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1.(跨学科实践)科学研究的道路上经常会出现令人惋惜的事。1825年,年轻物理学家科拉顿一个人研究电磁现象,其类似的装置如图甲所示,示意图如图乙所示。为避免磁体的磁场对小磁针的作用,把实验装置放在两个房间,在右边房间里把磁体反复插入线圈,然后科拉顿跑到左边房间里观察,结果没有看到小磁针偏转。下列说法正确的是 (
A.该过程没有发生电磁感应现象
B.通电导线周围产生磁场的现象叫电磁感应现象
C.科拉顿没看到小磁针偏转,是因为线圈没有产生电流
D.科拉顿没看到小磁针偏转,是因为当切割完磁感线再跑到另一个房间时,产生的电流已经消失
D
)A.该过程没有发生电磁感应现象
B.通电导线周围产生磁场的现象叫电磁感应现象
C.科拉顿没看到小磁针偏转,是因为线圈没有产生电流
D.科拉顿没看到小磁针偏转,是因为当切割完磁感线再跑到另一个房间时,产生的电流已经消失
答案
1.D
解析
【分析】
要解决这道题，需明确电磁感应的原理：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路会产生感应电流，电流具有磁效应，能使小磁针偏转。科拉顿将磁体插入线圈时，线圈切割磁感线会产生感应电流，但他跑到另一房间观察时，磁体已静止，感应电流消失，因此小磁针不偏转。接下来逐一分析选项判断正误。
【解析】
1. 选项A：磁体插入线圈时，闭合线圈切割磁感线，会发生电磁感应现象，产生感应电流，故A错误。
2. 选项B：通电导线周围产生磁场是电流的磁效应，电磁感应是磁生电的现象，二者不同，故B错误。
3. 选项C：科拉顿将磁体插入线圈时，线圈中已经产生了感应电流，只是他跑到左边房间时磁体静止，感应电流消失，并非线圈没产生电流，故C错误。
4. 选项D：磁体切割完磁感线后静止，线圈中的感应电流消失，科拉顿跑到左边房间时，小磁针不再受电流磁场作用，不会偏转，故D正确。
【答案】
D
【知识点】
电磁感应现象、电流的磁效应
【点评】
本题通过科拉顿的经典实验考查电磁感应知识，需明确感应电流的产生条件和电流的磁效应，易错点是理解感应电流的存在时间，提醒学生实验中要及时观察现象，避免操作延迟错过结果。
【难度系数】
0.5
要解决这道题，需明确电磁感应的原理：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路会产生感应电流，电流具有磁效应，能使小磁针偏转。科拉顿将磁体插入线圈时，线圈切割磁感线会产生感应电流，但他跑到另一房间观察时，磁体已静止，感应电流消失，因此小磁针不偏转。接下来逐一分析选项判断正误。
【解析】
1. 选项A：磁体插入线圈时，闭合线圈切割磁感线，会发生电磁感应现象，产生感应电流，故A错误。
2. 选项B：通电导线周围产生磁场是电流的磁效应，电磁感应是磁生电的现象，二者不同，故B错误。
3. 选项C：科拉顿将磁体插入线圈时，线圈中已经产生了感应电流，只是他跑到左边房间时磁体静止，感应电流消失，并非线圈没产生电流，故C错误。
4. 选项D：磁体切割完磁感线后静止，线圈中的感应电流消失，科拉顿跑到左边房间时，小磁针不再受电流磁场作用，不会偏转，故D正确。
【答案】
D
【知识点】
电磁感应现象、电流的磁效应
【点评】
本题通过科拉顿的经典实验考查电磁感应知识，需明确感应电流的产生条件和电流的磁效应，易错点是理解感应电流的存在时间，提醒学生实验中要及时观察现象，避免操作延迟错过结果。
【难度系数】
0.5
