2025年高中物理知識競賽“物理科普演講”大賽（筆試部分）試題（一）一、選擇題（共8題，每題5分，共40分）1.航天科技中的天體力學(xué)應(yīng)用2025年我國“探月工程四期”計劃實(shí)施月球南極采樣返回任務(wù)，假設(shè)采樣探測器在月球表面附近做勻速圓周運(yùn)動，已知月球質(zhì)量為地球的1/81，半徑為地球的3/11，地球表面重力加速度為g。則探測器的運(yùn)行周期最接近（）A.1.5小時B.2.0小時C.2.5小時D.3.0小時2.新能源技術(shù)中的電磁感應(yīng)某新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用超導(dǎo)磁體技術(shù)，其核心部件為匝數(shù)N=1000、長度L=2m的螺線管，通入電流I=50A時產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場。若風(fēng)速突變導(dǎo)致螺線管中電流在Δt=0.01s內(nèi)線性變化至零，線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=200V，則螺線管的自感系數(shù)L為（）A.0.04HB.0.4HC.4HD.40H3.醫(yī)學(xué)影像中的光學(xué)原理澤爾尼克相位對比顯微鏡通過改變光程差實(shí)現(xiàn)透明生物樣本成像，其核心部件為相位補(bǔ)償板。若入射光波長λ=550nm，樣本折射率n=1.33，厚度d=2μm，補(bǔ)償板引入額外光程差Δ=λ/4，則通過樣本后總光程差為（）A.1.33λB.1.58λC.1.83λD.2.08λ4.量子通信中的近代物理我國“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星利用光子偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)星地通信，若光子從衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏敃r因多普勒效應(yīng)導(dǎo)致頻率變化，已知衛(wèi)星軌道高度h=500km，地球半徑R=6400km，光速c=3×10?m/s，則地面接收的光子頻率相對原頻率的偏移量Δν/ν約為（）A.1.2×10??B.2.4×10??C.3.6×10??D.4.8×10??5.熱管理系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)某航天器散熱片采用鋁制蜂窩結(jié)構(gòu)（導(dǎo)熱系數(shù)k=237W/(m·K)），厚度d=5mm，面積S=1m2，若外太空環(huán)境溫度T?=4K，航天器內(nèi)部熱源功率P=1000W，穩(wěn)態(tài)時散熱片內(nèi)外表面溫差為（）A.0.085KB.0.17KC.0.34KD.0.68K6.人工智能中的傳感器技術(shù)某電容式指紋傳感器極板間距d=10μm，介電常數(shù)ε=8.85×10?12F/m，若指紋脊線（凸起）與谷線（凹陷）高度差Δd=1μm，對應(yīng)電容變化量ΔC=1.77×10?12F，則傳感器單個像素面積為（）A.10??m2B.10??m2C.10?1?m2D.10?11m27.超導(dǎo)材料中的電磁學(xué)高溫超導(dǎo)體YBa?Cu?O?在液氮溫度（77K）下臨界磁場Bc=1T，將其制成半徑r=0.5cm的圓環(huán)，通過電流I時恰好處于臨界狀態(tài)，已知真空中磁導(dǎo)率μ?=4π×10??T·m/A，則電流I為（）A.1.25AB.2.5AC.5AD.10A8.天體物理中的相對論效應(yīng)觀測發(fā)現(xiàn)某中子星表面存在強(qiáng)引力場，其引力紅移效應(yīng)導(dǎo)致光譜線波長從λ?=400nm紅移至λ=404nm，已知引力紅移公式Δλ/λ?=GM/(c2R)，則中子星的平均密度ρ約為（）A.101?kg/m3B.101?kg/m3C.101?kg/m3D.102?kg/m3二、填空題（共6題，每題8分，共48分）9.航天推進(jìn)中的動量定理某離子推進(jìn)器以v=3×10?m/s的速度噴出氙離子，噴射流量Δm/Δt=1.5×10??kg/s，其產(chǎn)生的推力F=________N；若航天器總質(zhì)量m=500kg，持續(xù)推進(jìn)1年（3.15×10?s）后獲得的速度增量Δv=________km/s（保留兩位有效數(shù)字）。10.量子計算中的能級躍遷氫原子基態(tài)能量E?=-13.6eV，若用波長λ=97.5nm的紫外線照射，電子可躍遷到n=________的激發(fā)態(tài)；當(dāng)電子從該能級躍遷回基態(tài)時，輻射光子的動量大小p=________kg·m/s（普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，光速c=3×10?m/s）。11.新能源電池中的電化學(xué)某鋰硫電池放電時發(fā)生反應(yīng)：S?+16Li=8Li?S，若電池容量為2Ah（安培小時），則理論上每塊電池可消耗S?的質(zhì)量m=________g（N?