2025年高三物理上學(xué)期“創(chuàng)造性思維”展示題一、力學(xué)模塊：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的多維度建模題組一：智能運(yùn)動(dòng)設(shè)備的物理分析某品牌智能手環(huán)內(nèi)置三軸加速度傳感器，其核心組件可簡(jiǎn)化為質(zhì)量為20g的彈簧振子系統(tǒng)。當(dāng)佩戴者進(jìn)行垂直方向的原地縱跳時(shí)，手環(huán)記錄的加速度-時(shí)間圖像呈現(xiàn)周期性變化：起跳階段0.2s內(nèi)加速度從0增大到15m/s2，下落階段接觸地面后0.1s內(nèi)加速度從-10m/s2線性衰減至0。（1）模型構(gòu)建：忽略空氣阻力，建立包含人體質(zhì)量（設(shè)為60kg）、彈簧振子勁度系數(shù)的雙質(zhì)點(diǎn)模型，推導(dǎo)起跳過(guò)程中人體對(duì)地面的平均作用力。要求分別用動(dòng)量定理和能量守恒兩種方法求解，并分析兩種方法在該情境中的適用性差異。（2）誤差分析：實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，手環(huán)記錄的最大加速度比理論計(jì)算值低8%。已知傳感器固有振動(dòng)周期為0.05s，試從系統(tǒng)共振角度解釋誤差來(lái)源，并設(shè)計(jì)一種通過(guò)改變采樣頻率減小誤差的方案（需計(jì)算臨界采樣頻率）。（3）拓展應(yīng)用：若將該手環(huán)用于宇航員失重訓(xùn)練監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)一個(gè)包含彈簧振子、霍爾元件和永磁鐵的改裝方案，使設(shè)備能在太空中測(cè)量微小加速度（畫出裝置示意圖，說(shuō)明工作原理）。題組二：新能源汽車的能量?jī)?yōu)化某型號(hào)電動(dòng)汽車采用雙電機(jī)四驅(qū)系統(tǒng)，前后電機(jī)的輸出功率分別為80kW和120kW，整車質(zhì)量2200kg。在平直公路上以90km/h勻速行駛時(shí)，前后輪所受摩擦力均為車重的0.02倍。（1）動(dòng)態(tài)分配：建立電機(jī)功率分配的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)前后電機(jī)的最佳功率比（提示：考慮前后軸荷分配對(duì)摩擦力的影響，設(shè)質(zhì)心距前后軸距離比為3:2）。若采用等功率分配模式，計(jì)算能量損耗率的變化百分比。（2）再生制動(dòng)：當(dāng)汽車以5m/s2的加速度制動(dòng)時(shí)，電機(jī)可回收70%的制動(dòng)能量。設(shè)計(jì)一種基于電磁感應(yīng)原理的能量回收裝置，要求說(shuō)明線圈繞制方式（單層/多層）、磁體布局（徑向/軸向）對(duì)回收效率的影響，并推導(dǎo)最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式。（3）極限工況：在冰雪路面（摩擦系數(shù)0.1）上，該汽車以最大功率啟動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。提出三種基于物理原理的防滑方案（不依賴電子系統(tǒng)），并通過(guò)受力分析比較各方案的防滑效果系數(shù)。二、電磁學(xué)模塊：復(fù)雜場(chǎng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用題組三：無(wú)線充電技術(shù)的電磁建模某品牌手機(jī)無(wú)線充電器采用磁共振耦合方式，發(fā)射線圈（半徑5cm，匝數(shù)20）通入頻率100kHz的交變電流。已知耦合系數(shù)k=0.2，接收線圈內(nèi)阻1Ω，負(fù)載電阻5Ω時(shí)輸出功率達(dá)15W。（1）參數(shù)優(yōu)化：建立包含互感系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)的等效電路模型，計(jì)算發(fā)射線圈的電流有效值。若要將充電效率從75%提升至85%，分析可調(diào)整的三個(gè)關(guān)鍵物理參數(shù)（至少涉及幾何、材料、電學(xué)各一項(xiàng)）。（2）干擾防護(hù)：當(dāng)金屬鑰匙靠近充電器時(shí)，會(huì)因渦流效應(yīng)產(chǎn)生2W的熱損耗。設(shè)計(jì)一種基于渦流原理的異物檢測(cè)方案，要求說(shuō)明檢測(cè)線圈的布置方式（畫出俯視圖），并推導(dǎo)金屬物體距離與感應(yīng)電壓的關(guān)系。（3）多設(shè)備兼容：針對(duì)不同尺寸的電子設(shè)備，提出一種可變形發(fā)射線圈的設(shè)計(jì)思路（用彈性導(dǎo)體材料），分析線圈形狀變化對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，并用通量法則證明能量傳輸效率的穩(wěn)定性條件。