高中物理必修3物理 全册全单元精选测试卷测试卷 (word版,含解析)

高中物理必修3物理 全册全单元精选测试卷测试卷 （word 版，含解析）一、必修第3册 静电场及其应用解答题易错题培优（难）1．如图所示的绝缘细杆轨道固定在竖直面内，半径为R 的1/6圆弧段杆与水平段杆和粗糙倾斜段杆分别在A 、B 两点相切，圆弧杆的圆心O 处固定着一个带正电的点电荷．现有一质量为m 可视为质点的带负电小球穿在水平杆上，以方向水平向右、大小等于83gR 的速度通过A 点，小球能够上滑的最高点为C ，到达C 后，小球将沿杆返回．若∠COB =30°，小球第一次过A 点后瞬间对圆弧细杆向下的弹力大小为83mg ，从A 至C 小球克服库仑力做的功为23mgR -，重力加速度为g ．求：(1)小球第一次到达B 点时的动能； (2)小球在C 点受到的库仑力大小；(3)小球返回A 点前瞬间对圆弧杆的弹力．（结果用m 、g 、R 表示） 【答案】（1）56mgR （2）34mg （3）2(833)- 【解析】 【分析】（1）由动能定理求出小球第一次到达B 点时的动能．（2）小球第一次过A 点后瞬间，由牛顿第二定律和库仑定律列式．由几何关系得到OC 间的距离，再由库仑定律求小球在C 点受到的库仑力大小．（3）由动能定理求出小球返回A 点前瞬间的速度，由牛顿运动定律和向心力公式求解小球返回A 点前瞬间对圆弧杆的弹力． 【详解】（1）小球从A 运动到B ，AB 两点为等势点，所以电场力不做功，由动能定理得：()0211cos602KB A mgR E mv --=-代入数据解得：56KB E mgR =（2）小球第一次过A 时，由牛顿第二定律得：22A v QqN k mg m R R+-=由题可知：83N mg =联立并代入数据解得：2Qqkmg R= 由几何关系得，OC 间的距离为：cos303R r R ==︒小球在C 点受到的库仑力大小 ：22Qq QqF kk r ==⎫⎪⎝⎭库联立解得3=4F mg 库 （3）从A 到C ，由动能定理得：2102f A W mgR W mv ---=-电从C 到A ，由动能定理得：212f A W mgR W mv +='-电由题可知：W =电 小球返回A 点时，设细杆对球的弹力方向向上，大小为N ′，由牛顿第二定律得：22Av Qq N k mg mR R'-'+= 联立以上解得：(283N mg -'=，根据牛顿第三定律得，小球返回A点时，对圆弧杆的弹力大小为(283mg -，方向向下．2．(1)科学家发现，除了类似太阳系的恒星-行星系统，还存在许多双星系统，通过对它们的研究，使我们对宇宙有了较深刻的认识．双星系统是由两个星体构成，其中每个星体的线度（直径）都远小于两星体间的距离，一般双星系统距离其他星体很远，可以当做孤立系统处理．已知某双星系统中每个星体的质量都是M 0，两者相距L ，它们正围绕两者连线的中点做匀速圆周运动，引力常量为G ． 求： ①该双星系统中星体的加速度大小a ； ②该双星系统的运动周期T ．(2)微观世界与宏观世界往往存在奇妙的相似性．对于氢原子模型，因为原子核的质量远大于电子质量，可以忽略原子核的运动，形成类似天文学中的恒星-行星系统，记为模型Ⅰ．另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转，而是类似天文学中的双星系统，核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连线上某一点做匀速圆周运动，记为模型Ⅱ．已知核外电子的质量为m ，氢原子核的质量为M ，二者相距为r ，静电力常量为k ，电子和氢原子核的电荷量大小均为e ．①模型Ⅰ、Ⅱ中系统的总动能分别用E k Ⅰ、 E k Ⅱ表示，请推理分析，比较E k Ⅰ、 E k Ⅱ的大小关系；②模型Ⅰ、Ⅱ中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用T Ⅰ、T Ⅱ表示，通常情况下氢原子的研究采用模型Ⅰ的方案，请从周期的角度分析这样简化处理的合理性．【答案】(1) ①02GM a L =②2T = (2) ①2k k II =2ke E E r=Ⅰ②T T ⅠⅡ为M >>m ，可得T Ⅰ≈T Ⅱ，所以采用模型Ⅰ更简单方便． 【解析】 【详解】(1)①根据万有引力定律和牛顿第二定律有：2002GM M a L=解得02GM a L =②由运动学公式可知，224π2La T =⋅解得2T =(2)①模型Ⅰ中，设电子绕原子核的速度为v ，对于电子绕核的运动，根据库仑定律和牛顿第二定律有222ke mv r r=解得：22k 122ke E mv r==Ⅰ模型Ⅱ中，设电子和原子核的速度分别为v 1、v 2，电子的运动半径为r 1，原子核的运动半径为r 2．根据库仑定律和牛顿第二定律 对电子有：22121mv ke r r =，解得22k11121=22ke E mv r r=对于原子核有：22222=Mv ke r r ，解得22k22221=22ke E Mv r r=系统的总动能：E k Ⅱ=E k1+ E k2=()2212222ke ke r r r r+=即在这两种模型中，系统的总动能相等． ②模型Ⅰ中，根据库仑定律和牛顿第二定律有22224πke m r r T =Ⅰ，解得23224πmr T ke =Ⅰ 模型Ⅱ中，电子和原子核的周期相同，均为T Ⅱ 根据库仑定律和牛顿第二定律对电子有221224πke m r r T =⋅Ⅱ， 解得221224πke T r r m =Ⅱ对原子核有222224πke M r r T =⋅Ⅱ， 解得222224πke T r r M=Ⅱ因r 1+r 2=r ，可解得：()23224πmMr T ke M m =+Ⅱ所以有T M m T M+=ⅠⅡ 因为M >>m ，可得T Ⅰ≈T Ⅱ，所以采用模型Ⅰ更简单方便．3．竖直放置的平行金属板A 、B 带等量异种电荷(如图)，两板之间形成的电场是匀强电场．板间用绝缘细线悬挂着的小球质量m=4．0×10－5kg ，带电荷量q=3．0×10－7C ，平衡时细线与竖直方向之间的夹角α=37°．求：(1)A 、B 之间匀强电场的场强多大?(2)若剪断细线，计算小球运动的加速度，小球在A 、B 板间将如何运动? 【答案】(1)E =1×103N/C (2) 12.5m/s 2 【解析】 【详解】（1）小球受到重力mg 、电场力F 和绳的拉力T 的作用，由共点力平衡条件有：F =qE =mg tan α解得：537tan 410100.75 1.010N/C 310mg E q α--⨯⨯⨯===⨯⨯ 匀强电场的电场强度的方向与电场力的方向相同，即水平向右；（2）剪断细线后，小球做偏离竖直方向，夹角为37°匀加速直线运动，设其加速度为a 由牛顿第二定律有：cos mgma θ= 解得：212.5m/s cos ga θ== 【点睛】本题是带电体在电场中平衡问题，分析受力情况是解题的关键，并能根据受力情况判断此后小球的运动情况．4．如图所示，单层光滑绝缘圆形轨道竖直放置，半径r=lm ，其圆心处有一电荷量Q =+l×l0-4C 的点电荷，轨道左侧是一个钢制“隧道”，一直延伸至圆形轨道最低点B ；在“隧道”底部辅设绝缘层。

