热光原部分素养综合评价
一、单项选择题：本题共8小题，每小题3分，共24分．每小题只有一个选项符合题目要求．
1.下列对生活中的热学现象分析正确的是（ ）
A．沙尘暴天气出现时，风沙弥漫，尘土飞扬，这是布朗运动现象
B．汽车尾气中存在多种成分气体，它们可以自发的分离
C．静止在水平地面上的卡车在缓慢装沙子的过程中，若车胎内气体温度不变，则胎内气体向外界放热
D．荷叶上露珠附着层的水分子比露珠内部密集
2.2021年5月，中国科学技术大学宣布开发出超导量子计算机“祖冲之号”，使得计算机的信息处理能力得到进一步提升．该领域发展离不开近代物理的成就．下列关于近代物理知识的说法正确的是（ ）
A．升高温度，可以使放射性元素的半衰期变短
B．氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，电势能增大
C．康普顿效应可以说明光具有波动性
D．光电效应中遏止电压与入射光的频率有关
3.[2023·天津河东二模]下列说法正确的是（ ）
A．图1中，用自然光照射透振方向（箭头所示）互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，光屏依然发亮
B．图2为光导纤维示意图，内芯的折射率比外套的折射率小
C.图3所示的雷达测速利用了多普勒效应
D．图4所示的照相机镜头上呈现的淡紫色是由光的衍射现象引起的
4.2020年12月17日，“嫦娥五号”携带在月球采集的约2 kg月壤返回地球．从月球带来的“土”特产中有地球上含量极少且被誉为“月壤宝藏”的氦－3，它是发电效率极高、既环保又安全的核反应原料，可将氦－3原子核与氘原子核结合时释放的能量用来发电，其核反应方程是：He＋H―→Y＋H，则下列说法正确的是（ ）
A．氦－3不是Y的同位素
B．该反应为原子核的人工转变
C．He、H、Y三者相比，Y的结合能最大
D．He、H、Y三者相比，Y的比结合能最小
5.[2023·江苏省南京市模拟]物理“天宫课堂”中，王亚平将分别挤有水球的两块板慢慢靠近，直到两个水球融合在一起，再把两板慢慢拉开，水在两块板间形成了一座“水桥”．如图甲所示，为我们展示了微重力环境下液体表面张力的特性．“水桥”表面与空气接触的薄层叫表面层，已知分子间作用力F和分子间距r的关系如图乙．下列说法正确的是（ ）
A．能总体反映该表面层里的水分子之间相互作用的是B位置
B．“水桥”表面层中两水分子间的分子势能与其内部水相比偏小
C．“水桥”表面层中水分子距离与其内部水分子相比偏小
D．王亚平放开双手两板吸引到一起，该过程分子力做正功
6.如图甲所示，某汽车大灯距水平地面的高度为81 cm，该大灯结构的简化图如图乙所示．现有一束光从焦点处射出，经旋转抛物面反射后，垂直半球透镜的竖直直径AB从C点射入透镜．已知透镜直径远小于大灯离地面高度，lAC＝lAB，半球透镜的折射率为，tan 15°≈0.27，则这束光照射到地面的位置与大灯间的水平距离为（ ）
A．3 mB．15 m
C．30 mD．45 m
7.某种复式光由红、蓝两种颜色的光组成，其光强度对波长的关系如图甲所示，红光范围的光强度比蓝光范围的光强度大很多．某学生以此光照射某一金属，进行光电效应实验，发现皆可产生光电子，如图乙所示．设可变直流电源的电压为U时测得的光电流为I，测得多组数据，则下列图像中该实验所测得的I U关系可能正确的是（ ）
8.在匀强磁场中，静止的钚的放射性同位素Pu衰变为铀核，并放出α粒子，已知Pu、U和α粒子的质量分别为mPu、mU和mα，衰变放出的光子的动量和能量均忽略不计，α粒子的运动方向与磁场相垂直，则（ ）
A．α粒子的动能为（mPu－mU－mα）c2
B．α粒子的动量为
C．U与α粒子在磁场中的运动半径之比约为4∶235
D．U与α粒子在磁场中的周期之比约为1.3∶1
二、多项选择题：本题共4小题，每小题4分，共16分．每小题有多个选项符合题目要求，全部选对得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分．
9.
