统考版2024届高考物理二轮专项分层特训卷第一部分新情境热点练情境7物理在科技中的应用（附解析）

情境7　物理在科技中的应用1．[2023·广东深圳联考]自动驾驶汽车依靠人工智能、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人操作的情况下，自动安全地操作机动车辆．某平直公路上一辆自动驾驶汽车正以v1＝40km/h的速度匀速行驶，某时刻其右前方一小狗(可视为质点)以v2＝5m/s的速度沿垂直车道方向匀速跑入公路，当汽车传感器探测到小狗时，小狗到汽车右侧所在直线的距离L1＝5m，到汽车前沿所在直线的距离L2＝8m，如图所示．已知汽车的车长d1＝5m、车宽d2＝2m，汽车加速时的加速度大小a1＝4m/s2，刹车时的加速度大小a2＝5m/s2.为了避免与小狗发生碰撞，汽车的自动驾驶系统该作出的正确判断是(　　)A．汽车应保持原速通过B．汽车应刹车减速C．汽车应加速通过D．不论汽车是加速还是刹车减速，均不能避免与小狗发生碰撞2．智能手机带有光线传感器，可以自动调整亮度，光线传感器的工作原理是光电效应．普朗克常量为h，电子的电荷量为e，下面关于光电效应的说法正确的是(　　)A．发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B．在研究光电效应饱和电流时，由I＝neSv可知，光电管所加电压越大，电子获得的速度越大，饱和电流越大C．入射光频率为ν时，某金属刚好发生光电效应现象，入射光频率变为3ν时，此时的遏止电压为D．不改变光照强度，增大光的频率，饱和电流不变3.[2023·湖南卷](多选)某同学自制了一个手摇交流发电机，如图所示．大轮与小轮通过皮带传动(皮带不打滑)，半径之比为4∶1，小轮与线圈固定在同一转轴上．线圈是由漆包线绕制而成的边长为L的正方形，共n匝，总阻值为R.磁体间磁场可视为磁感应强度大小为B的匀强磁场．大轮以角速度ω匀速转动，带动小轮及线圈绕转轴转动，转轴与磁场方向垂直．线圈通过导线、滑环和电刷连接一个阻值恒为R的灯泡．假设发电时灯泡能发光且工作在额定电压以内，下列说法正确的是(　　)A．线圈转动的角速度为4ωB．灯泡两端电压有效值为3nBL2ω C．若用总长为原来两倍的相同漆包线重新绕制成边长仍为L的多匝正方形线圈，则灯泡两端电压有效值为D．若仅将小轮半径变为原来的两倍，则灯泡变得更亮4．[2023·哈尔滨五模](多选)超导磁悬浮列车是利用超导磁体使列车车体向上浮起，通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力的新型交通工具．其推进原理可以简化为如图所示的模型：在水平面上相距L的两根平行直导轨间，有等间距分布的垂直轨道平面的匀强磁场，磁感应强度大小分别为B1、B2，且B1＝B2＝B，每个磁场的宽都是L，相间排列，所有这些磁场都以速度v向右匀速运动．跨在两导轨间正方形金属框abcd(悬浮在导轨上方，边长为L)在磁场力作用下也将会运动．设金属框的总电阻为R，运动中所受到的阻力恒为f，则(　　)A.金属框在磁场力作用下会向右运动B．金属框ad边和bc边受到的磁场力大小相等，方向相反C．金属框的最大速度vm＝D．金属框的最大速度vm＝5．[2023·山东济南5月模拟]在“天宫课堂”第二课上，航天员给我们展示了“科学实验重器”——“高微重力科学实验柜”．如图甲所示，当柜体受到一个干扰偏离原位置时，柜体通过喷气又慢慢回到了原位置．将该过程简化为如图乙所示的模型，物块静止在光滑水平面上的O点，左、右有两个喷气装置A和B，当给物块一个水平向左的初速度时，喷气装置A立即向左喷气，经过一段时间，装置A关闭，同时装置B向右喷气，直到物块回到出发点O且回到O点时速度为零，假设喷气装置A、B喷气过程中对物块的作用力大小相等且不变，方向始终在水平方向上，喷气对物块和喷气装置整体质量的影响忽略不计，则该过程中A、B喷气装置喷气的时间的比值等于(　　)A．1　　　　　B．2C．　　　D．＋16.我国实践二十号同步通信卫星首次采用了LIPS－300电推进系统，该技术将巨量化学燃料用特殊气体——“氙气”代替，通过将氙气电离，并在电场作用下产生高速离子流形成推力，其效率远远高于传统化学推进效率．离子推进器是太空飞行器常用的动力系统，图示为其简化原理图．