2025年高中物理知識競賽“物理安全”防護(hù)方案設(shè)計(jì)大賽試題（二）一、理論分析題（共30分）1.實(shí)驗(yàn)室用電安全防護(hù)（15分）某物理實(shí)驗(yàn)室使用220V交流電源，配備有電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（工作電壓4-6V）、學(xué)生電源（最大輸出電流5A）及若干電阻箱、滑動變阻器等器材。實(shí)驗(yàn)過程中曾出現(xiàn)以下異常情況：（1）學(xué)生甲在連接電路時(shí)，誤將電源正負(fù)極直接通過導(dǎo)線連接，導(dǎo)致空氣開關(guān)跳閘；（2）學(xué)生乙在測量伏安特性曲線時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流表指針反向偏轉(zhuǎn)且示數(shù)過大；（3）學(xué)生丙在使用電烙鐵焊接電路時(shí)，不慎將烙鐵頭接觸到濕抹布，瞬間產(chǎn)生火花。請回答：（1）分析三種異常情況涉及的物理原理，寫出對應(yīng)的電學(xué)公式并說明能量轉(zhuǎn)化過程；（2）設(shè)計(jì)包含三級保護(hù)的實(shí)驗(yàn)室電路防護(hù)方案，要求說明各保護(hù)裝置的工作原理及安裝位置；（3）計(jì)算當(dāng)滑動變阻器（最大阻值20Ω）與220V電源串聯(lián)時(shí)，電路中可能出現(xiàn)的最大電流及對應(yīng)功率，并判斷是否需要加裝限流電阻。2.電磁輻射防護(hù)機(jī)制（15分）某高中物理競賽實(shí)驗(yàn)室隔壁為無線電通訊實(shí)訓(xùn)室，兩者共用一堵厚度為20cm的混凝土墻（電磁屏蔽效能約30dB）。已知通訊設(shè)備工作頻率為150MHz，在實(shí)驗(yàn)室區(qū)域檢測到的電磁輻射強(qiáng)度為0.5mW/cm2，超過《電磁環(huán)境控制限值》（GB8702-2014）規(guī)定的公眾暴露控制限值（0.4W/m2）。請回答：（1）將檢測到的輻射強(qiáng)度單位換算為W/m2，并計(jì)算超出限值的倍數(shù)；（2）基于電磁學(xué)原理，設(shè)計(jì)兩種不同原理的屏蔽方案（材料選擇需包含金屬與非金屬兩類），要求計(jì)算屏蔽層厚度與屏蔽效能的關(guān)系；（3）若采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)（內(nèi)層鋁箔厚度0.1mm，外層鐵網(wǎng)孔徑5mm），推導(dǎo)總屏蔽效能的計(jì)算公式，并評估該方案的可行性。二、方案設(shè)計(jì)題（共40分）3.地震應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)（20分）要求為物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)一套地震應(yīng)急照明系統(tǒng)，需滿足以下條件：供電方式：市電正常時(shí)充電，斷電后自動切換為應(yīng)急供電照明指標(biāo)：至少支持8盞LED燈（每盞功率3W，額定電壓5V）連續(xù)工作4小時(shí)安全要求：具備過充保護(hù)、短路保護(hù)、過放保護(hù)功能成本控制：核心元件總成本不超過200元現(xiàn)有元件清單：|元件名稱|規(guī)格參數(shù)|單價(jià)（元）||----------|----------|------------||鋰電池|3.7V/2000mAh|15||太陽能板|5V/1A|35||升壓模塊|輸入3-5V，輸出5V/2A|8||降壓模塊|輸入5-24V，輸出3.7V/1A|6||蓄電池保護(hù)板|支持過充/過放/短路保護(hù)|12||單刀雙擲繼電器|線圈電壓5V|5||LED燈珠|5V/0.6A|2|請完成：（1）繪制系統(tǒng)電路圖，標(biāo)明元件連接關(guān)系及關(guān)鍵參數(shù)；（2）計(jì)算所需鋰電池?cái)?shù)量及太陽能板的最小充電時(shí)間；（3）設(shè)計(jì)保護(hù)電路的具體參數(shù)（如過充保護(hù)電壓閾值、短路保護(hù)動作電流等）；（4）評估該方案在地震發(fā)生時(shí)的可靠性，提出至少兩項(xiàng)優(yōu)化措施。