2025年高一物理下學(xué)期“物理購(gòu)物”（電子產(chǎn)品）知識(shí)考查一、曲線運(yùn)動(dòng)在智能手機(jī)防抖功能中的應(yīng)用智能手機(jī)攝像模塊的光學(xué)防抖技術(shù)是曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的典型應(yīng)用。當(dāng)手持設(shè)備發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，鏡頭會(huì)沿弧形軌跡做曲線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分解為水平方向的勻速圓周運(yùn)動(dòng)與豎直方向的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)合成。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解原理，防抖馬達(dá)通過(guò)電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)鏡頭組，在x軸和y軸方向產(chǎn)生與手抖方向相反的加速度，使二者運(yùn)動(dòng)合成后光軸保持穩(wěn)定。以某型號(hào)手機(jī)為例，其防抖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)±1.5°的轉(zhuǎn)角補(bǔ)償，當(dāng)檢測(cè)到手抖角速度為5rad/s時(shí)，鏡頭需要在0.02s內(nèi)產(chǎn)生7.5m/s2的加速度，這一過(guò)程需滿足向心力公式F=mω2r，其中鏡頭組件質(zhì)量m=12g，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=0.8mm，由此可計(jì)算出電磁力需達(dá)到0.0225N。在曲線運(yùn)動(dòng)的速度分析中，手機(jī)陀螺儀實(shí)時(shí)采集的角速度數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)化為線速度參數(shù)。當(dāng)手機(jī)繞某軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏡頭邊緣點(diǎn)的線速度v=ωr，通過(guò)對(duì)比初始位置與實(shí)時(shí)位置的速度矢量差，系統(tǒng)可預(yù)判0.01s后的位移偏移量。這要求傳感器采樣頻率不低于100Hz，才能滿足Nyquist采樣定理，避免運(yùn)動(dòng)信號(hào)混疊。某旗艦機(jī)型采用的OIS光學(xué)防抖系統(tǒng)，其鏡頭懸浮機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)摩擦力需控制在0.003N以內(nèi)，確保在最大加速度工況下仍能保持運(yùn)動(dòng)的平滑性，這涉及到動(dòng)摩擦因數(shù)μ與正壓力N的關(guān)系：μ=Ff/N=0.003/(0.12×9.8)≈0.0025，遠(yuǎn)低于普通金屬接觸面的摩擦系數(shù)。二、機(jī)械能守恒定律與無(wú)線耳機(jī)續(xù)航設(shè)計(jì)TWS無(wú)線耳機(jī)的續(xù)航能力本質(zhì)上是機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化效率問題。耳機(jī)內(nèi)置的微型動(dòng)圈揚(yáng)聲器，其工作原理基于通電線圈在磁場(chǎng)中受到安培力作用發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。根據(jù)能量守恒定律，電池輸出的電能E電=UIΔt，一部分轉(zhuǎn)化為振膜振動(dòng)的機(jī)械能E機(jī)=?mv2+?kx2（其中m為振膜質(zhì)量，v為振動(dòng)速度，k為彈性系數(shù)，x為振幅），另一部分轉(zhuǎn)化為焦耳熱Q=I2Rt。某品牌耳機(jī)的揚(yáng)聲器參數(shù)為：振膜質(zhì)量4.2mg，彈性系數(shù)80N/m，最大振幅0.15mm，由此可計(jì)算出單只耳機(jī)發(fā)聲時(shí)的最大機(jī)械能E機(jī)=?×4.2×10??×(0.03)2+?