“隧道”左端固定一弹簧，用细线将弹簧与一静止物块拴接，初始状态弹簧被压缩，物块可看成质点，质量m=0.1kg ，电荷量q =-23×10-6C ，与“隧道”绝缘层间的动摩擦因数μ=0.2。

剪断细线，弹簧释放弹性势能E p ，促使物块瞬间获得初速度（忽略加速过程）。

之后物块从A 点沿直线运动至B 点后沿圆形轨道运动，恰好通过最高点C 。

其中l AB =2m ，设物块运动时电荷量始终不变，且不对Q 的电场产生影响，不计空气阻力，静电力常量为k = 9.0×l09N·m 2/C 2。

求： （1）物块在最高点C 时的速度大小；（2）物块在圆形轨道最低点B 时对轨道的压力大小； （3）弹簧压缩时的弹性势能E p 和物块初速度v A 。

【答案】(1) 4m/s (2) 6N (3) 3.2J, 8m/s 【解析】 【详解】（1）物块恰好通过最高点C ，轨道对物块没有作用力，由牛顿第二定律得2Cv mg F mr+=库其中2QqF kr =库 解得v C =4m/s（2）B →C 过程，由动能定理得2211222C B mv v mg r m -⋅=- 解得56m/s B v =在B 点，由牛顿第二定律得2BNB v F F mg mr+-=库解得F NB =6N根据牛顿第三定律知物块在圆形轨道最低点B 时对轨道的压力大小 F NB ′=F NB =6N 。

