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北京市2021 年普通高中学业水平等级性考试物理
一、单项选择题(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.(2021·北京卷·1)硼(B)中子俘获治疗是目前最先进的癌症治疗手段之一,治疗时先给病人
注射一种含硼的药物,随后用中子照射,硼俘获中子后,产生高杀伤力的α 粒子和锂(Li)离
子.这个核反应的方程是( )
A.B+n→Li+He
B.B+He→N+n
C.N+He→O+H
D.N+n→C+H
答案 A
解析 由题知,硼俘获中子后,产生高杀伤力的α 粒子和锂(Li)离子,而α 粒子为氦原子核,
则这个核反应方程为B+n→Li+He,故选A.
2.(2021·北京卷·2)如图所示的平面内,光束a 经圆心O 射入半圆形玻璃砖,出射光为b、c 两
束单色光.下列说法正确的是( )
A.这是光的干涉现象
B.在真空中光束b 的波长大于光束c 的波长
C.玻璃砖对光束b 的折射率大于对光束c 的折射率
D.在玻璃砖中光束b 的传播速度大于光束c 的传播速度
答案 C
解析 光束a 经圆心O 射入半圆形玻璃砖,出射光为b、c 两束单色光,这是光的色散现象,
A 错误;
由题图可知光束c 的折射角大于光束b 的折射角,根据折射定律可知nc<nb,C 正确;
由于光的折射率越大,其频率越大,波长越短,则光束b 在真空中的波长较短,B 错误;
根据v=知,光束c 的折射率比光束b 的小,则c 光在玻璃砖中的传播速度比b 光束大,D
错误.
3.(2021·北京卷·3)一列简谐横波某时刻的波形图如图所示.此后K 质点比L 质点先回到平衡
位置.下列判断正确的是( )
A.该简谐横波沿x 轴负方向传播
B.此时K 质点沿y 轴正方向运动
C.此时K 质点的速度比L 质点的小
D.此时K 质点的加速度比L 质点的小
答案 D
解析 由题知K 质点比L 质点先回到平衡位置,则K 质点应沿y 轴负方向运动,再根据“上
下坡”法可知,该波应沿x 轴正方向传播,A、B 错误;
此时K 质点沿y 轴负方向运动,而L 质点在波谷处,则L 质点的速度为0,故此时K 质点的
速度比L 质点的大,C 错误;
由于质点在y 轴上方向做机械振动,根据F=- ky,F=ma,
结合波的图像可看出此时yL > yK.则此时K 质点的加速度比L 质点的小,D 正确.
4.(2021·北京卷·4)比较45 ℃的热水和100 ℃的水蒸汽,下列说法正确的是( )
A.热水分子的平均动能比水蒸汽的大
B.热水的内能比相同质量的水蒸汽的小
C.热水分子的速率都比水蒸汽的小
D.热水分子的热运动比水蒸汽的剧烈
答案 B
解析 温度是分子平均动能的标志,温度升高,分子的平均动能增大,故热水分子的平均动
能比水蒸汽的小,故A 错误;内能与物质的量、温度、体积有关,相同质量的热水和水蒸
汽,热水变成水蒸汽,温度升高,体积增大,吸收热量,故热水的内能比相同质量的水蒸汽
的小,故B 正确;温度越高,分子热运动的平均速率越大,45 ℃的热水中的分子平均速率
比100 ℃的水蒸汽中的分子平均速率小,由于分子运动是无规则的,并不是每个分子的速率
都小,故C 错误;温度越高,分子热运动越剧烈,故D 错误.
5.(2021·北京卷·5)一正弦式交变电流的i-t 图像如图所示.下列说法正确的是( )
A.在t=0.4 s 时电流改变方向
B.该交变电流的周期为0.5 s
C.该交变电流的表达式为i=2cos 5πt A
D.该交变电流的有效值为 A
答案 C
解析 由题图可知t=0.4 s 时电流为正方向最大,电流方向没有发生变化,故A 错误;
由题图可知,该交变电流的周期为T=0.4 s,故B 错误;
由题图可知,电流的最大值为imax=2 A,
ω==5π rad/s,故该交变电流的表达式为i=imaxcos ωt=2cos 5πt A,故C 正确;
该交变电流的有效值为i== A,故D 错误.
