2025年高中物理知識競賽“物理安全”防護方案設計大賽試題（一）一、選擇題（每題5分，共30分）實驗室電路中安裝過載保護裝置是物理安全防護的重要措施。某實驗室電源總功率為2200W，額定電壓220V，為防止短路事故需串聯(lián)保險絲。若保險絲材料的熔斷電流密度為5A/mm2，則應選擇的保險絲直徑最接近（）A.0.5mmB.1mmC.1.5mmD.2mm高層建筑火災逃生時，利用緩降器勻速下降過程中，關于機械能變化與摩擦力做功的關系，下列說法正確的是（）A.重力勢能減少量等于動能增加量B.重力勢能減少量等于克服摩擦力做功C.機械能減少量等于重力勢能減少量D.動能變化量等于摩擦力做功地震應急避難場所需設計減震緩沖裝置。某彈簧減震器的勁度系數(shù)k=5000N/m，當承受500kg重物沖擊時，彈簧最大壓縮量為0.5m，忽略空氣阻力，該裝置能承受的最大沖擊速度為（）A.1m/sB.2m/sC.5m/sD.10m/s在電磁輻射防護實驗中，某金屬屏蔽網對頻率50MHz電磁波的衰減率為90%，已知電磁波穿透深度公式為δ=√(2/μσω)，則當頻率提高到200MHz時，衰減率將變?yōu)椋ǎ〢.95%B.97.5%C.99%D.99.75%某化工廠反應釜需安裝壓力安全裝置，當內部壓強超過1.2atm時自動泄壓。已知釜體橫截面積0.5m2，泄壓閥彈簧勁度系數(shù)2×10?N/m，為保證安全，彈簧初始壓縮量應為（）（標準大氣壓取1×10?Pa）A.5cmB.10cmC.15cmD.20cm交通安全中汽車防撞護欄設計需考慮碰撞過程的能量吸收。某鋼制護欄的屈服強度為200MPa，若汽車質量1500kg以20m/s速度撞擊，為使護欄產生塑性形變吸收全部動能，所需護欄橫截面積至少為（）（鋼的斷裂功取10?J/m3）A.0.03m2B.0.06m2C.0.12m2D.0.24m2二、填空題（每空3分，共30分）某實驗室激光安全防護中，氦氖激光器（波長632.8nm）的最大允許照射量為1mW/cm2，當激光功率為5mW時，安全觀察距離應不小于______cm（結果保留整數(shù)）。建筑防雷裝置中，避雷針的保護范圍可按滾球法計算。當避雷針高度為20m時，其在地面的保護半徑為______m（滾球半徑取30m）。某電梯限速器的觸發(fā)條件是：當電梯下行加速度超過0.2g（g=10m/s2）時啟動制動。若電梯在1s內速度從3m/s降至0，則該過程的加速度大小為______m/s2，是否觸發(fā)制動______（填“是”或“否”）。靜電防護中，人體帶電電位超過30kV時會產生火花放電。若人體電容約100pF，此時儲存的靜電能量為______J，放電時電流的熱效應可用公式______描述。某放射性物質儲存容器需滿足防護要求：使γ射線（初始強度I?）穿過20cm鉛板后強度衰減至I?/1000。已知鉛對該γ射線的線性衰減系數(shù)μ=0.693cm?1，則所需鉛板厚度至少為______cm（結果保留整數(shù)）。某粉塵爆炸防護實驗中，測得面粉粉塵的最小點火能量為10mJ，爆炸下限濃度為15g/m3。若實驗容器體積2m3，達到爆炸下限濃度時粉塵總質量為______g，此時靜電火花能量需超過______J才可能引發(fā)爆炸。某防噪聲耳罩的降噪量為25dB，當環(huán)境噪聲為90dB時，耳罩內實際聲壓級為______dB。