2025年高中物理知識競賽“物理創(chuàng)新成果”展示大賽（報告筆試部分）試題（二）一、選擇題（每題4分，共20分）量子通信技術中，基于糾纏態(tài)的量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)利用了量子力學的哪項核心原理？A.不確定性原理B.量子態(tài)疊加原理C.量子態(tài)不可克隆定理D.量子隧穿效應某團隊設計的“磁懸浮式太陽能跟蹤裝置”通過改變電磁鐵線圈電流調節(jié)永磁體懸浮高度，實現(xiàn)光伏板角度實時調整。若線圈電阻為5Ω，兩端電壓按正弦規(guī)律變化（峰值10V，頻率50Hz），則該線圈的平均功率為：A.5WB.10WC.20WD.40W在“溫差發(fā)電鞋墊”創(chuàng)新項目中，參賽者利用Seebeck效應將人體行走時的機械能轉化為電能。已知某碲化鉍材料的塞貝克系數(shù)為200μV/K，當鞋墊上下表面溫差為5℃時，開路電壓為：A.1mVB.10mVC.100mVD.1V為測量納米材料的楊氏模量，某小組采用原子力顯微鏡（AFM）對單根碳納米管進行三點彎曲測試。若納米管長度L=2μm，直徑d=10nm，施加力F=10??N時產生最大撓度δ=0.1μm，其楊氏模量E的數(shù)量級為（E=4FL3/(3πd?δ)）：A.10?PaB.1011PaC.1013PaD.101?Pa“激光驅動微型火箭”項目中，聚焦激光束使工質（如氙氣）電離產生等離子體噴射。若等離子體噴射速度為5km/s，工質噴射質量流率為10??kg/s，則該火箭的推力約為：A.5×10?3NB.5×10??NC.5×10??ND.5×10?12N二、填空題（每空3分，共30分）某創(chuàng)新團隊設計的“雙擺式波浪發(fā)電裝置”中，主擺長1.2m，副擺長0.8m，當裝置在海浪激勵下做簡諧運動時，系統(tǒng)的基頻為______Hz（重力加速度g=9.8m/s2，結果保留兩位小數(shù)）。在“基于霍爾效應的手勢識別傳感器”中，采用n型半導體薄片（載流子濃度n=102?m?3，厚度d=0.1mm），通入電流I=20mA，垂直磁場B=0.5T時，霍爾電壓U_H=______mV（電子電荷量e=1.6×10?1?C）?！按帕黧w推進船”模型通過在海水（電導率σ=4S/m）中施加軸向磁場B和徑向電流J產生洛倫茲力。若磁場強度B=0.8T，電極半徑r=0.1m，電流密度J=100A/m2，則推進力F=______N（F=BJL，L為電極長度，此處L=0.5m）。某小組利用邁克爾遜干涉儀測量石墨烯薄膜厚度，已知激光波長λ=632.8nm，移動動鏡后干涉條紋移動了20條，則薄膜厚度h=______nm（假設薄膜折射率n=1.5）?！盁崧曋评浔洹敝校哳l聲波在諧振管內形成駐波，使工作氣體（氦氣）產生周期性壓縮與膨脹。若諧振管長度L=1m，聲速v=1000m/s，則最佳工作頻率f=______Hz（駐波波長λ=2L）。三、計算題（共60分）（15分）1.電磁懸浮軸承設計某參賽項目提出“永磁-電磁混合懸浮軸承”方案：轉子（質量m=0.5kg，半徑R=0.05m）由4個對稱分布的電磁鐵產生電磁力懸浮，每個電磁鐵線圈電阻R=2Ω，額定電流I=3A。（1）若轉子受到豎直方向擾動后產生位移x=0.1mm，位移傳感器輸出電壓U=kx（k=100V/m），經PID控制器輸出控制電壓U_c，驅動功率放大器使線圈電流變化ΔI，求為維持懸浮穩(wěn)定所需的電流調節(jié)量ΔI（電磁力F=k_iI2，k_i=0.1N/A2，重力加速度g=9.8m/s2）；（2）若功率放大器效率η=80%，計算單個電磁鐵的平均功耗。