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北京市2024年普通高中学业水平等级性考试 物理
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。
一、选择题
1.已知钍234的半衰期是24天。1g钍234经过48天后,剩余钍234的质量为( )
A.0g
B.0.25g
C.0.5g
D.0.75g

👩‍🏫 教师答案
【答案】B
【详解】
本题考查放射性元素的半衰期概念和衰变规律。
已知条件:
- 钍234的半衰期 T = 24天
- 初始质量 m₀ = 1g
- 经过时间 t = 48天
计算过程:
1. 计算经历的半衰期个数:n = t/T = 48/24 = 2(个半衰期)
2. 根据衰变规律公式:m = m₀ × (1/2)ⁿ
3. 代入数据:m = 1g × (1/2)² = 1g × 1/4 = 0.25g
选项分析:
-
A. 0g:错误,48天不是无限长时间
B. 0.25g:正确,经过2个半衰期剩余1/4
C. 0.5g:错误,这是经过1个半衰期的剩余量
D. 0.75g:错误,计算不正确
2.一辆汽车以10m/s的速度匀速行驶,制动后做匀减速直线运动,经2s停止,汽车的制动距离为( )
A.5m
B.10m
C.20m
D.30m

👩‍🏫 教师答案
【答案】B
【详解】
本题考查匀变速直线运动的规律。
已知条件:
- 初速度 v₀ = 10 m/s
- 末速度 v = 0(停止)
- 时间 t = 2 s
解法一:用平均速度公式
1. 平均速度:v̄ = (v₀ + v)/2 = (10 + 0)/2 = 5 m/s
2. 制动距离:x = v̄ × t = 5 × 2 = 10 m
解法二:用加速度公式
1. 加速度:a = (v - v₀)/t = (0 - 10)/2 = -5 m/s²
2. 制动距离:x = v₀t + (1/2)at² = 10×2 + (1/2)×(-5)×4 = 20 - 10 = 10 m
因此,正确
3.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮,将气泡内的气体视为理想气体,且气体分子个数不变,外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体( )
A.内能变大
B.压强变大
C.体积不变
D.从水中吸热

👩‍🏫 教师答案
【答案】D
【详解】
本题考查理想气体的状态变化和内能。
分析过程:
1. 气泡缓慢上浮,温度不变(恒温水槽)
2. 深度减小,外界压强减小
3. 根据玻意耳定律:pV = 常数(温度不变),压强减小,体积增大
各选项分析:
A. 内能变大 — 错误。理想气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变。
B. 压强变大 — 错误。深度减小,外界压强减小,气泡内压强随之减小。
C. 体积不变 — 错误。压强减小,体积应该增大。
D. 从水中吸热 — 正确。气泡膨胀对外做功(W < 0),内能不变(ΔU = 0),根据热力学第一定律 ΔU = Q + W,所以 Q = -W > 0,需要吸热。
4.如图所示,飞船与空间站对接后,在推力F作用下一起向前运动。飞船和空间站的质量分别为m和M,则飞船和空间站之间的作用力大小为( )
题图
A.M/(M+m)·F
B.m/(M+m)·F
C.M/m·F
D.m/M·F

👩‍🏫 教师答案
【答案】A
【详解】
本题考查牛顿第二定律在连接体问题中的应用。
整体分析:
- 整体质量:M + m
- 整体加速度:a = F/(M + m)
隔离分析(以空间站为研究对象):
- 空间站受力:作用力T(飞船对空间站的作用力)
- 根据牛顿第二定律:T = Ma = MF/(M + m)
因此,飞船和空间站之间的作用力大小为 T = MF/(M+m)。
正确
5.如图甲所示,理想变压器原线圈接在正弦式交流电源上,输入电压u随时间t变化的图像如图乙所示,副线圈接规格为“6V,3W”的灯泡。若灯泡正常发光,下列说法正确的是( )
题图
A.原线圈两端电压的有效值为 24√2 V
B.副线圈中电流的有效值为0.5A
C.原、副线圈匝数之比为1∶4
D.原线圈的输入功率为12W

