2021年高考物理100考點最新模擬題千題精練（物理實驗）

第二部分電學實驗

專題2.31與磁場相關的電學創新實驗

1.（8分）（2020山東三校聯考）霍爾元件可以用來檢測磁場及其變化.圖甲為使用霍爾元件測量通電

直導線產生磁場的裝置示意圖.由于磁芯的作用，霍爾元件所處區域磁場可看做勻強磁場.測量原理如乙

圖所示，直導線通有垂直紙面向里的電流，霍爾元件前、后、左、右表面有四個接線柱，通過四個接線柱

可以把霍爾元件接入電路.所用器材已在圖中給出，部分電路已經連接好.為測量霍爾元件所處區域的磁

感應強度B；

甲

（1）制造霍爾元件的半導體參與導電的自由電荷帶負電，電流從乙圖中霍爾元件左側流入，右側流出，霍

爾元件（填“前表面”或“后表面”）電勢高；

（2）在圖中畫線連接成實驗電路圖；

（3）已知霍爾元件單位體積內自由電荷數為n,每個自由電荷的電荷量為e,霍爾元件的厚度為h,為測量

霍爾元件所處區域的磁感應強度B,還必須測量的物理量有（寫出具體的物理量名稱及其符號），計

算式B=.

【名師解析】

（1）磁場是直線電流產生，根據安培定則，磁場方向向下；電流向右，根據左手定則，安培力向內，載流子是負電荷,

故后表面帶負電，前表面帶正電，故前表面電勢較高；

（2）變阻器控制電流，用電壓表測量電壓，電路圖如圖所示：

（3）設前后表面的厚度為d,最終電子在電場力和洛倫茲力的作用下處于平衡，有：qU/d=qvB

根據電流微觀表達式，有.：

I=neSv=ne(dh)v

故還必須測量的物理量有：電壓表讀數U,電流表讀數I；

【參考答案】：

(1)前表面；

(2)如圖所示；

nehU

(3)電壓表讀數U,電流表讀數I；-----.

I

2.(2020遼寧模擬)物理興趣小組設計了兩種方法測量磁感應強度。

(1)方法1.如圖1所示，相距L的平行導軌水平放置，平行導軌處在豎直方向的勻強磁場中，導軌上放置

一導體棒，導體棒系兩根平行細線連接到兩個相同的傳感器上，導軌右端連接一電阻箱R和電池，電池電

動勢為E,內阻不計，導軌和導體棒電阻不計。

圖1

。勻強磁場的方向為(選填“水平向左”、"水平向右”、“垂直紙面向里、“垂直紙面向外”)；

。多次改變電阻箱的阻值R,得到對應的拉力傳感器顯示的數值F,以尸為縱坐標，要得到線形圖象，橫坐

標應該為;

8若得到的線形圖象斜率為k,則勻強磁場的磁感應強度B=。

(2)方法二。利用電流天平測量勻強磁場的磁感應強度的大小。如圖2所示，測量前天平已調至平衡，測

量時，在左邊托盤中放入質量為小的祛碼，右邊托盤中不放祛碼，將一個質量為〃小匝數為〃、下邊長為

/的矩形線圈掛在右邊托盤的底部，再將此矩形線圈的下部分放在待測磁場中。線圈的兩頭連在如圖3所示

的電路中，不計連接導線對線圈的作用力，電源電動勢為E,內阻為人開關S閉合后，調節可變電阻至Ri

時，天平正好平衡，此時電壓表讀數為己知〃取重力加速度為g。

,3/7"

接亞形線圈

圖2圖3

。.矩形線圈中電流的方向為(選填："順時針方向”或“逆時針方向”)

