2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——物理學(xué)對(duì)交通和通信技術(shù)的影響考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輛。這一能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，嚴(yán)格遵守的物理定律是（）。A.牛頓第二定律B.熱力學(xué)第一定律C.熱力學(xué)第二定律D.庫(kù)侖定律2.激光雷達(dá)（LiDAR）利用激光束探測(cè)物體并獲取其距離信息，其核心原理依賴于（）。A.光的干涉B.光的全反射C.電磁波的多普勒效應(yīng)D.光的衍射3.高速鐵路采用電磁懸浮技術(shù)，列車通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)懸浮和導(dǎo)向，主要利用了（）。A.靜電引力B.磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力（安培力）C.光學(xué)透鏡聚焦D.超導(dǎo)體的零電阻特性4.無(wú)線電廣播和電視信號(hào)傳輸依賴的波是（）。A.X射線B.可見(jiàn)光C.紅外線D.無(wú)線電波5.光纖通信能夠?qū)崿F(xiàn)高速、長(zhǎng)距離信息傳輸，其基本原理是利用（）。A.電流在導(dǎo)體中的流動(dòng)B.電磁波的空氣傳播C.光在光纖核心中的全反射D.半導(dǎo)體的光電效應(yīng)6.汽車剎車時(shí)，剎車片與輪子之間產(chǎn)生摩擦力，該力的本質(zhì)是（）。A.萬(wàn)有引力B.靜電作用力C.分子間作用力D.摩擦力（接觸力）7.手機(jī)能夠接收和發(fā)送信號(hào)，其內(nèi)部天線的工作原理基于（）。A.光的折射B.電流的磁效應(yīng)C.電磁感應(yīng)現(xiàn)象D.原子能釋放8.電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其工作基礎(chǔ)是（）。A.熱力學(xué)循環(huán)B.電磁感應(yīng)C.磁場(chǎng)對(duì)電流的作用D.光電轉(zhuǎn)換9.下列通信技術(shù)中，主要利用可見(jiàn)光波段進(jìn)行信息傳輸?shù)氖牵ǎ?。A.衛(wèi)星通信B.微波通信C.紅外通信D.水下通信10.半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦裕@主要源于其內(nèi)部（）的結(jié)構(gòu)。A.導(dǎo)體材料B.絕緣體材料C.PN結(jié)及其電場(chǎng)D.金屬接觸面二、填空題（請(qǐng)將答案填在題后的橫線上。每空2分，共20分）1.汽車行駛時(shí)，由于慣性，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后仍會(huì)繼續(xù)前行一段距離。2.電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常與其兩端施加的______成正比，與線圈所受的磁力矩______。3.光纖通信中，信號(hào)在纖芯中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生色散，導(dǎo)致不同波長(zhǎng)光的傳播速度______，可能引起信號(hào)失真。4.全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)通過(guò)接收多顆衛(wèi)星發(fā)射的______信號(hào)，并測(cè)量其傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算接收機(jī)位置。5.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率是指有用輸出功與燃料完全燃燒釋放的______之比。6.電磁波在真空中傳播速度為______，其傳播速度與波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系為______。7.傳感器在智能交通系統(tǒng)中扮演重要角色，例如雷達(dá)可以探測(cè)物體的______和速度，攝像頭可以識(shí)別交通標(biāo)志和______。8.光纖通信之所以能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，關(guān)鍵在于光纖材料對(duì)光信號(hào)的______很小。9.根據(jù)麥克斯韋方程組，變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生______，變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生______。10.量子通信利用量子力學(xué)原理（如______和______）實(shí)現(xiàn)信息傳輸，具有理論上無(wú)法被竊聽(tīng)的優(yōu)勢(shì)。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述激光比普通光源（如燈泡）在相干性、方向性和亮度方面有何突出特點(diǎn)，并說(shuō)明這些特點(diǎn)如何使其適用于激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)。2.解釋為什么光纖通信需要使用全反射原理？簡(jiǎn)述全反射發(fā)生的條件。3.電動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，這是能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的必然現(xiàn)象嗎？簡(jiǎn)述熱力學(xué)第二定律對(duì)電動(dòng)機(jī)工作的影響。4.簡(jiǎn)述半導(dǎo)體材料（如硅）是如何通過(guò)摻入雜質(zhì)（摻雜）來(lái)改變其導(dǎo)電性能的？摻雜對(duì)半導(dǎo)體器件（如二極管、晶體管）的工作有何意義？四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式、方程和計(jì)算步驟。每小題8分，共16分）1.一輛質(zhì)量為1500kg的汽車，從靜止開始加速，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的牽引力為600N，經(jīng)過(guò)100m的位移后速度達(dá)到20m/s。假設(shè)阻力恒定為300N。求：（1）汽車加速過(guò)程中的平均功率；（2）克服阻力所做的功。2.一束波長(zhǎng)為1550nm的單色光在某種光纖中傳播，其折射率比真空折射率大15%。求：（1）該光在該光纖中的傳播速度；（2）光在該光纖中傳播1km的時(shí)延（注意：時(shí)延t=距離/速度）。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，圍繞指定主題進(jìn)行論述。