2024年上海市高考物理试卷（等级性）

一、物质性质

1．实验是人类认识物质世界的宏观性质与微观结构的重要手段之一，也是物理学研究的重要方法。

（1）通过“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验可推测油酸分子的直径约为 　 　。

A.10^﹣15m

B.10^﹣12m

C.10^﹣9m

D.10^﹣6m

（2）验证气体体积随温度变化关系的实验装置如图所示，用支架将封有一定质量气体的注射器和温度传感器固定在盛有热水的烧杯中。实验过程中，随着水温的缓慢下降，记录多组气体温度和体积的数据。

①不考虑漏气因素，符合理论预期的图线是 　 　。

②下列有助于减小实验误差的操作是 　 　。

A.实验前测量并记录环境温度

B.实验前测量并记录大气压强

C.待温度读数完全稳定后才记录数据

D.测量过程中保持水面高于活塞下端

【答案】（1）C；（2）①A；②D。

【考点】理想气体的实验规律；用油膜法估测油酸分子的大小

【分析】（1）根据油膜法测定分子直径的实验原理和分子间平衡位置的距离分析作答；

（2）①注射器内的气体作等压变化，根据盖﹣吕萨克定律，结合图像分析作答；

②根据实验原理逐项分析作答。

【解答】解：（1）分子间平衡距离指分子间引力与斥力分子间平衡位置的距离 ，在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，把油酸分子看作紧密排列的球形模型，油膜的厚度等于分子的直径，分子之间表现为引力，分子间距离略大于平衡位置的距离，因此油酸分子直径的数量级为10^﹣9m，故ABD错误，C正确。故选：C。（2）①注射器内的气体作等压变化，根据盖﹣吕萨克定律 即V＝CT因此V﹣T图像是过原点的倾斜直线，故A正确，BCD 错误。故选：A。②AD.根据实验原理，本实验探究的是气体的体积随温度变化的关系，为了减小误差，测量过程中保持水面高于活塞下端，使整个气体均匀受热；实验过程温度的记录，无需从实验前开始，只需要记录实验中的多组数据即可，故A错误，D正确；B.气体始终作等压变化，无需记录大气压，故B错误；C.实验过程中，气体的温度是不断变化的，不能待温度读数完全稳定后才记录数据，故C错误。故选：D。故答案为：（1）C；（2）①A；②D。

【难度】5

二、汽车智能化

2．我国的汽车智能化技术发展迅猛。各类车载雷达是汽车自主感知系统的重要组成部分。汽车在检测到事故风险后，通过自主决策和自主控制及时采取措施，提高了安全性。

（1）车载雷达系统可以发出激光和超声波信号，其中 　 　。

A.仅激光是横波

B.激光与超声波都是横波

C.仅超声波是横波

D.激光与超声波都不是横波

（2）一辆质量m＝2.0×10³kg的汽车，以v＝36km/h的速度在平直路面上匀速行驶，此过程中发动机功率P₁＝6.0kW，汽车受到的阻力大小为 　 　N。当车载雷达探测到前方有障碍物时，主动刹车系统立即撤去发动机驱动力，同时施加制动力使车辆减速。在刚进入制动状态的瞬间，系统提供的制动功率P₂＝48kW，此时汽车的制动力大小为 　 　N，加速度大小为 　 　m/s²。（不计传动装置和热损耗造成的能量损失）

【答案】（1）B；（2）600；4800；2.7

【考点】功率的定义、物理意义和计算式的推导；横波和纵波；牛顿第二定律的简单应用

【分析】（1）车载雷达发出的超声波和激光都是电磁波，电磁波是横波，据此分析作答；

（2）根据功率公式和平衡条件求解汽车受到的阻力；根据功率公式求制动力；根据牛顿第二定律求加速度。

【解答】解：（1）超声波是有两种类型的声波，一种是纵波，一种是横波。车载雷达发出的激光都是电磁波，电磁波是横波，故ACD错误，B正确。故选：B。（2）汽车行驶速度v＝36km/h＝10m/s，以汽车为研究对象根据牛顿第二定律 当加速度为零时，汽车匀速行驶，汽车所受阻力 根据功率公式，汽车的制动力 设制动时汽车做减速运动的加速度大小为a根据牛顿第二定律F_制+f＝ma代入数据解得加速度的大小2.7m/s²。故答案为：（1）B；（2）600；4800；2.7；

【难度】5

三、神秘的光

3．光的行为曾令物理学家感到困惑。双缝干涉、光电效应等具有里程碑意义的实验。逐渐揭开了光的神秘面纱。人类对光的认识不断深入，引发了具有深远意义的物理学革命。

（1）在“用双缝干涉实验测量光的波长”的实验中，双缝间距为d，双缝到光强分布传感器距离为L。

①实验时测得N条暗条纹间距为D，则激光器发出的光波波长为 　 　。

A.

