2025年高中物理知識競賽“國際物理交流”活動設(shè)計大賽試題（二）一、選擇題（每題3分，共15分）1.力學綜合2025年國際物理奧林匹克競賽（IPhO）理論題中出現(xiàn)“太空電梯”模型：一根無彈性輕質(zhì)纜繩連接地球赤道與同步衛(wèi)星，某物體沿纜繩從地面勻速上升至同步軌道。已知地球半徑為R，同步衛(wèi)星軌道半徑為6.6R，地球表面重力加速度為g。忽略地球自轉(zhuǎn)影響時，物體在上升過程中所受纜繩拉力的變化規(guī)律為（）A.始終保持不變B.隨高度線性減小C.隨高度平方反比減小D.先增大后減小2.電磁學創(chuàng)新參考第42屆全國中學生物理競賽預賽試題，某實驗裝置如圖所示：兩正對金屬板A、B構(gòu)成電容為C的平行板電容器，板間存在垂直紙面向里的勻強磁場B。一帶電粒子（質(zhì)量m、電荷量q）以速度v沿中軸線射入，恰好做勻速直線運動。若僅將A板緩慢平移至間距減半，粒子將（）A.向上偏轉(zhuǎn)，速率增大B.向下偏轉(zhuǎn)，速率不變C.向上偏轉(zhuǎn)，加速度大小為qvB/mD.向下偏轉(zhuǎn)，加速度大小為qE/m（E為板間場強）3.熱學拓展受2025年預賽中“剛體動力學下放”趨勢影響，本題引入分子轉(zhuǎn)動自由度：一定量雙原子理想氣體經(jīng)歷等壓膨脹，溫度從300K升至600K。若分子平動動能與轉(zhuǎn)動動能的比值在過程中保持不變，則氣體內(nèi)能增量中轉(zhuǎn)動動能貢獻的比例為（）A.2/5B.1/3C.3/7D.2/74.光學應(yīng)用改編自IPhO實驗題：用邁克爾遜干涉儀測量透明薄膜厚度。已知激光波長λ=632.8nm，移動動鏡使干涉條紋移動50條時，在光路中插入折射率n=1.5的薄膜，條紋恰好回到初始位置。薄膜厚度為（）A.15.82μmB.31.64μmC.63.28μmD.126.56μm5.近代物理結(jié)合國際競賽熱點，某放射性核素衰變鏈為X→Y→Z（均為穩(wěn)定核素）。已知X的半衰期為2小時，Y的半衰期為1小時。在t=0時刻僅有X核，經(jīng)過4小時后，Y核與Z核的數(shù)量比為（）A.1:3B.1:4C.1:7D.1:8二、填空題（每題5分，共25分）1.天體物理計算2025年IPhO理論題涉及“系外行星凌日”現(xiàn)象：某恒星半徑為R，行星半徑為r，行星繞恒星做勻速圓周運動的軌道半徑為d（d>>R）。當行星恰好完全遮擋恒星時，地球上觀測到的恒星光強相對變化率為______（用R、r、d表示）。2.波動光學全國競賽預賽中首次出現(xiàn)的“相對論多普勒效應(yīng)”拓展題：一光源以0.6c的速度遠離地球，發(fā)出波長λ=500nm的單色光。地面接收器接收到的光波長為______nm（真空中光速c=3×10?m/s）。3.電磁感應(yīng)受IPhO“實際問題建?！崩砟顔l(fā)，某發(fā)電機模型：矩形線圈（匝數(shù)N=100，面積S=0.1m2）在磁感應(yīng)強度B=0.5T的勻強磁場中以角速度ω=10πrad/s勻速轉(zhuǎn)動。若線圈電阻r=2Ω，外接電阻R=8Ω，則從線圈平面與磁場平行時刻開始計時，1分鐘內(nèi)外接電阻產(chǎn)生的焦耳熱為______J。4.熱力學創(chuàng)新參考預賽“熱傳導”下放內(nèi)容，一長為L、橫截面積為S的金屬桿，兩端溫度分別維持T?和T?（T?>T?）。已知桿內(nèi)某點的熱流密度j=k(dT/dx)（k為導熱系數(shù)），則桿內(nèi)溫度梯度的空間分布函數(shù)為dT/dx=______。5.近代物理為體現(xiàn)國際交流特色，本題采用CAP競賽（加拿大物理奧林匹克）題型：μ子靜止壽命為τ?=2.2μs，在地球大氣層中以0.99c的速度豎直向下運動。地面觀測者測得其穿越10km大氣層的概率約為______（保留兩位有效數(shù)字，γ=7.09）。三、實驗題（共20分）題目：基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器標定背景：2025年全國競賽實驗題由統(tǒng)一命題，本題模擬IPhO實驗評分標準，要求完成數(shù)據(jù)處理與誤差分析。器材：霍爾元件（靈敏度KH=40mV/(mA·T)，額定電流IH=10mA）、可調(diào)恒流源、特斯拉計、螺線管（長度L=30cm，匝數(shù)N=1500）、游標卡尺（精度0.02mm）、毫米刻度尺。