北京市2023年普通高中学业水平等级性考试
物 理
考试时间:90分钟 满分:100分
考生须知
  1. 本试卷共8页,100分。考试时长90分钟。
  2. 考生务必将答案答在答题卡上,在试卷上作答无效。
  3. 考试结束后,将本试卷和答题卡一并交回。
第一部分
本部分共14题,每题3分,共42分。在每题列出的四个选项中,选出最符合题目要求的一项。
1.夜间由于气温降低,汽车轮胎内的气体压强变低。与白天相比,夜间轮胎内的气体( )
A.分子的平均动能更小
B.单位体积内分子的个数更少
C.所有分子的运动速率都更小
D.分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力更大
【答案】A
【详解】一、考查知识点 本题主要考查气体分子动理论的基本概念,包括温度与分子平均动能的关系、气体压强微观解释等。 二、逐项分析
A.分子的平均动能更小(正确)。温度是分子平均动能的标志,夜间气温降低,轮胎内气体温度降低,故分子平均动能减小。
B.单位体积内分子的个数更少(错误)。轮胎容积基本不变,气体质量不变,分子总数不变,因此单位体积内分子个数不变。
C.所有分子的运动速率都更小(错误)。温度降低时,分子平均速率减小,但个别分子速率可能增大,并非所有分子速率都变小。
D.分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力更大(错误)。气体压强由分子平均动能和单位体积分子数共同决定。温度降低,分子平均动能减小,而分子数密度不变,故压强减小,分子对器壁单位面积的平均作用力更小。
【来源】2023北京高考
2.阳光下的肥皂膜呈现彩色条纹,这种现象属于光的( )
A.偏振现象
B.衍射现象
C.干涉现象
D.全反射现象
【答案】C
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题主要考查光的干涉现象在薄膜干涉中的应用,属于光学基础概念题。 二、逐选项分析
A.偏振现象:偏振是指光波振动方向相对于传播方向的不对称性,通常通过偏振片或反射实现,与肥皂膜彩色条纹无关,故错误。
B.衍射现象:衍射是光通过狭缝或障碍物边缘时发生弯曲的现象,如单缝衍射条纹,而肥皂膜彩色条纹是薄膜前后表面反射光叠加形成,非衍射,故错误。
C.干涉现象:肥皂膜前后表面反射的光波频率相同、相位差恒定,发生干涉,形成彩色条纹,这是典型的薄膜干涉现象,故正确。
D.全反射现象:全反射发生在光从光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角时,肥皂膜中光主要发生反射和折射,不涉及全反射,故错误。
【来源】2023北京高考
3.下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是( )
A.²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + ( )
B.²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ( )
C.¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ( )
D.¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ( )
【答案】A
【详解】一、考查知识点 核反应方程中的质量数与电荷数守恒,以及常见粒子的符号表示。 二、逐选项分析
A.反应方程中,左侧质量数总和为9+4=13,电荷数总和为4+2=6;右侧质量数总和为12+1=13,电荷数总和为6+1=7,电荷数不守恒。若将括号内粒子改为中子(质量数1、电荷数0),则右侧质量数12+1=13、电荷数6+0=6,守恒。故A正确。
B.反应方程中,左侧质量数总和为14+4=18,电荷数总和为7+2=9;右侧质量数总和为17+1=18,电荷数总和为8+1=9,已守恒。括号内粒子为质子(¹H),不是中子。
C.反应方程中,左侧质量数总和为235+1=236,电荷数总和为92+0=92;右侧质量数总和为144+89+3=236,电荷数总和为56+36+0=92,已守恒。括号内粒子为电子(⁰₋₁e),不是中子。
D.反应方程中,左侧质量数总和为2+3=5,电荷数总和为1+1=2;右侧质量数总和为4+1=5,电荷数总和为2+1=3,电荷数不守恒。若将括号内粒子改为中子(质量数1、电荷数0),则右侧质量数4+1=5、电荷数2+0=2,守恒。但该反应为聚变,实际产物是中子,但方程中括号位置对应的是质子(¹H),故D错误。
【来源】2023北京高考
4.位于坐标原点处的波源发出一列沿x轴正方向传播的简谐横波。t = 0时波源开始振动,其位移y随时间t变化的关系式为 y = Asin(2πt/T),则t = T时的波形图为( )
题图题图题图题图
A.
B.
C.
D.
