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2021年高考物理真题分类汇编——热学、光学及原子物理学
一．单项选择题（共7小题）
1．（2021?浙江）2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是（　　）
3062605286385A．是计算机运算的一种程序
B．表示运算速度的一个单位
C．表示微观世界的不连续性观念
D．类似于质子、中子的微观粒子
2．（2021?浙江）下列说法正确的是（　　）
A．光的波动性是光子之间相互作用的结果
B．玻尔第一次将“量子”引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念
C．光电效应揭示了光的粒子性，证明了光子除了能量之外还具有动量
D．α射线经过置于空气中带正电验电器金属小球的上方，验电器金属箔的张角会变大
3．（2021?乙卷）医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其﹣t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为（　　）
A．67.3d B．101.0d C．115.1d D．124.9d
4．（2021?甲卷）如图，一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为（　　）
A．6 B．8 C．10 D．14
5．（2021?广东）科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26。铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为Al→Mg+Y。下列说法正确的是（　　）
A．Y是氦核
B．Y是质子
C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半
D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变
6．（2021?河北）银河系中存在大量的铝同位素26Al。26Al核β+衰变的衰变方程为Al→Mg+e，测得26Al核的半衰期为72万年。下列说法正确的是（　　）
A．26Al核的质量等于26Mg核的质量
B．26Al核的中子数大于26Mg核的中子数
C．将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变
D．银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年后全部衰变为26Mg
7．（2021?湖南）核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是（　　）
A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽
B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒
C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期
D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
二．多选题（共3小题）
8．（2021?乙卷）如图，一定量的理想气体从状态a（p0，V0，T0）经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a。对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是（　　）（填正确答案标号）
368173080645A．ab过程中，气体始终吸热
B．ca过程中，气体始终放热
C．ca过程中，气体对外界做功
D．bc过程中，气体的温度先降低后升高
E．bc过程中，气体的温度先升高后降低
9．（2021?湖南）如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞（截面积分别为S1和S2）封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细砂，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细砂的总质量为m。在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是（　　）
A．整个过程，外力F做功大于0，小于mgh
B．整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变
C．整个过程，理想气体的内能增大
D．整个过程，理想气体向外界释放的热量小于（P0S1h+mgh）
E．左端活塞到达B位置时，外力F等于
367220569024510．（2021?浙江）如图所示是我国全超导托卡马克核聚变实验装置。2018年11月，该装置实现了1×108℃等离子体运行等多项重大突破，为未来和平利用聚变能量迈出了重要一步。关于核聚变，下列说法正确的是（　　）
