2025年高中物理知識競賽STSE試題專項訓(xùn)練（二）一、單項選擇題（每題5分，共30分）量子計算技術(shù)中的力學(xué)問題某量子計算機冷卻系統(tǒng)采用稀釋制冷機，其核心部件是半徑為R的圓柱形氦-3容器。當容器繞中心軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)部液態(tài)氦形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)拋物面。已知液體表面某點到轉(zhuǎn)軸距離為r，該點處液面切線與水平方向夾角θ滿足的關(guān)系是（）A.tanθ=rω2/gB.tanθ=g/(rω2)C.sinθ=√(r2ω?+g2)/gD.cosθ=g/√(r2ω?+g2)解析：本題結(jié)合量子計算技術(shù)中的制冷系統(tǒng)，考查勻速圓周運動與受力分析的綜合應(yīng)用。液體表面質(zhì)點在重力與表面張力共同作用下做勻速圓周運動，向心力由重力沿徑向的分力提供，即mgtanθ=mrω2，解得tanθ=rω2/g。該題體現(xiàn)了STSE理念中科學(xué)技術(shù)與力學(xué)規(guī)律的結(jié)合，需要考生將抽象的技術(shù)場景轉(zhuǎn)化為物理模型。新能源汽車的電磁學(xué)應(yīng)用2025款某品牌純電動汽車采用無線充電技術(shù)，其充電底座線圈通有交變電流I=I?sinωt時，車內(nèi)接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。已知兩線圈的互感系數(shù)為M，接收線圈電阻為R，忽略自感影響，則下列說法正確的是（）A.感應(yīng)電動勢的最大值為MI?ωB.通過接收線圈的電流有效值為MI?ω/(√2R)C.充電過程中線圈的磁通量變化率最大值為I?ωD.若提高交變電流頻率，線圈的發(fā)熱功率將減小解析：本題以無線充電技術(shù)為背景，考查電磁感應(yīng)與交流電的知識綜合。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢E=-MΔI/Δt，代入交變電流表達式可得E_max=MI?ω，A項正確；由于線圈存在感抗，電流有效值并非簡單的E_max/(√2R)，B項錯誤；磁通量變化率最大值為E_max/N（N為匝數(shù)），題目未給出匝數(shù)，C項錯誤；頻率提高會使感抗增大，但發(fā)熱功率取決于有效電流，需結(jié)合具體參數(shù)判斷，D項錯誤。該題反映了STSE教育中技術(shù)應(yīng)用與電磁學(xué)原理的關(guān)聯(lián)性。航天科技中的熱力學(xué)問題我國“天宮”空間站的環(huán)控生保系統(tǒng)采用可逆式熱泵技術(shù)調(diào)節(jié)艙內(nèi)溫度。已知某熱泵工作時，從溫度為T?的低溫熱源吸收熱量Q?，向溫度為T?的高溫熱源釋放熱量Q?，消耗電能W。若該熱泵的制冷系數(shù)（Q?/W）為理想卡諾制冷機的60%，則下列關(guān)系正確的是（）A.Q?=Q?+WB.W=Q?T?/(T?-T?)C.實際制冷系數(shù)為0.6T?/(T?-T?)D.當T?/T?增大時，熱泵效率一定提高解析：本題結(jié)合空間站生命保障系統(tǒng)，考查熱力學(xué)第一、第二定律的應(yīng)用。根據(jù)能量守恒Q?=Q?+W，A項正確；理想卡諾制冷系數(shù)為T?/(T?-T?)，實際制冷系數(shù)為0.6T?/(T?-T?)，則W=Q?/(0.6T?/(T?-T?))=Q?(T?-T?)/(0.6T?)，B項錯誤、C項正確；T?/T?增大時，分母(T?-T?)增大，制冷系數(shù)可能減小，D項錯誤。該題體現(xiàn)了航天科技中熱力學(xué)原理的實際應(yīng)用，符合STSE的工程實踐導(dǎo)向。環(huán)境監(jiān)測中的波動光學(xué)某PM2.5監(jiān)測儀利用激光散射原理工作，其核心部件是波長為λ的氦氖激光器和接收透鏡。當激光照射直徑為d（d≈λ）的球形顆粒物時，在透鏡焦平面上形成衍射圖樣。若顆粒物濃度增大導(dǎo)致散射光強度變化，下列說法正確的是（）A.衍射圖樣的中央亮斑半徑與顆粒物直徑d成正比B.散射光的強度與顆粒物濃度成反比C.若改用波長更短的紫外激光，衍射圖樣的條紋間距將減小D.