2025年高二物理上學(xué)期STSE情境問題探究題情境一：新能源汽車的動力學(xué)與能量轉(zhuǎn)化問題1：動力性能分析某國產(chǎn)新能源汽車在測試場的水平路面上由靜止啟動，先做加速度為4m/s2的勻加速直線運動，達到額定功率100kW后保持功率不變繼續(xù)行駛，最終做勻速直線運動。已知汽車質(zhì)量為2×103kg，所受阻力為重力的0.1倍（g取10m/s2）。（1）求汽車勻加速運動的時間及最大速度；（2）若汽車從啟動到達到最大速度的總位移為150m，求此過程中汽車發(fā)動機做的總功。解析：（1）汽車所受阻力f=0.1mg=2×103N，勻加速階段由牛頓第二定律得F-f=ma，解得牽引力F=1×10?N。達到額定功率時的速度v?=P/F=10m/s，勻加速時間t?=v?/a=2.5s。最大速度vm=P/f=50m/s。（2）勻加速階段位移x?=v?2/(2a)=12.5m，此階段發(fā)動機做功W?=Fx?=1.25×10?J；變加速階段由動能定理得W?-f(x-x?)=?mvm2-?mv?2，解得W?=5.125×10?J，總功W=W?+W?=6.375×10?J。問題2：電磁感應(yīng)與充電系統(tǒng)新能源汽車的無線充電技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，其簡化模型如圖所示：地面發(fā)射線圈通入交變電流產(chǎn)生交變磁場，車載接收線圈（匝數(shù)n=100，面積S=0.5m2）中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。已知發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場磁感應(yīng)強度B隨時間變化規(guī)律為B=0.2sin(100πt)T。（1）求接收線圈中感應(yīng)電動勢的最大值；（2）若充電電路總電阻為10Ω，求一個周期內(nèi)電路產(chǎn)生的焦耳熱。解析：（1）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢e=nSΔB/Δt，代入數(shù)據(jù)得e=100×0.5×0.2×100πcos(100πt)=1000πcos(100πt)V，最大值Em=1000πV≈3140V。（2）電動勢有效值E=Em/√2=500√2πV，周期T=2π/ω=0.02s，焦耳熱Q=E2T/R≈(500√2π)2×0.02/10≈9.87×103J。情境二：潮汐發(fā)電站的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題3：單庫單向潮汐發(fā)電某潮汐電站利用單庫單向發(fā)電模式，水庫面積5.0×10?m2，平均潮差3.0m，每天漲落潮兩次，能量轉(zhuǎn)化效率10%（ρ海水=1.0×103kg/m3，g=10m/s2）。（1）計算每次落潮時水庫釋放的重力勢能；（2）若將該電站輸出的電能用于驅(qū)動問題1中的新能源汽車，求理論上每天可支持汽車行駛的最大里程。解析：（1）每次落潮釋放的水體積V=Sh=5.0×10?×3m3=1.5×10?m3，重心下降高度h'=1.5m，重力勢能Ep=ρVgh'=1.0×103×1.5×10?×10×1.5=2.25×1013J。（2）每天發(fā)電量E電=2×Ep×10%=4.5×1012J，汽車勻速行駛時牽引力F=f=2×103N，最大里程x=E電/F=4.5×1012/2×103=2.25×10?m=2.25×10?km。問題4：雙水庫連續(xù)發(fā)電技術(shù)某雙水庫潮汐電站通過控制閘門使高、低水庫始終保持3m水位差，水輪機效率70%，總發(fā)電功率5×10?kW。（1）求每秒鐘通過水輪機的水量；（2）若某次漲潮時高水庫水位以0.1m/h的速度上升，求此時低水庫的排水速率（假設(shè)水庫面積均為1×10?m2）。解析：（1）發(fā)電功率P=ηρgQH，解得流量Q=P/(ηρgH)=5×10?/(0.7×103×10×3)≈2381m3/s。（2）高水庫蓄水速率ΔV?=SΔh/Δt=1×10?