2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽“物理教育”創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)大賽試題（二）一、選擇題（每題3分，共30分）某同學(xué)在使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器顯示豎直方向加速度隨時(shí)間變化的圖像呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。下列場(chǎng)景中最可能產(chǎn)生該現(xiàn)象的是（）A.靜止放置在水平桌面B.乘坐勻速上升的電梯C.從手中自由下落過(guò)程D.安裝在單擺擺球上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)2025年我國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙新增“微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜”，其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)觀察到在完全失重環(huán)境下，兩層不互溶液體的分界面始終保持水平。這一現(xiàn)象可以用哪個(gè)物理原理直接解釋?zhuān)ǎ〢.表面張力平衡B.阿基米德原理C.帕斯卡定律D.伯努利方程某新能源汽車(chē)廠商宣傳其新款車(chē)型搭載的“磁懸浮電機(jī)”效率突破97%，其核心部件采用高溫超導(dǎo)材料。當(dāng)超導(dǎo)材料處于邁斯納效應(yīng)狀態(tài)時(shí)，下列物理性質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)的是（）A.零電阻現(xiàn)象B.完全抗磁性C.磁通量子化D.霍爾效應(yīng)增強(qiáng)在“雙碳”目標(biāo)背景下，某中學(xué)開(kāi)展太陽(yáng)能光伏實(shí)驗(yàn)，測(cè)得某型號(hào)光伏板在不同光照強(qiáng)度下的輸出功率數(shù)據(jù)如下表：光照強(qiáng)度（W/m2）2004006008001000輸出功率（W）3875110145175根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)律，當(dāng)光照強(qiáng)度為1200W/m2時(shí)，估算輸出功率最接近（）A.200WB.205WC.210WD.215W2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予“拓?fù)涔庾訉W(xué)”領(lǐng)域的科學(xué)家，該領(lǐng)域研究光在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的傳播特性。下列光學(xué)現(xiàn)象中與拓?fù)湫再|(zhì)直接相關(guān)的是（）A.光的雙縫干涉B.光的全反射C.光子霍爾效應(yīng)D.光的偏振某同學(xué)設(shè)計(jì)“溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置”，將兩種不同金屬絲組成閉合回路，兩端分別插入80℃熱水和20℃冷水中，測(cè)得回路電流為0.5mA。若保持冷水溫度不變，將熱水溫度升高至90℃，則回路電流可能變?yōu)椋ǎ〢.0.45mAB.0.55mAC.0.65mAD.0.75mA在“太空授課”直播中，航天員演示了“水滴懸浮旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)”：帶同種電荷的水滴在靜電斥力作用下懸浮，同時(shí)繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)。忽略重力影響，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中水滴形狀將呈現(xiàn)（）A.球形B.扁球體C.長(zhǎng)橢球體D.不規(guī)則多面體某物理興趣小組用智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝影功能（1000幀/秒）拍攝自由下落的乒乓球與地面碰撞過(guò)程，測(cè)得碰撞時(shí)間為5幀畫(huà)面間隔。已知乒乓球質(zhì)量為2.7g，碰撞前后速度大小分別為5m/s和4m/s，則碰撞過(guò)程中地面對(duì)乒乓球的平均作用力約為（）A.4.86NB.9.72NC.14.58ND.19.44N2025年新修訂的高中物理教材新增“量子通信”內(nèi)容，其中提到利用光子的偏振態(tài)進(jìn)行信息編碼。若采用水平（H）、豎直（V）、45°（D）、135°（A）四種偏振態(tài)表示二進(jìn)制信息，理論上每個(gè)光子最多可攜帶的信息量為（）A.1bitB.2bitC.log?3bitD.log?4bit某地區(qū)2025年投入使用的“超級(jí)儲(chǔ)能電站”采用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)：質(zhì)量為20噸、半徑為2米的均勻圓盤(pán)飛輪以5000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存能量。該飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能約為（）（π2≈10）A.5×10?JB.1×10?JC.5×10?JD.1×101?J二、實(shí)驗(yàn)探究題（共25分）某實(shí)驗(yàn)小組為研究“智能手機(jī)攝像頭的光學(xué)成像特性”，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)器材：智能手機(jī)（后置攝像頭焦距f=4mm）、光具座、可調(diào)式LED光源、分辨率板（刻有等間距黑白條紋）、游標(biāo)卡尺（精度0.02mm）實(shí)驗(yàn)步驟：將手機(jī)固定在光具座一端，攝像頭鏡頭軸線與光具座導(dǎo)軌平行；在光具座50.00cm刻度處放置分辨率板，調(diào)節(jié)光源使板面均勻照亮；緩慢移動(dòng)手機(jī)改變物距u，直至在手機(jī)屏幕上觀察到清晰的條紋像，記錄此時(shí)物距u和像距v；保持物距不變，用游標(biāo)卡尺測(cè)量屏幕上相鄰兩條亮紋的間距d，共測(cè)量5次；改變分辨率板條紋間距p，重復(fù)步驟2-4，得到多組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)次數(shù)條紋間距p（mm）物距u（cm）像距v（mm）像間距d（mm）10.1050.004.030.008220.2050.004.020.016530.3050.004.010.024140.4050.004.000.032850.5050.003.990.0405回答問(wèn)題：（1）根據(jù)薄透鏡成像公式，計(jì)算該攝像頭的理論像距v?=mm（保留兩位小數(shù)），對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的v值，分析產(chǎn)生偏差的主要原因是。（5分）（2）在坐標(biāo)紙上建立d-p坐標(biāo)系，描點(diǎn)作圖并求出擬合直線斜率k=（保留三位有效數(shù)字）。若圖像在縱軸上的截距為-0.0003mm，解釋截距不為零的物理意義。（8分）（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)像間距d與物間距p的定量關(guān)系表達(dá)式______。若某同學(xué)用該手機(jī)拍攝遠(yuǎn)處的條形碼（條紋間距0.5mm），估算手機(jī)屏幕上相鄰條紋的像間距為_(kāi)_____mm。（6分）（4）為提高實(shí)驗(yàn)精度，提出兩種改進(jìn)方案并說(shuō)明理由：①______；②______。（6分）三、計(jì)算題（共30分）（15分）2025年某款“仿生機(jī)器魚(yú)”在國(guó)際機(jī)器人競(jìng)賽中奪冠，其動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖所示：尾部推進(jìn)鰭可視為長(zhǎng)L=0.2m的均勻細(xì)桿，質(zhì)量m=0.1kg，繞O點(diǎn)在豎直平面內(nèi)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其角速度隨時(shí)間變化規(guī)律為ω(t)=ω?sin(2πt/T)，其中ω?=15rad/s，周期T=0.2s。（1）求t=0.05s時(shí)，推進(jìn)鰭端點(diǎn)的線速度大小及向心加速度大?。唬?）計(jì)算推進(jìn)鰭在一個(gè)周期內(nèi)的最大動(dòng)能；（3）已知推進(jìn)鰭在水中受到的阻力與速度平方成正比（f=kv2，k=0.02kg/m），估算一個(gè)周期內(nèi)克服阻力做的功。（15分）為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，某中學(xué)設(shè)計(jì)“光伏-儲(chǔ)能-供暖”一體化系統(tǒng)，其核心部件為：20塊單晶硅光伏板（每塊面積1.6m2，光電轉(zhuǎn)換效率22%）、鋰離子電池組（容量500Ah，輸出電壓36V）、電阻式電暖器（額定功率2kW）。已知當(dāng)?shù)仄骄照諒?qiáng)度500W/m2，平均有效日照時(shí)間4小時(shí)/天，電池充放電效率均為90%。（1）計(jì)算該系統(tǒng)每天的最大發(fā)電量及電池充滿所需時(shí)間；（2）若電暖器每天工作6小時(shí)，判斷僅依靠太陽(yáng)能能否滿足供暖需求；（3）若冬季日照強(qiáng)度降至300W/m2，為保證供暖需求，提出兩種可行的技術(shù)改進(jìn)方案并說(shuō)明原理。四、創(chuàng)新設(shè)計(jì)題（共15分）某物理興趣小組計(jì)劃設(shè)計(jì)一款“校園智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)”，要求利用物理原理實(shí)現(xiàn)以下功能：自動(dòng)檢測(cè)土壤濕度，當(dāng)濕度低于閾值時(shí)啟動(dòng)灌溉；根據(jù)環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉水量；采用可再生能源供電，實(shí)現(xiàn)零碳排放。請(qǐng)完成以下設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）選擇合適的傳感器并說(shuō)明工作原理：①土壤濕度傳感器采用______原理；②光照強(qiáng)度傳感器采用______原理。（4分）（2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)能量流程圖，標(biāo)注各環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)化形式：→→→（4分）（3）提出一種利用物理現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)“溫度-灌溉量”聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，要求不依賴(lài)電子元件，并說(shuō)明工作原理。（7分）五、綜合論述題（共20分）2025年5月，我國(guó)“夸父二號(hào)”衛(wèi)星成功觀測(cè)到太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)的高能粒子流。