A．聚变又叫热核反应
B．太阳就是一个巨大的热核反应堆
C．高温能使原子核克服核力而聚变
D．对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多
三．填空题（共4小题）
11．（2021?甲卷）如图，一定量的理想气体经历的两个不同过程，分别由体积﹣温度（V﹣t）图上的335788044450两条直线Ⅰ和Ⅱ表示，V1和V2分别为两直线与纵轴交点的纵坐标，t0是它们的延长线与横轴交点的横坐标，t0＝﹣273.15°C；a为直线Ⅰ上的一点。由图可知，气体在状态a和b的压强之比＝　 　；气体在状态b和c的压强之比＝　 　。
12．（2021?河北）两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸A、B，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图1所示。现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若A中细沙的质量大于B中细沙的质量，重新平衡后，汽缸A内气体的内能　 　（填“大于”“小于”或“等于”）汽缸B内气体的内能。图2为重新平衡后A、B汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线　 　（填图像中曲线标号）表示汽缸B中气体分子的速率分布规律。
13．（2021?广东）在高空飞行的客机上某乘客喝完一瓶矿泉水后，把瓶盖拧紧。下飞机后发现矿泉水瓶变瘪了，机场地面温度与高空客舱内温度相同。由此可判断，高空客舱内的气体压强　 　（选填“大于”、“小于”或“等于）”机场地面大气压强；从高空客舱到机场地面，矿泉水瓶内气体的分子平均动能　 　（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
14．（2021?甲卷）如图，单色光从折射率n＝1.5、厚度d＝10.0cm的玻璃板上表面射入。已知真空中的光速为3.0×108m/s，则该单色光在玻璃板内传播的速度为　 　m/s；对于所有可能的入射角，该单色光通过玻璃板所用时间t的取值范围是　 　s≤t＜　 　s（不考虑反射）。
四．计算题（共6小题）
right85598015．（2021?甲卷）如图，一汽缸中由活塞封闭有一定量的理想气体，中间的隔板将气体分为A、B两部分；初始时，A、B的体积均为V，压强均等于大气压P0。隔板上装有压力传感器和控制装置，当隔板两边压强差超过0.5p0时隔板就会滑动，否则隔板停止运动。气体温度始终保持不变。向右缓慢推动活塞，使B的体积减小为。
（ⅰ）求A的体积和B的压强；
（ⅱ）再使活塞向左缓慢回到初始位置，求此时A的体积和B的压强。
right160464516．（2021?湖南）小赞同学设计了一个用电子天平测量环境温度的实验装置，如图所示。导热汽缸开口向上并固定在桌面上，用质量m1＝600g、截面积S＝20cm2的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。一轻质直杆中心置于固定支点A上，左端用不可伸长的细绳竖直悬挂活塞，右端用相同细绳竖直悬挂一个质量m2＝1200g的铁块，并将铁块放置到电子天平上。当电子天平示数为600.0g时，测得环境温度T1＝300K。设外界大气压强p0＝1.0×105Pa，重力加速度g＝10m/s2。
（i）当电子天平示数为400.0g时，环境温度T2为多少？
（ii）该装置可测量的最高环境温度Tmax为多少？
17．（2021?河北）某双层玻璃保温杯夹层中有少量空气，温度为27℃时，压强为3.0×103Pa。
（ⅰ）当夹层中空气的温度升至37℃，求此时夹层中空气的压强；
（ⅱ）当保温杯外层出现裂隙，静置足够长时间，求夹层中增加的空气质量与原有空气质量的比值。设环境温度为27℃，大气压强为1.0×105Pa。
5196205102552518．（2021?广东）为方便抽取密封药瓶里的药液，护士一般先用注射器注入少量气体到药瓶里后再抽取药液，如图所示。某种药瓶的容积为0.9mL，内装有0.5mL的药液，瓶内气体压强为1.0×105Pa。护士把注射器内横截面积为0.3cm2、长度为0.4cm、压强为1.0×105Pa的气体注入药瓶，若瓶内外温度相同且保持不变，气体视为理想气体，求此时药瓶内气体的压强。
431990584264519．（2021?河北）将两块半径均为R、完全相同的透明半圆柱体A、B正对位置，圆心上下错开一定距离，如图所示。用一束单色光沿半径照射半圆柱体A，设圆心处入射角为θ。当θ＝60°时，A右侧恰好无光线射出；当θ＝30°时，有光线沿B的半径射出，射出位置与A的圆心相比下移h。不考虑多次反射。求：
（ⅰ）半圆柱体对该单色光的折射率；
（ⅱ）两个半圆柱体之间的距离d。
right131127520．（2021?湖南）我国古代著作《墨经》中记载了小孔成倒像的实验，认识到光沿直线传播。身高1.6m的人站在水平地面上，其正前方0.6m处的竖直木板墙上有一个圆柱形孔洞，直径为1.0cm、深度为1.4cm，孔洞距水平地面的高度是人身高的一半。此时，由于孔洞深度过大，使得成像不完整，如图所示。现在孔洞中填充厚度等于洞深的某种均匀透明介质，不考虑光在透明介质中的反射。