×80×(0.15×10?3)2≈9.45×10??J+9×10??J≈9.09×10??J，而其電池容量為41mAh（3.7V），理論電能E電=3.7×41×10?3×3600≈544J，能量轉(zhuǎn)化效率約為1.67×10??，這解釋了為何耳機(jī)主要耗電并非來(lái)自發(fā)聲單元，而是藍(lán)牙射頻模塊。在充電盒的能量管理系統(tǒng)中，機(jī)械能守恒表現(xiàn)為彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)用戶打開充電盒蓋時(shí)，盒蓋繞鉸鏈做圓周運(yùn)動(dòng)，其重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能與彈簧彈性勢(shì)能。某款耳機(jī)盒采用的渦卷彈簧勁度系數(shù)k=0.8N/m，最大形變量x=15mm，根據(jù)胡克定律F=kx，其最大彈力為1.2N，彈性勢(shì)能Ep=?kx2=?×0.8×(0.015)2=9×10??J。這個(gè)能量需大于盒蓋轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小動(dòng)能，通過(guò)計(jì)算盒蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=?mr2（m=28g，r=35mm），可得最小啟動(dòng)動(dòng)能Ek=?Iω2=?×(?×0.028×0.0352)×(π/3)2≈1.4×10??J，遠(yuǎn)小于彈簧儲(chǔ)能，因此設(shè)計(jì)留有充足余量。無(wú)線充電過(guò)程中的能量損失涉及多種機(jī)械功計(jì)算。當(dāng)耳機(jī)放入充電盒時(shí)，定位銷與充電觸點(diǎn)的接觸過(guò)程存在非彈性碰撞，碰撞系數(shù)e=0.65，根據(jù)動(dòng)量守恒定律m?v?+m?v?=m?v?'+m?v?'，結(jié)合能量損失公式ΔE=?m?(v?2-v?'2)+?m?(v?2-v?'2)，可算出每次插入動(dòng)作約損失0.004J機(jī)械能，相當(dāng)于耳機(jī)待機(jī)2秒的能耗。為減少這種損失，新型充電盒采用磁吸定位結(jié)構(gòu)，將碰撞時(shí)間延長(zhǎng)至0.015s，通過(guò)沖量定理FΔt=mΔv，使平均沖擊力從0.8N降至0.3N，有效降低了接觸磨損。三、萬(wàn)有引力定律在導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的應(yīng)用智能手機(jī)的GPS定位功能依賴于地球引力場(chǎng)中的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)萬(wàn)有引力定律，地球?qū)PS衛(wèi)星的引力提供其繞地運(yùn)行的向心力：GMm/r2=mv2/r，其中G=6.67×10?11N·m2/kg2，地球質(zhì)量M=5.97×102?kg，軌道半徑r=26500km，可計(jì)算出衛(wèi)星運(yùn)行速度v=√(GM/r)≈3874m/s，周期T=2πr/v≈43082s≈11.96小時(shí)，與實(shí)際的12小時(shí)軌道設(shè)計(jì)高度吻合。手機(jī)定位時(shí)，至少需要接收4顆衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間Δt，計(jì)算出距離差Δs=cΔt（c為光速），再結(jié)合三維空間坐標(biāo)方程求解位置參數(shù)。在考慮地球自轉(zhuǎn)的非慣性系中，需引入離心慣性力修正項(xiàng)。當(dāng)手機(jī)位于北緯30°時(shí)，隨地球自轉(zhuǎn)的線速度v=ωRcosφ=7.29×10??rad/s×6371×103m×cos30°≈402m/s，由此產(chǎn)生的離心加速度a=v2/(Rcosφ)=0.029m/s2，約為重力加速度的0.3%。這一微小差異在高精度定位（如厘米級(jí)RTK導(dǎo)航）中必須修正，通過(guò)引入科里奧利力F=2mω×v，可解釋為何向東運(yùn)動(dòng)的物體重量會(huì)比向西運(yùn)動(dòng)時(shí)略輕。某專業(yè)測(cè)繪手機(jī)的定位芯片，其內(nèi)置的物理引擎可實(shí)時(shí)計(jì)算不同緯度的重力加速度變化：g'=g-ω2Rcos2φ，在赤道地區(qū)（φ=0°）重力加速度比極地小0.034m/s2。衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程中的引力紅移現(xiàn)象，驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對(duì)論。