B.

C.

D.

②在激光器和双缝之间加入一个与光束垂直放置的偏振片，测得的干涉条纹间距与不加偏振片时相比 　 　。

A.增加

B.不变

C.减小

③移去偏振片，将双缝换成单缝，能使单缝衍射中央亮纹宽度增大的操作有 　AD　。（多选）

A.减小缝宽

B.使单缝靠近传感器

C.增大缝宽

D.使单缝远离传感器

（2）某紫外激光波长为λ，其单个光子能量为 　 　。若用该激光做光电效应实验，所用光电材料的截止频率为ν₀，则逸出光电子的最大初动能为 　 　。（普朗克常量为h，真空中光速为c）

【答案】（1）①B；②B；③AD；（2） ， ﹣hν₀。

【考点】用双缝干涉测量光的波长；光电效应现象及其物理物理意义

【分析】（1）①根据干涉条纹间距公式和计算干涉条纹的距离联立求解波长表达式；

②根据干涉条纹间距公式涉及的物理量进行分析求解；

③根据单缝衍射和双缝干涉的区别以及相关的因素进行分析求解；

（2）根据激光的波长和频率关系列式求解光子能量以及由最大初动能的方程列式求解。

【解答】解：（1）①N条暗条纹间距为D，说明条纹间距 ，又 ，解得 ，故ACD错误，B正确，故选：B。②加偏振片不会改变光的波长，根据公式 可知，条纹间距不变，故B正确，AC错误。故选：B。③移去偏振片，将双缝换成单缝，则会发生单缝衍射现象，根据单缝衍射规律，减小缝的宽度、增加单缝到光强分布传感器的距离可以增大中央亮纹宽度。故AD正确，BC错误，故选：AD。（2）单个光子频率为 ，根据公式有单个光子能量 ，所用光电材料的截止频率为ν₀，则逸出功为W₀＝hν₀，根据爱因斯坦光电效应方程可知，逸出光电子最大初动能为E_k＝hν﹣W₀＝ ﹣hν₀。故答案为：（1）①B；②B；③AD；（2） ， ﹣hν₀。

【难度】5

四、引力场中的运动

4．包括太阳、地球在内的所有物体都会在其周围产生引力场。在不同尺度的空间，引力场中的物体运动具有不同的表象。牛顿揭示了苹果下落和行星运动共同的物理机制。意味着天上的物理和地上的物理是一样的，物理规律的普适性反映了一种简单的美。

（1）如图1，小球a通过轻质细线Ⅰ、Ⅱ悬挂，处于静止状态。线Ⅰ长l＝0.5m，Ⅰ上端固定于离地H＝2.1m的O点，与竖直方向之间夹角θ＝37°；线Ⅱ保持水平。O点正下方有一与a质量相等的小球b，静置于离地高度h＝1.6m的支架上。（取sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）