=6.02×1023mol?1，S原子量32）；充電時若兩極電勢差U=3.2V，能量轉(zhuǎn)化效率η=80%，則充滿電需輸入電能W=________kJ。12.光學(xué)成像中的幾何光學(xué)某天文望遠(yuǎn)鏡物鏡焦距f?=2m，目鏡焦距f?=20mm，其放大倍數(shù)M=________倍；若觀測月球時物鏡口徑D=0.5m，為分辨月球表面最小距離d，需滿足瑞利判據(jù)θ=1.22λ/D，當(dāng)λ=550nm時，望遠(yuǎn)鏡的角分辨率θ=________rad（保留兩位有效數(shù)字）。13.超導(dǎo)磁懸浮中的電磁力某磁懸浮列車?yán)谩斑~斯納效應(yīng)”，下方超導(dǎo)塊與軌道永磁體間產(chǎn)生排斥力。若永磁體表面磁場B=0.5T，超導(dǎo)塊中感應(yīng)電流形成的等效電流環(huán)半徑r=10cm，電流I=100A，則排斥力F=________N（結(jié)果用π表示）；若列車總質(zhì)量m=50t，需至少________個這樣的超導(dǎo)塊才能懸?。╣=10m/s2）。14.氣候變化中的熱學(xué)某極地科考站采用相變儲能材料（冰）維持室內(nèi)溫度，已知冰的熔化熱λ=3.35×10?J/kg，若室外溫度T?=-30℃，室內(nèi)溫度T?=15℃，熱傳導(dǎo)功率P=200W，為維持24小時恒溫，需儲備冰的質(zhì)量m=________kg（冰的比熱容c=2100J/(kg·K)）。三、計算題（共4題，共62分）15.電磁彈射中的動力學(xué)問題（14分）某航母電磁彈射器采用直線電機(jī)技術(shù)，簡化模型如圖所示：兩平行導(dǎo)軌間距L=2m，長x=100m，通入電流I=5×10?A，滑塊（含飛機(jī)）質(zhì)量m=30t，與導(dǎo)軌間動摩擦因數(shù)μ=0.1，所受安培力F=BIL（B=0.8T為勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度）。（1）求滑塊運(yùn)動的加速度a；（2）若滑塊從靜止開始加速，離開導(dǎo)軌時速度v=100m/s，求電磁彈射效率η；（3）若考慮空氣阻力f=kv2（k=50N·s2/m2），定性分析實(shí)際彈射距離與理想情況的差異。16.天體力學(xué)中的多體問題（16分）2025年計劃發(fā)射的“小行星防御試驗衛(wèi)星”將對近地小行星2023DZ?實(shí)施動能撞擊。已知地球質(zhì)量M=5.98×102?kg，小行星質(zhì)量m=5×10?kg，軌道半長軸a=1.2AU（1AU=1.5×1011m），撞擊前兩者相對速度v?=15km/s。（1）求小行星繞太陽運(yùn)動的周期T；（2）若撞擊后小行星速度改變量Δv=0.1m/s，軌道半長軸變化Δa≈2a2Δv/v?，求Δa；（3）分析撞擊點(diǎn)位置（小行星運(yùn)動前方或后方）對軌道調(diào)整效果的影響。17.量子通信中的波動光學(xué)（16分）“京滬干線”量子通信采用單模光纖傳輸光子，光纖芯徑d=8μm，折射率n?=1.46，包層折射率n?=1.45。（1）求光纖的數(shù)值孔徑NA=√(n?2-n?2)及最大入射角θ；（2）若傳輸波長λ=1550nm，計算光纖中可傳播的模式數(shù)量N≈(πdNA/λ)2/2；（3）若光子在光纖中傳播時因瑞利散射產(chǎn)生衰減，衰減系數(shù)α=0.2dB/km，求傳輸距離L=1000km后的光強(qiáng)衰減比例I/I?（1dB=10lg(I?/I)）。18.高溫超導(dǎo)中的電磁感應(yīng)（16分）某超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)（SMES）采用螺線管線圈，匝數(shù)N=1000，半徑R=0.5m，長度L=2m，通入電流I=100A。（1）求螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B及儲存的磁場能量W；（2）若線圈電阻R=10??Ω，電流衰減至初始值的1/e所需時間τ=L/R（L為自感系數(shù)），計算τ；（3）若將儲存能量用于功率P=1000kW的負(fù)載，放電時間t=________s（結(jié)果保留一位有效數(shù)字），并說明超導(dǎo)儲能的優(yōu)勢。四、綜合應(yīng)用題（共2題，共54分）19.聚變能源中的等離子體物理（28分）可控核聚變裝置“中國環(huán)流器二號M”（HL-2M）通過磁場約束高溫等離子體，其核心參數(shù)為：等離子體溫度T=1.5×10?K，密度n=102?m?3，約束時間τ=100s。（1）計算等離子體粒子的熱運(yùn)動平均動能E?（k=1.38×10?23J/K）；（2）已知聚變反應(yīng)D+T→?He+n釋放能量Q=17.6MeV，若每秒發(fā)生N=101?次反應(yīng)，求功率P；（3）若等離子體被約束在半徑r=1m、長度L=3m的圓柱體內(nèi)，估算其磁約束壓強(qiáng)p（磁場能量密度u=B2/(2μ?)）。20.深空探測中的相對論天體物理（26分）“旅行者2號”探測器在星際空間探測到某類星體發(fā)出的γ射線暴，測得其紅移量z=5（z=Δλ/λ?），已知哈勃定律v=H?d（H?=70km/(s·Mpc)，1Mpc=3.086×1022m）。（1）求類星體的距離d及退行速度v；（2）若γ