2025年高一物理下學(xué)期“我是發(fā)明家”創(chuàng)新設(shè)計(jì)試題一、基礎(chǔ)創(chuàng)新設(shè)計(jì)題（共60分）（一）家庭節(jié)能裝置設(shè)計(jì)（20分）隨著智能家居的普及，小明發(fā)現(xiàn)家中很多電器在待機(jī)狀態(tài)下仍消耗電能。請(qǐng)你利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)一款"智能斷電插座"，要求：裝置能檢測(cè)用電器是否處于待機(jī)狀態(tài)（提示：待機(jī)功率通常小于5W）當(dāng)檢測(cè)到待機(jī)狀態(tài)持續(xù)5分鐘后，自動(dòng)切斷電源保留手動(dòng)恢復(fù)供電功能回答下列問(wèn)題：（1）畫(huà)出裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)注各組件名稱及作用（2）說(shuō)明裝置工作的物理原理，涉及的電磁學(xué)規(guī)律有哪些？（3）若選用220V交流電源，設(shè)計(jì)一個(gè)降壓整流電路，使輸出電壓為5V，為控制模塊供電。已知變壓器原線圈匝數(shù)為2200匝，求副線圈匝數(shù)。若整流后使用1000μF的濾波電容，估算電容充電時(shí)間常數(shù)。（4）分析該裝置可能存在的安全隱患，并提出改進(jìn)方案（二）運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)（20分）學(xué)校運(yùn)動(dòng)會(huì)上，100米短跑比賽的計(jì)時(shí)通常采用人工秒表或電子計(jì)時(shí)器。為提高測(cè)量精度，物理興趣小組計(jì)劃設(shè)計(jì)一款基于光電傳感器的"智能起跑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)"，防止運(yùn)動(dòng)員搶跑并精確計(jì)時(shí)?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）設(shè)計(jì)一套包含起跑監(jiān)測(cè)和終點(diǎn)計(jì)時(shí)的完整方案，畫(huà)出系統(tǒng)框圖（2）若采用紅外對(duì)管作為傳感器，已知紅外光波長(zhǎng)為940nm，計(jì)算光子能量。若傳感器接收功率為1μW，每秒接收的光子數(shù)是多少？（3）系統(tǒng)需要識(shí)別運(yùn)動(dòng)員是否搶跑，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)該功能。要求當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在發(fā)令槍響前0.1秒內(nèi)移動(dòng)超過(guò)5cm時(shí)，發(fā)出搶跑警報(bào)（4）某次測(cè)試中，系統(tǒng)記錄的起跑信號(hào)與終點(diǎn)信號(hào)時(shí)間間隔為10.234秒，已知聲速為340m/s，計(jì)算該時(shí)間是否需要修正？若需要，修正后的時(shí)間是多少？（三）環(huán)保測(cè)量工具設(shè)計(jì)（20分）城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)日益重要，PM2.5濃度是衡量空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易PM2.5檢測(cè)儀，原理是利用微粒對(duì)光的散射作用?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）畫(huà)出檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，說(shuō)明各部分作用（2）已知光源采用650nm的紅色激光，若空氣中PM2.5顆粒直徑為2.5μm，計(jì)算光的波長(zhǎng)與顆粒直徑的比值。當(dāng)顆粒濃度增加時(shí)，散射光強(qiáng)度如何變化？（3）設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理電路，將微弱的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)。要求包含光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波等模塊（4）若檢測(cè)儀顯示PM2.5濃度為75μg/m3，已知標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3空氣的質(zhì)量為1.293kg，計(jì)算PM2.5質(zhì)量占空氣質(zhì)量的百分比二、綜合創(chuàng)新應(yīng)用題（共40分）（一）新能源裝置設(shè)計(jì)（20分）為解決校園共享單車的充電問(wèn)題，學(xué)校計(jì)劃在車棚安裝太陽(yáng)能充電裝置。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，要求：為10輛共享單車同時(shí)充電晴天時(shí)，4小時(shí)內(nèi)可將一輛沒(méi)電的單車充滿（電池容量為10Ah，電壓36V）具有防過(guò)充保護(hù)功能回答下列問(wèn)題：（1）計(jì)算所需太陽(yáng)能電池板的最小功率。已知當(dāng)?shù)厍缣煺缣?yáng)輻射強(qiáng)度約為1000W/m2，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為15%（2）設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，使電池板始終正對(duì)太陽(yáng)。分析該系統(tǒng)需要檢測(cè)哪些物理量，采用什么傳感器？（3）若使用12V/100Ah的蓄電池儲(chǔ)能，需要多少個(gè)這樣的蓄電池？如何連接？（4）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制方案，畫(huà)出控制流程圖（二）智能交通設(shè)備設(shè)計(jì)（20分）在鄉(xiāng)村道路的彎道處，由于視線受阻，經(jīng)常發(fā)生交通事故。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一款"彎道智能預(yù)警系統(tǒng)"，當(dāng)雙向來(lái)車時(shí)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。