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（三）一、選擇題（每題4分，共5題，20分）國際空間站能源系統(tǒng)國際空間站的太陽能電池板采用三結(jié)砷化鎵電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達30%。若某電池板面積為25m2，在地球軌道上接收的太陽輻射強度為1.36kW/m2，則該電池板輸出功率最接近（）A.8.5kWB.10.2kWC.12.8kWD.15.5kW粒子對撞實驗歐洲核子研究中心（CERN）的質(zhì)子對撞機中，兩束質(zhì)子以0.99c的速度相向運動（c為光速），則實驗室參考系中兩質(zhì)子的相對速度為（）A.0.99995cB.cC.1.98cD.0.98c全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，某中圓軌道衛(wèi)星周期約為12小時，其軌道半徑與地球同步衛(wèi)星軌道半徑的比值最接近（）A.0.5B.0.63C.0.71D.0.8量子通信技術(shù)中國“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星通過光子偏振態(tài)實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。若光子在真空中傳播時，其電矢量振動方向每經(jīng)過3km旋轉(zhuǎn)90°，則該光子的波長為（）A.12kmB.6kmC.3kmD.1.5km氣候變化物理機制大氣中二氧化碳分子對波長15μm的紅外輻射吸收強烈，這與分子的振動模式有關(guān)。已知CO?的鍵長為0.116nm，其對稱伸縮振動頻率約為（）A.2.0×1013HzB.7.0×1013HzC.1.5×101?HzD.4.3×101?Hz二、填空題（每空3分，共6空，18分）國際熱核聚變實驗堆（ITER）ITER裝置中，氘氚等離子體被約束在環(huán)形磁場中，磁感應(yīng)強度B=5T。若等離子體離子以v=10?m/s的速度沿垂直于磁場方向運動，其運動軌跡半徑為______m（離子電荷量e=1.6×10?1?C，質(zhì)量m=3.3×10?2?kg）。深空探測美國“毅力號”火星車通過放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）供電，其Pu-238同位素半衰期為87.7年。若初始功率為110W，經(jīng)過263.1年后剩余功率為______W。可再生能源德國某海上風(fēng)電場安裝單機容量8MW的風(fēng)力發(fā)電機，葉片長度80m，若空氣密度1.2kg/m3，風(fēng)速12m/s時的風(fēng)能利用系數(shù)為0.4，則該風(fēng)機的實際輸出功率為______MW（π取3.14）。三、計算題（共3題，62分）1.磁懸浮列車技術(shù)（20分）日本超導(dǎo)磁懸浮列車（L0系）采用低溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強磁場，與軌道線圈相互作用實現(xiàn)懸浮。已知：車載磁體可視為單匝矩形線圈，面積S=2m2，通入電流I=100A軌道磁場可簡化為豎直方向的勻強磁場，磁感應(yīng)強度B=0.5T列車總質(zhì)量m=400t，懸浮間隙d=10mm（1）計算單個磁體受到的懸浮力大??；（8分）（2）若列車以500km/h速度運行時，空氣阻力功率P=kv2（k=0.8N·s2/m2），求所需的總牽引功率；（6分）（3）分析超導(dǎo)磁體必須工作在液氮溫度（77K）以下的物理原因。（6分）2.星際航行軌道設(shè)計（22分）NASA“阿爾忒彌斯”計劃中，載人飛船需從地球出發(fā)經(jīng)地月拉格朗日L2點前往月球。已知：地球質(zhì)量M?=5.97×102?kg，月球質(zhì)量M?=7.35×1022kg地月距離D=3.84×10?m，引力常數(shù)G=6.67×10?11N·m2/kg2（1）推導(dǎo)地月系統(tǒng)L2點（位于月球背地一側(cè)）到月球中心的距離r的近似表達式（提示：r?D）；（10分）（2）若飛船在L2點的軌道速度v=1.5km/s，計算其相對于月球的機械能；（8分）（3）比較直接登月軌道與拉格朗日點借力軌道的燃料消耗差異。（4分）3.新型光電材料（20分）鈣鈦礦太陽能電池是國際新能源研究熱點，其光吸收層厚度d=500nm，禁帶寬度E?=1.5eV。已知：入射光波長λ=500nm，光子能量E=hc/λ（h=6.63×10?3?J·s，c=3×10?m/s）材料吸收系數(shù)α=10?cm?1，光強衰減規(guī)律I=I?exp(-αd)（1）計算該波長光子的能量及能否被鈣鈦礦材料吸收；（6分）（2）若入射光強I?=1000W/m2，求吸收層單位面積的光功率密度；（8分）（3）解釋鈣鈦礦電池效率隨溫度升高而下降的物理機制。（6分）四、綜合應(yīng)用題（40分）國際熱核聚變實驗堆（ITER）模擬題ITER裝置通過磁場約束氘氚等離子體實現(xiàn)可控核聚變，其核心參數(shù)如下：等離子體溫度T=1.5×10?K，密度n=102?m?3約束時間τ=500s，聚變反應(yīng)截面σ=10?2?m2（D-T反應(yīng)：2H+3H→?He+n+17.6MeV）（1）根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，計算等離子體壓強（k_B=1.38×10?23J/K）；（8分）（2）推導(dǎo)聚變功率密度P=n2σv<ε>的表達式（v為粒子平均速度，<ε>為單個反應(yīng)釋放能量）；（10分）（3）計算ITER裝置的聚變?nèi)胤e（nTτ），并與點火條件（5×1021m?3·K·s）比較；（12分）（4）從等離子體約束、材料抗輻照、氚自持等方面，分析核聚變發(fā)電商業(yè)化面臨的主要挑戰(zhàn)。（10分）五、開放探究題（20分）物理與可持續(xù)發(fā)展2025年聯(lián)合國氣候變化大會提出“全球碳中和”加速目標(biāo)，請結(jié)合以下情境完成探究：（1）設(shè)計一個利用光伏-光熱聯(lián)合系統(tǒng)的智能建筑能源方案，要求包含能量轉(zhuǎn)換效率分析、儲能技術(shù)選擇及與電網(wǎng)互動策略；（12分）（2）通過量綱分析方法，推導(dǎo)城市熱島效應(yīng)強度（ΔT）與人口密度（ρ）、人均能耗（E）、綠地覆蓋率（λ）之間的可能關(guān)系，并說明各物理量的量綱。（8分）（注：全卷共五大題，滿分150分，考試時間180分鐘）命題說明：試題融合2025年全國中學(xué)生物理競賽預(yù)賽結(jié)構(gòu)（選擇+計