。.矩形線圈的電阻為R=

。.勻強磁場的磁感應強度的大小B=o

【參考答案】（1）0垂直紙面向里.（1分）。一.（2分）o2〃E〃2分）

R

（2）Q逆時針方向（1分）0七3f（2分）s（%-㈤化（2分）

U'n（E—U）l

【名師解析】（1）。根據題述情景，導體棒所受安培拉方向向右，由左手定則可判斷出勻強磁場的方向為垂

直紙面向里。

。由2F=BIL,I=E/R,得F=e也,，以尸為縱坐標，要得到線形圖象，橫坐標應該為工。。由k=碼解

2RR2

得B=2k/EL。

（2）。由于加o＞，"根據天平的平衡條件可判定線圈受到的安培力方向豎直向上,由左手定則判斷知矩形線圈

中電流的方向為逆時針方向；

UUr

。根據閉合電路歐姆定律可得U=E-——八解得矩形線圈的電阻R=—匕--凡。

R+KE-U1

E-U

。根據平衡條件有m°g?F=mg,而F=nBlL,/=一上，聯立解得勻強磁場的磁感應強度的大小

r

~n（E-U）l

3.（9分）（2019湖南師大附中三模）圖甲是物理實驗室的一種永久蹄形磁鐵，某物理興趣小組設計了一個

測量蹄形磁鐵磁極間磁感應強度大小的實驗。

（1）如圖乙所示，將由銅導線繞制而成的矩形線圈懸掛在支架上，導線兩端分別由a、b處抽出連在兩

接線柱A、B上。線圈下邊ab保持水平，現將一輕線的一端系在線圈ab邊的中點，另一端繞過一輕小

滑輪后連接一小沙桶，調整支架高度是線圈與滑輪間細線保持水平。

（2）將多個圖甲中的蹄形磁鐵緊密并列放置，水平插入線圈，使線圈下邊ab處于磁鐵N、S間，磁場

寬度正好與線圈下邊ab長度相同，當線圈中通電后，向沙桶中緩慢加入適量細沙，使導線框仍保持豎直

懸掛。讀出電流表示數為I,斷開電源，取下沙桶，用天平稱量沙桶總質量為m。

(3)線圈中電流由圖內電路提供，若蹄形磁鐵S極在上方，N極在下方，則接線柱A應與丙圖電路中

的接線柱(選填"C”或"D”)相連。

(4)若線圈電阻約為1C,允許最大電流0.5A,電流表量程為0?0.6A,內阻約為0.5C,電源為4節干

電池串聯，每節干電池的電動勢為1.5V,內阻不計。Ro為定值電阻，現備有1()。和100。各一只，則應

選Q連入電路；有最大阻值分別為20Q和1000Q的滑動變阻器各一只，應選Q連入電路。

(5)若線圈匝數為n,其下邊ab長度為L,本地重力加速度為g,則用測得的物理量和已知量表示磁感

應強度大小B=o

【名師解析】(3)磁場方向豎直向上，線圈受安培力向左，與細線的拉力平衡，則線圈中電流應由接線柱B

流入，由接線柱A流出，故接線柱A應與電路中的接線柱D連接。

(4)線圈中最大電流為0.5A,則電路中最小電阻為12Q,故定值電阻應選10C.為方便調節，滑動變

阻器應選最大電阻值較小的、即20。的滑動變阻器。

(5)線圈靜止時，在水平方向線圈受到的繩子的拉力與安培力大小相等方向相反，有：mg=nBIL,

【參考答案】(3)D；(4)10,20；(5)—

nlL

4.(2018云南建水四校聯考)霍爾效應是電磁基本現象之一，近期我國科學家在該領域的實驗研究上取得

了突破性進展.如圖1所示，在一矩形半導體薄片的P,。間通入電流/,同時外加與薄片垂直的磁場3,

TT>

在M,N間出現電壓.，這個現象稱為霍爾效應，UH稱為霍爾電壓，且滿足如=上一7,式中d為薄片的厚

a

度，%為霍爾系數.某同學通過實驗來測定該半導體薄片的霍爾系數.

圖1

(1)若該半導體材料是空穴(可視為帶正電粒子)導電，電流與磁場方向如圖1所示，該同學用電壓表測量UH

時，應將電壓表的“十”接線柱與(填“AT或"M)端通過導線相連.

(2)已知薄片厚度d=0.40mm,該同學保持磁感應強度8=0.10T不變，改變電流/的大小，測量相應的UH

值，記錄數據如下表所示.根據表中數據在圖2中畫出UH—/圖線，利用圖線求出該材料的霍爾系數為

xl()3v.m.A〕Tr(保留2位有效數字).

Z(xlO-3A)3.06.09.012.015.018.0

。心10-3V)1.11.93.44.56.26.8

（3）該同學查閱資料發現，使半導體薄片中的電流反向再次測量，取兩個方向測量的平均值，可以減小霍爾

系數的測量誤差，為此該同學設計了如圖3所示的測量電路，S1.S2均為單刀雙擲開關，虛線框內為半導

體薄片（未畫出）.為使電流從。端流入，戶端流出，應將Si擲向（填7”或""）,S2擲向（填

%”或“才》為了保證測量安全，該同學改進了測量電路，將一合適的定值電阻串聯在電路中.在保持其它

連接不變的情況下，該定值電阻應串聯在相鄰器件和（填器件代號）之間.

圖3

.【參考答案】（1）“

（2）如圖所示

1.5（1.4-1.6）（3）bcSi（或S2）E

【名師解析】（1）根據左手定則，正電荷受力向左，因此"+”接線柱應接M點；（2）畫出圖象，圖象的斜率

kR

為亍，將8和"代入就可以求出左值為1.5；(3)將Si擲向b,S2擲向c,電流恰好反向；應將該電阻接入

公共部分，即在Si與S2之間，因此可以在Si與E之間也可以在E與S2之間.

