2025年高三物理上學期“物理仿生”中的物理知識考查卷一、單項選擇題（每題4分，共40分）仿生手臂的肌腱驅動系統(tǒng)中，若將驅動電機的旋轉運動轉化為手指的直線伸縮，其核心物理原理是（）A.能量守恒定律B.杠桿原理與力矩平衡C.楞次定律D.光電效應解析：肌腱驅動通過類似滑輪組的結構傳遞力，電機輸出扭矩經(jīng)肌腱（柔性繩索）轉化為手指關節(jié)的轉動，涉及力的分解與力矩平衡。例如，北京理工大學研發(fā)的仿生手臂采用外在驅動模式（EAP），將電機安裝于前臂近端，通過肌腱遠距離傳動，利用杠桿原理減少慣性力影響，提升運動精度。蜂鳥懸停時翅膀以80次/秒的頻率扇動，其翅膀上下拍動產(chǎn)生升力的主要原因是（）A.伯努利原理B.牛頓第三定律C.庫侖定律D.熱力學第二定律解析：蜂鳥翅膀以大迎角（約45°）扇動，通過“下拍時加速向下推空氣，上拍時減速向上劃水”的非對稱運動，利用反作用力（牛頓第三定律）產(chǎn)生升力。北航團隊仿蜂鳥飛行器通過四連桿機構實現(xiàn)154°扇動角，配合尼龍繩彈性儲能元件，使10.5克系統(tǒng)產(chǎn)生31.98克升力，驗證了反作用力主導的升力機制。中國科大研發(fā)的光控液晶凝膠軟體機器人，在光照下實現(xiàn)可編程形變，其能量轉換方式為（）A.電能→機械能B.光能→內(nèi)能→機械能C.化學能→電能D.核能→熱能解析：液晶分子在光照下發(fā)生異構化，導致凝膠材料膨脹/收縮，實現(xiàn)光能到機械能的轉化。該機器人在水環(huán)境中通過光響應形變模擬水生生物運動，其跨尺度調控（納米分子排列→厘米級形變）體現(xiàn)了材料力學與熱力學的耦合效應。二、多項選擇題（每題6分，共30分）仿生手臂采用混合驅動系統(tǒng)（肌腱+齒輪）的優(yōu)勢包括（）A.減少關節(jié)摩擦損耗B.提升抓握力精度C.降低系統(tǒng)重量D.增強低溫環(huán)境適應性解析：肌腱驅動輕量化但傳動效率低，齒輪驅動精度高但重量大。混合驅動結合兩者優(yōu)勢：如拇指MCP關節(jié)用齒輪驅動實現(xiàn)0.1mm級定位，指間關節(jié)用肌腱驅動減少部件數(shù)量，使系統(tǒng)重量降低12%，抓握力誤差控制在±3%以內(nèi)（中日聯(lián)合研究數(shù)據(jù)）。蜂鳥飛行時肌肉與彈性組織的能量轉換過程符合（）A.機械能→彈性勢能→機械能B.能量守恒定律C.熵增原理D.動量守恒定律解析：蜂鳥翼根彈性肌腱在翅膀扇動極限位置儲存彈性勢能，中間階段釋放，實現(xiàn)“省力杠桿”效應。北航仿蜂鳥飛行器通過該機制使能耗降低4.5%，驗證了機械能與彈性勢能的循環(huán)轉換（A正確），且全過程能量守恒（B正確）。三、計算題（共40分）仿生手臂驅動問題某仿生手指采用齒輪傳動（減速比1:5），電機輸出扭矩為0.2N·m，齒輪效率η=0.85，忽略摩擦損耗。求：（1）手指末端輸出扭矩；（2）若手指長度10cm，最大抓握力F。解答：（1）輸出扭矩T=輸入扭矩×減速比×η=0.2×5×0.85=0.85N·m（2）由T=F×L，得F=T/L=0.85N·m/0.1m=8.5N關聯(lián)案例：山東大學仿生氧化團隊研發(fā)的仿生手，通過14齒/36齒齒輪組實現(xiàn)類似減速效果，其抓握力達20N，可穩(wěn)定抓取雞蛋（需5-8N力）。蜂鳥飛行器能量問題蜂鳥懸停時功率P=1.2W，翅膀扇動一次做功W=0.015J。求：（1）扇動頻率f；（2）若仿蜂鳥飛行器能效比η=30%，電池容量200mAh（電壓3.7V），理論續(xù)航時間t。解答：（1）P=W×f→f=P/W=1.2W/0.015J=80次/秒（2）電池能量E=UIt=3.7V×0.2A×3600s=2664J有效能量E'=E×η=2664×0.3=799.2J續(xù)航時間t=E'/P=799.2J/1.2W≈666s=11.1min工程驗證：北航仿蜂鳥飛行器通過彈性儲能優(yōu)化，實際續(xù)航達15分鐘，超過理論值，印證了仿生設計的能效優(yōu)勢。四、實驗題（共20分）基于蜂鳥飛行的空氣動力學實驗某小組用高速攝像機拍攝蜂鳥懸停，獲得翅膀運動參數(shù)：扇動角θ=150°，振幅A=8cm，頻率f=50Hz。（1）計算翅膀尖端線速度v；（2）若翅膀面積S=20cm2，空氣密度ρ=1.2kg/m3，估算平均升力F（提示：F≈ρv2S）。解答：（1）翅膀運動軌跡近似為圓弧，周長L=θ/360°×2πA=150/360×2π×0.08m≈0.209mv=L×f=0.209m×50Hz≈10.45m/s（2）F=1.2×(10.45)2×0.002≈0.26N拓展：該估算值與蜂鳥實際升力（體重3-5g對應0.03-0.05N）存在差異，因未考慮非定常氣流（如前緣渦）的貢獻，說明生物飛行的空氣動力學復雜性。五、綜合論述題（共30分）結合仿生手臂與蜂鳥飛行器案例，論述物理仿生設計中“結構-能量-控制”的一體化原理。參考答案：物理仿生需實現(xiàn)結構優(yōu)化、能量高效轉換與智能控制的協(xié)同。結構層面：仿生手臂采用模塊化關節(jié)設計（如肌腱+齒輪混合驅動），通過材料輕量化（碳纖維骨架減重40%）與仿生形態(tài)（模仿人手骨骼比例）提升負載能力；蜂鳥飛行器通過四連桿彈性機構模擬翼根儲能，將扇動效率從65%提升至82%。能量層面：兩者均遵循“按需儲能-高效釋能”原則。仿生手臂利用齒輪減速器將電機高速低扭矩轉化為低速高扭矩，能量損失控制在15%以內(nèi)；蜂鳥飛行器通過尼龍繩彈性元件實現(xiàn)每周期0.002J能量回收，續(xù)航提升17.6%?？刂茖用妫悍律直奂杉‰妭鞲衅鳎ú蓸勇?kHz）與AI算法，實現(xiàn)0.3秒內(nèi)的抓握動作響應；蜂鳥飛行器搭載1.8克微型控制器，通過陀螺儀（量程±2000°/s）實時