4.高空墜物防護(hù)裝置設(shè)計(jì)（20分）某中學(xué)教學(xué)樓陽臺高度為12m，需設(shè)計(jì)一套物理實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證高空墜物的防護(hù)措施。實(shí)驗(yàn)要求：模擬墜物：使用直徑5cm的鋼球（密度7.8g/cm3）從陽臺自由下落防護(hù)材料：可選用海綿（密度0.3g/cm3，彈性模量2MPa）、泡沫塑料（密度0.1g/cm3，彈性模量0.5MPa）、蜂窩紙板（密度0.2g/cm3，彈性模量1.5MPa）測試指標(biāo)：通過調(diào)節(jié)防護(hù)材料厚度，使鋼球沖擊后的最大加速度不超過500m/s2（約50g，人體耐受極限）請完成：（1）計(jì)算鋼球落地時(shí)的理論速度及動能（忽略空氣阻力）；（2）建立防護(hù)材料緩沖模型，推導(dǎo)材料厚度與最大加速度的關(guān)系公式；（3）分別計(jì)算三種材料所需的最小厚度，并比較其性價(jià)比；（4）設(shè)計(jì)包含加速度傳感器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案，說明數(shù)據(jù)采集與分析方法。三、計(jì)算題（共30分）5.靜電防護(hù)接地系統(tǒng)計(jì)算（15分）在精密儀器實(shí)驗(yàn)室中，靜電防護(hù)接地電阻需控制在10Ω以下?，F(xiàn)有接地系統(tǒng)采用鍍鋅鋼管（直徑50mm，長度2m，埋深0.8m），土壤電阻率測量值為200Ω·m。已知：單根接地極接地電阻公式：R=ρ/(2πL)×ln(4L/d)（ρ為土壤電阻率，L為接地極長度，d為直徑）接地極并聯(lián)時(shí)總電阻：1/R總=Σ(1/Ri)+1/R散流（R散流為土壤散流電阻，取10%Ri）請計(jì)算：（1）單根接地極的接地電阻；（2）若要達(dá)到10Ω要求，至少需要并聯(lián)多少根相同的接地極；（3）若改用銅包鋼接地極（直徑10mm，導(dǎo)電率為銅的40%），計(jì)算單根接地極的電阻值變化率。6.火災(zāi)煙霧報(bào)警閾值計(jì)算（15分）光電感煙火災(zāi)探測器的工作原理是通過檢測煙霧顆粒對光的散射強(qiáng)度來報(bào)警。某型號探測器的光學(xué)室結(jié)構(gòu)為：紅外LED光源（波長940nm，功率5mW）與光電二極管成30°夾角放置，感光面積1mm2。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到0.1mg/m3時(shí)，要求產(chǎn)生至少10μA的光電流。已知：煙霧顆粒散射效率：Q=0.8×(λ/d)?.?（λ為光波長，d為顆粒直徑，取平均直徑0.5μm）光電流I=K×P×Q×N（K為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，取0.1A/W；P為入射光功率；N為顆粒數(shù)量）請計(jì)算：（1）散射效率Q及單個(gè)顆粒產(chǎn)生的散射光功率；（2）在報(bào)警閾值濃度下，光學(xué)室內(nèi)的煙霧顆粒數(shù)量N；（3）若環(huán)境溫度從20℃升至35℃，計(jì)算空氣密度變化對顆粒數(shù)量的影響，并修正報(bào)警閾值。四、綜合應(yīng)用題（共50分）7.危險(xiǎn)化學(xué)品儲存柜安全設(shè)計(jì)（25分）某實(shí)驗(yàn)室需儲存硝酸（濃度65%，沸點(diǎn)83℃，爆炸極限無資料）、乙醇（閃點(diǎn)12℃，爆炸極限3.3%-19%）、氫氧化鈉（固體，潮解性）三種化學(xué)品，要求設(shè)計(jì)專用儲存柜，需考慮以下因素：溫度控制：乙醇儲存溫度需低于25℃通風(fēng)要求：空氣交換率≥6次/小時(shí)防火等級：至少達(dá)到30分鐘耐火極限泄漏處理：配備防泄漏托盤，容積不小于最大容器體積的110%已知數(shù)據(jù)：儲存柜內(nèi)部尺寸：1200mm×600mm×1800mm（長×寬×高）乙醇最大儲存量：20L（密度0.789g/cm3）通風(fēng)風(fēng)機(jī)參數(shù