（i）若该人通过小孔能成完整的像，透明介质的折射率最小为多少？
（ii）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，透明介质的折射率最小为多少？
五．解答题（共1小题）
21．（2021?广东）如图所示，一种光学传感器是通过接收器Q接收到光的强度变化而触发工作的，光从挡风玻璃内侧P点射向外侧M点再折射到空气中，测得入射角为α，折射角为β；光从P点射向外侧N点，刚好发生全反射并被Q接收，求光从玻璃射向空气时临界角θ的正弦值表达式。
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2021年高考物理真题分类汇编——热学、光学及原子物理学
参考答案与试题解析
一．单项选择题（共7小题）
1．【解答】A、量子不是计算机的程序，量子是不可分割的最小的单元，故A错误；
B、量子最早由普朗克于1900年提出，普朗克假设物体发射出电磁辐射能量是一份一份的，其中每一份被他称作能量子，电磁辐射能量是其整数倍，所以量子是表示能量的单元，而非运算速度的单位，故B错误；
C、量子是不可分割的最小的单元，表示微观世界的不连续性，即通常所说的“量子化”，故C正确；
D、量子不是实物粒子，不是像质子、中子那样的微观粒子，故D错误。
故选：C。
2．【解答】A、在光的双缝干涉实验中，减小光的强度，让光子通过双缝后，光子只能一个接一个地到达光屏，经过足够长时间，发现干涉条纹。单个光子所到达哪个位置是随机的，大量光子却表现出波动性，这表明光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，故A错误；
B、玻尔第一次将“量子”观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，故B正确；
C、光电效应揭示了光的粒子性，但是不能证明光子除了能量之外还具有动量，康普顿效应证明了光子具有动量，故C错误；
D、α射线经过置于空气中带正电验电器金属小球的上方时，会使金属球附近的空气电离，金属球吸引负离子而使验电器金属箔的张角会变小，故D错误。
故选：B。
3．【解答】由图可知质量为m0的113Sn衰变到m0的所用的时间△t＝t2﹣t1，其中t2＝182.4d，t1＝67.3d，代入解得△t＝115.1d，故113Sn的半衰期为115.1d，故C正确，ABD错误。
故选：C。
4．【解答】由题图可知原子核X的质量数为A＝92+146＝238，电荷数为Z＝92，即
原子核Y的质量数为A′＝82+124＝206，电荷数为Z＝82，即
设经过x次α衰变和y次β衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可得：238＝206+4x，92＝82+2x﹣y
解得：x＝8，y＝6
发生β衰变时，原子核内的中子转化为一个质子的同时放出一个电子，所以该过程共释放了6个电子，故A正确，BCD错误。
故选：A。
5．【解答】AB、根据电荷数守恒、质量数守恒知，Y的电荷数为1，质量数为0，可知Y为正电子，故A、B错误；
C、每经过一个半衰期，有半数发生衰变，再经过72万年，现有的铝有一半发生衰变，故C正确；
D、每经过一个半衰期，有半数发生衰变，再经过144万年，现有的铝有发生衰变，还剩没有衰变，故D错误。
故选：C。
6．【解答】A、26Al核的质量数等于26Mg核的质量数，Al衰变过程释放出e，26Al核的质量与26Mg核的质量不相等，故A错误；
B、26Al核的中子数N铝＝（26﹣13）个＝13个，26Mg核的中子数N镁＝（26﹣12）个＝14个，26Al核的中子数小于26Mg核的中子数，故B错误；
C、半衰期由原子核本身结构决定，与外界环境无关，将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变，故C正确；
D、26Al核的半衰期为72万年，银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年后未衰变质量占原来质量的比值n＝，则河系中现有的铝同位素26Al在144万年后没有全部衰变为26Mg，故选：C。
7．【解答】A、半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，经过两个完整的半衰期后，还剩下四分之一的原子核没有衰变，故A错误；
B、原子核衰变时电荷数守恒，质量数也守恒，故B错误；
C、半衰期由放射性原子核内部本身的因素决定，不会受到阳光、温度、气候变化等自然环境因素影响，故C错误；
D、依据质能方程可知，一定质量对应的一定的能量，当过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但在安全剂量内辐射强度则没有伤害，故D正确。
故选：D。
二．多选题（共3小题）
8．【解答】A、由图示图象可知，ab过程气体体积V不变而压强p增大，由理想气体状态方程＝C可知，气体温度升高，气体内能增大，△U＞0，气体体积不变，外界对气体不做功，由热力学第一定律△U＝W+Q可知：Q＝△U﹣W＝△U＞0，气体始终从外界吸收热量，故A正确；
BC、由图示图象可知，ca过程气体压强p不变而体积V减小，由理想气体状态方程＝C可知，气体温度T降低，气体内能减小，△U＜0，气体体积减小，外界对气体做功，W＞0，由热力学第一定律△U＝W+Q可知：Q＝△U﹣W＜0，气体始终向外界放出热量，故B正确，C错误；