6.(2021·北京卷·6)2021 年5 月,“天问一号”探测器成功在火星软着陆,我国成为世界上
第一个首次探测火星就实现“绕、落、巡”三项任务的国家.“天问一号”在火星停泊轨道
运行时,近火点距离火星表面2.8×102 km、远火点距离火星表面5.9×105 km,则“天问一
号”( )
A.在近火点的加速度比远火点的小
B.在近火点的运行速度比远火点的小
C.在近火点的机械能比远火点的小
D.在近火点通过减速可实现绕火星做圆周运动
答案 D
解析 根据牛顿第二定律有G=ma,
解得a=,
故在近火点的加速度比远火点的大,故A 错误;
根据开普勒第二定律,可知在近火点的运行速度比远火点的大,故B 错误;
“天问一号”在同一轨道运行,只有引力做功,则机械能守恒,故C 错误;
“天问一号”在近火点做的是离心运动,若要变为绕火星的圆轨道,需要减速,故D 正确.
7.(2021·北京卷·7)如图所示,在竖直向下的匀强磁场中,水平U 型导体框左端连接一阻值
为R 的电阻,质量为m、电阻为r 的导体棒ab 置于导体框上.不计导体框的电阻、导体棒
与框间的摩擦.ab 以水平向右的初速度v0开始运动,最终停在导体框上.在此过程中( )
A.导体棒做匀减速直线运动
B.导体棒中感应电流的方向为a→b
C.电阻R 消耗的总电能为
D.导体棒克服安培力做的总功小于mv0
2
答案 C
解析 导体棒向右运动,根据右手定则,可知电流方向为b 到a,再根据左手定则可知,导
体棒受到向左的安培力,根据法拉第电磁感应定律,可得产生的感应电动势为
E=BLv0,
感应电流为I==
故安培力为F=BIL=
根据牛顿第二定律有F=ma
可得a=v
随着速度减小,加速度不断减小,故导体棒不是做匀减速直线运动,故A、B 错误;
根据能量守恒定律,可知整个过程回路中产生的总热量为Q=mv0
2,
因电阻与导体棒串联,则产生的热量与电阻成正比,
则电阻R 产生的热量为QR=Q=,故C 正确;
整个过程只有安培力做负功,根据动能定理可知,导体棒克服安培力做的总功等于mv0
2,故
D 错误.
8.(2021·北京卷·8)如图所示,高速公路上汽车定速巡航(即保持汽车速率不变)通过路面
abcd,其中ab 段为平直上坡路面,bc 段为水平路面,cd 段为平直下坡路面.不考虑整个过
程中空气阻力和摩擦阻力的大小变化.下列说法正确的是( )
A.在ab 段汽车的输出功率逐渐减小
B.汽车在ab 段的输出功率比bc 段的大
C.在cd 段汽车的输出功率逐渐减小
D.汽车在cd 段的输出功率比bc 段的大
答案 B
解析 在ab 段,根据平衡条件可知,
牵引力F1=mgsin θ+Ff
汽车的输出功率P1=F1v 不变,
在bc 段牵引力F2=Ff
汽车的输出功率P2=F2v<P1
故A 错误,B 正确;
在cd 段牵引力F3=Ff-mgsin θ
汽车的输出功率P3=F3v<P2
在cd 段汽车的输出功率不变,且小于bc 段,故C、D 错误.
9.(2021·北京卷·9)如图所示的平面内,有静止的等量异号点电荷,M、N 两点关于两电荷连
线对称,M、P 两点关于两电荷连线的中垂线对称.下列说法正确的是( )
A.M 点的场强比P 点的场强大
B.M 点的电势比N 点的电势高
C.N 点的场强与P 点的场强相同
D.电子在M 点的电势能比在P 点的电势能大
答案 C
解析 等量异种点电荷的电场线分布如图,
由图可知M 点的场强与P 点的场强大小相等,N 点的场强与P 点的场强大小相等、方向相
同,故A 错误,C 正确;
根据等量异种点电荷的电势分布特点可知,M 点的电势与N 点的电势相等,M 点的电势高
于P 点的电势,根据Ep=φq 可知,电子在M 点的电势能比在P 点的电势能小,故B、D 错
误.
