2025年高中物理知識競賽“物理夢想”實現(xiàn)路徑設(shè)計大賽試題（一）一、選擇題（每題5分，共30分）關(guān)于牛頓運動定律的適用范圍，下列說法正確的是（）A.適用于一切宏觀物體的運動B.僅適用于慣性系中的低速運動C.可直接用于解釋微觀粒子的波動性D.在非慣性系中需引入虛擬力后才能應(yīng)用2025年預(yù)賽首次引入剛體力學(xué)內(nèi)容，若均質(zhì)細(xì)桿繞端點在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，在最低位置時角速度為ω，則桿的動能表達(dá)式為（）A.(\frac{1}{2}mv^2)（m為桿質(zhì)量，v為端點速度）B.(\frac{1}{3}ml^2\omega^2)（l為桿長）C.(\frac{1}{6}ml^2\omega^2)D.(\frac{1}{12}ml^2\omega^2)相對論多普勒效應(yīng)公式在預(yù)賽中出現(xiàn)，當(dāng)光源以速度v遠(yuǎn)離觀察者時，測得的光頻率ν'與固有頻率ν0的關(guān)系為（）A.(\nu'=\nu_0\sqrt{\frac{c-v}{c+v}})B.(\nu'=\nu_0\sqrt{\frac{c+v}{c-v}})C.(\nu'=\nu_0\frac{c}{c+v})D.(\nu'=\nu_0\frac{c}{c-v})熱力學(xué)中關(guān)于熵增原理的表述正確的是（）A.孤立系統(tǒng)的熵永不減少B.可逆過程的熵變一定為零C.自發(fā)過程總是向著熵減小的方向進(jìn)行D.冰融化成水的過程熵值減小電磁學(xué)中位移電流的本質(zhì)是（）A.電荷定向移動形成的電流B.變化電場產(chǎn)生的等效電流C.運動電荷在磁場中受到的洛倫茲力D.感生電場對電荷的作用力光學(xué)中關(guān)于光的波粒二象性，下列實驗現(xiàn)象不能體現(xiàn)粒子性的是（）A.光電效應(yīng)中存在截止頻率B.康普頓散射中X射線波長變長C.單縫衍射形成明暗條紋D.光子能量公式E=hν二、填空題（每題8分，共40分）某質(zhì)點做簡諧運動，位移表達(dá)式為(x=0.1\sin(5\pit+\frac{\pi}{3}))（單位：m），則其加速度最大值為______m/s2，在t=0.2s時的相位為______。兩無限長平行直導(dǎo)線相距0.1m，分別通有5A和10A反向電流，在兩導(dǎo)線連線中點處的磁感應(yīng)強度大小為______T（μ?=4π×10??T·m/A），方向與導(dǎo)線所在平面______（填“平行”或“垂直”）。一定量理想氣體從狀態(tài)（p?,V?,T?）經(jīng)等壓膨脹至（p?,2V?,T?），再經(jīng)絕熱壓縮回到（2p?,V?,T?），則T?=T?，此循環(huán)過程的效率為%（結(jié)果保留整數(shù)）。用波長600nm的單色光做雙縫干涉實驗，雙縫間距0.2mm，光屏距雙縫1m，相鄰明紋間距為______mm；若將裝置放入折射率1.5的液體中，相鄰明紋間距變?yōu)開_____mm。剛體轉(zhuǎn)動慣量計算中，質(zhì)量m、半徑R的均質(zhì)球體繞直徑轉(zhuǎn)動的慣量為______；若在球表面固定一質(zhì)量同為m的質(zhì)點，則新的轉(zhuǎn)動慣量為______。三、計算題（共6題，240分）1.力學(xué)綜合題（35分）如圖所示，長為L的輕桿兩端固定質(zhì)量分別為m和2m的小球A、B，桿可繞距A端L/3處的水平軸O在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。初始時桿靜止于水平位置，無初速釋放后下擺，求：（1）桿轉(zhuǎn)過θ角時的角速度ω（15分）；（2）小球B運動到最低點時對桿的作用力大小及方向（20分）。2.電磁學(xué)應(yīng)用題（40分）平行板電容器極板面積S=0.5m2，間距d=2mm，接在U=1000V直流電源上：（1）求電容C、極板帶電量Q及電場能量W（15分）；（2）若保持與電源連接，插入厚度t=1mm、ε?=4的電介質(zhì)，求此時的電容C'及電場強度變化量ΔE（15分）；（3）若插入電介質(zhì)過程中電介質(zhì)與極板無摩擦，求電源所做的功（10分）。（ε?=8.85×10?12F/m）3.熱學(xué)計算題（35分）1mol氧氣（剛性雙原子分子）從狀態(tài)a（p?,V?,T?）經(jīng)如下循環(huán)：①a→b：等容升壓至2p?；②b→c：等壓膨脹至2V?；③c→a：等溫壓縮回到初態(tài)。求：（1）各過程的內(nèi)能變化ΔU、功W和熱量Q（20分）；（2）循環(huán)效率η（15分）。（R=8.31J/mol·K，結(jié)果保留2位小數(shù)）4.光學(xué)與相對論綜合題（45分）宇航員駕駛飛船以0.6c速度遠(yuǎn)離地球，飛船向地球發(fā)出波長λ=500nm的單色光信號：（1）地面接收器測得的光波長λ'為多少（20分）；（2）若飛船垂直于視線方向運動，地面測得的橫向多普勒頻移Δν/ν?為多少（15分）；（3）飛船上光源發(fā)出的光經(jīng)地球反射后回到飛船，宇航員測得的反射光波長為多少（10分）。5.剛體力學(xué)題（40分）質(zhì)量m=2kg、半徑R=0.1m的均質(zhì)圓盤可繞中心軸轉(zhuǎn)動，初始角速度ω?=10rad/s?，F(xiàn)施加與盤面切向的恒力F=5N，同時受到阻力矩M=0.1ω（N·m）：（1）求圓盤角速度隨時間變化的函數(shù)ω(t)（25分）；（2）經(jīng)過多長時間角速度減為初始值的一半（15分）。6.近代物理題（45分）鈾235裂變反應(yīng)式為：(\^{235}{92}\text{U}+\^1_0\text{n}\rightarrow\^{144}{56}\text{Ba}+\^{89}_{36}\text{Kr}+3\^1_0\text{n})已知各核質(zhì)量：m_U=235.0439u，m_n=1.0087u，m_Ba=143.9229u，m_Kr=88.9178u（1u=931MeV/c2）（1）計算一次裂變釋放的能量ΔE（15分）；（2）若反應(yīng)堆功率為1000MW，求每秒裂變的鈾核數(shù)（15分）；（3）若快中子動能為2MeV，需通過減速劑將其減速至0.025eV，求每次碰撞的最大能量損失率（15分）。四、創(chuàng)新設(shè)計題（85分）“物理夢想”主題應(yīng)用設(shè)計某科技小組計劃利用物理原理設(shè)計一款“重力勢能-電能轉(zhuǎn)換裝置”，要求：（1）基于機械能守恒定律和電磁感應(yīng)原理，繪制裝置結(jié)構(gòu)示意圖并說明工作原理（30分）；（2）若使用質(zhì)量5kg的重物從2m高度