DE、由图示图象可知，bc过程气体压强p与体积V的乘积pV先增大后减小，由理想气体状态方程＝C可知，气体温度T先升高后降低，故D错误，E正确。
故选：ABE。
9．【解答】A、外力F作用在右端活塞上，活塞位置不变，可知在F作用下没有位移，可知外力F做功为零，故A错误；
BC、气缸为导热汽缸，环境温度不变，所以气体状态变化过程中温度不变，温度是分子平均动能的标志，所以分子平均动能不变，对于定质量的理想气体，内能只与分子平均动能有关，所以内能也不变，故B正确，C错误；
D、根据△U＝Q+W知，外界对气体做功W＝mgh，因为△U＝0，所以Q＝﹣W，即气体向外界释放的热量为mgh，小于P0S1h+mgh，故D正确；
E、左端活塞到达B位置时，对左边活塞有：p气S1＝p0S1+mg，对于右边活塞有：p气S2＝p0S2+F，联立两式得：F＝，故E正确。
故选：BDE。
10．【解答】A、核聚变需要在极高的温度条件下才能发生，所以核聚变又叫热核反应，故A正确；
B、太阳释放的热量来自于太阳内部的核聚变，太阳就是一个巨大的热核反应堆，故B正确；
C、要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10﹣15m以内，核力才能起作用，那么热核反应时要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能来克服库伦斥力而聚变在一起形成新的原子核，即高温能使轻核克服库伦斥力而聚变，而不是克服核力而聚变，故C错误；
D、轻核的聚变过程中亏损的质量比较大，根据质能方程可知对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多，故D正确。
故选：ABD。
三．填空题（共4小题）
11．【解答】以t0为坐标原点，画出纵坐标，原图可变为V﹣T图，如图，
由图可知：ab所在直线为等压线，所以pa＝pb，所以＝1。
当温度等于0℃，即273.15K时，过程Ⅰ对应的体积为V1，过程Ⅱ对应的体积为V2，由玻意耳定律：p1V1＝p2V2，得：＝，由于过程Ⅰ、过程Ⅱ都是等压变化，所以＝。
故答案为：1；。
12．【解答】对封闭理想气体进行分析，内能△U＝W+Q.
由于气缸绝热，则封闭气体不与外界进行热交换，即Q＝0，
向活塞上表面缓慢倒入细沙，封闭气体压强增大，由于A中细沙的质量大于B中细沙的质量，达到平衡时，A中外界对气体做功较多，则内能变化较大，可知A中封闭气体内能大于B中封闭气体内能。
理想气体内能越大，温度越高，温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子的平均动能越大，分子速率大分子数占总分子数的百分比增大，B中气体温度较低，可知曲线①表示气缸B中气体分子的速度分布规律。
故答案为：大于；①。
13．【解答】下飞机后发现矿泉水瓶变瘪了，说明瓶子外界气体压强比之前变大了，所以高空客舱内的气体压强小于机场地面大气压强，
温度是分子的平均动能的标志，机场地面温度与高空客舱内温度相同，所以矿泉水瓶内气体的分子平均动能不变。
故答案为：小于；不变。
14．【解答】光线在玻璃板的传播速度为v＝＝m/s＝2.0×108m/s
已知d＝10.0cm＝0.10m，当光线垂直通过玻璃板时所用时间最短，最短时间为tmin＝＝s＝5×10﹣10s；
当入射角为90°时折射角最大，设最大折射角为α，由折射定律得n＝
解得sinα＝
单色光玻璃板中传播最长距离为s＝＝＝m＝m
光线通过玻璃板的最长时间为tmax＝＝s＝3×10﹣10s；
故该单色光通过玻璃板所用时间t的取值范围是5×10﹣10s≤t＜3×10﹣10s。
故答案为：2.0×108，5×10﹣10，3×10﹣10。
四．计算题（共6小题）
15．【解答】（ⅰ）向右缓慢推动活塞，使B的体积减小为VB′＝时，
对气体B，由玻意耳定律：p0V＝pBVB′，
得气体B得压强：pB＝2p0，
由题意可知：pA＝pB+0.5p0＝2p0+0.5p0＝2.5p0，
对气体A，由玻意耳定律：p0V＝pAVA′，
得A的体积为：VA′＝＝＝。
（ⅱ）活塞向左缓慢回到初始位置，假设隔板不运动，
则A的末态体积为V″＝V+＝，A的末态压强p″＝，而B的压强为2p0，差值大于0.5p0，
则假设不成立，隔板将向左移动
末态压强关系：pB′＝pA′+0.5p0
末态压强关系：VB″+VA″＝2V
由p0V＝pA′VA″；p0V＝pB′VB″，
解得：pB′＝，VA″＝
答：（ⅰ）A的体积，B的压强为2p0
（ⅱ）再使活塞向左缓慢回到初始位置，此时A的体积为和B的压强。
16．【解答】（i）轻质直杆中心置于固定支点A上，根据杠杆原理可知，两根细绳上的拉力相等。
对铁块受力分析如图所示：
电子天平示数为600g时，气体p1＝p0＝1×105Pa，T1＝300K，
示数为400g时，p2＝p0+，
其中，拉力T＝m2g﹣m0g，
其中m0＝400g＝0.4kg，m1＝600g＝0.6kg，m2＝1200g＝1.2kg，
解得T＝8N
由＝，代入数据解得T2＝297K
（ii）当拉力T＝0时，p1＝p0+，代入解得p1＝1.03×105Pa，
则＝，解得Tmax＝T3＝309K.
