2025年高二物理上學(xué)期物理與人工智能（AI）試題（如圖像識別與光學(xué)）一、選擇題（每題4分，共40分）某AI圖像識別系統(tǒng)在分析光的雙縫干涉實驗圖像時，需提取相鄰亮條紋間距的數(shù)據(jù)。若實驗中使用的單色光波長為600nm，雙縫間距為0.2mm，光屏與雙縫的距離為1m，則系統(tǒng)識別到的條紋間距應(yīng)為（）A.0.3mmB.3mmC.0.03mmD.30mm智能手機的人臉識別功能通過紅外攝像頭捕捉人臉特征，其原理與光學(xué)成像中的哪種現(xiàn)象相關(guān)（）A.光的干涉B.光的衍射C.光的反射D.光的偏振某AI模型在處理凸透鏡成像實驗圖像時，誤將燭焰邊緣的衍射光斑識別為實像邊緣，導(dǎo)致測量的像距偏大。該誤差主要源于（）A.物距設(shè)置錯誤B.光學(xué)系統(tǒng)像差C.圖像識別算法缺陷D.環(huán)境光照干擾在光的折射實驗中，AI圖像識別系統(tǒng)通過分析入射角與折射角的關(guān)系曲線，計算出某透明介質(zhì)的折射率為1.5。若光從該介質(zhì)射向空氣，發(fā)生全反射的臨界角正弦值為（）A.1/3B.2/3C.√3/2D.√2/2用AI技術(shù)分析牛頓環(huán)干涉圖像時，可通過識別暗環(huán)半徑計算平凸透鏡的曲率半徑。若第3級暗環(huán)半徑為4.5mm，單色光波長為500nm，則透鏡曲率半徑約為（）A.0.5mB.1.5mC.3.0mD.6.0m某自動駕駛汽車的激光雷達(dá)通過發(fā)射波長1550nm的近紅外光探測障礙物，其測距原理基于（）A.光的直線傳播B.光的反射定律C.多普勒效應(yīng)D.光的偏振特性AI圖像識別系統(tǒng)在處理單縫衍射圖像時，需識別中央亮紋的寬度。若縫寬為0.1mm，透鏡焦距為50cm，單色光波長為550nm，則中央亮紋的半寬度為（）A.0.275mmB.0.55mmC.2.75mmD.5.5mm全息投影技術(shù)利用光的干涉記錄物體的三維信息，其成像過程中參考光與物光的關(guān)系必須滿足（）A.頻率相同B.振幅相同C.傳播方向相同D.偏振方向垂直某AI模型通過分析日落時分的天空圖像，預(yù)測大氣中顆粒物濃度。該技術(shù)利用了光的哪種現(xiàn)象（）A.散射B.折射C.干涉D.衍射在光學(xué)實驗中，AI系統(tǒng)通過對比標(biāo)準(zhǔn)譜線圖像識別未知光源的光譜成分，其原理與（）A.光電效應(yīng)B.康普頓效應(yīng)C.原子能級躍遷D.光的波粒二象性二、實驗題（共30分）（一）基于AI的凸透鏡成像規(guī)律探究某實驗小組利用AI圖像識別系統(tǒng)研究凸透鏡成像規(guī)律，實驗裝置如圖1所示（示意圖）。系統(tǒng)可實時捕捉燭焰、透鏡和光屏的位置圖像，并自動計算物距u、像距v及像的高度h。數(shù)據(jù)采集與處理（12分）（1）實驗中使用焦距f=10cm的凸透鏡，當(dāng)燭焰位于光具座30cm刻度處，光屏位于60cm刻度處時，AI系統(tǒng)識別到像高為2cm。請計算物高h(yuǎn)?及像的放大率m（4分）。（2）若保持燭焰位置不變，換用焦距f=15cm的凸透鏡，AI系統(tǒng)提示“無法識別清晰像”。分析其原因并說明需如何調(diào)整光屏位置（4分）。（3）實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燭焰在2f外沿光軸移動時，AI識別的像距變化量Δv與物距變化量Δu的絕對值大小關(guān)系為Δv___Δu（選填“>”“<”或“=”）（2分）。誤差分析與改進(jìn)（10分）（1）AI系統(tǒng)在識別光屏上的像時，可能因光斑邊緣模糊導(dǎo)致像距測量誤差。請?zhí)岢鰞煞N減小該誤差的實驗改進(jìn)方案（4分）。