10.(2021·北京卷·10)如图所示,圆盘在水平面内以角速度ω 绕中心轴匀速转动,圆盘上距
轴r 处的P 点有一质量为m 的小物体随圆盘一起转动.某时刻圆盘突然停止转动,小物体由
P 点滑至圆盘上的某点停止.下列说法正确的是( )
A.圆盘停止转动前,小物体所受摩擦力的方向沿运动轨迹切线方向
B.圆盘停止转动前,小物体运动一圈所受摩擦力的冲量大小为2mωr
C.圆盘停止转动后,小物体沿圆盘半径方向运动
D.圆盘停止转动后,小物体整个滑动过程所受摩擦力的冲量大小为mωr
答案 D
解析 圆盘停止转动前,小物体随圆盘一起转动,小物体所受摩擦力提供向心力,方向沿半
径方向,故A 错误;
圆盘停止转动前,小物体所受摩擦力Ff=mrω2,
小物体运动一圈所受摩擦力的冲量大小为
I=FfT=mrω2·=2πmrω,故B 错误;
圆盘停止转动后瞬间,小物体沿运动轨迹切线方向运动,之后也不会沿圆半径方向运动,故
C 错误;
圆盘停止转动后,根据动量定理可知,小物体整个滑动过程所受摩擦力的冲量大小为I′=
Δp=mv=mrω,故D 正确.
11.(2021·北京卷·11)某同学搬运如图所示的磁电式电流表时,发现表针晃动剧烈且不易停止.
按照老师建议,该同学在两接线柱间接一根导线后再次搬运,发现表针晃动明显减弱且能很
快停止.下列说法正确的是( )
A.未接导线时,表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势
B.未接导线时,表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的作用
C.接上导线后,表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势
D.接上导线后,表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用
答案 D
解析 未接导线时,表针晃动过程中导线切割磁感线,表内线圈会产生感应电动势,故A
错误;未接导线时,未连成闭合回路,没有感应电流,所以不受安培力,故B 错误;接上
导线后,表针晃动过程中表内线圈产生感应电流,表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力
的作用,故C 错误,D 正确.
12.(2021·北京卷·12)如图所示,在xOy 坐标系的第一象限内存在匀强磁场.一带电粒子在P
点以与x 轴正方向成60°的方向垂直磁场射入,并恰好垂直于y 轴射出磁场.已知带电粒子
质量为m、电荷量为q,OP=a.不计重力.根据上述信息可以得出( )
A.带电粒子在磁场中运动的轨迹方程
B.带电粒子在磁场中运动的速率
C.带电粒子在磁场中运动的时间
D.该匀强磁场的磁感应强度
答案 A
解析 粒子恰好垂直于y 轴射出磁场,作两速度的垂线,交点即为圆心O1,轨迹如图所示
由几何关系可知OO1=atan 30°=a
R==a
故圆心的坐标为,
则带电粒子在磁场中运动的轨迹方程为
x2+2=a2(0<x<a,y>0)
故A 正确;
洛伦兹力提供向心力,有qvB=m
解得带电粒子在磁场中运动的速率为v=
因轨迹圆的半径R 可求出,但磁感应强度B 未知,则无法求出带电粒子在磁场中运动的速
率,故B、D 错误;
带电粒子转过的圆心角为π,
而周期为T==,
则带电粒子在磁场中运动的时间为t=T=
因磁感应强度B 未知,则运动时间无法求得,故C 错误.
13.(2021·北京卷·13)某同学使用轻弹簧、直尺、钢球等制作了一个“竖直加速度测量仪”.