[2023·湖北八市二模]一种“光开关”的“核心区”如图虚框区域所示，其中1、2是两个完全相同的截面为等腰直角三角形的棱镜，直角边与虚框平行，两斜面平行，略拉开一小段距离，在两棱镜之间可充入不同介质以实现开关功能．单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，若能通过2，则为“开”，否则为“关”，已知棱镜对a的折射率为2，下列说法正确的是（ ）
A．若不充入介质，则能实现“关”功能
B．若充入的介质相对棱镜是光疏介质，则有可能实现“开”功能
C．若充入的介质相对棱镜是光密介质，则有可能实现“关”功能
D．单色光a通过“光开关”后传播方向一定改变
10.
卡诺循环（Carnotcycle）是只有两个热源的简单循环．如图所示是卡诺循环的p V图像，卡诺循环包括四个过程：a→b等温过程；b→c绝热膨胀过程；c→d 等温过程； d→a绝热压缩过程．整个过程中封闭气体可视为理想气体，下列说法正确的是（ ）
A．a→b过程，外界对气体做功
B．c→d 过程，气体放出热量
C．a→b过程温度为T1，c→d过程温度为T2，则T1＜T2
D．b→c过程气体对外做功为W1，d→a过程外界对气体做功为W2，则W1＝W2
11.小宇同学参加科技嘉年华，设计了一个光电烟雾探测器．如图，S为光源，射出光束，当有烟雾进入探测器时，来自S的光会被烟雾散射进入光电管C.当光射到光电管中的钠表面（极限频率为6.0×1014Hz），会产生光电子．当光电流大于或等于10－8A时，便会触发报警系统报警．下列说法正确的是（ ）
A．要使该探测器正常工作，光源S发出的光波长不能小于0.5 μm
B．若S发出的光能使光电管发生光电效应，则光波的频率越高、光电烟雾探测器灵敏度越高
C．光束遇到烟雾发生散射，是一种反射现象
D．若射向光电管C的光子有5%会激发出光电子，当报警器报警时，每秒射向C中钠表面的光子最少数目是1.25×1012个
12.[2023·浙江模拟]大量处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时产生的a、b两种单色光照射某光电管的阴极时，测得遏止电压之比为2∶1，根据该信息下列说法正确的是（ ）
A．在同种介质中，b光的传播速度是a光的倍
B．若a光是跃迁到n＝3能级产生的，则b光可能是跃迁到n＝4能级产生的
C．用同样的装置做双缝干涉实验，b光束的条纹间距是a光束的两倍
D．当两种光从水中射向空气时，a光的临界角小于b光的临界角
[答题区]
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
答案
三、非选择题：本题共6小题，共60分．
13.（6分）用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，先在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓如图所示（O为两圆弧圆心；图中已画出经P1、P2点的入射光线）.
（1）在图上补画出所需的光路图．
（2）为了测出玻璃砖的折射率，需要测量入射角i和折射角γ，请在图中标出这两个角．
（3）用所测物理量计算折射率的公式是 ．
（4）
为了保证在弧面CD得到出射光线，实验过程中，光线在弧面AB的入射角应适当 （填“小一些”“无所谓”“大一些”）
14.（8分）某同学通过图（a）所示的实验装置，利用玻意耳定律来测定一颗形状不规则的冰糖的体积．
（1）图（a）中的A是 传感器；
（2）将冰糖装进注射器，通过推、拉活塞改变封闭气体的体积和压强．操作中，不能用手握住注射器封闭气体部分，是为了________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
若实验过程中不慎将活塞拔出针筒，则必须废除之前获得的数据，重做实验，这是为了________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
（3）实验中通过活塞所在刻度读取了多组气体体积V及对应压强p，为了在xOy坐标系中获得直线图像，应取y轴、x轴分别为 （选填“V、”或“p、V”）.