（2）若實驗中不慎將透鏡沿豎直方向傾斜5°，AI系統(tǒng)仍按水平光軸計算像距，分析此時測量值與真實值的偏差（3分）。拓展應(yīng)用（8分）結(jié)合AI圖像識別技術(shù)，設(shè)計一個測量未知液體折射率的實驗方案，要求說明實驗原理、關(guān)鍵步驟及數(shù)據(jù)處理方法。（二）光的偏振現(xiàn)象的AI分析利用手機偏振片和AI圖像分析軟件，某同學(xué)探究了不同光源的偏振特性。實驗步驟如下：①將手機屏幕亮度調(diào)至最大，拍攝其通過旋轉(zhuǎn)偏振片后的圖像；②用AI軟件分析圖像灰度值隨偏振片轉(zhuǎn)角的變化曲線，得到如圖2所示的結(jié)果（曲線A為屏幕光，曲線B為自然光）。根據(jù)曲線A，判斷手機屏幕光的偏振類型并說明依據(jù)（3分）。若在手機屏幕前疊加兩個正交的偏振片，AI識別的圖像亮度應(yīng)為___（選填“全暗”“最亮”或“中間亮度”）（2分）。三、計算題（共30分）AI輔助光學(xué)檢測（15分）某工廠利用AI視覺系統(tǒng)檢測玻璃表面劃痕，系統(tǒng)通過發(fā)射波長632.8nm的氦氖激光照射玻璃，劃痕處產(chǎn)生衍射條紋。若AI識別到第1級暗紋與中央亮紋的距離為0.5mm，透鏡焦距為1m，求劃痕的等效寬度（計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。自動駕駛中的激光雷達(dá)（15分）某自動駕駛汽車的激光雷達(dá)發(fā)射脈沖激光，經(jīng)前方障礙物反射后被接收器檢測。已知光在空氣中的傳播速度為3×10?m/s，若AI系統(tǒng)記錄的脈沖往返時間為8×10??s：（1）計算障礙物與汽車的距離（5分）；（2）若激光波長為905nm，計算光子的能量（普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）（5分）；（3）分析雨天時激光雷達(dá)測距誤差增大的原因（5分）。四、綜合應(yīng)用題（共20分）AI圖像識別在天文觀測中的應(yīng)用某天文團(tuán)隊利用AI圖像識別技術(shù)處理望遠(yuǎn)鏡拍攝的星系光譜圖像，通過分析譜線紅移量計算星系距離。已知某星系的氫原子巴耳末線系中Hα線（實驗室波長λ?=656.3nm）被AI識別為λ=670.0nm：根據(jù)多普勒效應(yīng)計算該星系的退行速度（已知光速c=3×10?km/s，結(jié)果保留三位有效數(shù)字）（8分）；若采用哈勃定律v=H?d（哈勃常數(shù)H?=70km/(s·Mpc)）估算星系距離d（1Mpc≈3.09×101?km），計算d的數(shù)量級（6分）；說明AI技術(shù)在處理海量天文圖像時的兩個優(yōu)勢（6分）。五、開放探究題（共20分）基于AI的光學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計隨著AI技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)物理實驗的模式正在發(fā)生變革。請結(jié)合圖像識別與光學(xué)知識，設(shè)計一個融合AI技術(shù)的創(chuàng)新性物理實驗方案，要求：明確實驗主題（如“AI輔助測量微小形變”“基于圖像識別的光的干涉實驗改進(jìn)”等）；說明實驗原理，畫出裝置示意圖；闡述AI技術(shù)在實驗中的具體應(yīng)用（如數(shù)據(jù)采集、圖像分析、誤差修正等）；分析該方案相比傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢及可能的局限性。（注：方案需具有可操作性，原理正確，體現(xiàn)學(xué)科交叉特色。）參考答案及評分標(biāo)準(zhǔn)（略）命