監(jiān)測儀的最小分辨角由透鏡的焦距決定解析：本題以環(huán)境監(jiān)測技術(shù)為背景，考查光的衍射與儀器原理。根據(jù)瑞利判據(jù)，最小分辨角θ=1.22λ/D（D為透鏡直徑），與焦距無關(guān)，D項錯誤；中央亮斑半徑r=fθ=1.22λf/D，與顆粒物直徑無關(guān)，A項錯誤；散射光強度與顆粒物濃度成正比，B項錯誤；波長減小會使衍射條紋間距減小，C項正確。該題展示了STSE理念中環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與波動光學(xué)的結(jié)合。人工智能中的傳感器原理某自動駕駛汽車的激光雷達系統(tǒng)發(fā)射波長為1550nm的近紅外光，通過測量回波時間差計算障礙物距離。已知光在空氣中的傳播速度為c，若系統(tǒng)采樣頻率為f（單位時間內(nèi)發(fā)射激光脈沖次數(shù)），則該雷達的最大可測距離為（）A.c/(2f)B.c/fC.2cfD.√(c/(2f))解析：本題結(jié)合自動駕駛技術(shù)，考查勻速直線運動與波的傳播。激光雷達需在發(fā)射下一個脈沖前接收回波，因此最大單程距離為c·(1/(2f))，總距離為c/(2f)，A項正確。該題體現(xiàn)了人工智能技術(shù)中物理原理的直接應(yīng)用，符合STSE教育的技術(shù)導(dǎo)向。古建筑保護中的力學(xué)建模山西應(yīng)縣木塔采用“梁柱結(jié)構(gòu)”抗震體系，其底層某柱體可簡化為下端固定、上端自由的細長桿。已知桿長為L，橫截面積為S，彈性模量為E，質(zhì)量密度為ρ。若該桿在水平地震作用下發(fā)生微小彎曲，其固有振動周期T的表達式為（）A.T=2π√(ρL?/(EI))（I為截面慣性矩）B.T=2π√(mL/(3EI))（m為桿質(zhì)量）C.T=2π√(L/g)D.T=2π√(ρL2/E)解析：本題以古建筑抗震為背景，考查力學(xué)振動與材料力學(xué)的綜合應(yīng)用。細長桿的彎曲振動周期需考慮截面慣性矩I，其周期公式為T=2π√(ρL?/(EI))，A項正確；B項為單擺周期公式的錯誤遷移，C項忽略了彈性模量影響，D項為軸向振動周期公式，均不符合彎曲振動模型。該題體現(xiàn)了STSE理念中傳統(tǒng)文化保護與物理規(guī)律的結(jié)合。二、填空題（每題6分，共30分）超導(dǎo)磁懸浮列車我國正在研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車采用液氮制冷（沸點77K）。若列車在水平軌道上以300km/h速度勻速行駛，車廂內(nèi)電子設(shè)備的散熱功率為1kW，為維持設(shè)備溫度不超過300K，需用導(dǎo)熱系數(shù)k=0.1W/(m·K)的隔熱材料包裹。已知隔熱層內(nèi)外溫差ΔT=223K，散熱面積S=0.5m2，則隔熱層厚度至少為______m（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。答案：0.011解析：根據(jù)熱傳導(dǎo)公式Q=kSΔT/d，變形得d=kSΔT/Q=0.1×0.5×223/1000≈0.011m。本題考查熱力學(xué)中熱傳導(dǎo)定律在超導(dǎo)技術(shù)中的應(yīng)用，體現(xiàn)了STSE的技術(shù)與科學(xué)關(guān)聯(lián)。量子通信衛(wèi)星“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星通過星地量子密鑰分發(fā)實現(xiàn)保密通信。若衛(wèi)星距地面高度為h，量子信號在真空中的傳播時間為t，地面接收站接收到的光子能量為E，則該量子信號的頻率ν=，衛(wèi)星軌道處的重力加速度g'=（已知地球半徑R，地面重力加速度g，普朗克常量h）。答案：E/h；gR2/(R+h)2解析：光子能量E=hν，故ν=E/h；根據(jù)萬有引力定律，g'=GM/(R+h)2，結(jié)合地面GM=gR2，可得g'=gR2/(R+h)2。本題將量子通信與萬有引力綜合，體現(xiàn)了STSE的多學(xué)科交叉性?？稍偕茉聪到y(tǒng)某離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板（效率18%）、蓄電池（效率80%）和負載組成。