題組四：磁懸浮系統(tǒng)的控制優(yōu)化某磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置中，永磁體（剩磁1.2T）通過(guò)斥力懸浮在超導(dǎo)線圈正上方，懸浮間隙10mm時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。線圈采用NbTi超導(dǎo)材料，臨界電流密度1.5×10?A/m2。（1）穩(wěn)定性分析：建立懸浮力-位移關(guān)系的非線性模型，證明在平衡位置附近可近似為簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)。若測(cè)得固有頻率為2Hz，計(jì)算超導(dǎo)線圈所需的最小橫截面積（忽略邊緣效應(yīng)）。（2）故障診斷：當(dāng)線圈局部失超導(dǎo)致電阻突變?yōu)?.01Ω時(shí)，懸浮間隙會(huì)在0.1s內(nèi)減小2mm。設(shè)計(jì)一個(gè)基于電磁感應(yīng)原理的故障預(yù)警裝置，要求說(shuō)明傳感器的安裝位置和輸出信號(hào)特征。（3）高溫超導(dǎo)應(yīng)用：若改用YBCO高溫超導(dǎo)帶材（臨界溫度90K），分析在液氮冷卻條件下系統(tǒng)最大承載能力的變化。提出一種利用斯特林制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)局部降溫的微型化方案（畫出熱力學(xué)循環(huán)示意圖）。三、光學(xué)與近代物理模塊：前沿技術(shù)的原理探究題組五：AR眼鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)某型號(hào)AR眼鏡采用光波導(dǎo)顯示技術(shù)，其核心元件為厚度1mm的等腰直角棱鏡（折射率1.52），在斜邊鍍有半透半反膜。入射光經(jīng)耦合光柵（周期1μm）衍射后進(jìn)入波導(dǎo)，通過(guò)全反射傳輸至出射端。（1）光路計(jì)算：建立包含光柵方程、折射定律的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算TE偏振光的最佳入射角（考慮1級(jí)衍射效率最大化）。若要實(shí)現(xiàn)550nm綠光的全反射傳輸，推導(dǎo)棱鏡材料的最小折射率。（2）視場(chǎng)擴(kuò)展：現(xiàn)有設(shè)計(jì)的水平視場(chǎng)角為30°，提出兩種擴(kuò)展視場(chǎng)的方案（涉及光柵參數(shù)調(diào)整和棱鏡結(jié)構(gòu)改進(jìn)），用幾何光學(xué)證明視場(chǎng)角與光柵周期的關(guān)系。（3）彩色顯示：為實(shí)現(xiàn)RGB三色顯示，分析不同波長(zhǎng)光在波導(dǎo)中傳輸時(shí)的色散現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種基于光子晶體結(jié)構(gòu)的消色差光柵（畫出截面示意圖），并說(shuō)明其工作原理。題組六：量子通信的物理實(shí)現(xiàn)某量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)采用BB84協(xié)議，使用波長(zhǎng)800nm的單光子源，在10km單模光纖中傳輸時(shí)損耗系數(shù)為0.2dB/km。系統(tǒng)誤碼率要求低于1.5%。（1）信道分析：建立光子傳輸?shù)牟此煞植寄Ｐ?，?jì)算平均每比特信號(hào)的光子數(shù)。若考慮光纖色散導(dǎo)致的脈沖展寬（10ps/km），分析對(duì)量子態(tài)保真度的影響，推導(dǎo)最大傳輸速率的表達(dá)式。（2）竊聽檢測(cè)：設(shè)計(jì)一種基于海森堡不確定性原理的竊聽檢測(cè)方案，說(shuō)明如何通過(guò)測(cè)量光子偏振態(tài)的擾動(dòng)來(lái)判斷是否存在竊聽者。計(jì)算當(dāng)竊聽者獲取50%信息時(shí)，系統(tǒng)誤碼率的理論增加值。（3）技術(shù)突破：針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸距離限制，提出一種基于量子中繼器的解決方案，用能級(jí)躍遷圖說(shuō)明糾纏交換過(guò)程，并分析該方案對(duì)量子存儲(chǔ)器相干時(shí)間的要求。四、實(shí)驗(yàn)探究模塊：跨學(xué)科創(chuàng)新設(shè)計(jì)題組七：環(huán)境監(jiān)測(cè)的物理方法利用廢舊器材設(shè)計(jì)"空氣質(zhì)量微型監(jiān)測(cè)站"，需包含以下功能模塊：（1）PM2.5檢測(cè)：用激光筆（波長(zhǎng)650nm）、光電二極管和凸透鏡組成散射式粉塵傳感器，推導(dǎo)散射光強(qiáng)度與顆粒物濃度的關(guān)系。設(shè)計(jì)一種通過(guò)旋轉(zhuǎn)遮光片消除背景光干擾的機(jī)械結(jié)構(gòu)。