2025年高中物理知識競賽“物理環(huán)境”保護方案設(shè)計大賽試題（二）一、理論綜合題（共240分）（一）力學(xué)與能源環(huán)境（80分）背景：某沿海城市計劃利用潮汐能實現(xiàn)低碳發(fā)電，其潮汐發(fā)電站采用單庫雙向式設(shè)計，水庫面積為1.2×10?m2，平均潮差5.0m，海水密度取1.02×103kg/m3，重力加速度g=9.8m/s2?；A(chǔ)模型構(gòu)建（25分）（1）推導(dǎo)潮汐發(fā)電過程中可利用的重力勢能計算公式，說明公式中各物理量的環(huán)境學(xué)意義。（2）若每日漲落潮各1次，發(fā)電效率為25%，計算該電站每日理論發(fā)電量（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。動態(tài)優(yōu)化設(shè)計（30分）實際運行中，潮汐水流經(jīng)水輪機時會產(chǎn)生能量損失。假設(shè)水流通過管道的沿程阻力系數(shù)λ=0.02，管道直徑2.0m，長度50m，最大流量Q=800m3/s。（1）利用伯努利方程計算水流通過管道的能量損失功率；（2）為減少能耗，工程師計劃在管道入口處安裝導(dǎo)流葉片，使水流速度分布從均勻分布變?yōu)閽佄锞€分布（v(r)=v?(1-r2/R2)，R為管道半徑）。若保持流量不變，計算改造后的動能修正系數(shù)α，并分析該設(shè)計對水輪機輸出功率的影響。環(huán)境影響評估（25分）（1）潮汐電站建設(shè)可能導(dǎo)致河口泥沙淤積，若某河段水流速度從2.5m/s降至1.0m/s，根據(jù)斯托克斯定律（沉降速度v=2r2(ρ?-ρ?)g/(9η)，η為海水黏度1.0×10?3Pa·s），計算直徑50μm的泥沙顆粒沉降速度變化量；（2）從動量定理角度，說明電站運行對周邊海域潮汐周期的潛在影響。（二）電磁學(xué)與污染治理（70分）背景：工業(yè)廢水中的重金屬離子（以Cu2?為例，電荷量q=2e）可通過電磁分離技術(shù)去除。某處理裝置采用正交電磁場設(shè)計，電場強度E=5.0×103V/m，磁場強度B=0.4T，廢水流速v=0.3m/s。分離原理分析（20分）（1）推導(dǎo)帶電粒子在正交電磁場中做直線運動的速度選擇條件，計算該裝置能分離的最小Cu2?速度；（2）若廢水中還存在Fe3?離子，分析其運動軌跡與Cu2?的差異。裝置優(yōu)化設(shè)計（30分）（1）已知極板長度L=0.8m，板間距離d=0.2m，計算Cu2?離子在極板間的偏轉(zhuǎn)位移y；（2）為提高分離效率，設(shè)計多級串聯(lián)磁場（如圖1），相鄰磁場方向相反，間距0.5m。若粒子質(zhì)量m=63.5u（1u=1.66×10?2?kg），計算經(jīng)過3級磁場后粒子的橫向偏移總量。能耗與效益對比（20分）（1）若處理1m3廢水需耗電2.0kW·h，對比傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法（藥劑成本0.8元/m3，能耗0.5kW·h/m3）的經(jīng)濟性（電價0.6元/kW·h）；（2）從電磁兼容性角度，說明該裝置對周邊環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的潛在干擾及防護措施。（三）熱學(xué)與大氣保護（50分）背景：溫室氣體CO?的捕集是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)。某團隊研發(fā)的“吸附-熱脫附”系統(tǒng)利用胺基材料吸附CO?，吸附飽和后需通過加熱實現(xiàn)脫附再生。熱力學(xué)分析（25分）（1）吸附過程中，1molCO?與胺基材料結(jié)合釋放40kJ熱量，計算298K時該反應(yīng)的熵變ΔS（假設(shè)反應(yīng)可逆）；（2）脫附時需將吸附劑從25℃加熱至120℃，其比熱容c=1.2kJ/(kg·℃)，密度ρ=800kg/m3。若吸附劑填充體積0.5m3，計算脫附所需最小熱量（忽略熱損失）。傳熱優(yōu)化設(shè)計（25分）脫附裝置采用板式換熱器，熱流體為150℃的飽和水蒸氣，冷流體為吸附劑。已知傳熱面積A=10m2，總傳熱系數(shù)K=350W/(m2·℃)，對數(shù)平均溫差Δt?=60℃。