2. （跨学科实践）2024年深圳全社会用电量1 214.9亿千瓦·时，同比增长7.7%，其中，工业用电量、服务业用电量、居民用电户数和用电量等指标均呈较大幅度增长。发电机的发明能够满足人们对电力的需求，保障电力供应的稳定性和可靠性。某学习小组开展了“制作简易发电机”的跨学科实践活动。
【活动目的】通过磁生电的简单实验，结合电动机的基本结构，制作简易发电机，并进行改进和评价。
【活动方案】
（一）结合相关物理知识，设计简易发电机；
（二）结合材料学等学科知识，制作简易发电机；
（三）结合工程和技术操作，改进和评价风力发电机。
【实施过程】
（一）设计简易发电机
(1)学习小组收集到磁生电实验的资料如图甲所示，为使灵敏电流计指针发生偏转，金属棒应该
(2)参考电动机的内部结构后，小组决定使用齿轮结构，如图乙所示，齿轮B带动齿轮A转动，齿轮A有15个齿，齿轮B有30个齿，将摇柄和齿轮B中心轴拼接，摇柄（齿轮B）转动36圈，齿轮A转动
(3)摇动摇柄经由橡皮筋带动电机转动，小组选择绷得紧的橡皮筋，是为了
（二）制作简易手摇发电机
(4)拼接完成后，得到如图丙所示的手摇发电机，将发电机两端接在规格为“3 V 150 mA”的灯泡上，转动摇柄，灯泡亮起，此时发电机发生的能量转化为
(5)发电机工作一段时间后，电机温度升高，但与之串联的导线温度却几乎没有变化，原因是
（三）制作风力发电机
(6)小佘提出，可以将摇柄替换为扇叶，实现风力发电。为更大限度利用风能，风向和扇叶的摆放方向应该如图
【交流与评价】
(7)（开放性设问）和手摇发电机相比，请对改进后的风力发电机进行评价：
【活动目的】通过磁生电的简单实验，结合电动机的基本结构，制作简易发电机，并进行改进和评价。
【活动方案】
（一）结合相关物理知识，设计简易发电机；
（二）结合材料学等学科知识，制作简易发电机；
（三）结合工程和技术操作，改进和评价风力发电机。
【实施过程】
（一）设计简易发电机
(1)学习小组收集到磁生电实验的资料如图甲所示，为使灵敏电流计指针发生偏转，金属棒应该
左右
（选填“上下”“左右”或“前后”）运动；该实验原理为电磁感应
。(2)参考电动机的内部结构后，小组决定使用齿轮结构，如图乙所示，齿轮B带动齿轮A转动，齿轮A有15个齿，齿轮B有30个齿，将摇柄和齿轮B中心轴拼接，摇柄（齿轮B）转动36圈，齿轮A转动
72
圈。(3)摇动摇柄经由橡皮筋带动电机转动，小组选择绷得紧的橡皮筋，是为了
增大摩擦力
。（二）制作简易手摇发电机
(4)拼接完成后，得到如图丙所示的手摇发电机，将发电机两端接在规格为“3 V 150 mA”的灯泡上，转动摇柄，灯泡亮起，此时发电机发生的能量转化为
机械能转化为电能
。要使灯泡更亮，可以更快转动摇柄
；若该简易发电机能量转化效率为50%，每转一圈消耗机械能1.2 J，为使灯泡正常工作，摇柄转速应为45
r/min。(5)发电机工作一段时间后，电机温度升高，但与之串联的导线温度却几乎没有变化，原因是
串联电路电流处处相等，导线的电阻很小，由$Q=I^{2}Rt$可知，时间相同，电流相同，导线产生的热量很少
。（三）制作风力发电机
(6)小佘提出，可以将摇柄替换为扇叶，实现风力发电。为更大限度利用风能，风向和扇叶的摆放方向应该如图
B
所示。【交流与评价】
(7)（开放性设问）和手摇发电机相比，请对改进后的风力发电机进行评价：
使用风能发电，节能环保，无需手动摇柄
。答案
2. (1)左右;电磁感应
(2)72
(3)增大摩擦力
(4)机械能转化为电能;更快转动摇柄;45
(5)串联电路电流处处相等，导线的电阻很小，由$Q=I^{2}Rt$可知，时间相同，电流相同，导线产生的热量很少
