I 2r

联解方程E= 10 V r=2Ω 考点：闭合电路的欧姆定律 【名师点睛】

10．如图所示，某一新型发电装置的发电管是横截面为矩形的水平管道，管道宽为d ，管道高度为h ，上、下两面是绝缘板，前后两侧M N 、是电阻可忽略的导体板，两导体板与开关S 和定值电阻R 相连。整个管道置于匀强磁场中，磁感应强度大小为B 、方向沿z 轴正方向。管道内始终充满导电液体，M N 、两导体板间液体的电阻为r ，开关S 闭合前后，液体均以恒定速率0v 沿x 轴正方向流动。忽略液体流动时与管道间的流动阻力。 （1）开关S 断开时，求M N 、两导板间电压0U ，并比较M N 、导体板的电势高低； （2）开关S 闭合后，求：

a. 通过电阻R 的电流I 及M N 、两导体板间电压U ；

b. 左右管道口之间的压强差p V 。

【答案】（1）U 0=Bdv 0，M N ??> （2）a ．0

BdRv U R r

=+；b ．20()B dv p h R r =+V

【解析】 【详解】

（1）该发电装置原理图等效为如图，

管道中液体的流动等效为宽度为d 的导体棒切割磁感线，产生的电动势

E =Bdv 0

则开关断开时

U 0=Bdv 0

由右手定则可知等效电源MN 内部的电流为N 到M ，则M 点为等效正极，有M N ??>； （2）a ．由闭合电路欧姆定律

00

U Bdv I R r R r

=

=++ 外电路两端的电压：

00

U R BdRv U IR R r R r

==

=++ b ．设开关闭合后，管道两端压强差分别为p V ，忽略液体所受的摩擦阻力，开关闭合后

管道内液体受到安培力为F 安，则有

phd F =V 安 =F BId 安

联立可得管道两端压强差的变化为：

20

()

B dv p h R r =+V

11．如图所示电路中，R 1=6 Ω，R 2=12 Ω，R 3=3 Ω，C =30 μF ，当开关S 断开，电路稳定时，电源总功率为4 W ，当开关S 闭合，电路稳定时，电源总功率为8 W ，求：

(1)电源的电动势E 和内电阻r ；

(2)在S 断开和闭合时，电容器所带的电荷量各是多少？ 【答案】（1）8V ,1Ω （2）1.8×10﹣4C ,0 C 【解析】 【详解】 （1）S 断开时有： E=I 1（R 2+R 3）+I 1r…① P 1=EI 1…②

S 闭合时有：E=I 2（R 3+12

12

R R R R +）+I 2r…③ P 2=EI 2…④

由①②③④可得：E=8V ；I 1=0.5A ；r=1Ω；I 2=1A （3）S 断开时有：U=I 1R 2

得：Q 1=CU=30×10-6×0.5×12C=1.8×10-4C S 闭合，电容器两端的电势差为零，则有：Q 2=0

12．如图甲所示，一正方形线框边长为L ＝0．3m ，匝数为n ＝10匝，放置在匀强磁场中，ab 边与磁场边界MN 重叠，线框内阻为r=2Ω，与R ＝10Ω的外电阻形成一闭合回路。若以垂直纸面向里为磁场的正方向，匀强磁场的磁感应强度B 随时间t 按如图乙所示规律周期性变化（图中只画出两个周期）求从t=0时刻开始经过3分钟电阻产生的热量。

【答案】324J 【解析】 【详解】

在0~0.1s 内：210.4

100.37.20.05E n

V V t ?Φ==??=?；110.6E I A R r ==+ 在0.1~0.3s 内: 220.4

100.3 3.60.1E n

V V t ?Φ==??=?；220.3E I A R r

==+ 在0~0.3内发热量为22

11220.54Q I Rt I Rt J =+=

3min 总热量为180

0.543240.3

Q J J =

?=总

13．如图所示，粗糙斜面的倾角θ＝37°，半径r ＝0.5 m 的圆形区域内存在着垂直于斜面向下的匀强磁场．一个匝数n ＝10匝的刚性正方形线框abcd ，通过松弛的柔软导线与一个额定功率P ＝1.25 W 的小灯泡A 相连，圆形磁场的一条直径恰好过线框bc 边．已知线框质量m ＝2 kg ，总电阻R 0＝1.25 Ω，边长L >2r ，与斜面间的动摩擦因数μ＝0.5.从t ＝0时起，磁场的磁感应强度按B ＝2－

2

π

t (T)的规律变化．开始时线框静止在斜面上，在线框运动前，灯泡始终正常发光．设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g 取10 m/s 2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8.求：

(1)小灯泡正常发光时的电阻R ；

(2)线框保持不动的时间内，小灯泡产生的热量Q . 【答案】(1)1.25 Ω (2)3.14 J 【解析】 【分析】

（1）根据法拉第电磁感应定律，即可求解感应电动势；由功率表达式，结合闭合电路欧姆定律即可；

（2）对线框受力分析，并结合平衡条件，及焦耳定律，从而求得． 【详解】

（1）由法拉第电磁感应定律有E ＝n t

Φ

??

