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（一）一、選擇題（每題5分，共30分）實(shí)驗(yàn)室電路中安裝過載保護(hù)裝置是物理安全防護(hù)的重要措施。某實(shí)驗(yàn)室電源總功率為2200W，額定電壓220V，為防止短路事故需串聯(lián)保險(xiǎn)絲。若保險(xiǎn)絲材料的熔斷電流密度為5A/mm2，則應(yīng)選擇的保險(xiǎn)絲直徑最接近（）A.0.5mmB.1mmC.1.5mmD.2mm高層建筑火災(zāi)逃生時，利用緩降器勻速下降過程中，關(guān)于機(jī)械能變化與摩擦力做功的關(guān)系，下列說法正確的是（）A.重力勢能減少量等于動能增加量B.重力勢能減少量等于克服摩擦力做功C.機(jī)械能減少量等于重力勢能減少量D.動能變化量等于摩擦力做功地震應(yīng)急避難場所需設(shè)計(jì)減震緩沖裝置。某彈簧減震器的勁度系數(shù)k=5000N/m，當(dāng)承受500kg重物沖擊時，彈簧最大壓縮量為0.5m，忽略空氣阻力，該裝置能承受的最大沖擊速度為（）A.1m/sB.2m/sC.5m/sD.10m/s在電磁輻射防護(hù)實(shí)驗(yàn)中，某金屬屏蔽網(wǎng)對頻率50MHz電磁波的衰減率為90%，已知電磁波穿透深度公式為δ=√(2/μσω)，則當(dāng)頻率提高到200MHz時，衰減率將變?yōu)椋ǎ〢.95%B.97.5%C.99%D.99.75%某化工廠反應(yīng)釜需安裝壓力安全裝置，當(dāng)內(nèi)部壓強(qiáng)超過1.2atm時自動泄壓。已知釜體橫截面積0.5m2，泄壓閥彈簧勁度系數(shù)2×10?N/m，為保證安全，彈簧初始壓縮量應(yīng)為（）（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓取1×10?Pa）A.5cmB.10cmC.15cmD.20cm交通安全中汽車防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)需考慮碰撞過程的能量吸收。某鋼制護(hù)欄的屈服強(qiáng)度為200MPa，若汽車質(zhì)量1500kg以20m/s速度撞擊，為使護(hù)欄產(chǎn)生塑性形變吸收全部動能，所需護(hù)欄橫截面積至少為（）（鋼的斷裂功取10?J/m3）A.0.03m2B.0.06m2C.0.12m2D.0.24m2二、填空題（每空3分，共30分）某實(shí)驗(yàn)室激光安全防護(hù)中，氦氖激光器（波長632.8nm）的最大允許照射量為1mW/cm2，當(dāng)激光功率為5mW時，安全觀察距離應(yīng)不小于______cm（結(jié)果保留整數(shù)）。建筑防雷裝置中，避雷針的保護(hù)范圍可按滾球法計(jì)算。當(dāng)避雷針高度為20m時，其在地面的保護(hù)半徑為______m（滾球半徑取30m）。某電梯限速器的觸發(fā)條件是：當(dāng)電梯下行加速度超過0.2g（g=10m/s2）時啟動制動。若電梯在1s內(nèi)速度從3m/s降至0，則該過程的加速度大小為______m/s2，是否觸發(fā)制動______（填“是”或“否”）。靜電防護(hù)中，人體帶電電位超過30kV時會產(chǎn)生火花放電。若人體電容約100pF，此時儲存的靜電能量為______J，放電時電流的熱效應(yīng)可用公式______描述。某放射性物質(zhì)儲存容器需滿足防護(hù)要求：使γ射線（初始強(qiáng)度I?）穿過20cm鉛板后強(qiáng)度衰減至I?/1000。已知鉛對該γ射線的線性衰減系數(shù)μ=0.693cm?1，則所需鉛板厚度至少為______cm（結(jié)果保留整數(shù)）。某粉塵爆炸防護(hù)實(shí)驗(yàn)中，測得面粉粉塵的最小點(diǎn)火能量為10mJ，爆炸下限濃度為15g/m3。若實(shí)驗(yàn)容器體積2m3，達(dá)到爆炸下限濃度時粉塵總質(zhì)量為______g，此時靜電火花能量需超過______J才可能引發(fā)爆炸。某防噪聲耳罩的降噪量為25dB，當(dāng)環(huán)境噪聲為90dB時，耳罩內(nèi)實(shí)際聲壓級為______dB。若要將噪聲降至安全標(biāo)準(zhǔn)55dB，則耳罩的降噪量至少需增加______dB。