👩‍🏫 教师答案
【答案】B
【详解】
本题考查理想变压器的工作原理。
已知条件:
- 灯泡规格:"6V,3W"
- 灯泡正常发光
分析:
1. 副线圈电流:I₂ = P/U = 3W/6V = 0.5 A
2. 原线圈输入功率等于副线圈输出功率(理想变压器):P₁ = P₂ = 3W
3. 副线圈电压 U₂ = 6V
各选项分析:
A. 原线圈两端电压的有效值 — 信息不足,无法确定
B. 副线圈中电流的有效值为0.5A — 正确
C. 匝数之比为1:4 — 无法确定,不知道原线圈电压
D. 原线圈的输入功率为12W — 错误,应为3W
6.如图所示,线圈M和线圈P绕在同一个铁芯上,下列说法正确的是( )
题图
A.闭合开关瞬间,线圈M和线圈P相互吸引
B.闭合开关,达到稳定后,电流表的示数为0
C.断开开关瞬间,流过电流表的电流方向由a到b
D.断开开关瞬间,线圈P中感应电流的磁场方向向左

👩‍🏫 教师答案
【答案】B
【详解】
本题考查电磁感应和互感现象。线圈M和P绕在同一铁芯上,M接电源和开关,P串联电流表。
A. 闭合开关瞬间 — 错误。闭合开关瞬间,M中电流从无到有,穿过线圈P的磁通量增大,P中产生感应电流;但根据楞次定律,感应电流的磁场阻碍原磁通增加,线圈M和P相互排斥而非吸引。
B. 闭合开关达到稳定后,电流表示数为0 — 正确。稳定后M中电流恒定,穿过P的磁通量不再变化,P中无感应电动势和感应电流,串联在P回路中的电流表示数为0。
C. 断开开关瞬间,电流方向由a到b — 错误。断开开关瞬间,M中电流从有到无,穿过P的磁通量减小,P中产生感应电流阻碍磁通减小,根据楞次定律,感应电流方向应由b到a,与选项所述相反。
D. 断开开关瞬间,P中感应电流磁场方向向左 — 错误。断开瞬间原磁场(M产生)减小,根据楞次定律"增反减同",感应电流的磁场方向应与原磁场方向相同以阻碍减小,方向应向右。
7.如图所示,光滑水平轨道AB与竖直面内的光滑半圆形轨道BC在B点平滑连接。一小物体将轻弹簧压缩至A点后由静止释放,物体脱离弹簧后进入半圆形轨道,恰好能够到达最高点C。下列说法正确的是(  )
题图
A.物体在C点所受合力为零
B.物体在C点的速度为零
C.物体在C点的向心加速度等于重力加速度
D.物体在A点时弹簧的弹性势能等于物体在C点的动能

👩‍🏫 教师答案
【答案】C
【详解】
本题考查机械能守恒和圆周运动的临界条件。
关键信息:"恰好能够到达最高点C" — 表示在C点速度最小,即轨道对物体压力为零。
在最高点C的受力分析:
- 重力提供向心力:mg = mv²/R
- 向心加速度:a = v²/R = g
各选项分析:
A. C点所受合力为零 — 错误。有向心加速度,合力不为零。
B. C点速度为零 — 错误。速度为零无法通过最高点。
C. C点向心加速度等于重力加速度 — 正确。由 mg = mv²/R 得 a = g。
D. A点弹性势能等于C点动能 — 错误。A点弹性势能转化为C点动能和重力势能,EₚA = (1/2)mv² + mg·2R = 2.5mgR。
8.将小球竖直向上抛出,小球从抛出到落回原处的过程中,若所受空气阻力大小与速度大小成正比,则下列说法正确的是(  )
A.上升和下落两过程的时间相等
B.上升和下落两过程损失的机械能相等
C.上升过程合力的冲量大于下落过程合力的冲量
D.上升过程的加速度始终小于下落过程的加速度

