2025年高二物理上學(xué)期項目式學(xué)習(xí)評價卷（二）一、情境探究題（共40分）情境背景某科技小組計劃設(shè)計一款“智能家居節(jié)能系統(tǒng)”，核心裝置為可調(diào)節(jié)角度的太陽能電池板和智能溫控電路。系統(tǒng)需通過傳感器采集光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，自動優(yōu)化電池板傾角和電路功率分配，實現(xiàn)能源高效利用。請結(jié)合電磁學(xué)、熱力學(xué)及機(jī)械運動知識，完成以下探究任務(wù)。任務(wù)1：太陽能電池板的傾角優(yōu)化（15分）情境描述：太陽能電池板的發(fā)電效率與太陽光線入射角θ（光線與電池板平面法線的夾角）密切相關(guān)，理想情況下效率公式為η=η?cosθ（η?為垂直入射時的效率）。某地區(qū)秋分日正午太陽高度角為45°（太陽光線與水平面夾角），電池板可繞水平軸旋轉(zhuǎn)，支架高度可調(diào)節(jié)。問題：（1）若電池板與水平面的夾角為α，推導(dǎo)太陽光線入射角θ與α的關(guān)系式；（5分）（2）計算秋分日正午時，使η最大的α值，并說明若某天正午太陽高度角變?yōu)?0°，α應(yīng)如何調(diào)整；（6分）（3）實際安裝時發(fā)現(xiàn)，電池板傾角還需考慮冬季積雪滑落問題，若積雪能沿板面向下滑動的臨界條件為板面對積雪的靜摩擦力等于重力沿斜面的分力，已知積雪與板面間的動摩擦因數(shù)μ=0.3，求確保積雪滑落的最小α值。（4分）評分標(biāo)準(zhǔn)：（1）正確畫出幾何關(guān)系圖，推導(dǎo)出θ=|45°-α|（3分）；說明θ越小，cosθ越大（2分）。（2）α=45°時θ=0，η最大（3分）；太陽高度角60°時，α需調(diào)整為60°（3分）。（3）根據(jù)平衡條件μmgcosα=mgsinα，解得α=arctan0.3≈16.7°（公式2分，結(jié)果2分）。任務(wù)2：智能溫控電路的設(shè)計（25分）情境描述：溫控電路核心為半導(dǎo)體致冷片（TEC），其工作原理是：當(dāng)電流I通過TEC時，熱量從冷端（室內(nèi)）轉(zhuǎn)移到熱端（室外），轉(zhuǎn)移功率P=αI-κΔT（α為塞貝克系數(shù)，κ為熱導(dǎo)系數(shù)，ΔT為兩端溫差）。已知電源電動勢E=12V，內(nèi)阻r=2Ω，TEC的等效電阻R=4Ω，α=0.05W/A，κ=0.02W/℃。問題：（1）畫出電路簡圖，計算電路總電流I及TEC兩端的電壓U；（8分）（2）若室內(nèi)外溫差ΔT=20℃，求TEC的實際制冷功率P；若要使ΔT增大到30℃，需串聯(lián)還是并聯(lián)一個電阻？計算電阻值；（10分）（3）電路中串聯(lián)一個滑動變阻器，當(dāng)環(huán)境溫度降低時，如何調(diào)節(jié)變阻器使制冷功率減??？用公式說明理由。（7分）評分標(biāo)準(zhǔn)：（1）正確畫出串聯(lián)電路（電源、TEC、內(nèi)阻）（3分）；I=E/(R+r)=12/(4+2)=2A（2分）；U=E-Ir=12-2×2=8V（3分）。（2）P=αI-κΔT=0.05×2-0.02×20=1-0.4=0.6W（4分）；ΔT增大需減小I，應(yīng)串聯(lián)電阻（2分）；由ΔT=30℃時P=αI-κΔT=0（制冷與散熱平衡），解得I=12A（2分），總電阻R總=E/I=1Ω，矛盾，說明需重新分析：實際中ΔT增大時P需增大，應(yīng)減小外電阻，故并聯(lián)電阻（2分）。（3）減小制冷功率需減小I，應(yīng)增大變阻器電阻（3分）；由I=E/(R+r+R變)，R變增大→I減小→P=αI-κΔT減?。?分）。二、實驗設(shè)計題（共30分）任務(wù)：測量動摩擦因數(shù)的創(chuàng)新實驗（30分）情境描述：傳統(tǒng)測量動摩擦因數(shù)的實驗需用斜面和打點計時器，操作復(fù)雜。某同學(xué)設(shè)計了新方案：將一質(zhì)量m=0.5kg的物塊用輕繩連接，繩另一端繞過定滑輪懸掛質(zhì)量M=0.2kg的鉤碼，釋放后物塊在水平桌面滑行，用智能手機(jī)拍攝物塊運動視頻，通過視頻分析軟件得到其v-t圖像（如圖1）。問題：（1）實驗中是否需要滿足M遠(yuǎn)小于m？說明理由；（5分）（2）根據(jù)v-t圖像（圖1），計算物塊滑行的加速度a及滑行距離x；（8分）（3）推導(dǎo)動摩擦因數(shù)μ的表達(dá)式，結(jié)合數(shù)據(jù)計算μ值（g=10m/s2，不計滑輪摩擦及空氣阻力）；（10分）（4）若實驗中發(fā)現(xiàn)鉤碼落地后物塊繼續(xù)滑行，如何改進(jìn)數(shù)據(jù)處理以減小誤差？（7分）評分標(biāo)準(zhǔn)：（1）不需要（2分）；因為本實驗通過v-t圖像直接求加速度，無需近似（3分）。（2）從圖像中讀取初速度v?=2m/s，末速度v=0，時間t=1s，a=(v-v?)/t=-2m/s2（4分）；x=v?t+?at2=2×1+?×(-2)×12=1m（4分）。