（4）
选择合适的坐标后，该同学通过描点作图，得到的函数图像如图（b）中直线所示，若已知传感器和注射器连接处的软管容积为V0，则这颗冰糖的体积为 ．
15.（8分）[2023·广东省汕头市二模]094型战略核潜艇（如图甲）是目前我国服役中最先进的核动力潜艇，是中国拥有三位一体核战略的保障，也是国之利器．如果游轮上处于O点的人刚好看到潜艇在其正前方的水下缓慢通过，将人和潜艇均视为质点，如图乙所示，此时人到水面的高度h1＝15 m，潜艇的水下深度h2＝23 m．水的折射率为n＝，sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6，求此时潜艇与人的水平距离．
16.（10分）如图所示，绝热汽缸倒扣放置，质量为M的绝热活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸间摩擦可忽略不计，活塞下部空间与外界连通，汽缸底部连接一U形细管（管内气体的体积忽略不计）.初始时，封闭气体温度为T，活塞距离汽缸底部为h0，细管内两侧水银柱存在高度差．已知水银密度为ρ，大气压强为p0，汽缸横截面积为S，重力加速度为g.
（1）求U形细管内两侧水银柱的高度差；
（2）通过加热装置缓慢提升气体温度使活塞下降Δh0，求此时的温度；此加热过程中，若气体吸收的热量为Q，求气体内能的变化．
17.（12分）[2023·安徽三模]新冠肺炎疫情防控期，转运新冠病人时需要使用负压救护车，其主要装置为车上的负压隔离舱，它不工作时为密闭状态，工作时通过负压排风净化装置使舱内气压低于外界大气压，空气在流动时只能由高压侧流向舱内低压侧，舱内的污染空气经过滤化和清洁后排到舱外避免传染性生物因子扩散，既为病人提供新鲜空气，同时又保护周围人员及周围环境不受病源体污染．隔离舱内负压（舱内外压强差）为20 Pa～50 Pa时效果比较理想．已知某负压舱容积为0.6 m3，环境温度为t0＝7 ℃，大气压强为p0＝1.0×105Pa，负压隔离舱停止工作且舱内温度为t＝25 ℃时，隔离舱内负压为30 Pa，气体均可视为理想气体，求：（计算结果均保留两位有效数字）
（1）负压隔离舱停止工作且内部温度与外界相同时的内部气体的压强；
（2）已知温度为0 ℃、大气压强为1.0×105Pa时，空气的密度为1.29 kg/m3，计算负压隔离舱停止工作且温度t＝25 ℃时内部空气的质量．
18.（16分）一个钚的同位素Pu的原子核静止在匀强磁场中．某时刻该原子核垂直于磁场方向放射出一个α粒子，变成铀的同位素，同时辐射出能量为E＝0.09 MeV的光子．已知钚原子核的质量M0＝238.999 655 u，α粒子的质量m＝4.001 509 u，反冲核的质量M＝234.993 470 u．取1 u·c2＝931 MeV.
（1）写出衰变的核反应方程．
（2）α粒子和反冲核的动能各是多少？
（3）画出α粒子和反冲核在垂直于纸面向里的匀强磁场中运动轨迹的示意图．
热光原部分素养综合评价
1．答案：C
解析： 布朗运动是指悬浮在液体或气体中的微粒所做的永不停息的无规则运动，布朗运动直接用肉眼是看不见的，A错误；汽车尾气中存在多种成分气体，但不能自发分离；若自发分离则违背了热力学第二定律，一切宏观热学现象都具有方向性，B错误；卡车上缓慢装入沙子，则外界对车胎内气体做正功，又因气体温度不变，则内能不变ΔU＝W＋Q，W>0则Q<0，则胎内气体向外界放热，C正确；荷叶上露珠附着层的水分子比内部稀疏，出现表面张力，D错误．
2．答案：D
解析：放射性元素的半衰期与温度无关，A错误；由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，根据k＝m可知电子的速度增大，电子的动能增大，库仑力做正功，电势能减小，B错误；康普顿效应只能说明光具有粒子性，C错误；根据爱因斯坦光电方程hν－W0＝Ekm以及动能定理eUc＝Ekm可得Uc＝可知光电效应中遏止电压与入射光的频率有关，选项D正确．故选D.