👩‍🏫 教师答案
【答案】C
【详解】
本题考查竖直上抛运动和空气阻力的影响。
设上升过程加速度为a₁,下落过程加速度为a₂:
- 上升:mg + f = ma₁,a₁ = g + f/m > g
- 下落:mg − f = ma₂,a₂ = g − f/m < g
所以 a₁ > a₂,上升加速度大于下落加速度,上升时间短于下落时间。
A. 上升和下落时间相等 — 错误。由于a₁ > a₂,位移相同但加速度不同,t₁ = v₀/a₁ < t₂。
B. 损失的机械能相等 — 错误。上升和下落路程相同,但阻力与速度有关,上升平均速度大、阻力大,损失机械能更多。
C. 上升过程合力冲量大于下落过程 — 正确。上升时F合₁ = mg + f,下落时F合₂ = mg − f,位移相同,上升冲量更大。
D. 上升加速度始终小于下落加速度 — 错误。a₁ > g > a₂,上升加速度始终大于下落加速度。
9.图甲为用手机和轻弹簧制作的一个振动装置。手机加速度传感器记录了手机在竖直方向的振动情况,以向上为正方向,得到手机振动过程中加速度a随时间t变化的曲线为正弦曲线,如图乙所示。下列说法正确的是(  )
题图
A.t=0 时,弹簧弹力为0
B.t=0.2s 时,手机位于平衡位置上方
C.从 t=0 至 t=0.2s,手机的动能增大
D.a 随 t 变化的关系式为 a = 4 sin(2.5πt) m/s²

👩‍🏫 教师答案
【答案】D
【详解】
本题考查简谐振动的图像分析。
由a-t图像为正弦曲线可知:
- 振幅 Aₐ = 4 m/s²,周期 T = 0.8 s(由a = 4 sin(2.5πt)得 T = 2π/2.5π = 0.8 s)
- 加速度最大时在最大位移处(t = 0.2 s, 0.6 s 等)
- 加速度为零时在平衡位置(t = 0, 0.4 s, 0.8 s 等)
各选项分析:
A. t=0 时弹簧弹力为0 — 错误。t=0 时加速度为0,说明合力为0,弹簧弹力等于重力(F_{弹}=mg),不为零。
B. t=0.2s 时手机位于平衡位置上方 — 错误。t=0.2s = T/4 时加速度达到正向最大值(向上最大),说明手机位于平衡位置**下方**最低点。
C. 从 t=0 至 t=0.2s 动能增大 — 错误。t=0 在平衡位置速度最大,t=0.2s 在最大位移处速度为0,动能减小。
D. a 随 t 的关系式为 a = 4 sin(2.5πt) m/s² — 正确。振幅4、角频率ω=2.5π rad/s、周期0.8s,与图乙完全吻合。
10.水平传送带匀速运动,将一物体无初速度地放置在传送带上,最终物体随传送带一起匀速运动。下列说法正确的是(  )
A.刚开始物体相对传送带向前运动
B.物体匀速运动过程中,受到静摩擦力
C.物体加速运动过程中,摩擦力对物体做负功
D.传送带运动速度越大,物体加速运动的时间越长

👩‍🏫 教师答案
【答案】D
【详解】
本题考查传送带模型和摩擦力做功。
A. 刚开始相对传送带向前运动 — 错误。物体无初速度放置,传送带向前运动,物体相对传送带向后运动。
B. 匀速运动时受静摩擦力 — 错误。匀速运动时与传送带无相对运动趋势,不受摩擦力。
C. 加速过程摩擦力做负功 — 错误。摩擦力方向与运动方向相同,做正功。
D. 传送带速度越大,加速时间越长 — 正确。加速度a = μg(恒定),末速度v越大,时间t = v/a越长。
11.如图所示,两个等量异种点电荷分别位于M、N两点,P、Q是MN连线上的两点,且 MP = QN。下列说法正确的是(  )
题图
A.P点电场强度比Q点电场强度大
B.P点电势与Q点电势相等
C.若两点电荷的电荷量均变为原来的2倍,P点电场强度大小也变为原来的2倍
D.若两点电荷的电荷量均变为原来的2倍,P、Q两点间电势差不变