（3）對物塊：T-μmg=ma；對鉤碼：Mg-T=Ma（4分）；聯(lián)立得μ=(Mg-(M+m)a)/(mg)=(0.2×10-0.7×(-2))/(0.5×10)=0.76（公式4分，結(jié)果2分）。（4）分段處理v-t圖像：鉤碼落地前物塊做勻加速運動，落地后做勻減速運動（3分）；分別求兩段加速度，聯(lián)立方程消去T（4分）。三、綜合計算題（共30分）情境背景某“電磁彈射玩具車”項目中，玩具車內(nèi)置矩形線圈（匝數(shù)N=100，面積S=0.02m2，電阻R=5Ω），軌道間存在垂直軌道平面的勻強(qiáng)磁場B=0.5T。當(dāng)線圈通入電流時，安培力推動小車加速，已知小車質(zhì)量m=0.2kg，運動時所受阻力f=0.1N。問題（1）若通入恒定電流I=2A，求線圈所受安培力的大小及小車的加速度；（6分）（2）若電流隨時間變化規(guī)律為I=kt（k=0.5A/s），求t=4s時小車的速度（假設(shè)小車從靜止開始運動，且始終在磁場中）；（12分）（3）實際發(fā)射時，線圈通過滑軌與電源連接，若電源輸出功率P=20W，求小車的最大速度（此時加速度為0）。（12分）評分標(biāo)準(zhǔn)：（1）安培力F=NBIL（此處L為線圈垂直電流方向的邊長，S=Ld，因未給邊長，需用F=NBI(S/d)×d=NBIS，得F=100×0.5×2×0.02=2N（3分）；a=(F-f)/m=(2-0.1)/0.2=9.5m/s2（3分）。（2）F(t)=NBIS=100×0.5×kt×0.02=0.5kt（2分）；加速度a(t)=(F(t)-f)/m=(0.5kt-0.1)/0.2=2.5kt-0.5（3分）；速度v=∫??a(t)dt=∫??(2.5×0.5t-0.5)dt=∫??(1.25t-0.5)dt=[0.625t2-0.5t]??=0.625×16-0.5×4=10-2=8m/s（積分公式3分，計算4分）。（3）最大速度時F=f=0.1N，由F=NBIS得I=F/(NBS)=0.1/(100×0.5×0.02)=0.1A（4分）；電源輸出功率P=UI=I2(R+r)，因軌道電阻r未知，假設(shè)r=0，則U=P/I=200V（4分）；v=P/(F+f)=20/(0.1+0.1)=100m/s（4分）。四、拓展應(yīng)用題（共20分）情境描述某同學(xué)發(fā)現(xiàn)，智能家居系統(tǒng)中常用霍爾傳感器檢測門窗開合狀態(tài)?；魻栐且粔K半導(dǎo)體薄片，當(dāng)電流I流過薄片，且垂直于薄片施加磁場B時，在垂直于I和B的方向會產(chǎn)生霍爾電壓U_H=k(IB/d)（k為霍爾系數(shù)，d為薄片厚度）。問題（1）若霍爾元件中載流子為電子，判斷圖2中霍爾電壓的正負(fù)接線柱（左或右）；（5分）（2）已知某霍爾傳感器的k=1.2×10??V·m/(A·T)，d=0.1mm，當(dāng)門窗關(guān)閉時磁場B=0.4T，電路中電流I=5mA，求此時U_H；（8分）（3）若門窗開啟時B減小，U_H隨之變化，為將U_H轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，需設(shè)計一個比較電路，當(dāng)U_H>0.2V時輸出高電平（門窗關(guān)閉），否則輸出低電平（門窗開啟）。請在圖3中補(bǔ)全電路（需標(biāo)注電源、比較器、電阻等元件）。（7分）評分標(biāo)準(zhǔn)：（1）根據(jù)左手定則，電子受洛倫茲力向左偏轉(zhuǎn)，右側(cè)電勢高，右為正接線柱（5分）。（2）U_H=k(IB/d)=1.2×10??×(5×10?3×0.4)/(0.1×10?3)=0.24V（公式4分，單位換算2分，結(jié)果2分）。（3）正確畫出比較器電路：霍爾元件輸出端接比較器同相輸入端，反相輸入端接0.2V參考電壓（分壓電路實現(xiàn)），電源電壓≥5V，輸出端接上拉電阻（元件標(biāo)注3分，電路邏輯4分）。五、開放性實踐題（共30分）任務(wù)：設(shè)計“節(jié)能系統(tǒng)性能評估方案”（30分）要求：結(jié)合上述情境，設(shè)計一個實驗方案，評估智能家居節(jié)能系統(tǒng)的綜合性能，需包含以下內(nèi)容：（1）明確至少3個核心評估指標(biāo)（如“日均發(fā)電量”“溫控響應(yīng)時間”等）；（9分）（2）針對其中1個指標(biāo)，設(shè)計具體測量步驟（需說明實驗器材、數(shù)據(jù)記錄方法及誤差控制措施）；（12分）（3）分析系統(tǒng)可能存在的能量損耗環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)建議（至少2點）。（9分）評分標(biāo)準(zhǔn)：（1）指標(biāo)合理且可測量，如：①太陽能電池板日均發(fā)電量；②溫控系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)精度；③系統(tǒng)整體能耗轉(zhuǎn)化率（每個指標(biāo)3分）。（2）以“日均發(fā)電量”為例：器材：功率計、計時器、光照強(qiáng)度記錄儀（2分）；步驟：連續(xù)7天記錄每小時