共24分）結(jié)合物理學(xué)原理，論述電磁波理論是如何催生和發(fā)展了現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)（如手機(jī)通信、無(wú)線電廣播、衛(wèi)星通信等），并探討當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)面臨的主要物理挑戰(zhàn)及可能的未來(lái)發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.D5.C6.D7.C8.C9.C10.C二、填空題1.慣性2.電壓；成反比3.不同4.電磁5.熱量6.3×10?m/s；c=λν7.距離；車輛8.衰減9.電場(chǎng)；磁場(chǎng)10.量子糾纏；量子不可克隆三、簡(jiǎn)答題1.激光具有高度的相干性，意味著光波的頻率和相位高度一致，這使得激光束在傳播很遠(yuǎn)距離后仍能保持良好的聚焦和方向性，適合精確測(cè)距。激光具有高度的方向性，光束發(fā)散角很小，能量集中在特定方向傳播，這減少了能量損失和對(duì)外界的干擾，使得LiDAR能夠有效地探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)并減少背景噪聲。激光亮度極高，意味著單位面積、單位立體角內(nèi)輻射的光功率很大，這使得LiDAR能夠探測(cè)到距離較遠(yuǎn)或反射截面積較小的目標(biāo)，并提供足夠強(qiáng)的回波信號(hào)用于處理和分析。2.光纖通信利用全反射原理將光信號(hào)封閉在光纖纖芯中，使其能夠沿著光纖長(zhǎng)距離傳輸而幾乎不泄漏到包層外。全反射發(fā)生的條件是光從光密介質(zhì)（纖芯）射向光疏介質(zhì)（包層）的界面時(shí)，入射角大于或等于該界面的全反射臨界角。當(dāng)光滿足這一條件時(shí)，光將在纖芯與包層的界面處發(fā)生全反射，沿著光纖彎曲路徑向前傳播。光纖通信需要全反射是因?yàn)樗行У叵拗屏斯庑盘?hào)的傳輸損耗，保證了信號(hào)能夠傳輸很遠(yuǎn)的距離而保持足夠的強(qiáng)度。3.是的，根據(jù)能量守恒定律，電動(dòng)機(jī)將一部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一部分能量會(huì)以熱能形式散失，這是能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的必然現(xiàn)象。熱力學(xué)第二定律指出，任何自發(fā)進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程都伴隨著熵的增加，或者說(shuō)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中總有部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為不可用的熱能散失掉。對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，熱力學(xué)第二定律意味著不可能將全部輸入的電能都轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，必然存在效率小于100%的情況。電動(dòng)機(jī)內(nèi)部線圈電阻產(chǎn)生的焦耳熱、磁芯損耗、機(jī)械摩擦等都是能量轉(zhuǎn)化為熱能的體現(xiàn)，這些熱能的散失符合熱力學(xué)第二定律，也限制了電動(dòng)機(jī)的效率。4.半導(dǎo)體材料（如硅）本身導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。通過(guò)摻雜，即在純半導(dǎo)體晶體中摻入微量其他元素（摻雜劑），可以顯著改變其導(dǎo)電性能。摻入的雜質(zhì)原子（如磷或硼）要么提供多余的自由電子（形成N型半導(dǎo)體），要么捕獲自由電子形成空穴（形成P型半導(dǎo)體）。這樣，N型和P型半導(dǎo)體中分別富集了自由電子或空穴，大大增加了可移動(dòng)的電荷載流子數(shù)量，從而提高了材料的導(dǎo)電能力。摻雜對(duì)半導(dǎo)體器件工作至關(guān)重要，因?yàn)镻型和N型半導(dǎo)體的結(jié)合形成了PN結(jié)，PN結(jié)是二極管、晶體管等絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，通過(guò)控制PN結(jié)的電場(chǎng)分布可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的整流、放大、開關(guān)等特定功能。四、計(jì)算題1.(1)平均功率P=F_avg*v_avg。汽車在加速過(guò)程中，牽引力F=600N，平均速度v_avg=(0+20)/2=10m/s。所以P=600N*10m/s=6000W=6kW。汽車加速過(guò)程中的平均功率為6000瓦特（或6千瓦）。(2)克服阻力所做的功W_f=F_f*s=300N*100m=30000J=3×10?焦耳。克服阻力所做的功為30000焦耳。2.(1)光在介質(zhì)中的速度v=c/n，其中n是介質(zhì)的折射率，c是光在真空中的速度(3×10?m/s)。題目給出折射率比真空大15%，即n=1+0.15=1.15。所以v=(3×10?m/s)/1.15≈2.609×10?m/s。光在該光纖中的傳播速度約為2.609×10?米/秒。(2)時(shí)延t=距離/速度=1000m/(2.609×10?m/s)≈3.83×10??s。光在該光纖中傳播1km的時(shí)延約為3.83微秒。五、論述題電磁波理論是無(wú)線通信技術(shù)的物理基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組統(tǒng)一了電與磁，預(yù)言了電磁波的存在，并指出電磁波在真空中的傳播速度等于光速。赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，證明了光是一種電磁波。這些理論成果揭示了電磁波可以作為一種信息載體，在空間中傳播能量和信號(hào)?；陔姶挪ɡ碚?，人類發(fā)展了各種無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線電廣播利用中長(zhǎng)波、短波等無(wú)線電波傳遞音頻信號(hào)；電視信號(hào)傳輸也依賴無(wú)線電波；手機(jī)通信通過(guò)發(fā)射和接收特定頻率的無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信；衛(wèi)星通信則利用地球同步或低軌道衛(wèi)星作為中繼站，通過(guò)微波（也是電磁波）進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都依賴于對(duì)電磁波產(chǎn)生（發(fā)射天線）、調(diào)制（加載信息）、傳播（電磁波特性決定覆蓋范圍和抗干擾能力）、接收（接收天線解調(diào)）和抗干擾等環(huán)節(jié)的理解和應(yīng)用。當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)面臨的主要物理挑戰(zhàn)包括：信號(hào)衰減（能量隨距離增加而減弱，受材料吸收、散射影響）、干擾（不同信號(hào)或噪聲對(duì)所需信號(hào)的