👩‍🏫 教师答案
【答案】C
【详解】
本题考查等量异种点电荷的电场分布。
等量异种点电荷:电场线从正电荷指向负电荷,沿MN连线,越靠近正电荷处场强越大。P、Q关于中点对称但P靠近正电荷、Q靠近负电荷。
A. P点电场强度比Q点大 — 错误。由于对称性(MP=QN),P点和Q点的电场强度大小相等。
B. P点电势与Q点电势相等 — 错误。沿电场线方向(由M→N)电势降低,P在M侧电势高于Q在N侧。
C. 电荷量变为2倍,P点场强变为2倍 — 正确。场强E ∝ Q,Q变为2Q则E变为2E。
D. 电荷量变为2倍,P、Q间电势差不变 — 正确。U = Ed,E和d均不变,故U不变。
12.如图所示为一个加速度计的原理图。滑块可沿光滑杆移动,滑块两侧与两根相同的轻弹簧连接;固定在滑块上的滑动片M下端与滑动变阻器R接触良好,且不计摩擦;两个电源的电动势E相同,内阻不计。两弹簧处于原长时,M位于R的中点,理想电压表的指针位于表盘中央。当P端电势高于Q端时,指针位于表盘右侧。将加速度计固定在水平运动的被测物体上,则下列说法正确的是(  )
题图
A.若M位于R中点右侧,P端电势低于Q端
B.电压表的示数随物体加速度的增大而增大,但不成正比
C.若电压表指针位于表盘左侧,则物体速度方向向右
D.若电压表指针位于表盘左侧,则物体加速度方向向右

👩‍🏫 教师答案
【答案】D
【详解】
本题考查加速度计的原理和电路分析。
原理:加速度使滑块移动,改变滑动变阻器接入电阻,电压表测量电压变化反映加速度。
A. M在中点右侧,P端电势低于Q端 — 错误。M右移,右侧电阻减小,P端电势升高。
B. 电压表示数随加速度增大而增大,但不成正比 — 错误。弹簧弹力F = kx = ma,电压U与位移x成正比,U与加速度a成正比。
C. 指针在左侧,速度方向向右 — 错误。指针位置反映加速度方向,不是速度方向。
D. 指针在左侧,加速度方向向右 — 正确。指针左偏说明Q端电势高,M在中点左侧,受到向右的弹力,加速度方向向右。
13.产生阿秒光脉冲的研究工作获得2023年的诺贝尔物理学奖,阿秒(as)是时间单位,1as = 1 × 10−18s,阿秒光脉冲是发光持续时间在阿秒量级的极短闪光,提供了阿秒量级的超快"光快门",使探测原子内电子的动态过程成为可能。设有一个持续时间为100as的阿秒光脉冲,持续时间内至少包含一个完整的光波周期。取真空中光速c = 3.0 × 108m/s,普朗克常量h = 6.6 × 10−34J⋅s,下列说法正确的是( )
A.对于0.1mm宽的单缝,此阿秒光脉冲比波长为550nm的可见光的衍射现象更明显
B.此阿秒光脉冲和波长为550nm的可见光束总能量相等时,阿秒光脉冲的光子数更多
C.此阿秒光脉冲可以使能量为−13.6eV(−2.2×10⁻¹⁸J)的基态氢原子电离
D.为了探测原子内电子的动态过程,阿秒光脉冲的持续时间应大于电子的运动周期

👩‍🏫 教师答案
【答案】C
【详解】
本题考查阿秒光脉冲和原子物理概念。
计算阿秒光脉冲的波长:
- 持续时间100as = 100×10⁻¹⁸s
- 周期T ≈ 100×10⁻¹⁸s
- 频率f = 1/T = 10¹⁶Hz
- 波长λ = c/f = 3×10⁸/10¹⁶ = 30nm(极紫外光)
各选项分析:
A. 衍射现象更明显 — 错误。波长30nm比可见光550nm短,波长越短,衍射越不明显。
B. 光子数更多 — 错误。总能量相等,单个光子能量E = hf,阿秒光频率高,光子能量大,光子数更少。
C. 可以使基态氢原子电离 — 正确。氢原子电离能13.6eV,阿秒光光子能量E = hf ≈ 41eV > 13.6eV。
D. 持续时间应大于电子运动周期 — 错误。要探测快速过程,快门时间应小于被测过程。
14.电荷量Q、电压U、电流I和磁通量Φ是电磁学中重要的物理量,其中特定的两个物理量之比可用来描述电容器、电阻、电感三种电磁学元件的属性,如图所示。类似地,上世纪七十年代有科学家预言Φ和Q之比可能也是一种电磁学元件的属性,并将此元件命名为“忆阻器”,近年来实验室已研制出了多种类型的“忆阻器”。由于“忆阻器”对电阻的记忆特性,其在信息存储、人工智能等领域具有广阔的应用前景。下列说法错误的是( )
题图
A.QU的单位和ΦI的单位不同
B.在国际单位制中,图中所定义的M的单位是欧姆
C.可以用来描述物体的导电性质
D.根据图中电感L的定义和法拉第电磁感应定律可以推导出自感电动势的表达式 E = L(ΔI/Δt)