（3）A→B ，由动能定理得221122AB B A mv f v l m -=- 又 f=μmg 解得v A =8m/s弹簧压缩时的弹性势能212p A E mv =解得E p =3.2J5．如图所示，充电后的平行板电容器水平放置，电容为C ，极板间距离为d ，上极板正中有一小孔。

质量为m 、电荷量为+q 的小球从小孔正上方高h 处由静止开始下落，穿过小孔到达下极板处速度恰为零（不计空气阻力，极板间电场可视为匀强电场，重力加速度为g ）。

求：（1）极板间电场强度大小和电容器所带电荷量； （2）小球从开始下落运动到下极板的时间. 【答案】（1）()mg h d E qd +=，()mgC h d Q q +=（2）2h dht hg+=【解析】 【详解】(1)对从释放到到达下极板处过程的整个过程，由动能定理得：()0mg h d qEd +-=解得：()mg h d E qd+=电容器两极板间的电压为：()mg h d U Ed q +==故电容器的带电量为：()mgC h d Q CU q +==(2)小球到达小孔前是自由落体运动，则有:2112h gt =得:12h t g=根据速度位移关系公式，有： v 2=2gh得:2v gh =取竖直向下为正方向，根据动量定理对减速过程有：2()0mg qE t mv -=-小球从开始下落运动到下极板的时间t =t 1+t 2 联立解得：2h d h t h g+=．6．—个带正电的微粒，从A 点射入水平方向的匀强电场中，微粒沿直线AB 运动，如图所示，AB 与电场线夹角θ=53°，已知带电微粒的质量m =1.0×10－7kg ，电荷量q =1.0×10－10C ，A 、B 相距L =20cm ．(取g =10m/s 2)．求：(1)电场强度的大小和方向；(2)要使微粒从A 点运动到B 点，微粒射入电场时的最小速度是多少． 【答案】（1）7.5×10 3 V/m,方向水平向左5 【解析】 【详解】(1)带电微粒做直线运动，所受的合力与速度在同一直线上，则带电微粒受力如图所示；由图可知，合力与速度方向相反；故粒子一定做匀减速直线运动； 由力的合成可知：mg =qE •tan θ可得：37.510V/m tan mgE q θ==⨯，方向水平向左． （2）微粒从A 到B 做匀减速直线运动，则当v B =0时，粒子进入电场速度v A 最小.由动能定理：21sin cos 02A mgL qEL mv θθ--=-代入数据得：v A =5m/s二、必修第3册 静电场中的能量解答题易错题培优（难）7．如图所示，在直角坐标系xoy 的第一象限中，存在竖直向下的匀强电场，电场强度大小为4E 0，虚线是电场的理想边界线，虚线右端与x 轴的交点为A ，A 点坐标为（L 、0），虚线与x 轴所围成的空间内没有电场；在第二象限存在水平向右的匀强电场．电场强度大小为E 0．()M L L -、和()0N L -、两点的连线上有一个产生粒子的发生器装置，产生质量均为m ，电荷量均为q 静止的带正电的粒子，不计粒子的重力和粒子之间的相互作用，且整个装置处于真空中．已知从MN 上静止释放的所有粒子，最后都能到达A 点：（1）若粒子从M 点由静止开始运动，进入第一象限后始终在电场中运动并恰好到达A 点，求到达A 点的速度大小；（2）若粒子从MN 上的中点由静止开始运动，求该粒子从释放点运动到A 点的时间； （3）求第一象限的电场边界线（图中虚线）方程．【答案】（1）010qE L v m=（2）0322mL t qE =（3）22()y Lx x L =-(0)x L ≤≤【解析】试题分析：（1）由动能定理：200142qE L qE L mv +=，得：010qE Lv m= （2）分析水平方向的运动：粒子先匀加速位移L ，再匀速位移L 到第一象限的速度20012qE L mv =，匀加速时间102L t v =，匀速时间20L t v =，则总时间120322mL t t t qE =+=（3）设粒子从MN 线上某点由静止释放，经第一象限电场边界交点(,)Q x y ，后做匀速直线运动到A 点，在第一象限做类平抛运动，水平：0x v t =，竖直方向：212h at =反向延长AQ 与水平位移交点为其中点，还有以下几何关系：201()22x a v yx L x=-， 且202v a L ='，003/4/qE m a a qE m'== 推出边界方程：22()y Lx x L=-(0)x L ≤≤ 考点：本题考查了带电粒子在电场中的运动、类平抛运动、运动的分解、动能定理.8．