(6)B
(7)使用风能发电，节能环保，无需手动摇柄
【点拨】(1)为使灵敏电流计指针发生偏转，金属棒应左右运动才能切割磁感线，产生感应电流，该实验原理为电磁感应。(2)齿轮A有15个齿，齿轮B有30个齿，根据齿数比可知，将摇柄和齿轮B中心轴拼接，摇柄(齿轮B)转动36圈，齿轮A转动72圈。(3)选择绷得紧的橡皮筋，是为了增大压力，增大摩擦力。(4)发电机发生的能量转化为机械能转化为电能。要使灯泡更亮，可以更快转动摇柄，根据$\eta=\frac{W_{电}}{W_{机}}$得，$W_{电}=\eta W_{机}=50\% × 1.2\ \mathrm{J}=0.6\ \mathrm{J}$；根据$W=UIt$得，$t=\frac{W_{电}}{UI}=\frac{0.6\ \mathrm{J}}{3\ \mathrm{V} × 150 × 10^{-3}\ \mathrm{A}}=\frac{4}{3}\ \mathrm{s}$，每分钟的转数$n=\frac{60\ \mathrm{s}}{\frac{4}{3}\ \mathrm{s}}=45$。
(2)72
(3)增大摩擦力
(4)机械能转化为电能;更快转动摇柄;45
(5)串联电路电流处处相等，导线的电阻很小，由$Q=I^{2}Rt$可知，时间相同，电流相同，导线产生的热量很少
(6)B
(7)使用风能发电，节能环保，无需手动摇柄
【点拨】(1)为使灵敏电流计指针发生偏转，金属棒应左右运动才能切割磁感线，产生感应电流，该实验原理为电磁感应。(2)齿轮A有15个齿，齿轮B有30个齿，根据齿数比可知，将摇柄和齿轮B中心轴拼接，摇柄(齿轮B)转动36圈，齿轮A转动72圈。(3)选择绷得紧的橡皮筋，是为了增大压力，增大摩擦力。(4)发电机发生的能量转化为机械能转化为电能。要使灯泡更亮，可以更快转动摇柄，根据$\eta=\frac{W_{电}}{W_{机}}$得，$W_{电}=\eta W_{机}=50\% × 1.2\ \mathrm{J}=0.6\ \mathrm{J}$；根据$W=UIt$得，$t=\frac{W_{电}}{UI}=\frac{0.6\ \mathrm{J}}{3\ \mathrm{V} × 150 × 10^{-3}\ \mathrm{A}}=\frac{4}{3}\ \mathrm{s}$，每分钟的转数$n=\frac{60\ \mathrm{s}}{\frac{4}{3}\ \mathrm{s}}=45$。
解析
【分析】
本题为跨学科实践题，结合物理、工程等知识考查简易发电机的制作与相关原理应用。解题时需针对每个小问，对应相关物理规律或工程原理分析：(1)依据电磁感应的条件判断金属棒运动方向及原理；(2)利用齿轮传动的齿数与转数的反比关系计算；(3)从摩擦力的影响因素分析橡皮筋的作用；(4)结合发电机能量转化、感应电流影响因素及效率公式计算转速；(5)根据串联电路特点和焦耳定律分析产热差异；(6)依据风力发电的扇叶摆放要求判断；(7)从环保、节能等角度评价风力发电机。
【解析】
(1) 电磁感应产生感应电流的条件是闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动，图甲中磁感线沿竖直方向，金属棒需左右运动才能切割磁感线，该实验原理为电磁感应现象。
(2) 齿轮传动时，转动圈数与齿数成反比，设齿轮A转动圈数为n，则15×n=30×36，解得n=72圈。
(3) 绷得紧的橡皮筋与电机轴的压力更大，在接触面粗糙程度不变时，压力越大摩擦力越大，可防止打滑，更好带动电机转动。