👩‍🏫 教师答案
【答案】A
【详解】
本题考查电磁学物理量的单位和量纲分析。
A. QU和ΦI的单位不同 — 错误(这是要选的错误选项)
B. M的单位是欧姆 — 正确。M = Φ/Q,[Φ] = Wb = V·s,[Q] = C = A·s,[M] = V/A = Ω。
C. 可以用来描述导电性质 — 正确。忆阻器描述电荷与磁通量的关系。
D. 可以推导出自感电动势 — 正确。L = Φ/I,E = -dΦ/dt = -L(dI/dt)。
二、非选择题
15.(1)某同学测量玻璃的折射率,作出了如图所示的光路图,测出了入射角i和折射角r,则此玻璃的折射率n = ________。 (2)用如图1所示的实验装置探究影响感应电流方向的因素。如图2所示,分别把条形磁体的N极或S极插入、拔出螺线管,观察并标记感应电流的方向。 关于本实验,下列说法正确的是__________(填选项前的字母)。 (3)某兴趣小组利用铜片、锌片和橘子制作了水果电池,并用数字电压表(可视为理想电压表)和电阻箱测量水果电池的电动势E和内阻r,实验电路如图1所示。连接电路后,闭合开关S,多次调节电阻箱的阻值R,记录电压表的读数U,绘出图像,如图2所示,可得:该电池的电动势E = _____V,内阻r = _____kΩ。(结果保留两位有效数字)
题图题图题图

👩‍🏫 教师答案
【答案】(1)sin i / sin r (2)BC (3)1.0, 3.3
【详解】
(1)根据光的折射定律,折射率 n = sin i / sin r。
(2)探究感应电流方向的实验:
A. 本实验探究感应电流的方向,不需要记录感应电流大小,A错误;
B. 通过观察电流表指针偏转方向确定感应电流方向,B正确;
C. 甲和乙对比表明感应电流方向与磁体插入端是N极还是S极有关,C正确。
(3)水果电池测量:由U-R图像(U为纵轴、R为横轴),纵截距即为电动势E ≈ 1.0V;斜率的绝对值对应内阻r。当R=0时U≈E=1.0V,当U=0.35V时I=200μA,r = (E-U)/I = (1.0-0.35)/(200×10^{−6})Ω ≈ **3.25 kΩ** ≈ **3.3 kΩ**。
16.如图甲所示,让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。 (1)关于本实验,下列做法正确的是_____(填选项前的字母)。 (2)图甲中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影,首先,将质量为m1的小球从斜槽上的S位置由静止释放,小球落到复写纸上,重复多次。然后,把质量为m2的被碰小球置于斜槽末端,再将质量为m1的小球从S位置由静止释放,两球相碰,重复多次。分别确定平均落点,记为M、N和P(P为m1单独滑落时的平均落点)。 图乙为实验的落点记录,简要说明如何确定平均落点: _________________________________________________________________________________________; b.分别测出O点到平均落点的距离,记为OP、OM和ON。在误差允许范围内,若关系式_____________成立,即可验证碰撞前后动量守恒。 (3)受上述实验的启发,某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示,用两根不可伸长的等长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O点和O′点,两点间距等于小球的直径。将质量较小的小球1向左拉起至A点由静止释放,在最低点B与静止于C点的小球2发生正碰。碰后小球1向左反弹至最高点A′,小球2向右摆动至最高点D。测得小球1,2的质量分别为m和M,弦长AB = l1、A′B = l2、CD = l3。推导说明,m、M、l1、l2、l3满足________________________________关系即可验证碰撞前后动量守恒。
题图题图题图