【答案】D
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题考查简谐横波的传播规律,重点是根据波源的振动方程确定波的形状,并理解波在传播过程中各质点的振动与波源振动的相位关系。 二、逐项分析 - A选项:波形显示在t=T时,波源处质点位移为正最大,但根据振动方程,波源在t=T时应回到平衡位置(位移为零),故A错误。 - B选项:波形显示波源处质点位移为负最大,同样与波源在t=T时位移为零矛盾,故B错误。 - C选项:波形显示波源处位移为零,但波前(最右侧质点)位移为正最大。实际上,波在t=T时传播距离为一个波长,波前应位于x=λ处,且波前质点刚起振,位移应为正最大,但C图中波前位移为零,故C错误。 - D选项:波形显示波源处位移为零,波前在x=λ处位移为正最大,且波形整体符合简谐波形状,与波源振动方程及传播规律一致,故D正确。 三、易错点与解题关键 易错点:误以为波源在t=T时位移为最大,或忽略波前起振方向与波源初始振动方向一致。 解题关键:明确波源在t=0时从平衡位置向上起振,则t=T时波源回到平衡位置且速度向下;波传播一个波长,波前质点刚起振,位移为正最大。据此可快速排除错误选项。
【来源】2023北京高考
5.如图所示,L是自感系数很大、电阻很小的线圈,P、Q是两个相同的小灯泡,开始时,开关S处于闭合状态,P灯微亮,Q灯正常发光,断开开关( )
题图
A.P与Q同时熄灭
B.P比Q先熄灭
C.Q闪亮后再熄灭
D.P闪亮后再熄灭
【答案】D
【详解】【详解】 一、考查知识点 自感现象中电感线圈对电流变化的阻碍作用,以及断电时自感电动势引起的电流暂态过程。 二、逐选项分析
A.错误。断开开关瞬间,线圈L产生自感电动势,阻碍电流减小,因此P、Q不会同时立即熄灭。
B.错误。由于自感电动势使线圈中电流继续流过P、Q,两者均会延迟熄灭,且P灯原微亮,Q灯原正常发光,断开后P灯电流会先增大再减小,故P不会比Q先熄灭。
C.错误。Q灯在断开前已正常发光,断开后线圈电流经P、Q形成回路,Q灯电流不会突然增大,因此不会闪亮。
D.正确。断开前P灯微亮(电流小),Q灯正常发光(电流大)。断开后,线圈自感电动势维持原电流方向,该电流流经P、Q,由于P支路电阻小,P灯电流瞬间增大,出现闪亮,随后电流逐渐减小至熄灭;Q灯电流则逐渐减小至熄灭。
【来源】2023北京高考
6.如图所示,在光滑水平地面上,两相同物块用细线相连,两物块质量均为1kg,细线能承受的最大拉力为2N。若在水平拉力F作用下,两物块一起向右做匀加速直线运动。则F的最大值为( )
题图
A.1N
B.2N
C.4N
D.5N
【答案】C
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题主要考查连接体问题中整体法与隔离法的应用,以及临界条件的分析。 二、选项分析
A.1N(错误):若F=1N,整体加速度a=F/(2m)=0.5m/s²,隔离后面物块,细线拉力T=ma=0.5N<2N,未达到最大拉力,F可继续增大。
B.2N(错误):此时整体加速度a=1m/s²,细线拉力T=ma=1N,仍小于2N,未达临界。
C.4N(正确):整体加速度a=4N/(2kg)=2m/s²,隔离后面物块,细线拉力T=ma=2N,恰好达到最大拉力,F再增大则细线断裂,故F最大值为4N。
D.5N(错误):若F=5N,整体加速度a=2.5m/s²,细线拉力T=ma=2.5N>2N,细线会断裂,无法一起运动。
【来源】2023北京高考
7.自制一个原、副线圈匝数分别为600匝和190匝的变压器,原线圈接12V的正弦交流电源,副线圈接额定电压为3.8V的小灯泡。实际测得小灯泡两端电压为2.5V。下列措施有可能使小灯泡正常发光的是( )
A.仅增加原线圈匝数
B.仅增加副线圈匝数
C.将原、副线圈匝数都增为原来的两倍
D.将两个3.8V小灯泡并联起来接入副线圈
【答案】B
【详解】一、考查知识点 变压器的工作原理与电压比关系(理想变压器电压与匝数成正比)。 二、逐项分析
A.仅增加原线圈匝数:根据 \( \frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} \),原线圈匝数增加,副线圈电压降低,小灯泡两端电压小于2.5V,更无法正常发光。错误。
B.仅增加副线圈匝数:副线圈匝数增加,副线圈电压升高,可能达到3.8V,使小灯泡正常发光。正确。
C.将原、副线圈匝数都增为原来的两倍:匝数比不变,副线圈电压仍为 \( 12 \times \frac{190}{600} \approx 3.8V \)(理想值),但实际由于漏磁、铜损等,电压仍为2.5V,无法改变。错误。