如图所示,弹簧上端固定,在弹簧旁沿弹簧长度方向固定一直尺.不挂钢球时,弹簧下端指
针位于直尺20 cm 刻度处;下端悬挂钢球,静止时指针位于直尺40 cm 刻度处.将直尺不同
刻度对应的加速度标在直尺上,就可用此装置直接测量竖直方向的加速度.取竖直向上为正
方向,重力加速度大小为g.下列说法正确的是( )
A.30 cm 刻度对应的加速度为-0.5g
B.40 cm 刻度对应的加速度为g
C.50 cm 刻度对应的加速度为2g
D.各刻度对应加速度的值是不均匀的
答案 A
解析 设刻度对应值为x,结合分析可知
=a,Δx=|x-0.2 m|,
(取竖直向上为正方向)
经过计算有
a=(x≥0.2 m)或a=(x<0.2 m),
根据以上分析,加速度a 与刻度对应值x 成线性关系,则各刻度对应加速度的值是均匀的,
D 错误;
在30 cm 刻度时,代入数据有,a1=-0.5g,A 正确;
在40 cm 刻度时,a2=0,B 错误;
在50 cm 刻度时,a3=0.5g,C 错误.
14.(2021·北京卷·14)北京高能光源是我国首个第四代同步辐射光源,计划于2025 年建成.
同步辐射光具有光谱范围宽(从远红外到X 光波段,波长范围约为10-5 m~10-11 m,对应能
量范围约为10-1 eV~105 eV)、光源亮度高、偏振性好等诸多特点,在基础科学研究、应用
科学和工艺学等领域已得到广泛应用.速度接近光速的电子在磁场中偏转时,会沿圆弧轨道
切线发出电磁辐射,这个现象最初是在同步加速器上观察到的,称为“同步辐射”.以接近
光速运动的单个电子能量约为109 eV,回旋一圈辐射的总能量约为104 eV.下列说法正确的
是( )
A.同步辐射的机理与氢原子发光的机理一样
B.用同步辐射光照射氢原子,不能使氢原子电离
C.蛋白质分子的线度约为10-8 m,不能用同步辐射光得到其衍射图样
D.尽管向外辐射能量,但电子回旋一圈后能量不会明显减小
答案 D
解析 同步辐射是在磁场中圆周运动自发辐射光能的过程,氢原子发光是先吸收能量跃迁到
高能级,在回到基态时辐射光,两者的机理不同,故A 错误;
用同步辐射光照射氢原子,总能量约为104 eV,大于电离能13.6 eV,则氢原子可以电离,
故B 错误;
同步辐射光的波长范围约为10-5 m~10-11 m,当波长与蛋白质分子的线度(约为10-8 m)差
不多时,能发生明显的衍射,故C 错误;
以接近光速运动的单个电子能量约为109 eV,回旋一圈辐射的总能量约为104 eV,则电子
回旋一圈后能量不会明显减小,故D 正确.
二、非选择题(本部分共6 题,共58 分)
15.(2021·北京卷·15)物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实
验操作、数据分析等.例如:
(1)实验仪器.用游标卡尺测某金属管的内径,示数如图1 所示.则该金属管的内径为
________ mm.
甲
(2)数据分析.打点计时器在随物体做匀变速直线运动的纸带上打点,其中一部分如图乙所
示,B、C、D 为纸带上标出的连续3 个计数点,相邻计数点之间还有4 个计时点没有标出.
打点计时器接在频率为50 Hz 的交流电源上.则打C 点时,纸带运动的速度vC=________
m/s(结果保留小数点后两位).
乙
(3)实验原理.图丙为“探究加速度与力的关系”的实验装置示意图.认为桶和砂所受的重
力等于使小车做匀加速直线运动的合力.实验中平衡了摩擦力后,要求桶和砂的总质量m
比小车质量M 小得多.请分析说明这个要求的理由.
_____________________________________
________________________________________________________________________.
丙
答案 (1)31.4 (2)0.44
(3)见解析
解析 (1)根据游标卡尺的读数规则,可知内径为
31 m + 4×0.1 mm=31.4 mm
(2)每隔4 个点取一个点作为计数点,故两计数点间有5 个间隔;故两点间的时间间隔为T=
5×0.02 s=0.1 s
匀变速直线运动中一段时间中点的速度等于该过程中的平均速度,则有vC==0.44 m/s
(3)设绳的拉力为FT,小车运动的加速度为a.对桶和砂,有mg-FT=ma
对小车,有FT=Ma
得FT=mg
小车受到细绳的拉力FT等于小车受到的合力F,
即F=mg=mg
可知,只有桶和砂的总质量m 比小车质量M 小得多时,才能认为桶和砂所受的重力mg 等于
使小车做匀加速直线运动的合力F.