👩‍🏫 教师答案
【答案】(1)AC (2)①.用圆规画圆,尽可能用最小的圆把各个落点圈住,这个圆的圆心位置代表平均落点 ②.m₁·OP = m₁·OM + m₂·ON (3)m·l₁ = −m·l₂ + M·l₃
【详解】
(1)验证动量守恒定律实验:
A. 斜槽末端需水平保证小球做平抛运动,A正确;
B. 两球半径需相同以保证对心碰撞,B错误;
C. 用质量大的球碰质量小的球防止反弹,C正确。
(2)①.确定平均落点的方法:用圆规画圆,尽可能用最小的圆把各个落点圈住,这个圆的圆心位置即为平均落点。
②.碰撞前后动量守恒:入射小球动量 = 碰后入射小球动量 + 被碰小球动量。由于两球从同一高度平抛,时间相同,可用位移代替速度:**m₁·OP = m₁·OM + m₂·ON**
(3)由动量守恒和机械能守恒:碰前mv₁ = Mv₃ − mv₂(以向右为正)。利用单摆周期性,v ∝ √l,代入得 **m√l₁ = M√l₃ − m√l₂**。
17.如图所示,水平放置的排水管满口排水,管口的横截面积为S,管口离水池水面的高度为h,水在水池中的落点与管口的水平距离为d。假定水在空中做平抛运动,已知重力加速度为g,h远大于管口内径。求:
题图
(1) 水从管口到水面的运动时间t;
(2) 水从管口排出时的速度大小;
(3) 管口单位时间内流出水的体积Q。

👩‍🏫 教师答案
【答案】(1)t = √(2h/g) (2)v₀ = d√(g/2h) (3)Q = Sd√(g/2h)
【详解】
本题考查平抛运动的分解与流量计算。
水从管口水平排出后做平抛运动:
(1)竖直方向做自由落体运动:h = (1/2)gt²
解得:t = √(2h/g)
(2)水平方向做匀速直线运动:d = v₀t
代入 t 得:v₀ = d/t = d√(g/2h)
(3)单位时间内流出水的体积即流量:Q = S·v₀ = Sd√(g/2h)
18.如图甲所示为某种“电磁枪”的原理图。在竖直向下的匀强磁场中,两根相距L的平行长直金属导轨水平放置,左端接电容为C的电容器,一导体棒放置在导轨上,与导轨垂直且接触良好,不计导轨电阻及导体棒与导轨间的摩擦。已知磁场的磁感应强度大小为B,导体棒的质量为m、接入电路的电阻为R。开关闭合前电容器的电荷量为Q。
题图题图
(1) 求闭合开关瞬间通过导体棒的电流I;
(2) 求闭合开关瞬间导体棒的加速度大小a;
(3) 在图乙中定性画出闭合开关后导体棒的速度v随时间t的变化图线。

👩‍🏫 教师答案
【答案】(1)I = Q/(CR) (2)a = BQL/(CRm) (3)v-t图线从原点出发、斜率逐渐减小、趋近某一渐近值的曲线
【详解】
本题考查电容器放电、安培力和牛顿第二定律的综合应用。
开关闭合前,电容器电荷量为Q。
(1)闭合开关瞬间,电容器两极板间电压 U = Q/C。此时通过导体棒的电流:
I = U/R = Q/(CR)
(2)导体棒受安培力:F = BIL = BQL/(CR)
由牛顿第二定律:F = ma
解得加速度:a = BQL/(CRm)
(3)随着电容器放电,电荷量不断减少 → 电压U降低 → 电流I减小 → 安培力F减小 → 加速度a减小。因此导体棒的速度v随时间t的变化为:从原点出发、斜率逐渐减小的曲线,最终趋近于某一渐近值(当电容器完全放电后,a=0,速度达到最大并保持不变)。图线形状类似于从原点出发的饱和曲线。
19.科学家根据天文观测提出宇宙膨胀模型:在宇宙大尺度上,所有的宇宙物质(星体等)在做彼此远离运动,且质量始终均匀分布,在宇宙中所有位置观测的结果都一样。以某一点O为观测点,以质量为m的小星体(记为P)为观测对象。当前P到O点的距离为r₀,宇宙的密度为ρ₀。
(1) 求小星体P远离到处时宇宙的密度ρ;
(2) 以O点为球心,以小星体P到O点距离为半径建立球面。P受到的万有引力相当于球内质量集中于O点对P的引力。已知质量为和、距离为R的两个质点间的引力势能,G为引力常量。仅考虑万有引力和P远离O点的径向运动。 a.求小星体P从处远离到。处的过程中动能的变化量; b.宇宙中各星体远离观测点速率v满足哈勃定律,其中r为星体到观测点的距离,H为哈勃系数。H与时间t有关但与r无关,分析说明H随t增大还是减小。