)：風(fēng)量100m3/h，功率25W，工作電壓220V請完成：（1）計(jì)算儲存柜的體積及所需的通風(fēng)量，判斷風(fēng)機(jī)是否滿足要求；（2）設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，選用合適的溫度傳感器與制冷裝置，計(jì)算散熱功率；（3）基于熱傳導(dǎo)原理，計(jì)算防火鋼板（導(dǎo)熱系數(shù)45W/(m·K)）的最小厚度（假設(shè)火災(zāi)時(shí)外部溫度800℃，內(nèi)部需保持≤40℃）；（4）繪制完整的安全儲存方案圖，標(biāo)注關(guān)鍵安全裝置及技術(shù)參數(shù)。8.輻射防護(hù)實(shí)驗(yàn)室布局優(yōu)化（25分）某物理實(shí)驗(yàn)室需新增X射線衍射儀（管電壓40kV，管電流30mA），現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室平面尺寸為8m×6m，需考慮以下安全因素：輻射防護(hù)：鉛當(dāng)量要求≥2mm（對應(yīng)40kVX射線的衰減率≥99.5%）人員通道：設(shè)置迷宮式防護(hù)門，門與設(shè)備的安全聯(lián)鎖裝置區(qū)域劃分：操作區(qū)、樣品準(zhǔn)備區(qū)、設(shè)備區(qū)需有效分隔劑量監(jiān)測：配置個(gè)人劑量計(jì)（量程0.1-100mSv）與區(qū)域劑量報(bào)警儀已知數(shù)據(jù)：X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律：I=I?e^(-μx)（μ為線性衰減系數(shù)，鉛對40kVX射線的μ=5.3cm?1）迷宮通道的輻射散射修正系數(shù)：每拐一次彎衰減10倍安全劑量限值：職業(yè)人員年有效劑量20mSv，公眾1mSv請完成：（1）計(jì)算2mm鉛板對40kVX射線的實(shí)際衰減率，并判斷是否滿足防護(hù)要求；（2）設(shè)計(jì)迷宮式防護(hù)門的最少拐彎次數(shù)，使門外劑量率降至公眾限值以下；（3）繪制1:100的實(shí)驗(yàn)室布局圖，標(biāo)注各區(qū)域尺寸及安全距離；（4）制定輻射安全管理規(guī)程，包括設(shè)備操作流程、應(yīng)急處理措施及劑量監(jiān)測計(jì)劃。五、實(shí)驗(yàn)分析題（共30分）9.電氣火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)分析（15分）某物理興趣小組進(jìn)行電氣火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，使用可調(diào)電源、電阻箱、紅外熱像儀等設(shè)備，獲得以下數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)序號電壓(V)電阻(Ω)通電時(shí)間(min)最高溫度(℃)可燃物狀態(tài)12201003085無變化22205020163紙張?zhí)蓟?220208358棉布燃燒41102015210紙張燃燒5220105680木材燃燒已知：紙張燃點(diǎn)約233℃，棉布燃點(diǎn)約260℃，木材燃點(diǎn)約250℃。請回答：（1）根據(jù)焦耳定律，建立溫度與通電時(shí)間的關(guān)系模型，解釋實(shí)驗(yàn)3中棉布先于木材燃燒的原因；（2）計(jì)算實(shí)驗(yàn)5中電阻的發(fā)熱功率及5分鐘內(nèi)產(chǎn)生的總熱量，估算木材燃燒的熱效率；（3）提出基于溫度監(jiān)測的電氣火災(zāi)預(yù)警方案，確定合理的報(bào)警閾值及響應(yīng)時(shí)間。10.避雷針保護(hù)范圍計(jì)算（15分）某中學(xué)教學(xué)樓為矩形建筑（長40m，寬15m，高12m），擬在樓頂安裝避雷針，已知：避雷針高度可在1-5m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)保護(hù)半徑公式：當(dāng)h≤hr時(shí)，r=1.5h（hr為滾球半徑，一類防雷建筑物取30m）保護(hù)角θ與高