若某地平均太陽輻照度為500W/m2，每天有效日照4小時，要滿足1kW·h/天的用電需求，所需太陽能電池板面積至少為______m2（結(jié)果保留整數(shù)）。答案：3解析：設(shè)面積為S，能量關(guān)系為500×4×3600×S×18%×80%=1×3.6×10?J，解得S≈2.89m2，取整數(shù)3m2。本題考查能量轉(zhuǎn)化效率在新能源技術(shù)中的應(yīng)用，符合STSE的環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展理念。深海探測機器人“奮斗者”號載人潛水器的鈦合金耐壓殼外徑2.1m，壁厚0.08m，在馬里亞納海溝（深度10909m）作業(yè)時，殼體內(nèi)外壓強差為______Pa，殼體所受徑向壓力為______N（海水密度1025kg/m3，g=9.8m/s2，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。答案：1.1×10?；6.2×10?解析：壓強差Δp=ρgh=1025×9.8×10909≈1.1×10?Pa；徑向壓力F=Δp·A=Δp·π(D-t)t（D為外徑，t為壁厚），代入數(shù)據(jù)得F≈6.2×10?N。本題結(jié)合深海探測技術(shù)，考查流體力學(xué)與材料力學(xué)的應(yīng)用，體現(xiàn)了STSE的工程實踐導(dǎo)向。智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)某鋰離子電池儲能電站的額定容量為10MWh，充放電效率為90%。若用該電站存儲某風電場的棄風電能（平均功率5MW），則充滿電所需時間為______h；若將存儲的電能通過220kV高壓線路輸送（輸電效率95%），線路電流為______A（結(jié)果保留整數(shù)）。答案：2.2；24解析：充電時間t=額定容量/(輸入功率)=10/(5×0.9)≈2.2h；輸電電流I=P/(√3Uη)=10×10?/(√3×220×103×0.95)≈24A。本題考查能量存儲與輸電技術(shù)的綜合應(yīng)用，符合STSE的能源與環(huán)境主題。三、計算題（共40分）電磁彈射技術(shù)（12分）我國福建艦采用電磁彈射系統(tǒng)，其核心部件是長L=100m的直線感應(yīng)電動機。已知某艦載機質(zhì)量m=30t，起飛速度v=100m/s，彈射過程中受到平均阻力f=5×10?N，電磁驅(qū)動力F隨位移x的變化關(guān)系為F=F?(1-x/L)（F?為最大驅(qū)動力）。（1）求彈射過程中驅(qū)動力做的總功W；（2）若系統(tǒng)效率η=80%，求所需電能E；（3）若彈射時間t=2s，估算線圈中交變電流的頻率f（提示：驅(qū)動力周期等于電流周期的2倍）。解析：（1）驅(qū)動力做功W=∫??Fdx=∫??F?(1-x/L)dx=F?L/2。由動能定理W-fL=mv2/2，代入數(shù)據(jù)解得F?=3.5×10?N，故W=3.5×10?×100/2=1.75×10?J。（2）電能E=W/η=1.75×10?/0.8≈2.19×10?J。（3）平均加速度a=v/t=50m/s2，平均速度v?=v/2=50m/s，驅(qū)動力作用次數(shù)n=L/(v?·T/2)=L/(v?·1/(2f))=4fL/(v)，解得f=v/(4L)·n。取n≈1（簡化估算），得f≈0.25Hz（實際過程中n為整數(shù)，需結(jié)合具體參數(shù)修正）。命題意圖：本題以電磁彈射技術(shù)為背景，綜合考查功、動能定理與交流電知識，體現(xiàn)STSE理念中軍事科技與物理規(guī)律的結(jié)合，要求考生具備從實際問題中抽象物理模型的能力。光伏農(nóng)業(yè)大棚（14分）某光伏農(nóng)業(yè)大棚采用雙層結(jié)構(gòu)：上層為砷化鎵太陽能電池板（光電效率η?=30%），下層為植物種植區(qū)（光合效率η?=5%）。已知大棚面積S=1000m2，太陽常數(shù)J=1353W/m2（垂直入射時的太陽輻射功率），太陽光波長λ≈550nm。