步驟：測量螺線管直徑d，數(shù)據(jù)記錄：1.234cm、1.236cm、1.235cm；保持IH=5.00mA，改變螺線管電流I，記錄霍爾電壓UH：I/A0.501.001.502.002.50UH/mV2.054.126.088.1510.20問題：（1）計算螺線管直徑的最佳估計值及A類不確定度（3分）；（2）在坐標紙上繪制UH-I圖像（要求標注坐標軸、分度值、數(shù)據(jù)點），求出斜率k并計算螺線管內(nèi)磁場B與電流I的比例系數(shù)（5分）；（3）若螺線管軸線中點的理論磁場公式為B=μ?NI/L（μ?=4π×10??T·m/A），計算實驗值與理論值的相對誤差（4分）；（4）分析當IH增大至15mA時，KH可能發(fā)生變化的物理原因（4分）；（5）設(shè)計一個利用該霍爾元件測量交變磁場峰值的實驗方案（4分）。四、計算題（共50分）1.力學綜合（15分）改編自IPhO“復合擺”模型：如圖所示，質(zhì)量為M的勻質(zhì)細桿OA（長2L）可繞O點在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，A端通過輕質(zhì)彈簧連接質(zhì)量為m的小球（可視為質(zhì)點），彈簧原長L，勁度系數(shù)k=3mg/L。初始時桿水平靜止，彈簧處于原長。釋放后系統(tǒng)下擺，當桿轉(zhuǎn)至豎直位置時：（1）求小球的速度大?。?分）；（2）若此時彈簧突然斷裂，小球?qū)⒆銎綊佭\動，求落地點與O點的水平距離（8分）。2.電磁學應(yīng)用（15分）結(jié)合全國競賽預賽“電磁炮”熱點：如圖所示，兩根足夠長的光滑金屬導軌間距為d，與電源（電動勢E、內(nèi)阻r）及開關(guān)S連接。導軌平面與水平面夾角θ=30°，空間存在垂直導軌平面向上的勻強磁場B。一質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒ab垂直置于導軌上，閉合S后棒沿導軌上滑。已知棒與導軌間的最大靜摩擦力為f=mg/4，忽略空氣阻力：（1）求棒的最大加速度（6分）；（2）當棒速度達到穩(wěn)定值v?時，求此時電源輸出功率（5分）；（3）若B隨時間變化規(guī)律為B(t)=B?+kt，且t=0時B=B?，重新討論棒的運動狀態(tài)（4分）。3.熱學與近代物理綜合（20分）響應(yīng)2025年預賽“跨模塊融合”趨勢，本題整合熱力學與相對論：（1）（10分）一絕熱氣缸內(nèi)有一定量單原子理想氣體，初始狀態(tài)壓強p?=1atm、體積V?=2L、溫度T?=300K?，F(xiàn)通過電熱絲緩慢加熱，使其經(jīng)歷p=kV（k為常數(shù)）的過程膨脹至V?=4L，求該過程中氣體吸收的熱量。（2）（10分）在IPhO實驗室參考系中，一粒子以0.8c的速度沿x軸運動，衰變后產(chǎn)生兩個光子。已知衰變前粒子總能量為2.5mc2（m為粒子靜止質(zhì)量），衰變后沿x軸正方向的光子能量為0.75mc2，求另一光子的運動方向及能量。五、開放題（共30分）題目：國際空間站中的物理實驗設(shè)計背景：2025年IPhO特別增設(shè)“太空實驗方案”題型，要求結(jié)合中學物理知識解決實際問題。任務(wù)：設(shè)計一個在國際空間站微重力環(huán)境下驗證“角動量守恒定律”的實驗方案，包含以下內(nèi)容：（1）實驗?zāi)康呐c原理（8分）；（2）所需器材清單（注明規(guī)格，如“彈簧測力計量程0-5N”）（6分）；（3）詳細操作步驟（含數(shù)據(jù)記錄表格）（8分）；（4）誤差分析及減小誤差的措施（4分）；（5）若將該實驗改在月球表面進行，需做哪些調(diào)整？說明理由（4分）。（注：所有計算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字，需寫出必要的推導過程。g取9.80m/s2，c=3.00×10?m/s，μ?=4π×10??T·m/A）試題設(shè)計說明：結(jié)構(gòu)參考：嚴格遵循2025年全國預賽“5選擇+5填空+1實驗+3計算”的框架，新增開放題體現(xiàn)國際競賽特色；難度控制：選擇題融合高考內(nèi)