答：（i）当电子天平示数为400.0g时，环境温度T2为297K；
（ii）该装置可测量的最高环境温度Tmax为309K.
17．【解答】（ⅰ）以夹层中空气为研究对象，封闭的气体做等容变化，由查理定律得：＝
初态：T1＝（27+273）K＝300K，p1＝3.0×103Pa；
末态：T2＝（37+273）K＝310K
解得：p2＝3.1×103Pa
（ⅱ）以保温杯夹层内原来的气体为研究对象，由题意可知：p3＝1.0×105Pa
封闭的气体做等温变化，由玻意耳定律得：p1V1＝p3V3
代入数据解得：V3＝，
则夹层中增加的气体体积△V＝V1﹣V3＝，
由于在相同温度和相同压强下，质量之比等于体积之比，可得：＝＝
答：（ⅰ）此时夹层中空气的压强为3.1×103Pa；
（ⅱ）夹层中增加的空气质量与原有空气质量的比值为。
18．【解答】药瓶内气体的体积V1＝0.9mL﹣0.5mL＝0.4mL，压强p1＝1.0×105Pa；
注射器内气体的体积为：V2＝0.3cm2×0.4cm＝0.12cm3＝0.12mL，压强p2＝1.0×105Pa；
设注入后气体的压强为p，根据理想气体状态方程“分态式”可得：pV1＝p1V1+p2V2
联立解得：p＝1.3×105Pa。
答：此时药瓶内气体的压强为1.3×105Pa。
19．【解答】（ⅰ）当θ＝60°时，A右侧恰好无光线射出，即光线发生全反射，根据全反射条件可知：
n＝
半圆柱体对该单色光的折射率n＝
（ⅱ）做出光路图如图所示：
入射光在半圆柱体A上发生折射时，由折射定律可知：
n＝
其中θ＝30°，解得：sinα＝
入射光在半圆柱体B上发生折射时，由折射定律可知：
n＝
解得：sinβ＝
则PM＝Rsinβ＝
则由几何关系可知
tanα＝
联立解得：d＝h﹣
答：
（ⅰ）半圆柱体对该单色光的折射率为；
（ⅱ）两个半圆柱体之间的距离d为h﹣。
20．【解答】（i）若该人通过小孔能成完整的像，作出的光路图如图1所示（根据对称性可知，只要头部能够在后面成像，则脚也一定能够成像），
根据几何关系可得：sinα＝，
其中AC＝＝0.8m，DE＝1.0cm＝0.01m，BO＝0.6m
sinβ＝，其中OD＝1.4cm＝0.014m
根据折射定律可得：n＝
代入数据解得：n＝1.37；
（ii）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，折射率最小时光的传播情况如图2所示；
根据几何关系可得α′＝90°，sinβ′＝sinβ
根据折射定律可得：n′＝
解得：n′＝1.72。
答：（i）若该人通过小孔能成完整的像，透明介质的折射率最小为1.37；
（ii）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，透明介质的折射率最小为1.72。
五．解答题（共1小题）
21．【解答】设玻璃的折射率为n。
光线在M点发生折射，由于光线从光密介质射入光疏介质折射，则由折射定律得
n＝
由题可知，临界角C＝θ，则sinθ＝＝
答：光从玻璃射向空气时临界角θ的正弦值表达式为。

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