已知某次耀斑事件釋放的帶電粒子（可視為質(zhì)子）以v=3×10?km/s的速度垂直進(jìn)入地球磁場(chǎng)，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。地球磁場(chǎng)可簡(jiǎn)化為赤道平面內(nèi)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=3×10??T，質(zhì)子質(zhì)量m=1.67×10?2?kg，電荷量q=1.6×10?1?C。（1）計(jì)算質(zhì)子在地球磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)半徑R及運(yùn)動(dòng)周期T；（6分）（2）分析當(dāng)質(zhì)子進(jìn)入地球兩極附近磁場(chǎng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡將如何變化，并說(shuō)明原因；（6分）（3）結(jié)合高中物理知識(shí)，論述太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球磁場(chǎng)、無(wú)線電通信和極光現(xiàn)象的影響機(jī)制。（8分）六、開(kāi)放性試題（共20分）隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，AI輔助物理教學(xué)逐漸普及。某教育科技公司開(kāi)發(fā)的“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”可實(shí)現(xiàn)任意參數(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，但部分教師擔(dān)憂過(guò)度依賴(lài)模擬實(shí)驗(yàn)會(huì)削弱學(xué)生的動(dòng)手能力。（1）列舉三個(gè)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)相比虛擬實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特教育價(jià)值：①______；②______；③______。（6分）（2）設(shè)計(jì)一個(gè)“虛實(shí)結(jié)合”的物理教學(xué)案例，要求包含：實(shí)驗(yàn)主題______；傳統(tǒng)操作環(huán)節(jié)______；虛擬模擬環(huán)節(jié)______；兩者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)______。（8分）（3）針對(duì)“如何平衡虛擬與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”這一問(wèn)題，提出兩條具體建議并說(shuō)明理論依據(jù)。（6分）七、工程實(shí)踐題（共35分）某中學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)擬制作“磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型”，核心部件包括：永磁體轉(zhuǎn)子：直徑D=10cm，質(zhì)量m=0.2kg，磁極徑向分布（磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T）線圈定子：100匝矩形線圈，面積S=50cm2，總電阻R=2Ω懸浮系統(tǒng)：采用釹鐵硼永磁鐵實(shí)現(xiàn)軸向懸浮，懸浮間隙h=2mm技術(shù)參數(shù)：?jiǎn)?dòng)風(fēng)速：≤3m/s額定風(fēng)速：8m/s輸出電壓：≥5V（額定風(fēng)速下）回答問(wèn)題：（1）計(jì)算該發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速下的理論輸出功率。已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率公式P=0.5ρSv3η，其中空氣密度ρ=1.2kg/m3，風(fēng)能利用系數(shù)η=0.4，葉片掃風(fēng)面積S=π(D/2)2。（8分）（2）推導(dǎo)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值表達(dá)式，并計(jì)算額定風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速n（r/min）。（9分）（3）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的整流濾波電路，使輸出電壓穩(wěn)定在5V，畫(huà)出電路圖并標(biāo)注關(guān)鍵元件參數(shù)。（8分）（4）測(cè)試發(fā)現(xiàn)模型啟動(dòng)困難，分析兩個(gè)可能的機(jī)械原因并提出改進(jìn)方案：①______；②______。（10分）八、數(shù)據(jù)分析題（共20分）某研究團(tuán)隊(duì)為探究“不同材料的保溫性能”，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：將質(zhì)量均為500g的水分別裝入五個(gè)相同的保溫杯，杯壁包裹不同材料，初始溫度均為90℃，在室溫25℃環(huán)境下每隔30分鐘測(cè)量水溫一次，數(shù)據(jù)如下表：時(shí)間（min）空白對(duì)照組玻璃棉組氣凝膠組泡沫塑料組真空鍍鋁組090.090.090.090.090.03076.582.385.180.283.66065.275.881.372.578.49056.870.177.666.373.512050.265.474.261.569.215045.161.371.057.465.518041.257.868.254.062.3（