横截面半径为R的圆柱体腔分为电离区Ⅰ和加速区Ⅱ，Ⅰ区用高速电子轰击氙气，使其电离获得初速度接近于零的一价正离子；正离子经Ⅱ区两侧面间的电场加速后发射出去，经时间t离子推进器射出的正离子数为n，发射功率恒为P.已知每个正离子的质量为m，元电荷为e，假设飞行器原来静止，质量恒为M.忽略离子的重力及离子间的相互作用．求：(1)Ⅱ区两侧面间的电压U；(2)经时间t后飞行器的速度大小u； (3)0～t时间内飞行器获得的平均动力大小F.情境7　物理在科技中的应用1．解析：小狗垂直车道运动距离L1需要的时间t0＝＝1s，在此时间内，若汽车保持匀速运动，则通过的位移x1＝v1t0＝11.1m，在L2和（L2＋d1）之间，小狗会撞到车上，选项A错误；在t0＝1s时间内，若汽车刹车减速，则通过的位移x2＝v1t0－a2t＝8.6m，在L2和（L2＋d1）之间，小狗会撞到车上，选项B错误；在t0＝1s时间内，若汽车做匀加速运动，则通过的位移x3＝v1t0＋a1t＝13.1m>L2＋d1，故汽车不会与小狗发生碰撞，选项C正确，D错误．答案：C2．解析：发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，选项A错误；在研究光电效应饱和电流时，光电管所加电压与饱和电流无关，饱和电流与光照强度有关，光照强度越大，饱和电流越大，选项B错误；频率增大，单个光子能量增加，在光照强度不变的情况下光子数量减少，单位时间内通过的电荷量减少，故饱和电流减小，选项D错误；入射光频率为ν时，某金属刚好发生光电效应现象，由光电效应规律可知W0＝hν，入射光频率变为3ν时，由爱因斯坦光电效应方程可得Ek＝3hν－W0，解得Ek＝2hν，由动能定理可得Ek＝eUc，解得此时的遏止电压为Uc＝，选项C正确．答案：C3．解析：大轮和小轮通过皮带传动，线速度相等，小轮和线圈同轴转动，角速度相等，根据题意可知大轮与小轮半径之比为4∶1，再由v＝ωr，则小轮转动的角速度为4ω，线圈转动的角速度为4ω，A正确；线圈产生感应电动势的最大值Emax＝nBS·4ω又S＝L2联立可得Emax＝4nBL2ω则线圈产生感应电动势的有效值E＝＝2nBL2ω根据串联电路分压原理可知灯泡两端电压有效值为U＝＝nBL2ωB错误；若用总长为原来两倍的相同漆包线重新绕制成边长仍为L的多匝正方形线圈，则线圈的匝数变为原来的2倍，线圈产生感应电动势的最大值E′max＝8nBL2ω此时线圈产生感应电动势的有效值E′＝＝4nBL2ω 根据电阻定律R′＝ρ可知线圈电阻变为原来的2倍，即为2R，根据串联电路分压原理可得灯泡两端电压有效值U′＝＝，C正确；若仅将小轮半径变为原来的两倍，根据v＝ωr可知小轮和线圈的角速度变小，根据E＝可知线圈产生的感应电动势有效值变小，则灯泡变暗，D错误．故选AC.答案：AC4．解析：由右手定则可知，图示位置金属框中的感应电流方向为顺时针方向，由左手定则可知，bc边和ad边所受的安培力方向均向右，且大小相等，故金属框abcd在磁场力作用下会向右运动，选项A正确，B错误；金属框达到最大速度vm时，ad边和bc边各以相对磁场的速度（v－vm）切割磁感线运动，金属框中产生的感应电动势为E＝2BL（v－vm），电流为I＝＝，由于ad边和bc边均受到安培力，则合安培力为F合＝2BLI＝，由平衡条件可知，金属框达到最大速度时受到的阻力与安培力大小相等，则有f＝F合，联立解得金属框的最大速度为vm＝，选项C正确，D错误．答案：AC5．解析：设A、B喷气过程中对物块的作用力大小为F，喷气的时间分别为t1和t2，物块初速度大小为v，以水平向左为正方向，设A停止喷气时物块速度大小为v1，根据动量定理有－Ft1＝m（－v1）－mv，Ft2＝0－m（－v1），由运动学规律可得t1＝－t2，联立解得t1＝（＋1）t2，故选D.答案：D6．解析：（1）一个正离子经电场加速后，根据动能定理有eU＝mv2－0，解得v＝，离子推进器经时间t发射离子的能量为E＝Pt，E＝n·mv2，解得U＝.（2）推进器工作过程中，系统受合外力为零，根据动量守恒定律有nmv－Mu＝0解得u＝.（3）对飞行器，根据动量定理有Ft＝Mu－0，解得F＝.另解：对n个正离子，根据动量定理有F′t＝nmv－0根据牛顿第三定律知F＝F′ 解得F＝.