GPS衛(wèi)星發(fā)出的電磁波頻率f?=10.23MHz，由于地球引力場(chǎng)的作用，地面接收到的頻率f'=f?√(1-2GM/(rc2))，通過(guò)計(jì)算可得頻率偏移量Δf≈-4.46×10?1?f?≈-4.57×10?3Hz。雖然這一偏移極其微小，但在同步通信中必須進(jìn)行修正，否則每天會(huì)產(chǎn)生約11km的定位誤差?，F(xiàn)代導(dǎo)航芯片通過(guò)預(yù)置的相對(duì)論修正算法，將這一效應(yīng)納入偽距測(cè)量模型，確保定位精度達(dá)到1米級(jí)民用標(biāo)準(zhǔn)。四、牛頓運(yùn)動(dòng)定律與平衡車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制電動(dòng)平衡車的自平衡原理是牛頓第二定律的典型工程應(yīng)用。當(dāng)車體前傾時(shí)，陀螺儀檢測(cè)到角加速度β=dω/dt，控制器立即驅(qū)動(dòng)車輪產(chǎn)生向前的加速度a，使系統(tǒng)滿足力矩平衡條件：M慣=Jβ=FL，其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=mh2（m=75kg，h=1.2m），力臂L=0.15m，由此可推導(dǎo)出加速度a=F/m=Jβ/(mL)=h2β/L。當(dāng)檢測(cè)到前傾角度θ=3°（約0.052rad），角加速度β=8rad/s2時(shí)，所需的加速度a=(1.2)2×8/0.15=76.8m/s2，這顯然超出物理極限，因此實(shí)際控制系統(tǒng)采用PID反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)持續(xù)的微小修正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。在受力分析中，平衡車的靜摩擦力提供主要?jiǎng)恿?。根?jù)f=μN(yùn)，橡膠輪胎與水泥路面的靜摩擦因數(shù)μ≈0.85，車手與車體總質(zhì)量m=85kg，最大靜摩擦力fmax=0.85×85×9.8≈705N，對(duì)應(yīng)最大加速度a=fmax/m≈8.3m/s2，這解釋了為何平衡車的理論最高速度被限制在18km/h（5m/s），以確保在緊急制動(dòng)時(shí)有足夠的制動(dòng)距離。某型號(hào)平衡車的制動(dòng)系統(tǒng)，其剎車片與輪轂間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.42，制動(dòng)壓力N=350N，單個(gè)車輪的制動(dòng)力Ff=μN(yùn)=147N，制動(dòng)加速度a=Ff/m=147/85≈1.73m/s2，按v2=2as計(jì)算，從最高速度制動(dòng)到靜止需滑行距離s=v2/(2a)=52/(2×1.73)≈7.2m。平衡車的電池能量轉(zhuǎn)換涉及功率計(jì)算。其采用的無(wú)刷電機(jī)額定功率P=400W，效率η=88%，根據(jù)P=Fv，當(dāng)以10km/h（2.78m/s）勻速行駛時(shí)，牽引力F=Pη/v=400×0.88/2.78≈128N，由此可反推出行駛阻力f=F=128N，阻力系數(shù)f=kv2，計(jì)算得k=128/(2.78)2≈16.7N·s2/m2。當(dāng)遇到5°斜坡時(shí)，需額外提供重力分量F=mgsinθ=85×9.8×sin5°≈72.3N，此時(shí)總功率需求P'=(f+mgsinθ)v/η=(128+72.3)×2.78/0.88≈646W，超過(guò)額定功率，因此控制器會(huì)自動(dòng)降低速度至v'≈1.7m/s（6.1km/h）以保護(hù)電機(jī)。五、動(dòng)量守恒定律與手機(jī)跌落防護(hù)設(shè)計(jì)智能手機(jī)的跌落緩沖設(shè)計(jì)遵循動(dòng)量定理與動(dòng)量守恒原理。當(dāng)手機(jī)從1.2m高度自由下落時(shí)，著地瞬間速度v=√(2gh)=√(2×9.8×1.2)≈4.85m/s，碰撞時(shí)間Δt=0.015s，根據(jù)動(dòng)量定理FΔt=mΔv，可計(jì)算出平均沖擊力F=mΔv/Δt=0.18kg×4.85m/s/0.015s≈58.2N。