①在线Ⅰ、Ⅱ的张力大小F_Ⅰ、F_Ⅱ和小球a所受重力大小G中，最大的是 　 　。

②烧断线Ⅱ，a运动到最低点时与b发生弹性碰撞。求：

A.与b球碰撞前瞬间a球的速度大小v_a；（计算）

B.碰撞后瞬间b球的速度大小v_b；（计算）

C.b球的水平射程s。（计算）

（2）图2示虚线为某彗星绕日运行的椭圆形轨道，a、c为椭圆轨道长轴端点，b、d为椭圆轨道短轴端点。彗星沿图中箭头方向运行。

①该彗星某时刻位于a点，经过四分之一周期该彗星位于轨道的 　 　。

A.ab之间

B.b点

C.bc之间

D.c点

②已知太阳质量为M，引力常量为G。当彗日间距为r₁时，彗星速度大小为v₁。求彗日间距为r₂时的彗星速度大小v₂。（计算）

【答案】（1）①F_Ⅰ；②A.1.4m/s；B.1.4m/s；C.0.8m；（2）①C；②v₂的大小为 。

【考点】动量守恒与能量守恒共同解决实际问题；平抛运动速度的计算；万有引力与重力的关系（黄金代换）；动量守恒定律在绳连接体问题中的应用

【分析】（1）①根据平衡条件作力的矢量三角形结合边角关系判断；

②A.根据动能定理列式求解；

B.根据动量守恒定律和机械能守恒列式联立解答；

C.根据平抛运动的规律列式求解；

（2）①根据彗星在椭圆轨道的运动规律分析在相应时间内的运动情况；

②根据引力势能和机械能守恒定律列式求解。

【解答】解：（1）①小球a受到三个力处于静止状态，根据矢量三角形规律，作出的三个力的如图所示 根据直角三角形的边角关系，斜边代表F_Ⅰ，所以三个力中最大的是F_Ⅰ；②A.小球a从烧断细线Ⅱ到摆至即将与b发生碰撞的过程中，由动能定理 ，得 m/s＝1.4m/sB.由动量守恒定律和机械能守恒，规定向右的方向为正方向，有mv_a＝mv_a'+mv_b 联立两式得v_b＝1.4m/sC.由平抛运动的规律 （2）①彗星绕日在椭圆轨道运动时是变速率运动，近日点速率最大，远日点速率最小，a点是近日点，c点是远日点，根据对称性可知，a到c需要半个周期，a到b的平均速率较大，所以在四分之一周期内彗星运动到b和c之间，故C正确，ABD错误；故选：C；②引力势能的表达式 ，彗星在间距由r₁变到r₂的运动过程中满足机械能守恒，有 ，得 。故答案为：（1）①F_Ⅰ；②A.1.4m/s；B.1.4m/s；C.0.8m；（2）①C；②v₂的大小为 。

【难度】5

五、氢的同位素

5．氢元素是宇宙中最简单的元素，有三种同位素。科学家利用电磁场操控并筛选这三种同位素，使其应用于核研究中。

（1）原子核之间由于相互作用会产生新核，这一过程具有多种形式。

①质量较小的原子核结合成质量较大原子核的过程称为 　 　。

A.链式反应

B.衰变

C.核聚变

D.核裂变

② H核的质量为m₁， H核的质量为m₂，它们通过核反应形成一个质量为m₃的氮原子核（ He），此过程释放的能量为 　 　。（真空中光速为c）

（2）某回旋加速器的示意图如图1所示。磁感应强度大小为B的匀强磁场仅分布于两个相同且正对的半圆形中空金属盒D₁、D₂内，且与金属盒表面垂直。交变电源通过Ⅰ、Ⅱ分别与D₁、D₂相连，仅在D₁、D₂缝隙间的狭窄区域产生交变电场。初动能为零的带电粒子自缝隙中靠近D₂的圆心O处经缝隙间的电场加速后，以垂直磁场的速度进入D₁。

①粒子在D₁、D₂运动过程中，洛伦兹力对粒子做功为W、冲量为I，则 　 　。

A.W＝0，I＝0

B.W≠0，I＝0

C.W≠0，I≠0

D.W＝0，I≠0

② H核和 H核自图1中O处同时释放，Ⅰ、Ⅱ间电势差绝对值始终为U，电场方向做周期性变化， H核在每次经过缝隙间时均被加速（假设粒子通过缝隙的时间和粒子间相互作用可忽略）。 H核完成3次加速时的动能与此时 H核的动能之比为 　 　。

A.1：3

B.1：9

C.1：1

D.9：1

E.3：1

（3）如图2，静电选择器由两块相互绝缘、半径很大的同心圆弧形电极组成。电极间所加电压为U。由于两电极间距d很小，可近似认为两电极半径均为r（r≫d），且电极间的电场强度大小处处相等，方向沿径向垂直于电极。

①电极间电场强度大小为 　 　；

②由 H核、 H核和 H核组成的粒子流从狭缝进入选择器，若不计粒子间相互作用，部分粒子在电场力作用下能沿圆弧路径从选择器出射。

a.出射的粒子具有相同的 　 　。

A.速度

B.动能

C.动量

D.比荷

b.对上述a中的选择做出解释。（论证）

【答案】（1）①C；②（m₁+m₂﹣m₃）c²；（2）①D；②E；（3）① ；②a.B；b.见解答。

【考点】轻核的聚变及反应条件；带电粒子在匀强电场中做类平抛运动；洛伦兹力的概念；回旋加速器；用爱因斯坦质能方程计算核反应的核能

【分析】（1）①质量较小的原子核结合成质量较大原子核的过程是轻核聚变反应。

②先求得核反应的质量亏损，再根据爱因斯坦质能方程求解此过程释放的能量。

（2）①洛伦兹力始终对粒子不做功。根据冲量的定义动量是否为零。

②根据动能定理求解 H核完成3次加速时的动能。根据两粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期关系，分析相同时间 H核被加速的次数，由动能定理求解 H核的动能。