得22121

100.5 2.5?22

B E n

r V V t πππ??????＝＝＝ 小灯泡正常发光，有P ＝I 2R 由闭合电路欧姆定律有E ＝I (R 0＋R ) 则有P ＝(

0E

R R

+)2R ，代入数据解得R ＝1.25 Ω. （2）对线框受力分析如图

设线框恰好要运动时，磁场的磁感应强度大小为B ′，由力的平衡条件有 mg sin θ＝F 安＋f ＝F 安＋μmg cos θ F 安＝nB ′I ×2r

联立解得线框刚要运动时，磁场的磁感应强度大小B ′＝0.4 T 线框在斜面上可保持静止的时间 1.642/5

t s s π

π== 小灯泡产生的热量Q ＝Pt ＝1.25×

45

π

J ＝3.14 J.

14．如图所示，质量m=1kg 的通电导体棒在安培力作用下静止在倾角为37°、宽度L=1m

的光滑绝缘框架上，磁场方向垂直于框架平面向下（磁场仅存在于绝缘框架内）．右侧回路中，电源的电动势E=8V、内阻r=1Ω，额定功率为8W、额定电压为4V的电动机M正常工作．取sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度大小g=10m/s2．试求：

（1）电动机当中的电流I M与通过电源的电流I总．

（2）金属棒受到的安培力大小及磁场的磁感应强度大小．

【答案】（1）电动机当中的电流是2A，通过电源的电流是4A；

（2）金属棒受到的安培力大小是6N，磁场的磁感应强度大小3T．

【解析】

试题分析：（1）由P=UI求出电动机中的电流，由串并联电路的电压关系得到内电阻上的电压，由欧姆定律得到干路电流；

（2）进而得到磁场中导线的电流，由平衡条件得到安培力，由安培力公式得到B．

解：（1）电动机的正常工作时，有：P M=UI M

代入数据解得：I M=2A

通过电源的电流为：I总===4A

（2）导体棒静止在导轨上，由共点力的平衡可知，安培力的大小等于重力沿斜面向下的分力，即：F=mgsin37°=6N

流过电动机的电流I为：I=I总 I M=4A 2A=2A

F=BIL

解得：B=3T

答：（1）电动机当中的电流是2A，通过电源的电流是4A；

（2）金属棒受到的安培力大小是6N，磁场的磁感应强度大小3T．

【点评】本题借助安培力与电路问题考查了平衡条件的应用，解答的关键是正确找出两个支路的电流之间的关系．是一道很好的综合题．

15．如图所示，两足够长平行光滑的金属导轨MN、PQ相距为L，导轨平面与水平面夹角θ=30°，导轨电阻不计．磁感应强度为B=2T的匀强磁场垂直导轨平面向上，长为L=0.5m的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上，且始终与导轨电接触良好，金属棒ab的质量

m=1kg、电阻r=1Ω．两金属导轨的上端连接右端电路，灯泡电阻R L=4Ω，定值电阻R1=2Ω，电阻箱电阻R2=12Ω，重力加速度为g=10m/s2，现闭合开关，将金属棒由静止释放，下滑距离为s0=50m时速度恰达到最大，试求：

（1）金属棒下滑的最大速度v m；

（2）金属棒由静止开始下滑2s0的过程中整个电路产生的电热Q．

【答案】（1）30m/s（2）50J

【解析】

解：（1）由题意知，金属棒匀速下滑时速度最大，设最大速度为v m，则有：mgsinθ=F安又 F安=BIL，即得mgsinθ=BIL…①

ab棒产生的感应电动势为 E=BLv m…②

通过ab的感应电流为 I=…③

回路的总电阻为 R=r+R1+…④

联解代入数据得：v m=30m/s…⑤

（2）由能量守恒定律有：mg?2s0sinθ=Q+…⑥

联解代入数据得：Q=50J…⑦

答：（1）金属棒下滑的最大速度v m是30m/s．

（2）金属棒由静止开始下滑2s0的过程中整个电路产生的电热Q是50J．

【点评】本题对综合应用电路知识、电磁感应知识和数学知识的能力要求较高，但是常规题，要得全分．