×0.1/3600≈277.8m3/s，因發(fā)電流量Q=ΔV?+ΔV?，故低水庫排水速率ΔV?=Q-ΔV?≈2381-277.8=2103.2m3/s。情境三：綜合應(yīng)用與拓展探究問題5：能源互補系統(tǒng)設(shè)計某沿海城市計劃構(gòu)建“潮汐發(fā)電-新能源汽車”能源互補系統(tǒng)，已知：潮汐電站：平均輸出功率1×10?kW，每天工作12小時；新能源公交車：每輛功率100kW，百公里能耗100kWh，續(xù)航里程400km。（1）計算該潮汐電站每天可滿足多少輛公交車的充電需求；（2）若潮汐電站輸出電壓20kV，通過理想變壓器升壓至220kV并入電網(wǎng)，求升壓變壓器的匝數(shù)比及輸電線上的電流（輸電線總電阻2Ω）。解析：（1）潮汐電站日發(fā)電量E=Pt=1×10?kW×12h=1.2×10?kWh，每輛公交車日耗電量E?=400km×100kWh/100km=400kWh，可滿足車輛數(shù)N=E/E?=3000輛。（2）升壓變壓器匝數(shù)比n?/n?=U?/U?=20/220=1/11，輸電電流I=P/U?=1×10?kW/220kV≈454.5A。問題6：環(huán)境影響評估某研究團隊對潮汐電站的生態(tài)影響進行評估，發(fā)現(xiàn)：水輪機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生噪聲，聲強級L=10lg(I/I?)，其中I?=10?12W/m2；當聲強級超過80dB時會影響海洋生物。（1）若某位置聲強I=10??W/m2，判斷是否超標；（2）若潮汐電站年發(fā)電量1.2×10?kWh，替代燃煤發(fā)電（煤電效率30%，標準煤熱值3×10?J/kg），計算每年可減少的碳排放質(zhì)量（假設(shè)煤中碳含量70%）。解析：（1）聲強級L=10lg(10??/10?12)=80dB，剛好達到限值，未超標。（2）年發(fā)電量E=1.2×10?kWh=4.32×101?J，燃煤量m=E/(ηq)=4.32×101?/(0.3×3×10?)=4.8×10?kg，碳排放量m碳=4.8×10?kg×70%×(44/12)=1.232×10?kg=1.232×10?t。情境四：創(chuàng)新探究與方案設(shè)計問題7：動態(tài)儲能系統(tǒng)某物理興趣小組設(shè)計“潮汐-汽車”聯(lián)合儲能方案：利用高潮位時多余電能將水抽到高位蓄水池，低谷時放水驅(qū)動渦輪發(fā)電。已知蓄水池有效落差20m，渦輪發(fā)電機效率80%。（1）若要儲存1000kWh的電能，需抽取多少立方米的海水？（2）若抽水機功率50kW，效率75%，求抽滿上述水量所需時間。解析：（1）電能E=1000kWh=3.6×10?J，由E=ηρgVh得V=E/(ηρgh)=3.6×10?/(0.8×103×10×20)=2.25×10?m3。（2）抽水所需能量E?=E/η'=3.6×10?/0.75=4.8×10?J，時間t=E?/P=4.8×10?/5×10?=9.6×10?s≈26.7h。問題8：智能駕駛中的運動學(xué)新能源汽車的自動泊車系統(tǒng)通過超聲波傳感器測距，其原理是：傳感器發(fā)射超聲波（波速v=340m/s），遇障礙物后反射回傳感器。若汽車以1m/s的速度勻速靠近障礙物，傳感器發(fā)出信號后0.2s接收到反射波。（1）求發(fā)出信號時汽車與障礙物的距離；（2）若汽車加速度大小為2m/s2剎車，求剎車后3s內(nèi)的位移。解析：（1）設(shè)發(fā)出信號時距離為x，0.2s內(nèi)汽車前進距離x?=vt?=0.2m，超聲波傳播距離x+x-0.2=v聲t?，解得x=(v聲t?+0.2)/2=34.1m。（2）剎車時間t?=v?/a=0.5s，3s內(nèi)實際滑行時間0.5s，位移x=v?2/(2a)=0.25m。通過以上情境問題的探究，我們可以看到物理學(xué)原理在新能源開發(fā)與環(huán)境保護中的深度應(yīng)用。從新能源汽車的動力優(yōu)化到潮汐電站的能量轉(zhuǎn)化，從電磁感應(yīng)的無線充