（20分）2.光伏-溫差復合發(fā)電系統(tǒng)某團隊設計的“車頂光伏-溫差復合發(fā)電系統(tǒng)”包含：單晶硅光伏板：面積S?=0.8m2，光電轉換效率η?=22%，太陽輻照度G=1000W/m2；半導體制冷片（TEC）：工作溫差ΔT=50K，熱電轉換效率η?=8%，熱端從車頂吸收熱量Q=200W。（1）計算系統(tǒng)總輸出電功率P_total；（2）若系統(tǒng)向蓄電池充電（電壓U=12V，充電效率η_charge=90%），求日均充電量（按有效日照6小時計算）。（25分）3.超材料聲隱身斗篷某創(chuàng)新報告提出“二維聲隱身斗篷”設計，其核心是通過坐標變換使聲波繞過障礙物傳播。已知斗篷外半徑R?=0.5m，內半徑R?=0.2m，背景介質為空氣（聲速v?=340m/s），要求斗篷內區(qū)域（r≤R?）聲場強度為零。（1）根據(jù)坐標變換理論，推導出斗篷內任意半徑r處的等效密度ρ(r)和體積模量K(r)表達式（提示：變換關系r'=R?+(r-R?)(R?-R?)/(R?-R?)，即線性壓縮變換）；（2）若入射聲波頻率f=1kHz，計算斗篷的最小厚度d_min（需滿足λ/4<d_min<λ，λ為空氣中聲波波長）。四、創(chuàng)新方案設計題（40分）背景：隨著老齡化社會加劇，亟需開發(fā)可穿戴式跌倒檢測與防護設備。某參賽團隊計劃設計“智能防跌倒腰帶”，要求具備實時姿態(tài)監(jiān)測、跌倒預判（提前0.5s報警）和充氣緩沖防護功能。任務：（1）選擇核心傳感器（如加速度計、陀螺儀、氣壓傳感器等）并說明選型依據(jù)，繪制系統(tǒng)硬件框圖；（2）建立人體跌倒運動學模型，推導出基于三軸加速度a_x、a_y、a_z的跌倒判據(jù)（需包含閾值設定方法）；（3）設計充氣緩沖裝置的觸發(fā)機制：采用微型燃氣發(fā)生器（產氣速率m'=0.02kg/s，氣體膨脹系數(shù)k=1.4），氣囊體積V=0.01m3，初始壓力p?=1atm，環(huán)境溫度T=300K，計算從觸發(fā)到氣囊完全膨脹（壓力p=1.5atm）所需時間t（假設氣體絕熱膨脹，pV?=常數(shù)）。五、實驗分析題（40分）背景：某小組開展“基于光鑷技術的細胞彈性測量”實驗，通過聚焦激光束捕獲紅細胞，移動光鑷使細胞產生形變，記錄光阱力F與形變位移x的關系數(shù)據(jù)如下表：位移x/μm0.20.40.60.81.0光阱力F/pN1225364860任務：（1）繪制F-x關系曲線，判斷細胞的力學特性是否符合胡克定律，并計算等效彈性系數(shù)k；（2）若激光波長λ=1064nm，物鏡數(shù)值孔徑NA=1.2，細胞折射率n=1.33，估算光阱剛度k（理論公式k=6πηrν，其中η為介質黏度，r為細胞半徑，ν為光阱諧振頻率，此處ν=100Hz，η=0.001Pa·s）；（3）分析實驗誤差來源，提出一種提高測量精度的改進方案（如采用雙光鑷、溫度控制等）。六、綜合論述題（30分）主題：量子計算技術在物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應用某團隊提出利用量子算法加速處理高能物理對撞實驗數(shù)據(jù)（如LHC的粒子軌跡重建），請回答：（1）對比經典