16.(2021·北京卷·16)在“测量金属丝的电阻率”实验中,某同学用电流表和电压表测量一
金属丝的电阻.
(1)该同学先用欧姆表“×1”挡粗测该金属丝的电阻,示数如图所示,对应的读数是______
Ω.
(2)除电源(电动势3.0 V,内阻不计)、电压表(量程0~3 V,内阻约3 kΩ)、开关、导线若干外
还提供如下实验器材:
A.电流表(量程0~0.6 A,内阻约0.1 Ω)
B.电流表(量程0~3.0 A,内阻约0.02 Ω)
C.滑动变阻器(最大阻值10 Ω,额定电流2 A)
D.滑动变阻器(最大阻值1 kΩ,额定电流0.5 A)
为了调节方便、测量准确,实验中电流表应选用________,滑动变阻器应选用________.
(选填实验器材前对应的字母)
(3)该同学测量金属丝两端的电压U 和通过金属丝的电流I,得到多组数据,并在坐标图上标
出,如图所示.请作出该金属丝的U-I 图线,根据图线得出该金属丝电阻R=________
Ω(结果保留小数点后两位).
(4)用电流传感器测量通过定值电阻的电流,电流随时间变化的图线如图甲所示.将定值电
阻替换为小灯泡,电流随时间变化的图线如图乙所示,请分析说明小灯泡的电流为什么随时
间呈现这样的变化.
答案 (1)6 (2)A C (3)见解析图 5.80
(4)刚闭合开关时,灯丝温度较低,电阻较小,电流较大;随着灯丝温度升高,电阻逐渐增
大,电流逐渐减小;当灯丝发热与散热平衡时,温度不变,电阻不变,电流保持不变
解析 (1)将选择开关调节到“×1 Ω”,由题图可知,
金属丝的电阻Rx=6×1 Ω=6 Ω
(2)由题知,电源电动势为3 V,则回路中的最大电流为
Imax== A=0.5 A
故电流表选A;
为了调节方便、测量准确,滑动变阻器要选最大阻值小的,故选C;
(3)U-I 图线如图:
取(0.5 A,2.9 V),
可得R= Ω=5.80 Ω.
(4)刚闭合开关时,灯丝温度较低,电阻较小,电流较大;随着灯丝温度升高,电阻逐渐增
大,电流逐渐减小;当灯丝发热与散热平衡时,温度不变,电阻不变,电流保持不变.
17.(2021·北京卷·17)如图所示,小物块A、B 的质量均为m=0.10 kg,B 静止在轨道水平段
的末端.A 以水平速度v0与B 碰撞,碰后两物块粘在一起水平抛出.抛出点距离水平地面的
竖直高度为h=0.45 m,两物块落地点距离轨道末端的水平距离为s=0.30 m,取重力加速度
g=10 m/s2.求:
(1)两物块在空中运动的时间t;
(2)两物块碰前A 的速度v0的大小;
(3)两物块碰撞过程中损失的机械能ΔE.
答案 (1)0.30 s (2)2.0 m/s (3)0.10 J
解析 (1)竖直方向为自由落体运动,
由h=gt2
得t=0.30 s
(2)设A、B 碰后速度为v,水平方向为匀速运动,由s=vt
得v=1.0 m/s
根据动量守恒定律得mv0=2mv
得v0=2.0 m/s
(3)两物块碰撞过程中损失的机械能
ΔE=mv0
2-×2mv2
得ΔE=0.10 J.
18.(2021·北京卷·18)如图所示,M 为粒子加速器;N 为速度选择器,两平行导体板之间有方
向相互垂直的匀强电场和匀强磁场,磁场的方向垂直纸面向里,磁感应强度为B.从S 点释放
一初速度为0、质量为m、电荷量为q 的带正电粒子,经M 加速后恰能以速度v 沿直线(图中
平行于导体板的虚线)通过N.不计重力.
(1)求粒子加速器M 的加速电压U;
(2)求速度选择器N 两板间的电场强度E 的大小和方向;
(3)仍从S 点释放另一初速度为0、质量为2m、电荷量为q 的带正电粒子,离开N 时粒子偏
离图中虚线的距离为d,求该粒子离开N 时的动能Ek.