回答下列問(wèn)題：（1）選擇合適的傳感器檢測(cè)來(lái)車，比較超聲波、紅外、微波三種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)（2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安裝方案，考慮地形因素，畫(huà)出安裝示意圖（3）若采用超聲波傳感器，已知聲速為340m/s，傳感器發(fā)射頻率為40kHz，計(jì)算超聲波的波長(zhǎng)。若要檢測(cè)100米外的車輛，超聲波往返一次需要多長(zhǎng)時(shí)間？（4）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的光控報(bào)警電路，當(dāng)檢測(cè)到來(lái)車時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)亮LED警示燈。要求光線暗時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，光線亮?xí)r自動(dòng)關(guān)閉三、開(kāi)放創(chuàng)新挑戰(zhàn)題（共50分）（一）火星探測(cè)車設(shè)計(jì)（25分）2025年我國(guó)計(jì)劃發(fā)射火星采樣返回探測(cè)器，假設(shè)你是研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)火星車的某個(gè)子系統(tǒng)。選擇以下任一主題完成設(shè)計(jì)：A.火星車能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)B.火星車避障導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)C.火星表面土壤采樣裝置設(shè)計(jì)要求：（1）說(shuō)明設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新點(diǎn)（2）分析所依據(jù)的物理原理（3）考慮火星環(huán)境特點(diǎn)（重力加速度為地球的38%，大氣壓強(qiáng)為地球的0.6%，晝夜溫差超過(guò)100℃），設(shè)計(jì)需要克服哪些困難？（4）提出3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并說(shuō)明如何測(cè)試驗(yàn)證（二）未來(lái)交通工具設(shè)計(jì)（25分）隨著城市化進(jìn)程加快，城市交通擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)重。請(qǐng)你設(shè)計(jì)一種新型個(gè)人交通工具，要求：適合在城市中短途出行（5-20公里）節(jié)能環(huán)保，不產(chǎn)生尾氣污染具有創(chuàng)新性的驅(qū)動(dòng)方式回答下列問(wèn)題：（1）繪制交通工具的結(jié)構(gòu)草圖，標(biāo)注關(guān)鍵部件（2）說(shuō)明其工作原理，涉及哪些物理規(guī)律？（3）估算該交通工具的續(xù)航里程、最高速度、載重量等關(guān)鍵參數(shù)（4）分析其能量轉(zhuǎn)換效率，如何提高能源利用率？（5）從安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等方面評(píng)估該設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)建議四、實(shí)踐操作題（共50分）（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作（25分）提供以下器材：彈簧測(cè)力計(jì)（量程0-5N）、毫米刻度尺、秒表、動(dòng)滑輪（2個(gè)）、定滑輪（2個(gè)）、輕質(zhì)細(xì)繩、鉤碼（50g若干）、木板、棉布、玻璃板、彈簧、小車、光電門傳感器（2個(gè)）、數(shù)據(jù)采集器請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，探究"不同材料表面對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響"，要求：提出具體的探究問(wèn)題和假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)裝置圖說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟，如何控制變量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表，說(shuō)明需要測(cè)量哪些物理量分析實(shí)驗(yàn)可能產(chǎn)生的誤差及減小誤差的方法若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，物體在棉布表面滑行距離是玻璃板表面的1/3，由此可得出什么結(jié)論？（二）創(chuàng)新作品制作方案（25分）根據(jù)以上試題中你最感興趣的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，完成一份詳細(xì)的制作計(jì)劃：列出所需材料、工具清單，估算成本繪制詳細(xì)的制作圖紙，標(biāo)注尺寸制定制作步驟和時(shí)間安排設(shè)計(jì)測(cè)試方案，如何驗(yàn)證作品功能分析制作過(guò)程中可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)，提出解決方案說(shuō)明該作品的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和改進(jìn)空間五、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明（一）評(píng)分原則創(chuàng)新性（30%）：設(shè)計(jì)理念、技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)方法的創(chuàng)新程度科學(xué)性（30%）：物理原理應(yīng)用的準(zhǔn)確性，方案的可行性完整性（20%）：設(shè)計(jì)方案的全面性，是否考慮各種因素規(guī)范性（20%）：圖表繪制、計(jì)算過(guò)程、表達(dá)的規(guī)范程度（二）特別說(shuō)明鼓勵(lì)提出非常規(guī)的創(chuàng)新方案，只要原理正確即可酌情給分對(duì)于開(kāi)放性問(wèn)題，只要觀點(diǎn)合理、論證充分，均可得分計(jì)算結(jié)果允許有±5%的誤差范圍圖紙繪制清晰、標(biāo)注規(guī)范即可，不要求專業(yè)繪圖軟件制作實(shí)踐操作題可根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整方案，關(guān)鍵是體現(xiàn)科學(xué)探究方法本試題注重考查