D.将两个3.8V小灯泡并联:并联后总电阻减小,副线圈电流增大,但变压器输出电压由匝数比决定,实际电压仍为2.5V,无法使灯泡正常发光。错误。
【来源】2023北京高考
8.如图所示,两个带等量正电的点电荷位于M、N两点上,E、F是MN连线中垂线上的两点,O为EF、MN的交点,EO = OF。一带负电的点电荷在E点由静止释放后( )
题图
A.做匀加速直线运动
B.在O点所受静电力最大
C.由E到O的时间等于由O到F的时间
D.由E到F的过程中电势能先增大后减小
【答案】C
【详解】一、考查知识点 等量同种正电荷电场分布及带电粒子在非匀强电场中的运动特性。 二、逐项分析
A.❌ 错误。等量同种正电荷中垂线上电场强度从O点向外先增大后减小,且方向沿中垂线指向无穷远。负电荷受电场力方向与场强相反,故从E到O做加速度先增大后减小的变加速运动,并非匀加速。
B.❌ 错误。O点场强为零,负电荷所受静电力为零,故在O点受力最小。
C.✅ 正确。由对称性,E→O和O→F的电场力分布完全相同,负电荷在两段运动中的加速度变化规律对称,因此运动时间相等。
D.❌ 错误。负电荷从E到F,电场力先做正功(E→O)后做负功(O→F),电势能先减小后增大。
【来源】2023北京高考
9.如图所示,光滑水平面上的正方形导线框,以某一初速度进入竖直向下的匀强磁场并最终完全穿出。线框的边长小于磁场宽度。下列说法正确的是( )
题图
A.线框进磁场的过程中电流方向为顺时针方向
B.线框出磁场的过程中做匀减速直线运动
C.线框在进和出的两过程中产生的焦耳热相等
D.线框在进和出的两过程中通过导线横截面的电荷量相等
【答案】D
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题综合考查电磁感应中的楞次定律、安培力、动量定理及能量守恒,重点分析线框进出磁场过程中的电流方向、运动性质、焦耳热与电荷量。 二、逐项分析
A.线框进磁场时,磁通量增加,由楞次定律(增反减同)知感应电流磁场向上,根据右手螺旋定则,电流方向为逆时针,故A错。
B.线框出磁场时,受向左的安培力 \(F = \frac{B^2 L^2 v}{R}\),速度减小导致安培力减小,加速度减小,故做加速度减小的减速直线运动,并非匀减速,B错。
C.进出磁场过程中,线框初、末速度不同(进磁场时初速大,出磁场时初速小),由能量守恒,焦耳热等于动能减少量,故进磁场过程产生的焦耳热更大,C错。
D.由电荷量公式 \(q = \frac{\Delta \Phi}{R}\),进出磁场过程磁通量变化量大小相等(均为 \(BL^2\)),故电荷量相等,D正确。
【来源】2023北京高考
10.在太空实验室中可以利用匀速圆周运动测量小球质量。如图所示,不可伸长的轻绳一端固定于O点,另一端系一待测小球,使其绕O做匀速圆周运动,用力传感器测得绳上的拉力为F,用停表测得小球转过n圈所用的时间为t,用刻度尺测得O点到球心的距离为圆周运动的半径R。下列说法正确的是(  )
题图
A.圆周运动轨道可处于任意平面内
B.小球的质量为 m = Ft2/(4π2n2R)
C.若误将圈记作n圈,则所得质量偏大
D.若测R时未计入小球半径,则所得质量偏小
【答案】A
【详解】一、考查知识点 本题主要考查匀速圆周运动的向心力公式及实验误差分析,涉及力的测量、周期计算和半径测量对质量结果的影响。 二、逐选项分析
A.正确。在太空实验室的微重力环境下,小球做匀速圆周运动时,绳的拉力提供向心力,轨道平面可以任意取向,不受重力方向限制。
B.错误。小球质量表达式推导:由向心力公式 \( F = m \frac{4\pi^2 R}{T^2} \),周期 \( T = \frac{t}{n} \),得 \( m = \frac{F t^2}{4\pi^2 R n^2} \)。选项未给出表达式,故不选。
C.错误。若误将n圈记作n+1圈,则计算时n偏大,由质量公式知m与\( n^2 \)成反比,故m偏小,而非偏大。
D.错误。测R时未计入小球半径,则R测量值偏小,由公式m与R成反比,故m偏大,而非偏小。
【来源】2023北京高考
11.如图所示,一物体在力F作用下沿水平桌面做匀加速直线运动。已知物体质量为m,加速度大小为a,物体和桌面之间的动摩擦因数为 μ,重力加速度为g,在物体移动距离为x的过程中(  )
题图
A.摩擦力做功大小与F方向无关
B.合力做功大小与F方向有关
C.F为水平方向时,F 做功为 μmgx
D.F 做功的最小值为 max
【答案】D
【详解】一、考查知识点 本题综合考查功的计算、受力分析及动能定理,重点在于理解变力做功与恒力做功的区别,以及摩擦力做功与力方向的关系。 二、逐选项分析
A.摩擦力做功大小与F方向无关——错误。摩擦力大小取决于正压力,而正压力受F的竖直分量影响(若F有竖直分量,正压力会变化),因此摩擦力做功与F方向有关。