答案 (1) (2)vB 方向垂直导体板向下
(3)mv2+qBvd
解析 (1)粒子在粒子加速器中直线加速,根据功能关系有qU=mv2,解得U=
(2)粒子在速度选择器中所受静电力与洛伦兹力平衡,
有Eq=qvB 得E=vB
方向垂直导体板向下.
(3)全程静电力对粒子做正功,
根据功能关系有Ek=qU+Eqd
解得Ek=mv2+qBvd.
19.(2021·北京卷·19)类比是研究问题的常用方法.
(1)情境1:物体从静止开始下落,除受到重力作用外,还受到一个与运动方向相反的空气阻
力f=kv(k 为常量)的作用.其速率v 随时间t 的变化规律可用方程G-kv=m(①式)描述,其
中m 为物体质量,G 为其重力.求物体下落的最大速率vm.
(2)情境2:如图甲所示,电源电动势为E,线圈自感系数为L,电路中的总电阻为R.闭合开
关S,发现电路中电流I 随时间t 的变化规律与情境1 中物体速率v 随时间t 的变化规律类似.
类比①式,写出电流I 随时间t 变化的方程;并在图乙中定性画出I-t 图线.
(3)类比情境1 和情境2 中的能量转化情况,完成下表.
情境1
情境2
物体重力势能的减少量
物体动能的增加量
电阻R 上消耗的电能
答案 (1)
(2)E-RI=L 见解析图
(3)见解析
解析 (1)当物体下落速度达到最大速度vm时,加速度为零,有G=kvm得vm=
(2)a.由闭合电路的欧姆定理有E-RI=L
b.由自感规律可知,线圈产生自感电动势阻碍电流,使它逐渐变大,电路稳定后自感现象
消失,I-t 图线如图
(3)各种能量转化的规律如下表
情境1
情境2
电源提供的电能
线圈磁场能的增加量
克服阻力做功消耗的机械能
20.(2021·北京卷·20)秋千由踏板和绳构成,人在秋千上的摆动过程可以简化为单摆的摆动,
等效“摆球”的质量为m,人蹲在踏板上时摆长为l1,人站立时摆长为l2.不计空气阻力,重
力加速度大小为g.
(1)如果摆长为l1,“摆球”通过最低点时的速度为v,求此时“摆球”受到拉力T 的大小.
(2)在没有别人帮助的情况下,人可以通过在低处站起、在高处蹲下的方式使“摆球”摆得
越来越高.
a.人蹲在踏板上从最大摆角θ1开始运动,到最低点时突然站起,此后保持站立姿势摆到另
一边的最大摆角为θ2.假定人在最低点站起前后“摆球”摆动速度大小不变,通过计算证明
θ2>θ1.
b.实际上人在最低点快速站起后“摆球”摆动速度的大小会增大.随着摆动越来越高,达
到某个最大摆角θ 后,如果再次经过最低点时,通过一次站起并保持站立姿势就能实现在竖
直平面内做完整的圆周运动,求在最低点“摆球”增加的动能ΔEk应满足的条件.
答案 (1)mg+m
(2)a.见解析 b.ΔEk≥mgl2-mgl1(1-cos θ)
解析 (1)根据牛顿运动定律T-mg=m
解得T=mg+m
(2)a.设人在最低点站起前后“摆球”的摆动速度大小分别为v1、v2,
根据功能关系得mgl1(1-cos θ1)=mv1
2
mgl2(1-cos θ2)=mv2
2
已知v1=v2,
得mgl1(1-cos θ1)=mgl2(1-cos θ2)
因为l1>l2,得cos θ1>cos θ2
所以θ2>θ1
b.设“摆球”由最大摆角θ 摆至最低点时动能为Ek,
根据功能关系得Ek=mgl1(1-cos θ)
“摆球”在竖直平面内做完整的圆周运动,通过最高点最小速度为vm,
根据牛顿运动定律得mg=m
“摆球”在竖直平面内做完整的圆周运动,
根据功能关系得Ek+ΔEk≥2mgl2+mvm
2
得ΔEk≥mgl2-mgl1(1-cos θ).