2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽“物理創(chuàng)新成果”展示大賽（報(bào)告筆試部分）試題（二）一、選擇題（每題4分，共20分）量子通信技術(shù)中，基于糾纏態(tài)的量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)利用了量子力學(xué)的哪項(xiàng)核心原理？A.不確定性原理B.量子態(tài)疊加原理C.量子態(tài)不可克隆定理D.量子隧穿效應(yīng)某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“磁懸浮式太陽能跟蹤裝置”通過改變電磁鐵線圈電流調(diào)節(jié)永磁體懸浮高度，實(shí)現(xiàn)光伏板角度實(shí)時(shí)調(diào)整。若線圈電阻為5Ω，兩端電壓按正弦規(guī)律變化（峰值10V，頻率50Hz），則該線圈的平均功率為：A.5WB.10WC.20WD.40W在“溫差發(fā)電鞋墊”創(chuàng)新項(xiàng)目中，參賽者利用Seebeck效應(yīng)將人體行走時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。已知某碲化鉍材料的塞貝克系數(shù)為200μV/K，當(dāng)鞋墊上下表面溫差為5℃時(shí)，開路電壓為：A.1mVB.10mVC.100mVD.1V為測(cè)量納米材料的楊氏模量，某小組采用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)單根碳納米管進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試。若納米管長(zhǎng)度L=2μm，直徑d=10nm，施加力F=10??N時(shí)產(chǎn)生最大撓度δ=0.1μm，其楊氏模量E的數(shù)量級(jí)為（E=4FL3/(3πd?δ)）：A.10?PaB.1011PaC.1013PaD.101?Pa“激光驅(qū)動(dòng)微型火箭”項(xiàng)目中，聚焦激光束使工質(zhì)（如氙氣）電離產(chǎn)生等離子體噴射。若等離子體噴射速度為5km/s，工質(zhì)噴射質(zhì)量流率為10??kg/s，則該火箭的推力約為：A.5×10?3NB.5×10??NC.5×10??ND.5×10?12N二、填空題（每空3分，共30分）某創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“雙擺式波浪發(fā)電裝置”中，主擺長(zhǎng)1.2m，副擺長(zhǎng)0.8m，當(dāng)裝置在海浪激勵(lì)下做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的基頻為______Hz（重力加速度g=9.8m/s2，結(jié)果保留兩位小數(shù)）。在“基于霍爾效應(yīng)的手勢(shì)識(shí)別傳感器”中，采用n型半導(dǎo)體薄片（載流子濃度n=102?m?3，厚度d=0.1mm），通入電流I=20mA，垂直磁場(chǎng)B=0.5T時(shí)，霍爾電壓U_H=______mV（電子電荷量e=1.6×10?1?C）。“磁流體推進(jìn)船”模型通過在海水（電導(dǎo)率σ=4S/m）中施加軸向磁場(chǎng)B和徑向電流J產(chǎn)生洛倫茲力。若磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.8T，電極半徑r=0.1m，電流密度J=100A/m2，則推進(jìn)力F=______N（F=BJL，L為電極長(zhǎng)度，此處L=0.5m）。某小組利用邁克爾遜干涉儀測(cè)量石墨烯薄膜厚度，已知激光波長(zhǎng)λ=632.8nm，移動(dòng)動(dòng)鏡后干涉條紋移動(dòng)了20條，則薄膜厚度h=______nm（假設(shè)薄膜折射率n=1.5）。“熱聲制冷冰箱”中，高頻聲波在諧振管內(nèi)形成駐波，使工作氣體（氦氣）產(chǎn)生周期性壓縮與膨脹。若諧振管長(zhǎng)度L=1m，聲速v=1000m/s，則最佳工作頻率f=______Hz（駐波波長(zhǎng)λ=2L）。三、計(jì)算題（共60分）（15分）1.電磁懸浮軸承設(shè)計(jì)某參賽項(xiàng)目提出“永磁-電磁混合懸浮軸承”方案：轉(zhuǎn)子（質(zhì)量m=0.5kg，半徑R=0.05m）由4個(gè)對(duì)稱分布的電磁鐵產(chǎn)生電磁力懸浮，每個(gè)電磁鐵線圈電阻R=2Ω，額定電流I=3A。