（3）①电极间电场可近似为匀强电场，根据电势差与电场强度的关系解答；

②a、能沿圆弧路径从选择器出射的粒子在选择器中做匀速圆周运动，根据电场力提供向心力得到满足的条件，据此条件分析解答；

b.根据a的解答进行论证。

【解答】解：（1）①质量较小的原子核结合成质量较大原子核的过程称为核聚变，故C正确，ABD错误。②此核反应质量亏损为：Δm＝m₁+m₂﹣m₃根据爱因斯坦质能方程可得，此过程释放的能量为：E＝Δmc²＝（m₁+m₂﹣m₃）c²（2）①洛伦兹力的方向始终与粒子速度方向垂直，对粒子不做功，即W＝0。根据冲量的定义：I＝Ft，故洛伦兹力的冲量I≠0，故D正确，ABC错误。②设 H核的质量为m，电荷量为e，则 H核的质量为3m，电荷量为e。根据动能定理可知， H核每完成一次加速获得的动能为：ΔE_k＝eU，则 H核完成3次加速时的动能为：E_k1＝3ΔE_k＝3eU因 H核在每次经过缝隙间时均被加速，故 H核在磁场中匀速圆周运动的周期T₁等于交变电场变化的周期T_交。 H核在磁场中匀速圆周运动的周期为：T₁＝ H核在磁场中匀速圆周运动的周期为：T₂＝ ＝3T₁可知 H核完成3次加速时， H核只完成了一次加速，根据动能定理可得此时 H核的动能为：E_k2＝eU H核完成3次加速时的动能与此时 H核的动能之比为E_k1：E_k2＝3：1，故E正确，ABCD错误。（3）①电极间电场可近似为匀强电场，根据电势差与电场强度的关系可得，电极间电场强度大小为E＝ ；②a、能沿圆弧路径从选择器出射的粒子在选择器中做匀速圆周运动，电场力提供向心力，则有：qE＝m 因 H核、 H核和 H核的电荷量q相同，由上式可知出射的粒子具有相同的mv²，即动能相同，故B正确，ACD错误。b.对上述a中的选择做出的解释见a的解答。故答案为：（1）①C；②（m₁+m₂﹣m₃）c²；（2）①D；②E；（3）① ；②a.B；b.见解答。

【难度】5

六、自行车发电照明系统

6．某自行车所装车灯发电机如图（a）所示，其结构见图（b）。绕有线圈的 形铁芯开口处装有磁铁。车轮转动时带动与其接触的摩擦轮转动。摩擦轮又通过传动轴带动磁铁一起转动，从而使铁芯中磁通量发生变化。线圈两端c、d作为发电机输出端。通过导线与标有“12V，6W”的灯泡L₁相连。当车轮匀速转动时，发电机输出电压近似视为正弦交流电。假设灯泡阻值不变，摩擦轮与轮胎间不打滑。

（1）在磁铁从图示位置匀速转过90°的过程中：

①通过L₁的电流方向（在图中用箭头标出）；

②L₁中的电流 　 　。

A.逐渐变大

B.逐渐变小

C.先变大后变小

D.先变小后变大

（2）若发电机线圈电阻为2Ω，车轮以某一转速n转动时，L₁恰能正常发光。将L₁更换为标有“24V，6W”的灯泡L₂，当车轮转速仍为n时：

①L₂两端的电压 　 　。

A.大于12V

B.等于12V

C.小于12V

②L₂消耗的功率 　 　。

A.大于6W

B.等于6W

C.小于6W

（3）利用理想变压器将发电机输出电压变压后对标有“24V，6W”的灯泡供电，使灯泡正常发光，变压器原、副线圈的匝数比n₁：n₂＝1：2，该变压器原线圈两端的电压为 　 　V。

（4）在水平路面骑行时，假设骑车人对自行车做的功仅用于克服空气阻力和发电机阻力。已知空气阻力与车速成正比，忽略发电机内阻。

①在自行车匀加速行驶过程中，发电机输出电压u随时间t变化的关系可能为 　 　。

②无风时自行车以某一速度匀速行驶，克服空气阻力的功率P_f＝30W，车灯的功率为P_L＝4W。为使车灯的功率增大到P_L'＝6W，骑车人的功率P应为多大？（计算）