（1）計算該大棚的年發(fā)電量E（每年有效光照時間t=1500h，電池板覆蓋面積占比k=50%）；（2）若種植區(qū)每平方米需光能量Q=1000kWh/年，通過計算判斷光伏板對植物生長是否有影響；（3）已知單個光子能量ε=hc/λ，估算電池板每秒鐘接收的光子數(shù)N。解析：（1）年發(fā)電量E=J·S·k·η?·t=1353×1000×0.5×0.3×1500×10?3≈3.05×10?kWh。（2）光伏板遮擋后到達種植區(qū)的能量Q'=J·S·(1-k)·t=1353×1000×0.5×1500×10?3≈1.01×10?kWh，植物所需總能量Q_total=S·Q=1000×1000=10?kWh，Q'≈Q_total，故無顯著影響。（3）光子數(shù)N=P/(ε)=J·S·k/(hc/λ)=1353×1000×0.5×550×10??/(6.63×10?3?×3×10?)≈1.86×102?個/秒。命題意圖：本題以光伏農(nóng)業(yè)為背景，綜合考查能量轉(zhuǎn)化、光學(xué)與量子物理知識，體現(xiàn)STSE理念中可持續(xù)發(fā)展與多學(xué)科融合，要求考生具備能量守恒思想與數(shù)量級估算能力。量子點顯示技術(shù)（16分）某量子點電視的背光系統(tǒng)采用CdSe量子點（直徑d≈5nm），其發(fā)光波長λ隨尺寸變化的關(guān)系為λ(nm)=550+50(d-3)（d以nm為單位）。已知量子點的激發(fā)態(tài)壽命τ=10ns，普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，電子電荷量e=1.6×10?1?C。（1）計算直徑d=5nm的量子點發(fā)光頻率ν及光子能量ε；（2）若該量子點在電壓U=5V的電場中被電子轟擊激發(fā)，求電子轟擊前的動能E_k；（3）已知量子點的發(fā)光強度I與激發(fā)態(tài)粒子數(shù)N成正比，且N(t)=N?e??/τ。若在t=0時刻注入N?個激發(fā)態(tài)粒子，求發(fā)光強度從I?衰減到I?/e所需的時間t?，并分析該特性對顯示畫質(zhì)的影響。解析：（1）發(fā)光波長λ=550+50×(5-3)=650nm，頻率ν=c/λ=3×10?/(650×10??)≈4.62×101?Hz，光子能量ε=hν=6.63×10?3?×4.62×101?≈3.06×10?1?J≈1.91eV。（2）電子動能E_k=eU=1.6×10?1?×5=8×10?1?J=5eV。（3）由I∝N(t)，當I=I?/e時，N(t?)=N?/e，解得t?=τ=10ns。該短壽命特性使量子點發(fā)光響應(yīng)速度快，可減少動態(tài)畫面拖影，提升顯示畫質(zhì)。命題意圖：本題以量子點顯示技術(shù)為背景，綜合考查光學(xué)、量子物理與電學(xué)知識，體現(xiàn)STSE理念中前沿科技與微觀物理的結(jié)合，要求考生具備物理模型構(gòu)建與跨模塊知識遷移能力。四、拓展題（共20分）可控核聚變（20分）我國“人造太陽”EAST裝置實現(xiàn)1.2億攝氏度持續(xù)403秒運行，其核心反應(yīng)為氘（2H）與氚（3H）聚變生成氦（?He）和中子（n）。已知相關(guān)原子核質(zhì)量：m_D=2.0141u，m_T=3.0160u，m_He=4.0026u，m_n=1.0087u（1u=931.5MeV/c2）。（1）計算該聚變反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm及釋放能量ΔE；（2）若EAST裝置的等離子體約束時間τ=400s，密度n=102?m?3，根據(jù)勞森判據(jù)nτ≥102?m?3·s，判斷其是否達到聚變點火條件；（3）若未來聚變堆的功率P=1GW，燃料利用率η=10%，計算每年消耗的氘質(zhì)量m（阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.02×1023mol?1）。解析：（1）質(zhì)量虧損Δm=(m_D+m_T)-(m_He+m_n)=0.0188u，釋放能量ΔE=Δmc2=0.0188×931.5≈17.5MeV。（2）nτ=102?×400=4×1022m?3·s≥102?，已達到點火條件。（3）年能量需求E=P·t=10?×3.15×10?≈3.15×101?J，所需聚變次數(shù)N=E/(ΔE·η)=3.15×101?/(17.5