5.1879年美國物理學家霍爾在研究載流導體在磁場中受力情況時，發現了一種新的電磁效應：將導體置

于磁場中，并沿垂直磁場方向通入電流，則在導體中垂直于電流和磁場的方向會產生一個橫向電勢差，這

種現象后來被稱為霍爾效應，這個橫向的電勢差稱為霍爾電勢差.

(1)如圖甲所示，某長方體導體〃加的高度為反寬度為/,其中的載流子為自由電子，自由電子電

荷量為e,導體處在與a歷卬面垂直的勻強磁場中，磁場的磁感應強度為Bo.在導體中通有垂直于Ac方面的

恒定電流，若測得通過導體的恒定電流為/,橫向霍爾電勢差為UH,此導體中單位體積內自由電子的個數為

(2)對于某種確定的導體材料，其單位體積內的載流子數目〃和載流子所帶電荷量q均為定值，人們將H君

定義為該導體材料的霍爾系數.利用霍爾系數H已知的材料可以制成測量磁感應強度的探頭，有些探頭的

體積很小，其正對橫截面(相當于圖甲中的。仍"面)的面積可以在01cm?以下，因此可以用來較精確地測量

空間某一位置的磁感應強度.如圖乙所示為一種利用霍爾效應測磁感應強度的儀器，其中探頭裝在探桿的

前端，且使探頭的正對橫截面與探桿垂直.這種儀器既可以控制通過探頭的恒定電流的大小/,又可以監測

探頭所產生的霍爾電勢差UH,并自動計算出探頭所測位置磁場的磁感應強度的大小，且顯示在儀器的顯示

窗內.

①在利用上述儀器測量磁感應強度的過程中，對控桿的放置方位要求為：.

②要計算出所測位置磁場的磁感應強度，除了要知道H、I、UH外,還需要知道物理量__________________.推

導出用上述物理量表示所測位置磁感應強度大小的表達式：.

【參考答案】(1)黑

(2)①應調整探桿的放置位置(或調整探頭的方位)，使霍爾電勢差達到最大(或使探桿與磁場方向平行；使探

頭的正對橫截面與磁場方向垂宜；〃防W面與磁場方向垂直)

②探頭沿磁場方向的寬度/

【名師解析】（1）設單位體積內的自由電子數為小自由電子定向移動的速率為V,

則有l=nehlv

當形成恒定電流時，自由電子所受電場力與洛倫茲力相等，因此有

n

解得片制

（2）①應調整探桿的放置方位（或調整探頭的方位），使霍爾電勢差達到最大（或使探桿與磁場方向平行；探頭

的正對橫截面與磁場方向垂直；面與磁場方向垂直）.

②設探頭中的載流子所帶電荷量為q,根據上述分析可知，探頭處于磁感應強度為8的磁場中，

當通有恒定電流1,產生最大穩定霍爾電壓（出時，

有qvB-c^

又因1—nqhlv和"=卷

聯立可解得3=宵

所以，還需要知道探頭沿磁場方向的寬度/.

6.（2016全國理綜HI丙卷）某同學用圖中所給器材進行與安培力有關的實驗。兩根金屬導軌必和4a固定

在同一水平面內且相互平行，足夠大的電磁鐵（未畫出）的N極位于兩導軌的正上方，S極位于兩導軌的

正下方，一金屬棒置于導軌上且與兩導軌垂直。

（1）在圖中畫出連線，完成實驗電路。要求滑動變阻器以限流方式接入電路，且在開關閉合后，金屬棒沿

箭頭所示的方向移動。

（2）為使金屬棒在離開導軌時具有更大的速度，有人提出以下建議：

A.適當增加兩導軌間的距離

B.換一根更長的金屬棒

C.適當增大金屬棒中的電流

其中正確的是（填入正確選項前的標號）

【參考答案】（1）如圖所示（2）AC

【名師解析】為使金屬棒在離開導軌時具有更大的速度，由動能定理可知，可以增大安培力和安培力作用

的位移（導軌長度）。由安培力公式F=BIL可知，適當增加兩導軌間的距離L,適當增大金屬棒中的電流I,

所以正確選項為ACo由于安培力公式中的L為通電電流部分導體的有效長度，而選項B中換一根更長的金

屬棒，不能改變通電電流部分導體的有效長度，所以選項B錯誤。

考點：考查了研究安培力實驗

7..（2016湖北七市（州）聯考）（9分）材料的電阻隨壓力的變化而變化的現象稱為“壓阻效應”，利用這種效應

可以測量壓力大小.若圖1為某壓敏電阻在室溫下的電阻壓力特性曲線，其中RF、R0分別表示有、無

壓力時壓敏電阻的阻值.為了測量壓力F