為降低沖擊力，現(xiàn)代手機(jī)普遍采用多層緩沖結(jié)構(gòu)：外層康寧大猩猩玻璃的彈性模量E=72GPa，可產(chǎn)生彈性形變吸收30%沖擊能量；中層鋁合金邊框的屈服強(qiáng)度σs=280MPa，通過(guò)塑性形變耗散能量；內(nèi)層泡棉緩沖墊的泊松比ν=0.38，能有效分散應(yīng)力集中。在碰撞過(guò)程的動(dòng)量分配中，手機(jī)不同部件的質(zhì)量分布影響沖擊效果。以某6.7英寸手機(jī)為例，其電池組件質(zhì)量m?=45g，占總質(zhì)量的25%，根據(jù)動(dòng)量守恒定律m?v?+m?v?=(m?+m?)v，當(dāng)手機(jī)以45°角斜撞地面時(shí)，電池模塊會(huì)因慣性產(chǎn)生相對(duì)速度Δv=v?-v?，這要求電池與主板的連接排線具備至少0.5N的抗拉強(qiáng)度。某機(jī)型采用的LCP柔性排線，其斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)35%，在Δv=1.2m/s的沖擊下，形變量Δx=aΔt2/2=(Δv/Δt)Δt2/2=ΔvΔt/2=1.2×0.015/2=0.009m=9mm，仍處于彈性形變范圍內(nèi)。跌落測(cè)試中的角動(dòng)量守恒原理，決定了手機(jī)的翻滾姿態(tài)。當(dāng)手機(jī)繞長(zhǎng)邊旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=1/12m(a2+b2)，其中a=165mm，b=75mm，計(jì)算得I=1/12×0.18×(0.1652+0.0752)≈0.00046kg·m2。若初始角速度ω=3rad/s，則角動(dòng)量L=Iω≈0.00138kg·m2/s，根據(jù)角動(dòng)量守恒，在碰撞過(guò)程中這個(gè)物理量保持不變，因此手機(jī)會(huì)傾向于以初始旋轉(zhuǎn)方向繼續(xù)翻滾。工程師通過(guò)調(diào)整攝像頭模組的位置（質(zhì)量偏心距e=2mm），可產(chǎn)生反向力矩M=mgd=0.02×9.8×0.002=0.000392N·m，使翻滾角速度在0.3s內(nèi)衰減至零，這涉及到角動(dòng)量定理MΔt=ΔL。六、振動(dòng)與波在智能手表健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用智能手表的心率監(jiān)測(cè)功能基于光的波動(dòng)特性與機(jī)械振動(dòng)原理。當(dāng)綠光LED穿透皮膚時(shí)，血液中血紅蛋白對(duì)550nm波長(zhǎng)的光吸收系數(shù)隨心臟搏動(dòng)發(fā)生周期性變化，這種變化通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。根據(jù)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程x=Asin(ωt+φ)，脈搏波的振幅A反映血液容積變化，角頻率ω=2πf對(duì)應(yīng)心率值f。某醫(yī)療級(jí)智能手表的光學(xué)傳感器，其采樣頻率達(dá)200Hz，可分辨的最小振幅變化為0.01mV，相當(dāng)于檢測(cè)到血管直徑0.3μm的微小振動(dòng)，這要求傳感器的信噪比SNR≥60dB，電路噪聲電壓控制在1μV以內(nèi)。在機(jī)械波的傳播分析中，手表的振動(dòng)馬達(dá)用于觸覺反饋。當(dāng)接收通知時(shí)，偏心電機(jī)產(chǎn)生的離心力F=mrω2，其中偏心塊質(zhì)量m=0.8g，偏心距r=1.2mm，工作角速度ω=100πrad/s（3000rpm），計(jì)算得離心力F=0.0008×0.0012×(100π)2≈0.947N，這個(gè)力通過(guò)表帶傳遞到手腕，其振動(dòng)頻率f=ω/(2π)=50Hz，處于人體觸覺敏感頻段（20-200Hz）。為避免共振現(xiàn)象，手表殼體的固有頻率需設(shè)計(jì)在75Hz以上，通過(guò)調(diào)整殼體厚度d（固有頻率f?=(1/2π)√(E/ρ)·(t/L2)），選用鋁合金材料（E=70GPa，ρ=2700kg/m3），當(dāng)殼體厚度t=1.2mm，邊長(zhǎng)L=40mm時(shí)，可計(jì)算出f?≈82Hz，避開工作頻率點(diǎn)。心電圖（ECG）監(jiān)測(cè)中的電信號(hào)本質(zhì)是生物電現(xiàn)象的波動(dòng)傳播。