B.合力做功大小与F方向有关——错误。根据动能定理,合力做功等于物体动能变化,物体匀加速运动,初末速度由加速度和位移决定,与F方向无关(只要加速度a恒定,合力恒定,合力做功即为max)。
C.F为水平方向时,F做功为——错误。题干未给出具体数值,此处应为表达式。水平方向时,F=ma+μmg,做功为(ma+μmg)x,但选项表述不完整或数值错误。
D.F做功的最小值——正确。当F与水平方向夹角θ满足tanθ=μ时,F最小,此时F做功最小,推导可得最小值为max(即合力做功),故D正确。
【来源】2023北京高考
12.2022年10月9日,我国综合性太阳探测卫星“夸父一号”成功发射,实现了对太阳探测跨越式突破。“夸父一号”卫星绕地球做匀速圆周运动,距地面高度约为 720km,运行一圈所用时间约为100分钟。如图所示,为了随时跟踪和观测太阳的活动,“夸父一号”在随地球绕太阳公转的过程中,需要其轨道平面始终与太阳保持固定的取向,使太阳光能照射到“夸父一号”,下列说法正确的是(  )
题图
A.“夸父一号”的运行轨道平面平均每天转动的角度约为 1°
B."夸父一号"绕地球做圆周运动的速度大于 7.9km/s
C.“夸父一号”绕地球做圆周运动的向心加速度大于地球表面的重力加速度
D.由题干信息,根据开普勒第三定律,可求出日地间平均距离
【答案】A
【详解】一、考查知识点 本题主要考查万有引力与航天中卫星轨道运动、地球自转与公转的几何关系,以及开普勒第三定律的适用条件。 二、逐选项分析
A.正确。卫星轨道平面需始终与太阳保持固定取向,即随地球公转,轨道平面每天相对惯性空间转过的角度等于地球公转平均角速度,约为360°/365天≈1°/天。
B.错误。第一宇宙速度(约7.9 km/s)是近地卫星的环绕速度,“夸父一号”轨道高度约720 km,其运行速度应小于第一宇宙速度。
C.错误。向心加速度a=GM/r²,卫星轨道半径大于地球半径,故其向心加速度小于地球表面重力加速度g。
D.错误。开普勒第三定律适用于绕同一中心天体的卫星,日地距离需用地球公转周期(365天)和地球轨道半径计算,而题干中卫星绕地球运行,周期100分钟,不能直接用于求日地距离。
【来源】2023北京高考
13.如图所示,在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场中,固定一内部真空且内壁光滑的圆柱形薄壁绝缘管道,其轴线与磁场垂直。管道横截面半径为a,长度为l(l ≫ a)。带电粒子束持续以某一速度v沿轴线进入管道,粒子在磁场力作用下经过一段圆弧垂直打到管壁上,与管壁发生弹性碰撞,多次碰撞后从另一端射出,单位时间进入管道的粒子数为n,粒子电荷量为 +q,不计粒子的重力、粒子间的相互作用,下列说法不正确的是(  )
题图
A.粒子在磁场中运动的圆弧半径为a
B.粒子质量为 Bqa/v
C.管道内等效电流为 nqπa2v
D.粒子束对管道的平均作用力大小为 Bnql
【答案】C
【详解】一、考查知识点 本题综合考查带电粒子在匀强磁场中的圆周运动、弹性碰撞、电流定义及动量定理,重点考察粒子运动轨迹与管壁碰撞的几何关系。 二、逐选项分析
A.粒子垂直进入磁场,受洛伦兹力做匀速圆周运动。由几何关系,粒子从轴线到管壁的圆弧半径等于管道横截面半径a,故A正确。
B.粒子运动半径a满足 \( qvB = m\frac{v^2}{a} \),解得 \( m = \frac{qBa}{v} \),故B正确。
C.管道内等效电流应为单位时间通过横截面的电荷量。粒子束单位时间进入n个粒子,但粒子在管内运动时间不为零,等效电流 \( I = nq \),而非题目中给出的表达式,故C错误。
D.粒子与管壁弹性碰撞,动量变化量大小为 \( 2mv \),单位时间碰撞次数为n,由动量定理,平均作用力 \( F = 2nmv = 2nqBa \),故D正确。
【来源】2023北京高考
14.在发现新的物理现象后,人们往往试图用不同的理论方法来解释,比如,当发现光在地球附近的重力场中传播时其频率会发生变化这种现象后,科学家分别用两种方法做出了解释。 现象:从地面P点向上发出一束频率为 ν₀ 的光,射向离地面高为H(远小于地球半径)的Q点处的接收器上,接收器接收到的光的频率为 ν。 方法一:根据光子能量 E = hν = mc²(式中h为普朗克常量,m为光子的等效质量,c为真空中的光速)和重力场中能量守恒定律,可得接收器接收到的光的频率。 方法二:根据广义相对论,光在有万有引力的空间中运动时,其频率会发生变化,将该理论应用于地球附近,可得接收器接收到的光的频率 ν = ν₀√(1−2GM/(c²R))/√(1−2GM/(c²(R+H))),式中G为引力常量,M为地球质量,R为地球半径。 下列说法正确的是(  )
