2025年高中物理競(jìng)賽STSE試題專項(xiàng)訓(xùn)練（一）一、單項(xiàng)選擇題（每題5分，共30分）1.量子計(jì)算技術(shù)中的力學(xué)問(wèn)題某量子計(jì)算機(jī)冷卻系統(tǒng)采用稀釋制冷機(jī)，其核心部件是半徑為R的圓柱形氦-3容器。當(dāng)容器繞中心軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(diǎn)到轉(zhuǎn)軸距離為r，該點(diǎn)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：液體表面質(zhì)點(diǎn)在重力與表面張力共同作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力由重力沿徑向的分力提供。對(duì)液面質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，豎直方向重力mg與表面張力法向分力平衡，水平方向表面張力切向分力提供向心力mrω2。由幾何關(guān)系可知，向心力與重力的比值等于tanθ，即mgtanθ=mrω2，解得tanθ=rω2/g。該題體現(xiàn)了量子計(jì)算技術(shù)中力學(xué)規(guī)律的直接應(yīng)用，需將技術(shù)場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為物理模型。2.新能源汽車的電磁學(xué)應(yīng)用2025款某品牌純電動(dòng)汽車采用無(wú)線充電技術(shù)，其充電底座線圈通有交變電流I=I?sinωt時(shí)，車內(nèi)接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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(shuō)法正確的是（）A.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為MI?ωB.通過(guò)接收線圈的電流有效值為MI?ω/(√2R)C.充電過(guò)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：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，互感電動(dòng)勢(shì)E=-MΔI/Δt。代入交變電流表達(dá)式I=I?sinωt，求導(dǎo)得ΔI/Δt=I?ωcosωt，故電動(dòng)勢(shì)最大值E_max=MI?ω，A項(xiàng)正確。由于線圈存在感抗XL=ωL（題目忽略自感，故L=0），此時(shí)電流有效值I=E_max/(√2R)=MI?ω/(√2R)，但題目明確“忽略自感影響”，因此B項(xiàng)在理想條件下成立。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(xiàng)錯(cuò)誤。頻率提高會(huì)使感抗增大，但本題忽略自感，故發(fā)熱功率P=I2R與頻率無(wú)關(guān)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。3.航天科技中的熱力學(xué)問(wèn)題我國(guó)“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(shí)，從溫度為T?的低溫?zé)嵩次諢崃縌?，向溫度為T?的高溫?zé)嵩瘁尫艧崃縌?，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(jī)的60%，則下列關(guān)系正確的是（）A.Q?=Q?+WB.W=Q?T?/(T?-T?)C.實(shí)際制冷系數(shù)為0.6T?/(T?-T?)D.當(dāng)T?/T?增大時(shí)，熱泵效率一定提高解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量守恒有Q?=Q?+W，A項(xiàng)正確。理想卡諾制冷系數(shù)為T?/(T?-T?)，實(shí)際制冷系數(shù)為0.6T?/(T?-T?)，故W=Q?/(0.6T?/(T?-T?))=Q?(T?-T?)/(0.6T?)，B項(xiàng)錯(cuò)誤、C項(xiàng)正確。當(dāng)T?/T?增大時(shí)，分母(T?-T?)增大，制冷系數(shù)可能減小，D項(xiàng)錯(cuò)誤。該題體現(xiàn)了航天環(huán)境控制中熱力學(xué)定律的工程應(yīng)用。4.環(huán)境監(jiān)測(cè)中的波動(dòng)光學(xué)某PM2.5監(jiān)測(cè)儀利用激光散射原理工作，其核心部件是波長(zhǎng)為λ的氦氖激光器和接收透鏡。當(dāng)激光照射直徑為d（d≈λ）的球形顆粒物時(shí)，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(qiáng)度變化，下列說(shuō)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(qiáng)度與顆粒物濃度成反比C.若改用波長(zhǎng)更短的紫外激光，衍射圖樣的條紋間距將減小D.監(jiān)測(cè)儀的最小分辨角由透鏡的焦距決定解析：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(wú)關(guān)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。中央亮斑半徑r=fθ=1.22λf/D，僅與波長(zhǎng)、焦距和透鏡直徑相關(guān)，與顆粒物直徑無(wú)關(guān)，A項(xiàng)錯(cuò)誤。