2025年高中物理知識競賽“物理改變世界”征文大賽試題（三）一、選擇題（共10小題，每題5分，共50分。每題至少有一個(gè)正確選項(xiàng)）量子通信與信息安全我國“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通過量子糾纏實(shí)現(xiàn)了1200公里級的星地雙向量子通信。若將一對糾纏光子分別發(fā)送至地面站A和移動終端B，當(dāng)觀測到A處光子的偏振方向?yàn)樗綍r(shí)，根據(jù)量子糾纏特性，B處光子的偏振方向?qū)ⅲ篈.立即確定為豎直方向B.保持隨機(jī)狀態(tài)直至觀測C.與A處光子偏振方向夾角隨距離增大D.受地球磁場影響發(fā)生周期性變化新能源技術(shù)中的能量轉(zhuǎn)化某混合動力汽車采用“超級電容+鋰電池”雙能源系統(tǒng)，在制動減速時(shí)通過電機(jī)回收能量并存儲于超級電容中。下列說法正確的是：A.制動過程中機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能B.超級電容充電時(shí)主要將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能C.鋰電池放電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化效率高于超級電容D.該系統(tǒng)可減少剎車片摩擦損耗，體現(xiàn)能量守恒定律人工智能與傳感器技術(shù)掃地機(jī)器人通過紅外測距傳感器（發(fā)射波長為λ的紅外光）探測障礙物。若某障礙物與機(jī)器人的水平距離為d，傳感器發(fā)射光束與水平方向夾角為θ，則反射光的傳播時(shí)間為：A.(\frac{2d\cos\theta}{c})B.(\frac{2d\sin\theta}{\lambda})C.(\fracikyomqy{\cos\theta}\cdot\frac{\lambda}{c})D.(\frac{2d}{c\cos\theta})（c為光速）航天工程中的軌道力學(xué)2025年我國載人登月任務(wù)中，登月艙從環(huán)月軌道（半徑r?）減速降至近月軌道（半徑r?）。已知月球質(zhì)量為M，萬有引力常量為G，則登月艙在兩軌道的：A.線速度之比為(\sqrt{r_2/r_1})B.周期之比為((r_1/r_2)^{3/2})C.向心加速度之比為(r_1^2/r_2^2)D.機(jī)械能之差為(\frac{GMm}{2}(\frac{1}{r_2}-\frac{1}{r_1}))（m為登月艙質(zhì)量）醫(yī)療技術(shù)中的物理原理質(zhì)子治療是利用高能質(zhì)子束精準(zhǔn)殺死癌細(xì)胞的技術(shù)。質(zhì)子進(jìn)入人體后，在某深度處釋放全部動能（布拉格峰），該現(xiàn)象與下列哪項(xiàng)物理規(guī)律直接相關(guān)？A.動量定理B.能量守恒定律C.帶電粒子在介質(zhì)中的能量損失率D.狹義相對論質(zhì)能關(guān)系氣候變化與熱力學(xué)大氣中二氧化碳濃度升高導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，其主要原因是：A.CO?分子吸收太陽輻射中的紫外線B.CO?分子增強(qiáng)了大氣對地面長波輻射的反射C.CO?分子的振動能級躍遷吸收紅外光D.CO?與O?反應(yīng)釋放熱量新能源材料與半導(dǎo)體物理鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已突破30%，其核心層為ABX?結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料（如CH?NH?PbI?）。關(guān)于該材料的說法錯(cuò)誤的是：A.光照時(shí)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶產(chǎn)生電流B.鉛元素（Pb）的存在可能導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)C.增加材料厚度可提高光吸收效率，但會降低載流子遷移率D.該電池的開路電壓隨光照強(qiáng)度增大呈線性增長量子計(jì)算與超導(dǎo)技術(shù)超導(dǎo)量子比特通過控制約瑟夫森結(jié)的電流實(shí)現(xiàn)量子態(tài)操控。當(dāng)結(jié)兩端電壓為V時(shí)，通過結(jié)的超導(dǎo)電流頻率為f，已知約瑟夫森常量(K_J=2e/h)（e為電子電荷量，h為普朗克常量），則f與V的關(guān)系為：A.(f=K_JV)B.(f=\frac{V}{K_J})C.(f=\sqrt{K_JV})D.(f=K_JV^2)深海探測與流體力學(xué)“奮斗者號”載人潛水器下潛至10909米深海時(shí)，艙體承受的海水壓強(qiáng)約為1.1×10?Pa。若艙門面積為0.5m2，其設(shè)計(jì)需滿足的條件是：A.艙門材料的屈服強(qiáng)度大于1.1×10?PaB.艙內(nèi)氣壓需與外部水壓平衡以避免變形C.艙門邊緣的密封墊需采用彈性模量極小的材料D.下潛過程中艙體體積的壓縮量需控制在0.1%以內(nèi)腦機(jī)接口與電磁感應(yīng)某腦機(jī)接口設(shè)備通過頭皮電極采集腦電信號（電壓約10??V），需經(jīng)放大電路處理。若使用理想變壓器將信號電壓放大1000倍，則原副線圈匝數(shù)比及能量傳輸效率分別為：A.1:1000，約50%B.1000:1，接近100%C.1:1000，接近100%D.1000:1，約50%二、簡答題（共4小題，每題10分，共40分）物理與環(huán)境保護(hù)近年來“人造太陽”（全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST）實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度持續(xù)403秒運(yùn)行，其核反應(yīng)方程為(^2_1H+^3_1H\rightarrow^4_2He+^1_0n)。