(4) 发电机将机械能转化为电能；要使灯泡更亮，需增大感应电流，可更快转动摇柄（提高切割磁感线的速度）；灯泡正常工作时，每分钟消耗电能W电=UIt=3V×0.15A×60s=27J，由效率公式得需要的机械能W机=W电/50%=54J，每转消耗1.2J机械能，故转速n=54J÷1.2J/转=45r/min。
(5) 串联电路电流处处相等，导线电阻远小于电机电阻，根据焦耳定律Q=I²Rt，电流和时间相同时，电阻越小产热越少，因此导线温度几乎无变化。
(6) 风力发电机扇叶需正对风向，才能有效将风能转化为机械能，故选B图。
(7) 风力发电机利用可再生的风能发电，节能环保，无需手动操作，节省人力。
【答案】
(1)左右；电磁感应 (2)72 (3)增大摩擦力 (4)机械能转化为电能；更快转动摇柄；45 (5)串联电路电流处处相等，导线的电阻很小，由$Q=I^{2}Rt$可知，时间相同，电流相同，导线产生的热量很少 (6)B (7)使用风能发电，节能环保，无需手动摇柄（合理即可）
【知识点】
电磁感应、摩擦力、能量转化
【点评】
本题结合跨学科实践，考查物理知识在工程中的应用，注重知识的实际运用，难度适中，能锻炼学生的综合分析能力。
【难度系数】
0.6
本题为跨学科实践题，结合物理、工程等知识考查简易发电机的制作与相关原理应用。解题时需针对每个小问，对应相关物理规律或工程原理分析：(1)依据电磁感应的条件判断金属棒运动方向及原理；(2)利用齿轮传动的齿数与转数的反比关系计算；(3)从摩擦力的影响因素分析橡皮筋的作用；(4)结合发电机能量转化、感应电流影响因素及效率公式计算转速；(5)根据串联电路特点和焦耳定律分析产热差异；(6)依据风力发电的扇叶摆放要求判断；(7)从环保、节能等角度评价风力发电机。
【解析】
(1) 电磁感应产生感应电流的条件是闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动，图甲中磁感线沿竖直方向，金属棒需左右运动才能切割磁感线，该实验原理为电磁感应现象。
(2) 齿轮传动时，转动圈数与齿数成反比，设齿轮A转动圈数为n，则15×n=30×36，解得n=72圈。
(3) 绷得紧的橡皮筋与电机轴的压力更大，在接触面粗糙程度不变时，压力越大摩擦力越大，可防止打滑，更好带动电机转动。
(4) 发电机将机械能转化为电能；要使灯泡更亮，需增大感应电流，可更快转动摇柄（提高切割磁感线的速度）；灯泡正常工作时，每分钟消耗电能W电=UIt=3V×0.15A×60s=27J，由效率公式得需要的机械能W机=W电/50%=54J，每转消耗1.2J机械能，故转速n=54J÷1.2J/转=45r/min。
(5) 串联电路电流处处相等，导线电阻远小于电机电阻，根据焦耳定律Q=I²Rt，电流和时间相同时，电阻越小产热越少，因此导线温度几乎无变化。
(6) 风力发电机扇叶需正对风向，才能有效将风能转化为机械能，故选B图。
(7) 风力发电机利用可再生的风能发电，节能环保，无需手动操作，节省人力。
【答案】
(1)左右；电磁感应 (2)72 (3)增大摩擦力 (4)机械能转化为电能；更快转动摇柄；45 (5)串联电路电流处处相等，导线的电阻很小，由$Q=I^{2}Rt$可知，时间相同，电流相同，导线产生的热量很少 (6)B (7)使用风能发电，节能环保，无需手动摇柄（合理即可）
【知识点】
电磁感应、摩擦力、能量转化
【点评】
本题结合跨学科实践，考查物理知识在工程中的应用，注重知识的实际运用，难度适中，能锻炼学生的综合分析能力。
【难度系数】
0.6