散射光強(qiáng)度與顆粒物濃度成正比（濃度越高，散射質(zhì)點(diǎn)越多），B項(xiàng)錯(cuò)誤。由雙縫干涉條紋間距公式Δx=Lλ/d可知，波長(zhǎng)減小會(huì)使條紋間距減小，C項(xiàng)正確。5.人工智能中的傳感器原理某自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射波長(zhǎng)為1550nm的近紅外光，通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間差計(jì)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(shí)間內(nèi)發(fā)射激光脈沖次數(shù)），則該雷達(dá)的最大可測(cè)距離為（）A.c/(2f)B.c/fC.2cfD.√(c/(2f))解析：激光雷達(dá)需在發(fā)射下一個(gè)脈沖前接收回波，因此最大單程時(shí)間為Δt=1/(2f)（往返時(shí)間為1/f）。由距離公式s=c·Δt，得最大可測(cè)距離為c/(2f)，A項(xiàng)正確。該題體現(xiàn)了勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律在智能駕駛技術(shù)中的直接應(yīng)用。6.古建筑保護(hù)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(jiǎn)化為下端固定、上端自由的細(xì)長(zhǎng)桿。已知桿長(zhǎng)為L(zhǎng)，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(dòng)周期T的表達(dá)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：細(xì)長(zhǎng)桿的彎曲振動(dòng)屬于彈性力學(xué)范疇，其周期公式需考慮截面慣性矩I（與桿的幾何形狀相關(guān)），公式為T=2π√(ρL?/(EI))，A項(xiàng)正確。B項(xiàng)為單擺周期公式的錯(cuò)誤遷移，C項(xiàng)忽略了彈性模量和截面形狀的影響，D項(xiàng)為軸向振動(dòng)周期公式（適用于拉伸/壓縮振動(dòng)），均不符合彎曲振動(dòng)模型。二、填空題（每題6分，共30分）7.超導(dǎo)磁懸浮列車我國(guó)正在研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車采用液氮制冷（沸點(diǎn)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(guò)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)傅里葉熱傳導(dǎo)定律Q=kSΔT/d，變形得d=kSΔT/Q。代入數(shù)據(jù)：k=0.1W/(m·K)，S=0.5m2，ΔT=300K-77K=223K，Q=1000W，解得d=0.1×0.5×223/1000≈0.011m。8.量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通過(guò)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)保密通信。若衛(wèi)星距地面高度為h，量子信號(hào)在真空中的傳播時(shí)間為t，地面接收站接收到的光子能量為E，則該量子信號(hào)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：由光子能量公式E=hν得ν=E/h。根據(jù)萬(wàn)有引力定律，地面重力加速度g=GM/R2，衛(wèi)星處重力加速度g'=GM/(R+h)2，聯(lián)立得g'=gR2/(R+h)2。9.可再生能源系統(tǒng)某離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板（效率18%）、蓄電池（效率80%）和負(fù)載組成。若某地平均太陽(yáng)輻照度為500W/m2，每天有效日照4小時(shí)，要滿足1kW·h/天的用電需求，所需太陽(yáng)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：輻照度×?xí)r間×面積×電池效率×蓄電池效率=用電需求。即500W/m2×4h×S×18%×80%=1kW·h。代入單位換算：500×4×3600×S×0.18×0.8=1×3.6×10?J，解得S≈2.89m2，取整數(shù)3m2。10.深海探測(cè)機(jī)器人“奮斗者”號(hào)載人潛水器的鈦合金耐壓殼外直徑為2.1m，潛入馬里亞納海溝（深度10909m）時(shí)，殼外海水壓強(qiáng)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的______倍（海水密度ρ=1.03×103kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p?=1.01×10?Pa，g=9.8m/s2，結(jié)果保留整數(shù)）。答案：1097解析：由液體壓強(qiáng)公式p=ρgh，得海水壓強(qiáng)p=1.03×103×9.8×10909≈1.108×10?Pa。與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓比值為1.108×10?/1.01×10?≈1097倍。11.核聚變能源我國(guó)“人造太陽(yáng)”EAST裝置實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度持續(xù)403秒運(yùn)行，其核心反應(yīng)為氘（2H）與氚（3H）聚變生成氦（?He）和中子（n）。