3．答案：C
解析：用自然光照射透振方向(箭头所示)互相垂直的前后两个竖直放置的偏振片，因透振方向不同，光屏变暗，故A错误；依据光的全反射条件可知，内芯的折射率比外套的折射率大，故B错误；雷达测速利用了多普勒效应，C正确；照相机镜头上呈现的淡紫色是由光的干涉现象引起的，D错误．
4．答案：C
解析： 根据质量数和电荷数守恒可知Y为He，所以两者是同位素，A错误；题中核反应是两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，并释放能量，所以属于核聚变，B错误；结合能等于比结合能与核子数的乘积，因此根据比结合能和质量数关系的曲线可得到He的结合能最大，C正确；通过原子核的比结合能和质量数关系的曲线可知He比结合能最大，D错误．
5．答案：D
解析：在液体内部，分子间的距离在r0左右，分子力约为零，而在表面层，分子比较稀疏，分子间的距离大于r0，因此分子间的作用表现为相互吸引，从而使液体表面绷紧，所以能总体反映该表面层里的水分子之间相互作用的是C位置，故A、C错误；分子间距离从大于r0减小到r0左右的过程中，分子力表现为引力，做正功，则分子势能减小，所以“水桥”表面层中水分子距离与其内部水分子相比偏大，故B错误；王亚平放开双手，“水桥”在表面张力作用下收缩，而“水桥”与玻璃板接触面的水分子对玻璃板有吸引力作用，在两玻璃板靠近过程中分子力做正功，故D正确．
6．答案：A
解析：如图所示
设光线从C点水平射向半球玻璃时的入射角为α，从半球玻璃折射后的出射光线与水平面成β角，依题意有sin α＝＝
根据折射定律有n＝
设这束光照射到地面的位置与车头大灯间的水平距离为x，
根据几何关系有tan β＝
联立得x＝3 m，故选A.
7．答案：A
解析：蓝光的频率高，由eU截＝mv＝hν－W，可知，蓝光的遏止电压比较大，所以在反向电压减小到红光的遏止电压前，只有蓝光的光电子辐射出来，所以光电流较小，当反向电压达到红光的遏止电压之后，既有红光的光电子发出又有蓝光的光电子发出，光电流变大，故A正确，B、C、D错误．
8．答案：D
解析：U与α粒子的动能之和等于衰变释放的核能(mPu－mU－mα)c2，衰变前后动量守恒，所以U与α粒子的动量大小相等，方向相反，因为两粒子的动能与质量成反比，所以α粒子的动能为·(mPu－mU－mα)c2，故A错误；由动能可求得动量为P＝＝，故B错误；U与α粒子的动量大小相等，电荷量之比为46∶1，所以根据qvB＝，在磁场中运动半径之比为1∶46，故C错误；根据周期公式T＝，可知U与α粒子周期之比为，代入质量数和电荷数，可得约为1.3∶1，故D正确．故选D.
9．答案：AB
解析：若不充入介质，单色光a从1的左侧垂直于棱镜表面射入，在斜边界面入射角为45°，由全反射的条件可知临界角为sin C＝＝
解析：a→b过程气体体积增大，气体对外界做功，故A错误；c→d过程中，等温压缩，外界对气体做功，内能不变，根据热力学第一定律，气体放出热量，故B正确；a→b过程温度为T1，c→d过程温度为T2，压强体积乘积越大，温度越高，则T1>T2，故C错误；b→c过程和d→a过程都是绝热过程，且气体温度变化大小相同，则内能变化量大小相同，根据热力学第一定律可知，b→c过程气体对外做功为W1，d→a过程外界对气体做功为W2，则W1＝W2，故D正确．
11．答案：CD
解析：根据光电效应方程Ek＝hν－W0＝－hν0
光源 S发出的光波长λm＝＝5×10－7 m＝0.5 μm
要使该探测器正常工作，光源S发出的光波长不能大于 0.5 μm，故A错误；光的频率决定光是否发生光电效应，光的频率一定时，光电流的大小取决于光的强度，故B错误；光束遇到烟雾发生散射，是一种反射现象，故C正确；当光电流大于或等于10－8A 时，每秒产生的光电子的个数n＝＝6.25×1010
每秒射向C 中钠表面的光子最少数目是N＝＝＝1.25×1012，故D正确．
12．答案：BD
解析：由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0和遏止电压与最大初动能的关系Ekm＝eUc，整理得光的频率为ν＝，因为遏止电压之比为2∶1，所以两光的频率之比1<<2，光在介质中传播的速度为＝v，同种介质对频率越大的光，折射率n越大，因为a光的频率大于b光的频率，所以b光的传播速度大，但并不能判断出二者折射率的倍关系，所以二者速度的倍数关系无法确定，故A错误；遏止电压大，频率高，能量大，a光的能量大于b光的能量，若a光是跃迁到n＝3能级产生的，则b光可能是跃迁到n＝4能级产生的，故B正确；由干涉条纹间距公式Δx＝λ和波长频率关系λν＝c，因为va＞vb所以λa＜λb，所以条纹间距Δxa＜Δxb，因无法得到两种光的频率倍数关系，故无法得到两种光波长的倍数关系，也无法得到条纹间距的倍数关系，故C错误；遏止电压大，频率高，则a光的频率大，折射率大，根据sin C＝，可知a光的临界角小，故D正确．
13．答案：(1)(2)光路图见解析 (3) (4)小一些
解析：(1)连接P1、P2表示入射光线，连接P3、P4表示出射光线，连接两光线与玻璃砖的交点，即为折射光线，作出光路图如图．
(2)标出需要测量的入射角i和折射角γ，如图．
(3)根据折射定律得，玻璃折射率的公式为n＝.
