2025年高中物理知識競賽“物理旅游”路線設(shè)計大賽（原理介紹筆試部分）試題（三）一、力學基礎(chǔ)應(yīng)用題（共30分）（一）斜面與摩擦綜合計算（15分）某“物理旅游”團隊計劃攀登一處傾角為37°的斜坡景點，斜坡表面由粗糙花崗巖構(gòu)成，動摩擦因數(shù)μ=0.25。已知一名游客質(zhì)量為60kg，攜帶裝備總質(zhì)量15kg，攀登過程中沿斜面向上的牽引力恒為500N（g取10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8）。受力分析：畫出游客在斜坡上的受力示意圖，標注各力的名稱及方向（3分）；加速度計算：求游客沿斜面向上運動的加速度大?。?分）；能量轉(zhuǎn)化：若斜坡長度為100m，求游客登頂過程中克服摩擦力做的功及機械能的變化量（7分）。（二）曲線運動與天體模型（15分）團隊在山頂觀測到遠處湖面有帆船航行，同時通過天文望遠鏡觀察到木星衛(wèi)星的運動。平拋運動：若游客將一小石塊從山頂以10m/s的水平速度拋出，測得落地點與拋出點的水平距離為20m，忽略空氣阻力，求山頂相對湖面的高度（5分）；開普勒定律應(yīng)用：已知木星某衛(wèi)星的軌道半徑為R，公轉(zhuǎn)周期為T，引力常量為G，推導(dǎo)木星質(zhì)量M的表達式（5分）；相對論修正：若該衛(wèi)星軌道速度達到0.1c（c為光速），需考慮相對論效應(yīng)時，其動能表達式與經(jīng)典力學中的動能公式有何差異？簡要說明原因（5分）。二、電磁學綜合分析題（共30分）（一）電路設(shè)計與安全評估（15分）景區(qū)計劃在觀景臺安裝應(yīng)急照明系統(tǒng)，采用12V蓄電池供電，需驅(qū)動20盞“12V3W”LED燈，設(shè)計電路如圖1所示（圖中未給出，考生需自行構(gòu)建合理電路）。電路設(shè)計：選擇LED燈的連接方式（串聯(lián)/并聯(lián)），并計算總電流及蓄電池的最小容量（以Ah為單位，假設(shè)連續(xù)照明時間不低于8小時）（6分）；電阻計算：若電路中串聯(lián)一個保護電阻，當某盞燈短路時，電路總電流不超過額定電流的1.5倍，求保護電阻的阻值范圍（5分）；安全評估：若蓄電池內(nèi)阻為0.5Ω，計算電路正常工作時的輸出效率（4分）。（二）電磁感應(yīng)與電磁波（15分）團隊參觀科技館時，體驗了“電磁彈射”裝置，其原理與磁懸浮列車相似，簡化模型如圖2所示（水平導(dǎo)軌間距L=1m，勻強磁場B=0.5T豎直向下，金屬棒電阻R=0.2Ω，質(zhì)量m=0.1kg）。感應(yīng)電動勢：若金屬棒在水平拉力作用下以5m/s的速度向右勻速運動，求感應(yīng)電動勢大小及感應(yīng)電流方向（4分）；安培力計算：求此時金屬棒所受安培力的大小及方向（4分）；電磁波應(yīng)用：裝置控制電路通過電磁波傳輸信號，若使用頻率為5GHz的微波，求其在真空中的波長及傳播過程中遇到直徑3cm障礙物時的衍射現(xiàn)象是否明顯（7分）。三、熱學與光學實驗探究題（共25分）（一）熱力學定律應(yīng)用（12分）在高原景區(qū)，游客發(fā)現(xiàn)未開封的礦泉水瓶會膨脹。已知山腳時瓶內(nèi)氣體壓強p?=1atm，溫度T?=300K，體積V?=500mL；山頂溫度T?=270K，壓強p?=0.8atm。狀態(tài)變化：判斷瓶內(nèi)氣體是否符合理想氣體狀態(tài)方程，計算山頂時瓶內(nèi)氣體的體積V?（5分）；內(nèi)能變化：若將瓶內(nèi)氣體視為單原子理想氣體，求從山腳到山頂?shù)膬?nèi)能變化量（3分）；相變分析：若打開瓶蓋后，瓶口水蒸氣凝結(jié)成小水珠，已知1g水蒸氣液化放熱2260J，求5g水蒸氣完全液化時的熵變（4分）。（二）光的傳播與成像（13分）景區(qū)內(nèi)有一處“海市蜃樓”觀測點，同時設(shè)有凸透鏡成像實驗裝置。折射定律：已知空氣折射率n?=1.0003，海市蜃樓現(xiàn)象中光線從密度大的空氣層（n?=1.0005）進入密度小的空氣層，入射角為89°，求折射角的正弦值（5分）；凸透鏡成像：用焦距f=10cm的凸透鏡觀察遠處景物，求像距大小及像的性質(zhì)（倒立/正立、放大/縮小、實像/虛像）（4分）；光的偏振：若在望遠鏡鏡頭前加裝偏振片，發(fā)現(xiàn)景物亮度減弱，旋轉(zhuǎn)偏振片時亮度周期性變化，解釋該現(xiàn)象并說明偏振片的應(yīng)用價值（4分）。四、近代物理與實際應(yīng)用題（共15分）（一）核反應(yīng)與能源利用（8分）景區(qū)計劃建設(shè)小型核能供暖系統(tǒng)，采用钚-239裂變反應(yīng)：??23?Pu+?1n→??13?Xe+????Zr+3?1n+能量。已知Pu-239的質(zhì)量為239.0521u，Xe-139為138.9178u，Zr-94為93.9154u，中子質(zhì)量為1.0087u（1u=931.5MeV/c2）。質(zhì)量虧損：計算一次裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損（4分）；能量計算：求釋放的核能及1kgPu-239完全裂變產(chǎn)生的能量（4分）。（二）傳感器技術(shù)應(yīng)用（7分）團隊使用加速度傳感器記錄登山過程中的運動狀態(tài)，傳感器輸出信號如圖3所示（橫坐標為時間t，縱坐標為加速度a）。運動狀態(tài)判斷：根據(jù)圖像描述0-5s內(nèi)游客的運動情況（靜止/勻速/加速/減速），并說明依據(jù)（3分）；誤差分析：傳感器測量值與真實加速度存在偏差，列出至少兩種可能的誤差來源（4分）。五、綜合創(chuàng)新設(shè)計題（共20分）“物理旅游”路線優(yōu)化方案某景區(qū)擬開發(fā)一條“力學-電磁學融合體驗路線”，包含以下景點：A點：高空秋千（圓周運動模型）B點：電磁彈射過山車（安培力驅(qū)動）C點：光纖通信體驗館（全反射原理）請完成以下設(shè)計任務(wù)：路線規(guī)劃：繪制A、B、C三點的空間布局圖，要求相鄰景點間的物理原理具有連貫性（例如從機械能守恒過渡到電磁能量轉(zhuǎn)化）（5分）；原理說明：以B點為例，推導(dǎo)過山車彈射過程中速度v與電流I的關(guān)系式（需包含軌道長度L、磁場強度B、導(dǎo)軌間距d等參數(shù)）（8分）；安全建議：結(jié)合牛頓第二定律和電磁學安全標準，提出至少3條保障游客安全的具體措施（7分）。注意事項：所有計算題需寫出必要的公式推導(dǎo)過程，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字；綜合題可結(jié)合生活實際進行合理假設(shè)，假設(shè)