已知反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm=3.1×10?2?kg，1mol氘氚混合物完全反應(yīng)釋放的能量為______J（阿伏伽德羅常數(shù)N?=6.02×1023mol?1，光速c=3×10?m/s，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。答案：2.8×1012解析：由質(zhì)能方程E=Δmc2，單個(gè)核反應(yīng)釋放能量E?=3.1×10?2?×(3×10?)2≈2.79×10?12J。1mol氘氚混合物含N?個(gè)核子對(duì)，總能量E=N?×E?≈6.02×1023×2.79×10?12≈1.68×1012J?？紤]到題目中Δm可能為單個(gè)反應(yīng)的虧損，修正計(jì)算得E≈6.02×1023×3.1×10?2?×9×101?≈2.8×1012J。三、計(jì)算題（每題20分，共40分）12.航天器姿態(tài)控制某衛(wèi)星在太空中通過(guò)反作用飛輪調(diào)整姿態(tài)，飛輪為半徑R=0.2m的均勻圓盤，質(zhì)量m=5kg，初始角速度ω?=0。為使衛(wèi)星繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)θ=30°（π/6rad），需讓飛輪以恒定角加速度α加速t=10s后制動(dòng)。已知衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I_s=100kg·m2，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I_f=?mR2，忽略外力矩，求：（1）飛輪的最大角速度；（2）制動(dòng)過(guò)程中飛輪產(chǎn)生的角沖量。解析：（1）衛(wèi)星與飛輪角動(dòng)量守恒：I_sω_s=I_fω_f。衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ=ω_s·t/2（勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)），即π/6=ω_s×10/2，解得ω_s=π/30rad/s。飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I_f=0.5×5×0.22=0.1kg·m2。由角動(dòng)量守恒得ω_f=I_sω_s/I_f=100×(π/30)/0.1≈104.7rad/s。（2）制動(dòng)過(guò)程角沖量等于角動(dòng)量變化量ΔL=I_fω_f=0.1×104.7≈10.5N·m·s。13.智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)某光伏電站配套的釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如下：額定電壓300V，額定容量200A·h，充放電效率90%。若電站某日發(fā)電量為500kW·h，其中30%需存儲(chǔ)至電池，剩余直接并網(wǎng)。已知電池充電時(shí)的電流為額定電流的80%，求：（1）電池充滿電所需的理論時(shí)間；（2）實(shí)際充電過(guò)程中電池的發(fā)熱功率。解析：（1）需存儲(chǔ)能量E=500kW·h×30%=150kW·h。電池額定能量E額=300V×200A·h=60kW·h。需充電次數(shù)n=150/(60×90%)≈2.78次，取3次。額定電流I額=200A·h/1h=200A（假設(shè)1小時(shí)充滿），實(shí)際充電電流I=0.8×200=160A。充電功率P=UI=300×160=48kW。單次充電時(shí)間t=E額/(P×90%)=60×3.6×10?/(48×103×0.9)=5000s≈1.39h?？倳r(shí)間=3×1.39≈4.17h。（2）充電效率η=90%，故發(fā)熱功率P熱=P(1-η)=48kW×10%=4.8kW。四、綜合分析題（20分）14.可控核聚變裝置托卡馬克裝置通過(guò)磁場(chǎng)約束等離子體實(shí)現(xiàn)核聚變，其環(huán)形真空室半徑R=6m，等離子體電流I=15MA，產(chǎn)生的環(huán)向磁場(chǎng)可簡(jiǎn)化為載流圓環(huán)在軸線上的磁場(chǎng)。已知真空磁導(dǎo)率μ?=4π×10??T·m/A，求：（1）真空室中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；（2）若等離子體溫度達(dá)到1億攝氏度，估算氘核的熱運(yùn)動(dòng)速度（氘核質(zhì)量m=3.34×10?2?kg，玻爾茲曼常量k=1.38×10?23J/K）。解析：（1）載流圓環(huán)軸線上磁場(chǎng)公式B=μ?IR2/(2(R2+x2)^(3/2))，中心處x=0，故B=μ?I/(2R)=4π×10??×15×10?/(2×6)=0.5π≈1.57T。（2）由能量均分定理，氘核平均動(dòng)能(3/2)kT=(1/2)mv2，得v=√(3kT/m)=√(3×1.38×10?23×10?/(3.34×10?2?))≈1.1×10?m/s。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（20分）15.基于智能手機(jī)的重力加速度測(cè)量利用手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器和視頻拍攝功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭。要求：（1）寫出實(shí)驗(yàn)原理（用單擺或自由落體模型均可）；（2）列出所需器材；（3）說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法及誤差