(4)为防止光线在弧面CD发生全反射，光线在弧面AB的入射角应适当小一些．
14．答案：(1)压强 (2)保持封闭气体的温度不变 保持封闭气体的质量不变 (3)V、 (4)b＋V0
解析：(1)实验需要测量气体的体积与压强，气体体积可以由注射器上的刻度直接读出，A是压强传感器．
(2)实验需要保持气体温度与质量不变，操作中，不能用手握住注射器封闭气体部分，是为了保持气体温度不变；若实验过程中不慎将活塞拔出针筒，则必须废除之前获得的数据，重做实验，这是为了保持封闭气体质量不变．
(3)由玻意耳定律pV＝C
可知V＝C
所以V正比于，为了在xOy坐标系中获得直线图像，应取y轴、x轴分别为V和；
(4)以注射器内气体与传感器和注射器连接处的软管内气体为研究对象，
气体总体积V气＝V＋V0－V冰糖，
由玻意耳定律得pV气＝C，
则V气＝C，
则有V气＝V＋V0－V冰糖＝C，
可得V＝C－V0＋V冰糖，
当＝0时，V＝－V0＋V冰糖＝b，
则冰糖的体积V冰糖＝b＋V0.
15．答案：37.25 m
解析：如图所示
根据折射定律可得n＝＝
解得sin θ＝0.6
即θ＝37°
由图中几何关系可得此时潜艇与人的水平距离为x＝h1tan 53°＋h2tan 37°＝15×m＋23×m＝37.25 m．
16．答案：(1) (2)T0 Q－(p0S－Mg)Δh0
解析：(1)封闭气体的压强为p，对活塞分析，根据平衡条件有p0S＝pS＋Mg
用水银柱表达气体的压强为p＝p0－ρgΔh
解得Δh＝
(2)加热过程中气体变化是等压变化＝
解得T＝T0
气体对外做功为W＝pSΔh0＝(p0S－Mg)Δh0
则内能的变化ΔU＝Q－W＝Q－(p0S－Mg)Δh0.
17．答案：(1)0.94×105Pa (2)0.71 kg
解析：(1)以负压隔离舱内部气体为研究对象，初状态T1＝298 K，p1＝99 970 Pa；末状态T2＝280 K，根据查理定律得＝
代入数据得p2≈0.94×105Pa
(2)负压隔离舱内部气体初状态V1＝0.6 m3，T1＝298 K，p1＝99 970 Pa.设其在T3＝273 K，p3＝1.0×105Pa条件下的体积为V3，则＝
代入数据解得V3≈0.55 m3
所以其质量为：m＝ρV3≈0.71 kg.
18．答案：(1)Pu―→U＋He＋E
(2)4.19 MeV 0.07 MeV (3)见解析图
解析：(1)由题意根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为 Pu―→U＋He＋E.
(2)设衰变后α粒子的速度为v，反冲核的速度为v′，根据动量守恒和能量守恒，有mv＝Mv′
(M0－M－m)·c2－E＝Ekα＋EkU≈4.26 MeV
由Ek＝，可整理得＝
所以Ekα＝×4.26 MeV
＝×4.26 MeV≈4.19 MeV
EkU＝×4.26 MeV
＝×4.26 MeV≈0.07 MeV.
(3)如图所示．
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