若要將噪聲降至安全標準55dB，則耳罩的降噪量至少需增加______dB。三、實驗設計題（20分）某中學物理實驗室需設計一套“防墜物沖擊安全防護裝置”，要求如下：裝置能承受5kg重物從2m高度自由下落的沖擊沖擊過程中最大加速度不超過5g（g=10m/s2）裝置總高度不超過30cm提供器材：彈簧（勁度系數(shù)k=1000N/m，最大形變量20cm）、泡沫緩沖墊（厚度5-20cm，壓縮剛度500N/cm）、鋼板（質量忽略）、滑輪組等。（1）選擇合適的緩沖材料組合，畫出裝置結構示意圖（5分）（2）計算所選材料的關鍵參數(shù)（如彈簧數(shù)量、泡沫厚度等）（8分）（3）分析該裝置的工作原理及安全冗余設計（7分）四、計算題（25分）某化工廠有一立式圓柱形儲液罐，高10m，直徑4m，內裝密度1200kg/m3的腐蝕性液體。為防止罐體破裂泄漏，需設計雙重安全防護：液位報警系統(tǒng)：當液位超過8m時觸發(fā)警報緊急泄壓裝置：當罐底壓強超過1.5×10?Pa時自動泄壓（1）計算儲液罐裝滿時的總質量及對地面的壓強（6分）（2）設計基于U型管壓強計的液位監(jiān)測裝置，若采用水銀作為指示液（密度13600kg/m3），當液位達到8m時，U型管兩側液面高度差應為多少？（7分）（3）緊急泄壓閥安裝在罐底，閥門口徑2cm，為保證在設定壓強下開啟，計算閥瓣質量（不計閥門摩擦）（6分）（4）若罐體出現(xiàn)微小裂縫（面積0.1cm2），計算液體泄漏速度及24小時泄漏總量（6分）五、綜合應用題（25分）隨著新能源汽車普及，充電樁的電氣安全防護成為重要課題。某小區(qū)需安裝交流充電樁（額定電壓220V，額定功率7kW），請完成以下設計：（1）短路保護設計：若線路電阻0.5Ω，計算短路電流大小，選擇合適的空氣開關規(guī)格（分斷電流應大于短路電流1.2倍）（6分）（2）防雷保護設計：在充電樁電源端安裝氧化鋅避雷器，已知避雷器動作電壓為380V（有效值），計算其在雷暴過電壓（幅值1000V）下的殘壓抑制率（7分）（3）漏電保護設計：若人體電阻為1000Ω，安全電流為30mA，計算漏電保護器的動作電流閾值應設定為多少mA？（6分）（4）過載保護設計：若充電樁連續(xù)過載20%運行，計算10分鐘內產生的額外熱量，說明過載保護的必要性（6分）六、分析論述題（30分）從能量轉化角度分析高層建筑玻璃幕墻采用“夾膠鋼化玻璃”的安全防護原理，比較其與普通玻璃在破碎過程中的能量吸收差異（10分）結合電磁感應原理，分析電磁剎車系統(tǒng)在高速列車緊急制動中的工作機制，說明其相比傳統(tǒng)摩擦剎車的優(yōu)勢（10分）運用流體力學知識，分析地鐵隧道中“活塞風”的形成機理，設計一種利用活塞風進行火災排煙的優(yōu)化方案（10分）七、方案設計題（40分）某中學化學實驗室需進行“危險化學品儲存安全防護系統(tǒng)”整體設計，主要存放濃硫酸（98%）、濃硝酸（65%）、氫氧化鈉固體等危險化學品。請根據物理安全防護原則，完成以下設計任務：（1）儲存柜設計：從材料選擇（考慮耐腐蝕性、防火性）、結構設計（考慮通風、防泄漏）、尺寸參數(shù)等方面進行詳細說明（12分）（2）溫度監(jiān)控系統(tǒng)：設計一套基于熱脹冷縮原理的簡易溫度報警裝置，當環(huán)境溫度超過35℃時自動啟動通風，畫出裝置示