2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽“物理醫(yī)療”器械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽（原理筆試部分）試題（三）一、選擇題（每題5分，共30分）醫(yī)用離心機(jī)的離心分離原理：某實(shí)驗(yàn)室使用的臺(tái)式離心機(jī)通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)分離血液中的紅細(xì)胞和血漿，其核心物理原理是利用（）A.向心力與密度差的協(xié)同作用B.離心力對(duì)不同質(zhì)量粒子的差異化加速C.粘滯阻力與重力的平衡關(guān)系D.科里奧利力對(duì)流體的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)胰島素泵的微型傳動(dòng)設(shè)計(jì)：某款便攜式胰島素泵通過(guò)微型電機(jī)推動(dòng)活塞注射藥物，若電機(jī)輸出功率恒定，活塞截面積為0.5cm2，藥液密度與水相近（1g/cm3），當(dāng)注射速度從0.1cm/s提升至0.2cm/s時(shí)，活塞受到的藥液阻力（假設(shè)與速度成正比）將（）A.增大為原來(lái)的2倍B.增大為原來(lái)的4倍C.減小為原來(lái)的1/2D.保持不變MRI梯度磁場(chǎng)的空間定位：磁共振成像（MRI）中，梯度線圈產(chǎn)生的線性磁場(chǎng)梯度（Gz=0.1T/m）用于層面選擇，若某人體組織位于z=10cm處，其自旋質(zhì)子感受到的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度為（）A.0.01TB.0.1TC.1TD.10T高頻電刀的能量控制：手術(shù)中高頻電刀通過(guò)500kHz高頻電流實(shí)現(xiàn)組織切割，若輸出電壓為3000V，回路電阻為150Ω，其瞬時(shí)功率為（）A.6WB.60WC.600WD.60000W血氧儀的光學(xué)檢測(cè)原理：脈搏血氧儀通過(guò)紅光（660nm）和紅外光（940nm）的吸收差異計(jì)算血氧飽和度，若動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白對(duì)940nm光的吸收率高于去氧血紅蛋白，則當(dāng)血氧飽和度升高時(shí)（）A.紅光透射強(qiáng)度增加，紅外光透射強(qiáng)度減少B.紅光透射強(qiáng)度減少，紅外光透射強(qiáng)度增加C.兩者透射強(qiáng)度均增加D.兩者透射強(qiáng)度均減少人工心肺機(jī)的氧合效率：某型人工心肺機(jī)的氧合器通過(guò)中空纖維膜進(jìn)行氣體交換，若膜面積從1.5m2增至2.0m2，其他條件不變（如血流速度、氧分壓梯度），則單位時(shí)間氧傳遞量將（）A.增加33%B.增加50%C.增加67%D.不變二、填空題（每題6分，共30分）血壓計(jì)的示波法測(cè)量：電子血壓計(jì)通過(guò)檢測(cè)袖帶壓力波動(dòng)（振蕩波）計(jì)算血壓，當(dāng)袖帶壓力等于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈血管處于______狀態(tài)（填“完全閉塞”或“部分開(kāi)放”），此時(shí)振蕩波幅度______（填“達(dá)到最大”或“開(kāi)始出現(xiàn)”）。呼吸機(jī)的潮氣量控制：某呼吸機(jī)設(shè)置潮氣量為500mL，呼吸頻率12次/分，吸呼比1:2，則每分鐘通氣量為_(kāi)_____L/min，吸氣時(shí)間為_(kāi)_____秒。超聲碎石的能量聚焦：體外沖擊波碎石機(jī)通過(guò)橢球面反射體將沖擊波聚焦于結(jié)石，若反射體焦距為15cm，沖擊波波長(zhǎng)為0.5mm，則焦點(diǎn)處的波陣面面積約為_(kāi)_____mm2（假設(shè)為圓形光斑，π取3.14）。輸液泵的滴速換算：某輸液泵使用15滴/mL的輸液器，若患者需以50mL/h的速度輸液，則每分鐘滴數(shù)應(yīng)為_(kāi)_____滴/分；若輸液管內(nèi)徑從2mm增至3mm（流速不變），藥液流動(dòng)的雷諾數(shù)將變?yōu)樵瓉?lái)的______倍（假設(shè)為層流，雷諾數(shù)與管徑成正比）。