如图（a ）所示，平行板电容器的两个极板A 、B 分别接在电压为U 的恒压电源的两极，电容器所带电荷量为Q ，两极板间距为d ，板长为L ，α粒子从非常靠近上极板的C 点以v 0的速度沿垂直电场线方向的直线CO 方向射入电场，经电场偏转后由D 点飞出匀强电场，已知α粒子质量为m ，电荷量为2e ，不计α粒子重力．求：(1)平行板电容器的电容； (2)CD 两点间电势差；(3)若A 、B 板上加上如图（b ）所示的周期性的方波形电压，t =0时A 板比B 板的电势高，为使4T时刻射入两板间的α粒子刚好能由O 点水平射出，则电压变化周期T 和板间距离d 各应满足什么条件？（用L 、U 、m 、e 、v 0表示）【答案】(1)Q C U = (2)22220eU L U md v =(3) ≥d (n=1,2,3,…) 【解析】 【详解】(1)依电容定义有：平行板电容器的电容Q C U=(2)两板之间为匀强电场U E d=粒子在电场中加速度F qE a m m== 粒子的偏移量:212y at =运动时间0L t v =解得:2202qUL y mdv = CD 两点的电势差为：22220==eU L U Ey md v (3)为使a 粒子刚好由O 点水平射出，α粒子在一个周期内竖直方向的分位移应为零， 必须从4Tt nT =+进入电场， 且在电场中运动时间与电压变化周期T 的关系为t =nT ，（n =1，2，3，…）． 则0==t L T n nv 竖直方向向下的最大分位移应满足：212()24T a d ⨯≤即:22()4eU L d md nv ⋅≤ 解得:022≥L eUd nv m（n =1,2,3,…） 【点睛】本题考查了电容的定义式匀强电场中场强与电势差的关系，熟练运用运动的分解法研究类平抛运动，抓住几何关系是解答的关键．9．如图所示，光滑水平面上方以CD 为界，右边有水平向右的匀强电场，电场强度大小E =104N/C,水平面上有质量为M =0.1kg 的绝缘板，板的右端A 恰好在边界CD 处，板上距A 端l =1.8m 放置一质量m 1=0.1kg 、带电量为q =-8×10-5 C 的小滑块P ．质量为m 2=0.5kg 的小滑块Q 以初速度v 0=5.5m/s 从B 端滑入绝缘板，在与小滑块P 相遇前，小滑块P 已进入电场．已知小滑块P 、Q 与板之间的动摩擦因数分别为μ1=0.5、μ2=0.1，最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力．g =10m/s 2．求：（1）小滑块Q 刚滑上板时，滑块P 的加速度大小a 1； （2）小滑块P 进入电场后的加速度大小和方向；（3）若小滑块P 、Q 恰好在CD 边界相向相遇，AB 板的长度L ． 【答案】（1）2.5m/s 2（2）3m/s 2；方向向右（3）12.52m 【解析】（1）设：小滑块P 与绝缘板一起向右加速运动.由牛顿第二定律：2211()m g m M a μ=+，解得：21 2.5m/s a =；对小滑块P ，由牛顿第二定律：1110.25N f m a ==，1max 1110.5N>f m g f μ==假设正确； （2）小滑块P 进入电场后，设：小滑块P 相对绝缘板运动，对绝缘板，由牛顿第二定律得：2211)m g m g M a μμ-=，解得：a =0，做匀速直线运动；对小滑块P ，由牛顿第二定律1111qE m g m a μ'-=，解得213m/s a '=，方向向左，假设正确；（3）设刚进入电场时小滑块P 的速度为v 1由运动学公式：1123m/s v a l ==， 滑块P 进入电场前运动的时间为1111.2s v t