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（20分）某中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室需設(shè)計(jì)一套“防墜物沖擊安全防護(hù)裝置”，要求如下：裝置能承受5kg重物從2m高度自由下落的沖擊沖擊過程中最大加速度不超過5g（g=10m/s2）裝置總高度不超過30cm提供器材：彈簧（勁度系數(shù)k=1000N/m，最大形變量20cm）、泡沫緩沖墊（厚度5-20cm，壓縮剛度500N/cm）、鋼板（質(zhì)量忽略）、滑輪組等。（1）選擇合適的緩沖材料組合，畫出裝置結(jié)構(gòu)示意圖（5分）（2）計(jì)算所選材料的關(guān)鍵參數(shù)（如彈簧數(shù)量、泡沫厚度等）（8分）（3）分析該裝置的工作原理及安全冗余設(shè)計(jì)（7分）四、計(jì)算題（25分）某化工廠有一立式圓柱形儲液罐，高10m，直徑4m，內(nèi)裝密度1200kg/m3的腐蝕性液體。為防止罐體破裂泄漏，需設(shè)計(jì)雙重安全防護(hù)：液位報(bào)警系統(tǒng)：當(dāng)液位超過8m時觸發(fā)警報(bào)緊急泄壓裝置：當(dāng)罐底壓強(qiáng)超過1.5×10?Pa時自動泄壓（1）計(jì)算儲液罐裝滿時的總質(zhì)量及對地面的壓強(qiáng)（6分）（2）設(shè)計(jì)基于U型管壓強(qiáng)計(jì)的液位監(jiān)測裝置，若采用水銀作為指示液（密度13600kg/m3），當(dāng)液位達(dá)到8m時，U型管兩側(cè)液面高度差應(yīng)為多少？（7分）（3）緊急泄壓閥安裝在罐底，閥門口徑2cm，為保證在設(shè)定壓強(qiáng)下開啟，計(jì)算閥瓣質(zhì)量（不計(jì)閥門摩擦）（6分）（4）若罐體出現(xiàn)微小裂縫（面積0.1cm2），計(jì)算液體泄漏速度及24小時泄漏總量（6分）五、綜合應(yīng)用題（25分）隨著新能源汽車普及，充電樁的電氣安全防護(hù)成為重要課題。某小區(qū)需安裝交流充電樁（額定電壓220V，額定功率7kW），請完成以下設(shè)計(jì)：（1）短路保護(hù)設(shè)計(jì)：若線路電阻0.5Ω，計(jì)算短路電流大小，選擇合適的空氣開關(guān)規(guī)格（分?jǐn)嚯娏鲬?yīng)大于短路電流1.2倍）（6分）（2）防雷保護(hù)設(shè)計(jì)：在充電樁電源端安裝氧化鋅避雷器，已知避雷器動作電壓為380V（有效值），計(jì)算其在雷暴過電壓（幅值1000V）下的殘壓抑制率（7分）（3）漏電保護(hù)設(shè)計(jì)：若人體電阻為1000Ω，安全電流為30mA，計(jì)算漏電保護(hù)器的動作電流閾值應(yīng)設(shè)定為多少mA？（6分）（4）過載保護(hù)設(shè)計(jì)：若充電樁連續(xù)過載20%運(yùn)行，計(jì)算10分鐘內(nèi)產(chǎn)生的額外熱量，說明過載保護(hù)的必要性（6分）六、分析論述題（30分）從能量轉(zhuǎn)化角度分析高層建筑玻璃幕墻采用“夾膠鋼化玻璃”的安全防護(hù)原理，比較其與普通玻璃在破碎過程中的能量吸收差異（10分）結(jié)合電磁感應(yīng)原理，分析電磁剎車系統(tǒng)在高速列車緊急制動中的工作機(jī)制，說明其相比傳統(tǒng)摩擦剎車的優(yōu)勢（10分）運(yùn)用流體力學(xué)知識，分析地鐵隧道中“活塞風(fēng)”的形成機(jī)理，設(shè)計(jì)一種利用活塞風(fēng)進(jìn)行火災(zāi)排煙的優(yōu)化方案（10分）七、方案設(shè)計(jì)題（40分）某中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室需進(jìn)行“危險(xiǎn)化學(xué)品儲存安全防護(hù)系統(tǒng)”整體設(shè)計(jì)，主要存放濃硫酸（98%）、濃硝酸（65%）、氫氧化鈉固體等危險(xiǎn)化學(xué)品。請根據(jù)物理安全防護(hù)原則，完成以下設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）儲存柜設(shè)計(jì)：從材料選擇（考慮耐腐蝕性、防火性）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（考慮通風(fēng)、防泄漏）、尺寸參數(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)說明（12分）（2）溫度監(jiān)控系統(tǒng)：設(shè)計(jì)一套基于熱脹冷縮原理的簡易溫度報(bào)警裝置，當(dāng)環(huán)境溫度超過35℃時自動啟動通風(fēng)，畫出裝置示