👩‍🏫 教师答案
【答案】(1)ρ = ρ₀/8 (2)a.ΔEₖ = −(2/3)Gπρ₀mr₀² b.H随t增大而减小
【详解】
本题考查宇宙膨胀模型、万有引力与引力势能的综合应用。
(1)在宇宙中所有位置观测结果相同 → 小星体P运动前后,半径为r₀和2r₀的球体内质量相同:
ρ₀·(4/3)πr₀³ = ρ·(4/3)π(2r₀)³ = ρ·(32/3)πr₀³
解得:**ρ = (1/8)ρ₀**
(2)a.球内质量:M = ρ₀·(4/3)πr₀³
在r₀处的引力势能:E_{p1} = −GMm/r₀
在2r₀处的引力势能:E_{p2} = −GMm/(2r₀)
动能变化量(仅考虑万有引力做功):ΔEₖ = −ΔEₚ = E_{p1} − E_{p2} = −GMm/r₀ + GMm/(2r₀) = −GMm/(2r₀)
代入M得:**ΔEₖ = −(2/3)Gπρ₀mr₀²**
b.由a知星体的速度随r₀增大而减小。由v = Hr知,当r增大时v增大但增速放缓(因为速度实际随r₀增加而减小)。由于哈勃常数H = v/r,随着时间t推移、距离r增大,H值逐渐减小。
结论:**H随t增大而减小**。
20.我国“天宫”空间站采用霍尔推进器控制姿态和修正轨道。图为某种霍尔推进器的放电室(两个半径接近的同轴圆筒间的区域)的示意图。放电室的左、右两端分别为阳极和阴极,间距为d。阴极发射电子,一部分电子进入放电室,另一部分未进入。稳定运行时,可视为放电室内有方向沿轴向向右的匀强电场和匀强磁场,电场强度和磁感应强度大小分别为E和;还有方向沿半径向外的径向磁场,大小处处相等。放电室内的大量电子可视为处于阳极附近,在垂直于轴线的平面绕轴线做半径为R的匀速圆周运动(如截面图所示),可与左端注入的氙原子碰撞并使其电离。每个氙离子的质量为M、电荷量为,初速度近似为零。氙离子经过电场加速,最终从放电室右端喷出,与阴极发射的未进入放电室的电子刚好完全中和。 已知电子的质量为m、电荷量为;对于氙离子,仅考虑电场的作用。
题图
(1) 求氙离子在放电室内运动加速度大小a;
(2) 求径向磁场的磁感应强度大小;
(3) 设被电离的氙原子数和进入放电室的电子数之比为常数k,单位时间内阴极发射的电子总数为n,求此霍尔推进器获得的推力大小F。 2024年普通高中学业水平等级性考试(北京卷) 物理

👩‍🏫 教师答案
【答案】(1)a = eE/M (2)B₂ = √(mE/2e) (3)F = nk√(2eEM)/(1+k)
【详解】
本题考查霍尔推进器原理,涉及电场加速、圆周运动、动量定理的综合应用。
(1)氙离子(电荷量+e、质量M)在放电室中仅受电场力作用:
eE = Ma
解得加速度:a = eE/M
(2)电子由阴极发射运动到阳极过程中,电场对电子做功。由动能定理:
eE = (1/2)mv²
得电子速度:v = √(2eE/m)
电子在阳极附近做匀速圆周运动(径向磁场B₂提供向心力),轴线上电场力与洛伦兹力平衡:
eE = evB₂
解得径向磁场磁感应强度:B₂ = E/v = **√(mE/2e)**
(3)单位时间内阴极发射的电子总数为n,被电离的氙原子数与进入放电室的电子数之比为常数k,则单位时间内被电离的氙离子数:N = nk/(1+k)
氙离子经电场加速后喷出,由eE·d = (1/2)MV₁²得喷出速度:V₁ = √(2eEd/M)(或由动能定理直接得)
由动量定理:推力F等于单位时间喷射离子的动量变化:F = NMV₁
最终得:**F = nk√(2eEM)/(1+k)**
(式中M为氙离子质量)