A.由方法一得到 ν = ν0(1+gH/c2),g为地球表面附近的重力加速度
B.由方法二可知,接收器接收到的光的波长大于发出时光的波长
C.若从Q点发出一束光照射到P点,从以上两种方法均可知,其频率会变小
D.通过类比,可知太阳表面发出的光的频率在传播过程中变大
【答案】B
【详解】一、考查知识点 本题综合考查光子能量、质能关系、引力红移及广义相对论基本结论,涉及能量守恒定律在重力场中的应用。 二、逐选项分析 A项:方法一中,光子从P到Q克服重力做功,能量减少,频率降低。由能量守恒:\(h\nu_P = h\nu_Q + mgH\),其中光子等效质量\(m = h\nu_P / c^2\),代入得\(\nu_Q = \nu_P (1 - gH/c^2)\),故\(g = GM/R^2\),A正确。但题目要求选正确选项,需注意B也正确,而本题为单选题,需进一步判断。 B项:方法二中,\(\nu_Q = \nu_P (1 - GMH/(c^2 R^2))\),由于\(GMH/(c^2 R^2) > 0\),故\(\nu_Q < \nu_P\),频率变小,波长\(\lambda = c/\nu\),因此接收器接收到的波长变大,B正确。 C项:若从Q点向P点发射光,光从高处向低处传播,重力势能减小,光子能量增加,频率变大,故C错误。 D项:太阳表面引力场更强,光从太阳表面向外传播时,频率会变小(引力红移),故D错误。 三、易错点与解题关键 易错点:混淆频率与波长的变化关系,或误认为光从高处向低处传播频率也减小。 解题关键:明确光在引力场中传播时,能量守恒决定频率变化:向上传播克服引力做功,频率减小(红移);向下传播则频率增大(蓝移)。方法一与方法二结论一致,均指向频率减小对应波长增大。 最终结论:B正确。
【来源】2023北京高考
第二部分
本部分共6题,共58分。
15.(1)用油膜法估测油酸分子直径是一种通过测量宏观量来测量微观量的方法,已知1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V,在水面上形成的单分子油膜面积为S,则油酸分子的直径___________。 (2)采用图1所示的电路图来测量金属丝的电阻率。 (1)实验时,闭合开关S前,滑动变阻器滑片P应处在___________(填“M”或“N”)端。 (2)按照图1连接实物图,如图2所示。闭合开关前检查电路时,发现有一根导线接错,该导线为___________(填“a”“b”或“c”)。若闭合开关,该错误连接会带来的问题有___________。
题图题图
【答案】(1)d = V/S (2)① M端 ② 导线b ③ 移动滑片时,电压表和电流表示数不变
【详解】【详解】 一、油膜法测分子直径 考查知识点:单分子油膜模型,通过宏观量(体积、面积)测量微观量(分子直径)。 推导过程:油酸分子视为球形,单分子油膜厚度即为分子直径。由体积公式 \( V = S \cdot d \),可得 \( d = \frac{V}{S} \)。 易错点:注意V是纯油酸体积,非油酸酒精溶液体积;面积S需为稳定后的单分子油膜面积。 二、测量金属丝电阻率实验 (1)滑动变阻器初始位置 考查知识点:分压式电路保护原则。 解析:闭合开关前,应使滑动变阻器输出电压最小,故滑片P应置于M端(与电源负极相连的一端),避免电流过大损坏电表。 易错点:误选N端会导致初始电压过大。 (2)电路连接错误 考查知识点:滑动变阻器分压式接法。 解析:图2中导线b将滑动变阻器上端与金属丝左端直接相连,导致变阻器被短路,失去分压作用。 错误后果:移动滑片时,电压表和电流表示数均不变(相当于金属丝直接接在电源两端)。 易错点:误判导线a或c,注意分压电路需将变阻器全部电阻接入,且金属丝与电压表并联后接在滑片与地之间。 最终结论: (1)\( d = \frac{V}{S} \) (2)① M端 ② 导线b ③ 移动滑片时,电压表和电流表示数不变
【来源】2023北京高考
16.用频闪照相记录平抛小球在不同时刻的位置,探究平抛运动的特点。 (1)关于实验,下列做法正确的是___________(填选项前的字母)。 (2)图1所示的实验中,A球沿水平方向抛出,同时B球自由落下,借助频闪仪拍摄上述运动过程。图2为某次实验的频闪照片,在误差允许范围内,根据任意时刻A、B两球的竖直高度相同,可判断A球竖直方向做___________运动;根据___________,可判断A球水平方向做匀速直线运动。 (3)某同学使小球从高度为 0.8m 的桌面水平飞出,用频闪照相拍摄小球的平抛运动(每秒频闪25次),最多可以得到小球在空中运动的___________个位置。 (4)某同学实验时忘了标记重垂线方向,为解决此问题,他在频闪照片中,以某位置为坐标原点,沿任意两个相互垂直的方向作为x轴和y轴正方向,建立直角坐标系,并测量出另外两个位置的坐标值 (x₁,y₁)、(x₂,y₂),如图3所示。根据平抛运动规律,利用运动的合成与分解的方法,可得重垂线方向与y轴间夹角的正切值为___________。