a ==， 设滑块P 回到CD 边界时间为t 2，由运动学公式：21212102v t a t '-=，解得22s t =； 对小滑块Q ，加速度大小为a 2，由牛顿第二定律得：2222m g m a μ=，2221m/s a g μ==；设：经过t 3时间，小滑块Q 与绝缘板共速，即：1023v v a t =-； 解得：0131222.5s<3.2s v v t t t a -==+=， 设：此后小滑块Q 与绝缘板共同做匀减速运动，其加速度大小为2a '， 由牛顿第二定律得：1122()m g m M a μ'=+， 解得：211225m/s 6m ga M m μ'==+， Q 相对于绝缘板的总位移：22103231113111()[()] 4.925m 22x v t a t a t v t t =--+-=， 小滑块P 相对于板的总位移：22131112321231()()() 5.796m 2x v t t v t t t a t t t '=-++--+-≈， 板的总长度为1212.52m L x x l =++≈．10．如图，在场强大小为E 、水平向右的匀强电场中，一轻杆可绕固定转轴O 在竖直平面内自由转动．杆的两端分别固定两电荷量均为q 的小球A 、B ；A 带正电，B 带负电；A 、B 两球到转轴O 的距离分别为2l 、l 3倍，开始时杆与电场夹角为θ（0090180θ≤≤）．将杆从初始位置由静止释放，以O 点为重力势能和电势能零点．求：W；（1）初始状态的电势能e（2）杆在平衡位置时与电场间的夹角α；（3）杆在电势能为零处的角速度ω．【答案】（1）-3qElcosθ；（2）30°；（3）当θ<150°时，；当θ150°时，或【解析】【分析】【详解】（1）初态：W e=qV++(-q)V-=q(V+-V-)=-3qElcosθ（2）平衡位置如图，设小球的质量为m，合力矩为3qElsinα-mglcosα=0由此得α=30°（3）电势能为零时，杆处于竖直位置，当初始时OA与电场间夹角θ=150°时，A恰好能到达O正上方，在此位置杆的角速度为0当θ<150°时，A位于O正下方处电势能为零．初态：W e=—3qElcosθ，E p=mglsinθ末态：，能量守恒：解得当θ150°时，电势能为0有两处，即A位于O正下方或正上方处当A位于O正下方时，当A位于O正上方时，解得11．将一内壁光滑的绝缘细圆管做成的圆环BDC固定在竖直面内，圆环的圆心为O，D为圆环的最低点，其中∠BOC＝90，圆环的半径为R，水平虚线BC的上方存在水平向右的范围足够大的匀强电场．圆心O的正上方A点有一质量为m、带电荷量为＋q的小球（可视为质点），其直径略小于圆管内径．现将该小球无初速度释放，经过一段时间后小球刚好无碰撞地进入圆管中并继续在圆管中运动，重力加速度为g．求：（1）A点到O点的距离及匀强电场的电场强度大小；（2）小球运动到圆环的最低点D时对圆环的作用力．【答案】（1）mgq（2）（3+32mg；方向竖直向下【解析】【详解】(1)小球被释放后在重力和电场力的作用下做匀加速直线运动，小球从B点沿切线方向进入，则此时速度方向与竖直方向的夹角为45°，即加速度方向与竖直方向的夹角为45°，则有：tan45mgqE ︒=解得：mgqE=因为∠BOC ＝90，圆环的半径为R ，故BC 的距离为2R ，故根据几何关系有可知：AO =2R(2)小球从A 点到D 点的过程中，根据动能定理得：()2212022D R mg R R Eqmv ++=- 当小球运动到圆环的最低点D 时，根据牛顿第二定律得：2DN v F mg m R-=联立解得：()332N F mg =+根据牛顿第三定律得小球运动到圆环的最低点D 时对圆环的压力大小为()332mg +，方向竖直向下．答：(1)A 点到O 点的距离2R ,匀强电场的电场强度大小mg qE =；(2)小球运动到圆环的最低点D 时对圆环的作用力()332mg +12．如图所示，在竖直直角坐标系xOy 内，x 轴下方区域I 存在场强大小为E 、方向沿y 轴正方向的匀强电场，x 轴上方区域Ⅱ存在方向沿x 轴正方向的匀强电场。