（1）若轉(zhuǎn)子受到豎直方向擾動(dòng)后產(chǎn)生位移x=0.1mm，位移傳感器輸出電壓U=kx（k=100V/m），經(jīng)PID控制器輸出控制電壓U_c，驅(qū)動(dòng)功率放大器使線圈電流變化ΔI，求為維持懸浮穩(wěn)定所需的電流調(diào)節(jié)量ΔI（電磁力F=k_iI2，k_i=0.1N/A2，重力加速度g=9.8m/s2）；（2）若功率放大器效率η=80%，計(jì)算單個(gè)電磁鐵的平均功耗。（20分）2.光伏-溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“車頂光伏-溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)”包含：?jiǎn)尉Ч韫夥澹好娣eS?=0.8m2，光電轉(zhuǎn)換效率η?=22%，太陽輻照度G=1000W/m2；半導(dǎo)體制冷片（TEC）：工作溫差ΔT=50K，熱電轉(zhuǎn)換效率η?=8%，熱端從車頂吸收熱量Q=200W。（1）計(jì)算系統(tǒng)總輸出電功率P_total；（2）若系統(tǒng)向蓄電池充電（電壓U=12V，充電效率η_charge=90%），求日均充電量（按有效日照6小時(shí)計(jì)算）。（25分）3.超材料聲隱身斗篷某創(chuàng)新報(bào)告提出“二維聲隱身斗篷”設(shè)計(jì)，其核心是通過坐標(biāo)變換使聲波繞過障礙物傳播。已知斗篷外半徑R?=0.5m，內(nèi)半徑R?=0.2m，背景介質(zhì)為空氣（聲速v?=340m/s），要求斗篷內(nèi)區(qū)域（r≤R?）聲場(chǎng)強(qiáng)度為零。（1）根據(jù)坐標(biāo)變換理論，推導(dǎo)出斗篷內(nèi)任意半徑r處的等效密度ρ(r)和體積模量K(r)表達(dá)式（提示：變換關(guān)系r'=R?+(r-R?)(R?-R?)/(R?-R?)，即線性壓縮變換）；（2）若入射聲波頻率f=1kHz，計(jì)算斗篷的最小厚度d_min（需滿足λ/4<d_min<λ，λ為空氣中聲波波長(zhǎng)）。四、創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)題（40分）背景：隨著老齡化社會(huì)加劇，亟需開發(fā)可穿戴式跌倒檢測(cè)與防護(hù)設(shè)備。某參賽團(tuán)隊(duì)計(jì)劃設(shè)計(jì)“智能防跌倒腰帶”，要求具備實(shí)時(shí)姿態(tài)監(jiān)測(cè)、跌倒預(yù)判（提前0.5s報(bào)警）和充氣緩沖防護(hù)功能。任務(wù)：（1）選擇核心傳感器（如加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓傳感器等）并說明選型依據(jù)，繪制系統(tǒng)硬件框圖；（2）建立人體跌倒運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)出基于三軸加速度a_x、a_y、a_z的跌倒判據(jù)（需包含閾值設(shè)定方法）；（3）設(shè)計(jì)充氣緩沖裝置的觸發(fā)機(jī)制：采用微型燃?xì)獍l(fā)生器（產(chǎn)氣速率m'=0.02kg/s，氣體膨脹系數(shù)k=1.4），氣囊體積V=0.01m3，初始?jí)毫?=1atm，環(huán)境溫度T=300K，計(jì)算從觸發(fā)到氣囊完全膨脹（壓力p=1.5atm）所需時(shí)間t（假設(shè)氣體絕熱膨脹，pV?=常數(shù)）。五、實(shí)驗(yàn)分析題（40分）背景：某小組開展“基于光鑷技術(shù)的細(xì)胞彈性測(cè)量”實(shí)驗(yàn)，通過聚焦激光束捕獲紅細(xì)胞，移動(dòng)光鑷使細(xì)胞產(chǎn)生形變，記錄光阱力F與形變位移x的關(guān)系數(shù)據(jù)如下表：位移x/μm0.20.40.60.81.0光阱力F/pN1225364860任務(wù)：（1）繪制F-x關(guān)系曲線，判斷細(xì)胞的力學(xué)特性是否符合胡克定律，并計(jì)算等效彈性系數(shù)k；（2）若激光波長(zhǎng)λ=1064nm，物鏡數(shù)值孔徑NA=1.2，細(xì)胞折射率n=1.33，估算光阱剛度k（理論公式k=6πηrν，其中η為介質(zhì)黏度，r為細(xì)胞半徑，ν為光阱諧振頻率，此處ν=100Hz，η=0.001Pa·s）；（3）分析實(shí)驗(yàn)誤差來源，提出一種提高測(cè)量精度的改進(jìn)方案（如采用雙光鑷、溫度控制等）。六、綜合論述題（30分）主題：量子計(jì)算技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用某團(tuán)隊(duì)提出利用量子算法加速處理高能物理對(duì)撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如LHC的粒子軌跡重建），請(qǐng)回答：（1）對(duì)比經(jīng)典