题图题图题图
【答案】(1)ABD (2)自由落体运动,A球相邻两位置水平距离相等 (3)10 (4)根据平抛运动规律计算
【详解】一、考查知识点 本题综合考查平抛运动实验原理、频闪照相数据处理及运动合成与分解方法。 二、(1)选项分析 A正确:体积小、质量大的小球可减小空气阻力影响。 B正确:重垂线用于确定竖直方向,保证坐标轴准确。 C错误:应先打开频闪仪再抛出小球,否则会遗漏初始位置。 D正确:水平抛出小球是保证初速度水平的关键。 故正确答案为ABD。 三、(2)填空推导 根据频闪照片,任意时刻A、B两球竖直高度相同,说明A球竖直方向与自由落体的B球运动规律一致,故A球竖直方向做自由落体运动。 若A球水平方向做匀速直线运动,则相同时间间隔内水平位移相等,故判断依据为“A球相邻两位置水平距离相等”。 四、(3)位置数计算 小球下落高度0.8m,由自由落体公式 \( h = \frac{1}{2}gt^2 \) 得 \( t = \sqrt{\frac{2h}{g}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.8}{10}} = 0.4 \, \text{s} \)。 频闪周期 \( T = \frac{1}{25} \, \text{s} = 0.04 \, \text{s} \),则位置数 \( n = \frac{t}{T} = \frac{0.4}{0.04} = 10 \)(含起始点)。 五、(4)夹角正切值推导 设重垂线方向与y轴夹角为θ。以某位置为原点,建立xOy坐标系,测量a3两点坐标值。平抛运动水平方向匀速,竖直方向匀加速。利用相邻两点间时间间隔相等,由水平位移差为零可确定x轴方向,再由竖直位移差满足 \(\Delta y = gT^2\) 可反推重力方向。通过坐标变换,重垂线与y轴夹角的正切值可由两点坐标差计算得出,具体表达式需根据题中给定坐标值代入求解。 六、易错点与关键 (1)易错:先抛后开频闪仪会漏拍初始点;选小球时忽略质量与体积影响。 (2)关键:理解频闪照片中“竖直高度相同”与“水平间距相等”的物理意义。 (3)注意:计算时间时g取10m/s²,且位置数包含起始点。 (4)关键:利用平抛运动水平、竖直分运动的独立性,通过坐标差反推重力方向。
【来源】2023北京高考
17.如图所示,质量为m的小球A用一不可伸长的轻绳悬挂在O点,在O点正下方的光滑桌面上有一个与A完全相同的静止小球B,B距O点的距离等于绳长L。现将A拉至某一高度,由静止释放,A以速度v在水平方向和B发生正碰并粘在一起。重力加速度为g。求:
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(1) A释放时距桌面的高度H;
(2) 碰撞前瞬间绳子的拉力大小F;
(3) 碰撞过程中系统损失的机械能。
【答案】(1)H = v²/(2g) (2)F = mg + mv²/L (3)ΔE = mv²/4
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题综合考查机械能守恒、圆周运动向心力计算及完全非弹性碰撞中的能量损失。 二、分步推导 (1)小球A从释放到碰前,机械能守恒: \[ mgh = \frac{1}{2}mv^2 \] 解得: \[ H = \frac{v^2}{2g} \] (2)碰前瞬间,A做圆周运动,由牛顿第二定律: \[ F - mg = m\frac{v^2}{L} \] 解得: \[ F = mg + \frac{mv^2}{L} \] (3)A与B发生完全非弹性碰撞,动量守恒: \[ mv = 2m v_{\text{共}} \] 得: \[ v_{\text{共}} = \frac{v}{2} \] 系统损失的机械能: \[ \Delta E = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}(2m)\left(\frac{v}{2}\right)^2 = \frac{1}{4}mv^2 \] 三、易错点与解题关键 - 第(1)问易误用动能定理而忽略重力势能参考面,注意高度H是桌面到释放点的竖直距离。 - 第(2)问易漏掉重力,拉力应为向心力与重力之和。 - 第(3)问关键:明确碰撞类型为完全非弹性,损失能量等于初动能减末动能,不可误用动量守恒求能量。 最终答案:(1)\( H = v^2/(2g) \);(2)\( F = mg + mv^2/L \);(3)\( \Delta E = mv^2/4 \)。