心電監(jiān)護(hù)儀的濾波設(shè)計(jì)：為消除工頻干擾（50Hz），心電信號(hào)處理電路需設(shè)計(jì)帶阻濾波器，其中心頻率為_(kāi)_____Hz，若采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電阻R=10kΩ時(shí)，電容C應(yīng)取______μF（結(jié)果保留兩位小數(shù)，π取3.14）。三、計(jì)算題（共4題，第12-13題每題15分，第14-15題每題20分，共70分）人工心臟瓣膜的流體力學(xué)分析某款機(jī)械心臟瓣膜的瓣口直徑為20mm，當(dāng)心臟收縮期主動(dòng)脈壓為120mmHg（1mmHg≈133Pa），血流速度為1.5m/s時(shí)：（1）計(jì)算瓣口處的血流雷諾數(shù)（血液黏度μ=4×10?3Pa·s，密度ρ=1060kg/m3），并判斷流態(tài)（臨界雷諾數(shù)取2000）；（2）若瓣膜開(kāi)啟時(shí)有效截面積為瓣口面積的60%，求每搏輸出量（假設(shè)收縮期持續(xù)0.3秒）。醫(yī)用冷敷貼的熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)某退熱貼由凝膠層（厚度d?=3mm，導(dǎo)熱系數(shù)k?=0.4W/(m·K)）和背襯層（d?=1mm，k?=0.1W/(m·K)）組成，貼于皮膚表面（溫度T?=37℃），環(huán)境溫度T?=25℃。（1）計(jì)算通過(guò)單位面積退熱貼的熱流密度；（2）若凝膠層中加入鋁箔導(dǎo)熱層（d?=0.1mm，k?=237W/(m·K)），熱流密度將提升百分之幾？動(dòng)態(tài)心電圖的信號(hào)采集某便攜式心電記錄儀采用Ag/AgCl電極，輸入阻抗為10MΩ，人體心電信號(hào)源內(nèi)阻為500Ω，放大器增益為1000倍。（1）計(jì)算信號(hào)傳輸效率（即放大器輸入電壓與信號(hào)源電壓的比值）；（2）若電極接觸電阻從1kΩ增至5kΩ，輸出信號(hào)電壓將變化百分之幾？康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)輔助某下肢康復(fù)機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)為：額定電壓24V，額定電流5A，減速器傳動(dòng)比100:1，輸出軸扭矩效率80%?；颊卟叫袝r(shí)髖關(guān)節(jié)最大負(fù)載扭矩為15N·m，步頻0.8Hz，單步髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度±30°（機(jī)械角度）。（1）計(jì)算電機(jī)輸出軸的額定扭矩；（2）判斷該電機(jī)是否能滿足患者步行時(shí)的峰值扭矩需求；（3）若電池容量為10Ah，僅考慮髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，估算連續(xù)工作時(shí)間（假設(shè)平均功耗為額定功率的60%）。四、綜合設(shè)計(jì)題（50分）基于電磁感應(yīng)的無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)裝置背景：傳統(tǒng)血糖檢測(cè)需采血，患者依從性差。某團(tuán)隊(duì)提出利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)儀，其核心思路是：向人體組織發(fā)射特定頻率的電磁波，通過(guò)檢測(cè)反射波的相位變化推算血糖濃度（血糖濃度與組織介電常數(shù)正相關(guān)）。任務(wù)：（1）簡(jiǎn)述電磁感應(yīng)中“渦流損耗”與“介電損耗”的區(qū)別，并說(shuō)明為何選擇10MHz高頻電磁波而非50Hz工頻信號(hào)；（15分）（2）設(shè)計(jì)一個(gè)LC諧振電路作為發(fā)射模塊，要求諧振頻率10MHz，電感線圈自感系數(shù)2μH，計(jì)算所需電容值；若線圈等效電阻為5Ω，計(jì)算電路品質(zhì)因數(shù)Q；（15分）（3）若人體組織等效為一個(gè)RLC串聯(lián)電路（R=100Ω，L=0.5μH，C=100pF），求該電路的固有頻率，并分析當(dāng)血糖濃度升高導(dǎo)致C增大時(shí)，反射波相位如何變化；（20分）五、分析論述題（30分）物理原理在醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新中的局限性與突破方向結(jié)合本次競(jìng)賽主題，從能量轉(zhuǎn)換效率、生物相容性、微