（1）計(jì)算該聚變反應(yīng)釋放的能量（已知氘核質(zhì)量m_D=2.0141u，氚核質(zhì)量m_T=3.0160u，氦核質(zhì)量m_He=4.0026u，中子質(zhì)量m_n=1.0087u，1u=931.5MeV/c2）；（2）說明該技術(shù)對解決全球能源危機(jī)的意義，并對比化石能源使用的物理本質(zhì)差異。物理與人工智能自動駕駛汽車的激光雷達(dá)通過發(fā)射波長1550nm的激光束掃描周圍環(huán)境。若某障礙物與雷達(dá)的距離為50m，激光束掃描頻率為10Hz，求：（1）激光的光子能量；（2）掃描過程中雷達(dá)與障礙物連線的角速度（設(shè)掃描角度范圍為90°）。物理與生物醫(yī)學(xué)新型磁共振成像（MRI）技術(shù)利用靜磁場（1.5T）中氫原子核的旋進(jìn)現(xiàn)象。已知質(zhì)子的旋磁比γ=2.675×10?T?1·s?1，求：（1）質(zhì)子在磁場中的旋進(jìn)頻率；（2）若施加射頻脈沖（頻率與旋進(jìn)頻率相同）后，質(zhì)子吸收能量從低能級躍遷到高能級，說明這一過程如何體現(xiàn)量子化現(xiàn)象。物理與未來交通某磁懸浮列車采用電磁推進(jìn)技術(shù)，其原理簡化為：兩條平行導(dǎo)軌間存在豎直向上的勻強(qiáng)磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度B），列車底部金屬桿（長L，電阻R）通入電流I后受安培力驅(qū)動。（1）推導(dǎo)列車所受安培力的大小及方向；（2）若列車以速度v勻速行駛，分析導(dǎo)軌與金屬桿間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，并說明為何需采用超導(dǎo)材料降低能耗。三、論述題（共2小題，每題30分，共60分）從“指南針”到“量子導(dǎo)航”：物理技術(shù)推動人類認(rèn)知革命（1）結(jié)合電磁學(xué)原理，分析北宋沈括在《夢溪筆談》中記載的“磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”現(xiàn)象；（2）對比GPS導(dǎo)航（利用電磁波傳播延遲）與量子導(dǎo)航（利用原子干涉儀測量加速度）的物理原理差異；（3）舉例說明21世紀(jì)以來量子物理在精密測量領(lǐng)域的突破，及其對人工智能、航天等領(lǐng)域的推動作用。碳中和目標(biāo)下的物理創(chuàng)新路徑（1）用熱力學(xué)第二定律分析傳統(tǒng)火力發(fā)電（效率約35%）的能量損耗機(jī)制，計(jì)算燃燒1kg標(biāo)準(zhǔn)煤（熱值30MJ/kg）的環(huán)境代價(jià)（假設(shè)CO?排放系數(shù)為2.6kg/kg）；（2）設(shè)計(jì)一個(gè)“光伏+儲能”系統(tǒng)方案，要求：①說明太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)化過程；②對比鋰離子電池與飛輪儲能的物理特性；③計(jì)算該系統(tǒng)在某地區(qū)（年日照1500小時(shí)，光伏效率22%）的年發(fā)電量（設(shè)電池板面積100m2）；（3）結(jié)合熵增原理，論述“零碳社會”實(shí)現(xiàn)過程中物理技術(shù)與社會治理的協(xié)同關(guān)系。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（共20分）題目：基于智能手機(jī)傳感器的自由落體加速度測量背景：智能手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器（量程±16m/s2，采樣率100Hz）和陀螺儀，可通過APP記錄運(yùn)動數(shù)據(jù)。任務(wù)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測量當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，要求：（1）寫出實(shí)驗(yàn)原理（需包含勻變速直線運(yùn)動公式及誤差來源分析）；（2）列出實(shí)驗(yàn)器材（除手機(jī)外，至少需3種輔助器材）；（3）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表（包含原始數(shù)據(jù)、計(jì)算過程及結(jié)果）；（4）提出一種減小空氣阻力影響的改進(jìn)方案，并說明其物理依據(jù)。（注：實(shí)驗(yàn)方案需具有可操作性，數(shù)據(jù)處理需體現(xiàn)多次測量取平均值的思想，誤差分析需包含系統(tǒng)誤差與偶然誤差的討論。）五、開放創(chuàng)新題（共30分）主題：物理與元宇宙技術(shù)元宇宙虛擬空間通過VR設(shè)備實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)，其核心技術(shù)涉及光學(xué)顯示、慣性導(dǎo)航和觸覺反饋等物理原理。（1）VR眼鏡的菲涅爾透鏡可將顯示屏（距透鏡L）成像于無窮遠(yuǎn)處，若透鏡焦距為f，計(jì)算透鏡的曲率半徑（設(shè)透鏡材料折射率為n，采用單凸結(jié)構(gòu)）；（2）某觸覺反饋手套內(nèi)置微型振動電機(jī)（質(zhì)量m，振動頻率f），當(dāng)電機(jī)偏心塊的偏心距為r時(shí)，推導(dǎo)手套對人手的最大作用力；（3）結(jié)合狹義相對論，分析當(dāng)虛擬角色以0.9c速度在元宇宙中