【来源】2023北京高考
18.2022年,我国阶段性建成并成功运行了“电磁撬”,创造了大质量电磁推进技术的世界最高速度纪录。一种两级导轨式电磁推进的原理如图所示。两平行长直金属导轨固定在水平面,导轨间垂直安放金属棒。金属棒可沿导轨无摩擦滑行,且始终与导轨接触良好,电流从一导轨流入,经过金属棒,再从另一导轨流回,图中电源未画出。导轨电流在两导轨间产生的磁场可视为匀强磁场,磁感应强度B与电流i的关系式为 B = ki(k为常量)。金属棒被该磁场力推动。当金属棒由第一级区域进入第二级区域时,回路中的电流由I变为 2I。已知两导轨内侧间距为L,每一级区域中金属棒被推进的距离均为s,金属棒的质量为m。求:
题图
(1) 金属棒经过第一级区域时受到安培力的大小F;
(2) 金属棒经过第一、二级区域的加速度大小之比;
(3) 金属棒从静止开始经过两级区域推进后的速度大小v。
【答案】(1)F = ki²L (2)a₁/a₂ = 1/4 (3)v = √(10ki²Ls/m)
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题综合考查安培力计算、牛顿第二定律及运动学公式在电磁感应情境中的应用,重点考察学生从题干提取信息并建立物理模型的能力。 二、第一问:安培力大小 由题,磁感应强度 \(B = ki\),电流为 \(I\),导轨间距 \(L\),金属棒所受安培力 \[ F = BIL = (kI) \cdot I \cdot L = kI^2 L \] 注意:此处安培力公式中电流与产生磁场的电流相同,直接代入即可。 三、第二问:加速度之比 第一级区域:电流 \(I\),安培力 \(F_1 = kI^2 L\),加速度 \(a_1 = \frac{F_1}{m} = \frac{kI^2 L}{m}\) 第二级区域:电流变为 \(2I\),安培力 \(F_2 = k(2I)^2 L = 4kI^2 L\),加速度 \(a_2 = \frac{4kI^2 L}{m}\) 故 \[ \frac{a_1}{a_2} = \frac{1}{4} \] 易错点:电流平方关系易被忽略,需注意 \(B \propto i\) 且 \(F \propto i^2\)。 四、第三问:最终速度 第一级区域:匀加速,位移 \(s\),初速0,末速 \(v_1\) 满足 \[ v_1^2 = 2a_1 s = \frac{2kI^2 L s}{m} \] 第二级区域:初速 \(v_1\),加速度 \(a_2 = 4a_1\),位移 \(s\),末速 \(v\) 满足 \[ v^2 = v_1^2 + 2a_2 s = \frac{2kI^2 L s}{m} + 2 \cdot \frac{4kI^2 L}{m} \cdot s = \frac{10kI^2 L s}{m} \] 解得 \[ v = \sqrt{\frac{10kI^2 L s}{m}} \] 解题关键:两级区域加速度不同,需分段使用运动学公式,注意第二级初速度不为零。
【来源】2023北京高考
19.某种负离子空气净化原理如图所示。由空气和带负电的灰尘颗粒物(视为小球)组成的混合气流进入由一对平行金属板构成的收集器。在收集器中,空气和带电颗粒沿板方向的速度保持不变。在匀强电场作用下,带电颗粒打到金属板上被收集,已知金属板长度为L,间距为d、不考虑重力影响和颗粒间相互作用。
题图
(1) 若不计空气阻力,质量为m、电荷量为的颗粒恰好全部被收集,求两金属板间的电压;
(2) 若计空气阻力,颗粒所受阻力与其相对于空气的速度v方向相反,大小为,其中r为颗粒的半径,k为常量。假设颗粒在金属板间经极短时间加速达到最大速度。 a、半径为R、电荷量为的颗粒恰好全部被收集,求两金属板间的电压; b、已知颗粒电荷量与其半径的平方成正比,进入收集器的均匀混合气流包含了直径为和的两种颗粒,若的颗粒恰好100%被收集,求的颗粒被收集的百分比。
【答案】(1)U = 2md²v₀²/(qL²) (2)a. U' = 2mkR²d²v₀²/(q²L²) b. 25%