（1）計算換熱器的熱負(fù)荷Q；（2）若將換熱器翅片間距從10mm減小至6mm，對流換熱系數(shù)h從50W/(m2·℃)增至80W/(m2·℃)，分析K值變化對加熱時間的影響（假設(shè)熱負(fù)荷不變）。（四）光學(xué)與生態(tài)監(jiān)測（40分）背景：為監(jiān)測湖泊富營養(yǎng)化程度，環(huán)保部門采用遙感技術(shù)分析水體葉綠素濃度。某衛(wèi)星搭載的高光譜成像儀可測量400-700nm波段的水體反射率。原理分析（20分）（1）葉綠素a在680nm處有特征吸收峰，解釋其吸收機理（結(jié)合能級躍遷理論）；（2）若測得某水域680nm處的反射率R=0.15，已知純水反射率R?=0.02，散射系數(shù)b=0.5m?1，利用公式R=(R?+b·c)/(1+b·c)計算葉綠素濃度c（單位mg/m3）。儀器設(shè)計（20分）成像儀鏡頭焦距f=300mm，采用CCD探測器（像素尺寸5μm）。（1）計算地面分辨率（衛(wèi)星軌道高度500km）；（2）為消除大氣散射影響，需在鏡頭前加裝濾光片。若要求透過波長帶寬Δλ=10nm，中心波長680nm，計算該濾光片的最小厚度（已知鍍膜材料折射率n=1.38，采用法布里-珀羅干涉原理）。二、實驗設(shè)計題（共160分）（一）電磁學(xué)實驗：便攜式PM2.5監(jiān)測裝置設(shè)計（80分）任務(wù)：利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計一套微型PM2.5濃度檢測裝置，要求：原理方案（20分）（1）繪制裝置結(jié)構(gòu)圖，說明工作原理（提示：利用粒子流經(jīng)磁場時的電磁感應(yīng)信號）；（2）推導(dǎo)感應(yīng)電動勢與粒子濃度的關(guān)系公式。器材與操作（30分）提供器材：亥姆霍茲線圈（匝數(shù)N=500，半徑R=0.1m）、霍爾傳感器（靈敏度10mV/mT）、氣泵（流量可調(diào)）、數(shù)據(jù)采集器。（1）計算線圈通入1.0A電流時的中心磁感應(yīng)強度B；（2）設(shè)計實驗步驟，測量不同PM2.5濃度下的感應(yīng)電壓（至少5組數(shù)據(jù)），并繪制校準(zhǔn)曲線。誤差分析（30分）（1）若粒子帶電量存在±10%誤差，計算對濃度測量結(jié)果的影響；（2）提出一種減少氣流擾動誤差的改進方案，并用流體力學(xué)原理解釋。（二）熱學(xué)實驗：太陽能驅(qū)動的廢水蒸發(fā)裝置（80分）任務(wù)：設(shè)計一套利用太陽能實現(xiàn)廢水淡化的裝置，要求：方案設(shè)計（25分）（1）繪制裝置示意圖（需包含集熱器、蒸發(fā)器、冷凝器）；（2）計算2m2集熱器在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下（1000W/m2）的理論產(chǎn)水量（假設(shè)蒸發(fā)潛熱2260kJ/kg，效率30%）。性能測試（35分）提供器材：太陽能模擬器、熱電偶、電子天平、透明蓋板（透光率τ=0.9）。（1）測量不同蓋板傾角θ（0°-60°）下的水溫變化，分析θ對集熱效率的影響；（2）若測得蒸發(fā)水量m與時間t的關(guān)系為m=0.02t+0.005t2（單位：kg），計算第10分鐘時的瞬時蒸發(fā)速率。創(chuàng)新優(yōu)化（20分）（1）提出一種利用相變材料（PCM）儲存太陽能的改進方案，說明選材依據(jù)（如熔點、潛熱等）；（2）從熱輻射角度，分析黑色涂層對蒸發(fā)器表面溫度的影響（已知黑體輻射公式P=σT?）。三、綜合設(shè)計與論述題（共100分）背景“零碳校園”建設(shè)中，需設(shè)計一套融合多種新能源的供能系統(tǒng)，涵蓋太陽能光伏、地源熱泵、儲能電池等技術(shù)。任務(wù)系統(tǒng)建模（40分）建立系統(tǒng)能量平衡方程，考慮以下因素：光伏板面積A?，轉(zhuǎn)換效率η?=18%，日平均輻照度5.0kWh/m2；地源熱泵COP=4.0，制熱功率P=15kW；鋰電池儲能容量E=100kWh，充放電效率90%。計算校園日供能總量，并分析季節(jié)變化對系統(tǒng)匹配度的影響。環(huán)境效益論證（30分）（1）若該系統(tǒng)替代燃煤鍋爐（煤耗300g/kWh，碳排放因子2.4tCO?/t煤），計算年減排量（年運行300天）；（2）從熵增原理角度，論述新能源系統(tǒng)減少環(huán)境無序度的作用機制。創(chuàng)新方案（30分）提出一種基于溫差發(fā)電