心肌細(xì)胞去極化過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)作電位，其傳播速度v=0.5-4m/s，通過(guò)皮膚電極采集的電壓信號(hào)幅度在0.5-2mV之間，頻率范圍0.05-100Hz。智能手表的ECG模塊需滿足共模抑制比CMRR≥100dB，輸入阻抗≥10MΩ，才能有效抑制50Hz工頻干擾。某旗艦手表采用的三電極設(shè)計(jì)，通過(guò)Wilson中心端原理，將肢體導(dǎo)聯(lián)的電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大，其差分放大器的輸入失調(diào)電壓需控制在5μV以內(nèi)，才能保證ST段波形的測(cè)量精度達(dá)到臨床標(biāo)準(zhǔn)（±0.05mV）。七、熱力學(xué)定律與筆記本電腦散熱系統(tǒng)筆記本電腦的散熱設(shè)計(jì)是熱力學(xué)第一定律（能量守恒）與熱傳導(dǎo)定律的綜合應(yīng)用。CPU在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功耗P=45W，根據(jù)Q=Pt，每小時(shí)產(chǎn)生162000J熱量，這些熱量需通過(guò)散熱模組傳遞到環(huán)境中。散熱片的熱傳導(dǎo)速率遵循傅里葉定律：Q/t=kAΔT/d，其中銅質(zhì)散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)k=401W/(m·K)，橫截面積A=0.0012m2，厚度d=0.8mm，當(dāng)芯片溫度T?=95℃，環(huán)境溫度T?=25℃時(shí)，理論散熱速率Q/t=401×0.0012×70/0.0008≈42105W，遠(yuǎn)大于實(shí)際發(fā)熱量，因此實(shí)際散熱瓶頸在于界面熱阻。在強(qiáng)制對(duì)流散熱中，風(fēng)扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)涉及伯努利方程。某超薄本采用的渦輪風(fēng)扇，其葉輪直徑D=45mm，轉(zhuǎn)速n=5000rpm，根據(jù)流體力學(xué)公式v=πDn/60≈11.78m/s，空氣流量Q=Sv=π(D/2)2v≈0.019m3/s。風(fēng)扇出風(fēng)口的靜壓P=?ρv2=?×1.29×(11.78)2≈89.6Pa，需克服散熱鰭片的流阻ΔP=89.6Pa，這要求風(fēng)扇電機(jī)輸出功率P=Fv=ΔP·Q=89.6×0.019≈1.7W，占總功耗的3.8%。為降低噪音，風(fēng)扇葉片采用后傾式設(shè)計(jì)，安裝角θ=15°，可使氣流分離點(diǎn)延遲至葉片尾緣，湍流強(qiáng)度降低40%。相變散熱技術(shù)利用了熱力學(xué)第二定律的熵增原理。當(dāng)熱管內(nèi)的工質(zhì)（如水）在蒸發(fā)段吸收熱量Q=mL，其中汽化潛熱L=2260kJ/kg，質(zhì)量流量m=0.0003kg/s時(shí)，散熱能力可達(dá)678W，遠(yuǎn)超同體積銅棒的導(dǎo)熱能力。熱管的等效導(dǎo)熱系數(shù)k_eq=Qd/(AΔT)，當(dāng)管長(zhǎng)d=0.15m，截面積A=0.00001m2，溫差ΔT=10℃時(shí)，k_eq=678×0.15/(0.00001×10)=1.017×10?W/(m·K)，是純銅的2500倍。某游戲本采用的均熱板，其內(nèi)部微溝槽結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力需克服重力與流動(dòng)阻力，毛細(xì)壓頭ΔP=2σcosθ/r，其中表面張力σ=0.073N/m，接觸角θ=10°，溝槽半徑r=5μm，計(jì)算得ΔP≈2840Pa，可驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在1.2mm厚的腔體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。八、靜電現(xiàn)象與電子設(shè)備防護(hù)設(shè)計(jì)智能手機(jī)的觸摸屏感應(yīng)原理基于靜電場(chǎng)的庫(kù)侖定律。當(dāng)手指接近ITO導(dǎo)電層時(shí)，人體與屏幕形成電容C=ε?εrA/d，其中ε?=8.85×10?12F/m，相對(duì)介電常數(shù)εr=3.9（玻璃），電極面積A=0.0001m2，間距d=0.2mm，可計(jì)算出初始電容C≈1.73×10?12F。觸摸時(shí)電容變化量ΔC≈0.25pF，通過(guò)高頻振蕩器（