（2）溫濕度補(bǔ)償：已知?dú)饷綦娮璧臏囟认禂?shù)為-0.04/℃，濕度系數(shù)為0.02/%RH。設(shè)計(jì)惠斯通電橋電路，計(jì)算當(dāng)環(huán)境溫度從10℃變化到35℃時(shí)，補(bǔ)償電阻的調(diào)節(jié)范圍（要求誤差小于2%）。（3）數(shù)據(jù)傳輸：將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)（2000-4000Hz）通過(guò)手機(jī)麥克風(fēng)采集。建立聲電轉(zhuǎn)換的物理模型，分析采樣頻率對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響，并用傅里葉變換說(shuō)明信號(hào)編碼原理。題組八：可再生能源的綜合利用某中學(xué)擬建立太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，已知當(dāng)?shù)卣缣?yáng)輻射強(qiáng)度1000W/m2，平均風(fēng)速5m/s，安裝面積限制在20m2。（1）系統(tǒng)匹配：比較晶硅太陽(yáng)能電池（效率18%）和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（葉片半徑1.2m，效率30%）的功率輸出特性，建立混合能源系統(tǒng)的功率平衡方程，計(jì)算在春秋分日的最佳裝機(jī)容量比。（2）儲(chǔ)能優(yōu)化：設(shè)計(jì)基于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能方案，已知電容2.7V/500F，要求存儲(chǔ)一天發(fā)電量的20%。計(jì)算所需電容器的串聯(lián)組數(shù)和并聯(lián)個(gè)數(shù)，分析充放電過(guò)程中的能量損耗機(jī)制。（3）智能控制：提出一種基于光強(qiáng)和風(fēng)速的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，用微積分推導(dǎo)跟蹤精度與采樣間隔的關(guān)系，并用狀態(tài)機(jī)原理畫出控制流程圖。五、綜合創(chuàng)新模塊：工程實(shí)踐中的物理應(yīng)用題組九：智能家居的能耗優(yōu)化某智能家居系統(tǒng)包含以下設(shè)備：LED照明（20W，功率因數(shù)0.95）、變頻空調(diào)（額定制冷量3500W，能效比3.8）、掃地機(jī)器人（電池容量5000mAh，工作電壓14.8V）。（1）電網(wǎng)交互：建立家庭微電網(wǎng)的等效電路模型，計(jì)算所有設(shè)備同時(shí)工作時(shí)的視在功率。若當(dāng)?shù)仉妰r(jià)實(shí)行峰谷分時(shí)計(jì)價(jià)（峰段08:00-22:00，1.2元/kWh；谷段0.5元/kWh），設(shè)計(jì)空調(diào)的啟停控制策略，使日耗電量成本降低20%以上。（2）電池管理：掃地機(jī)器人采用鋰電池組（3串4并結(jié)構(gòu)），充滿電后可工作1.5小時(shí)。分析電池單體電壓差異對(duì)續(xù)航時(shí)間的影響，設(shè)計(jì)一種基于電壓均衡原理的被動(dòng)均衡電路（畫出電路圖，計(jì)算均衡電阻的取值范圍）。（3）無(wú)線傳感：為實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的人體感應(yīng)控制，設(shè)計(jì)一種基于紅外熱釋電傳感器的控制模塊，分析傳感器靈敏度與透鏡焦距的關(guān)系，并用波動(dòng)光學(xué)解釋探測(cè)距離的限制因素。題組十：太空探索中的物理問題我國(guó)載人登月計(jì)劃中，月球車需在重力加速度1.62m/s2的月面完成巡視探測(cè)任務(wù)，車載機(jī)械臂最大負(fù)載20kg，工作半徑1.5m。（1）機(jī)械臂設(shè)計(jì)：建立包含關(guān)節(jié)摩擦（摩擦系數(shù)0.15）、電機(jī)輸出扭矩的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算在水平伸縮和垂直升降兩種工況下的最大驅(qū)動(dòng)功率。若考慮月塵附著導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大20%，分析對(duì)關(guān)節(jié)壽命的影響。（2）熱控系統(tǒng)：月球表面晝夜溫差達(dá)300℃，設(shè)計(jì)一種基于相變材料的被動(dòng)熱控方案。已知月壤導(dǎo)熱系數(shù)0.02W/(m·K)，要求計(jì)算保溫層厚度（選用石蠟作為相變材料，相變潛熱200kJ/kg）。（3）通信中繼：月球車與地球基站的通信鏈路需經(jīng)過(guò)環(huán)月中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于激光多普勒效應(yīng)的測(cè)速方案，計(jì)算衛(wèi)星相對(duì)月面速