【答案】（1）①见解答；②A；（2）①A；②C；（3）12；（4）①C；②骑车人的功率P应为51W。

【考点】变压器的构造与原理；电功和电功率的计算；闭合电路欧姆定律的内容和表达式；楞次定律及其应用；法拉第电磁感应定律的内容和表达式；交流发电机及其产生交变电流的原理

【分析】（1）①、先确定在图示位置线圈中的磁场方向，判断线圈的磁通量如何变化，根据楞次定律判断感应电流的方向；

②发电机输出电压近似视为正弦交流电，图视为线圈的磁通量最大，其变化量为零，根据法拉第电磁感应定律分析感应电动势的情况，根据正弦交流电的变化规律分析L₁中的电流如何变化。

（2）①根据灯泡L₁的额定电压与额定功率可计算出回路中的电流，根据闭合电路欧姆定律可得到发动机的电动势，将L₁更换为灯泡L₂，先计算出骑电阻，根据闭合电路欧姆定律求解其两端电压；

②根据电功率的计算公式求解L₂消耗的功率。

（3）根据理想变压器的工作原理解答。

（4）①在自行车匀加速行驶过程中，发电机内的磁铁转动的角速度增大，根据法拉第电磁感应定律判断线圈产生的感应电动势的最大值与输出电压的最大值如何变化，分析交流电的周期如何变化。

②通过对比电功率可得到路端电压的关系，根据闭合电路欧姆定律，法拉第电磁感应定律，分析自行车匀速行驶的速度路端电压的关系，求得改变后的克服空气阻力的功率，骑车人的功率等于克服空气阻力的功率与车灯的功率之和。

【解答】解：（1）①在图示位置时连接灯泡的线圈中的磁场方向向下，在磁铁从图示位置匀速转过90°的过程中，此线圈的磁通量减小，根据楞次定律，可知感应电流由d断经灯泡流到x端，通过L₁的电流方向如下图所示： ②发电机输出电压近似视为正弦交流电，图示位置线圈的磁通量最大，其变化量为零，根据法拉第电磁感应定律可知此时感应电动势为零，L₁中的电流为零，根据正弦交流电的变化规律，可知在磁铁从图示位置匀速转过90°的过程中，L₁中的电流逐渐变大，故A正确，BCD错误。（2）①发电机线圈电阻为r＝2Ω，车轮以某一转速n转动时，L₁恰能正常发光。已知灯泡L₁的额定电压U_L1＝12V，额定功率P_L1＝6W，设发电机线圈产生的电动势有效值为E，根据闭合电路欧姆定律得：E＝U_L1+ ，解得：E＝13V将L₁更换为标有“24V，6W”的灯泡L₂，灯泡L₂的电阻为：R_L2＝ ＝ Ω＝96Ω设L₂两端的电压为U₂，同理可得：E＝U₂+ 解得：U₂≈12.73V，故A正确，BC错误。②L₂消耗的功率为：P₂＝ ＝ W＝1.69W，故C正确，AB错误。（3）由题意可知，副线圈的电压U₂＝24V，根据理想变压器的工作原理得： 解得该变压器原线圈两端的电压为：U₂＝12V。（4）①在自行车匀加速行驶过程中，发电机内的磁铁转动的角速度增大，根据法拉第电磁感应定律可知，线圈产生的感应电动势的最大值增大，输出电压的最大值也最大，同时交流电的周期会减小，故电压u随时间t变化的关系不可能如ABD选项所示的图像，可能如C选项所示的图像，故C正确，ABD错误。②根据电功率： ，可得： 根据欧姆定律，U＝IR根据闭合电路欧姆定律：I＝ 联立可得：U∝E线圈产生的感应电动势E正比于发电机内的磁铁转动的角速度ω，发电机内的磁铁转动的角速度又正比于自行车匀速行驶的速度v，即：E∝ω∝v则有： ＝ ＝1.5已知空气阻力与车速成正比，即f＝kv，可得： 则有： 骑车人的功率为：P＝P_f'+P_L'＝（6+45）W＝51W故答案为：（1）①见解答；②A；（2）①A；②C；（3）12；（4）①C；②骑车人的功率P应为51W。

【难度】5