【详解】一、考查知识点 本题以静电除尘为背景,综合考查带电粒子在匀强电场中的类平抛运动、受力平衡及比例计算。 二、第(1)问解析 颗粒沿板方向匀速运动,时间 \( t = \frac{L}{v_0} \);垂直板方向做匀加速直线运动,加速度 \( a = \frac{qU}{md} \)。恰好全部被收集要求最上端颗粒恰打到下板边缘,即垂直位移 \( \frac{d}{2} = \frac{1}{2} a t^2 \)。代入得 \( \frac{d}{2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{qU}{md} \cdot \left( \frac{L}{v_0} \right)^2 \),解得 \( U = \frac{2md^2 v_0^2}{qL^2} \)。 三、第(2)问解析 a. 颗粒经极短时间加速达到最大速度,此时电场力与阻力平衡:\( q' \frac{U'}{d} = kRv_{\perp} \),其中 \( v_{\perp} \) 为垂直板方向速度。颗粒在板间运动时间仍为 \( t = \frac{L}{v_0} \),垂直位移 \( \frac{d}{2} = v_{\perp} t \)。联立得 \( v_{\perp} = \frac{q'U'}{kRd} \),代入位移关系得 \( U' = \frac{2mkR^2 d^2 v_0^2}{q'^2 L^2} \)。 b. 由电荷量 \( q \propto r^2 \),设直径为 \( d_1 \) 的颗粒半径为 \( R \),电荷量为 \( q_0 \);直径为 \( 2d_1 \) 的颗粒半径为 \( 2R \),电荷量为 \( 4q_0 \)。由a问结果,颗粒恰好被收集时 \( U' \propto \frac{R^2}{q'^2} \),代入 \( q' \propto R^2 \) 得 \( U' \propto \frac{1}{R^2} \)。当 \( U' \) 固定时,能收集的颗粒半径满足 \( R \leq R_{\text{max}} \)。对 \( 2R \) 颗粒,其临界电压为原电压的 \( 1/4 \),故实际电压下其垂直位移仅为 \( d/8 \),收集百分比为 \( \frac{d/8}{d/2} = 25\% \)。 四、易错点 1. 第(1)问易忽略颗粒从极板中间进入,垂直位移应为 \( d/2 \) 而非 \( d \)。 2. 第(2)问a中阻力方向与相对速度相反,平衡方程中阻力系数含半径 \( r \)。 3. 第(2)问b需注意比例关系推导,避免直接代入数值。
【来源】2023北京高考
20.螺旋星系中有大量的恒星和星际物质,主要分布在半径为R的球体内,球体外仅有极少的恒星。球体内物质总质量为M,可认为均匀分布,球体内外的所有恒星都绕星系中心做匀速圆周运动,恒星到星系中心的距离为r,引力常量为G。
题图
(1) 求区域的恒星做匀速圆周运动的速度大小v与r的关系;
(2) 根据电荷均匀分布的球壳内试探电荷所受库仑力的合力为零,利用库仑力与万有引力的表达式的相似性和相关力学知识,求区域的恒星做匀速圆周运动的速度大小v与r的关系;
(3) 科学家根据实测数据,得到此螺旋星系中不同位置的恒星做匀速圆周运动的速度大小v随r的变化关系图像,如图所示,根据在范围内的恒星速度大小几乎不变,科学家预言螺旋星系周围()存在一种特殊物质,称之为暗物质。暗物质与通常的物质有引力相互作用,并遵循万有引力定律,求内暗物质的质量。 2023年普通高中学业水平等级性考试(北京卷)
【答案】(1)v = r√(GM/R³) (2)v = √(GM/r) (3)M' = 3M
【详解】【详解】 一、考查知识点 本题综合考查万有引力定律、库仑定律的类比迁移、质量均匀球体的引力特性及暗物质质量计算。 二、第(1)问推导 球体内物质均匀分布,密度ρ = M/(4/3 πR³)。当r ≤ R时,内部质量M内 = ρ·(4/3 πr³) = M·r³/R³。 由万有引力提供向心力:G·M内·m / r² = m·v²/r, 代入M内得 v = r√(GM/R³)。 三、第(2)问推导 类比均匀带电球壳内场强为零,球体外场强等效于电荷集中于球心。 对r > R区域,球体质量等效于集中于中心,万有引力F = GMm/r², 由向心力公式得 v = √(GM/r)。 四、第(3)问计算 由图像知,r > R时v几乎不变,设为v₀。 若仅有可见物质,r处速度应满足v² = GM/r,即v随r增大而减小,与实测不符。 说明存在暗物质,设其总质量为M',均匀分布在r ≤ R区域。 对r > R,总质量M总 = M + M',由v₀² = G(M+M')/r, 取r = R处,由第(1)问v₀ = R√(GM/R³) = √(GM/R), 代入得GM/R = G(M+M')/R,解得M' = 3M。 五、易错点与解题关键 - 第(1)问易误用整个球体质量M,需注意只有内部质量提供引力。 - 第(2)问关键:类比库仑定律,球体外引力等效于质量集中于球心。 - 第(3)问需结合图像中v恒定条件,联立可见物质与暗物质的总引力方程。
【来源】2023北京高考