2025年高中物理知識競賽“物理創(chuàng)新成果”展示大賽（報告筆試部分）試題（三）一、選擇題（每題4分，共20分）量子通信技術中，光子偏振態(tài)的操控是核心環(huán)節(jié)。若用圓偏振光通過線偏振片后變?yōu)榫€偏振光，其光強變化規(guī)律符合A.馬呂斯定律，與偏振方向夾角的正弦平方成正比B.菲涅耳公式，僅與介質折射率相關C.馬呂斯定律，與偏振方向夾角的余弦平方成正比D.斯托克斯定律，與光的傳播距離成反比2025年我國“夸父三號”太陽探測器進入日冕層探測，測得某區(qū)域電子溫度為2×10?K，根據(jù)熱輻射定律，該區(qū)域輻射強度的峰值波長最接近（普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，光速c=3×10?m/s，玻爾茲曼常量k=1.38×10?23J/K）A.1.45×10??m（X射線）B.7.25×10??m（可見光）C.2.38×10??m（紅外線）D.5.12×10?1?m（γ射線）某新型磁懸浮列車采用高溫超導磁體產(chǎn)生強磁場，其軌道線圈中電流I與磁感應強度B的關系滿足B=kI2（k為常量）。若列車懸浮力F=BIL（L為線圈有效長度），則當電流從I?增大到2I?時，懸浮力的變化倍數(shù)為A.2倍B.4倍C.8倍D.16倍在“雙縫干涉實驗”創(chuàng)新設計中，用單色光照射間距為d的雙縫，光屏到雙縫距離為L，若在其中一縫后插入厚度為t、折射率為n的透明薄膜，中央明紋將移動的距離為A.(n-1)tL/dB.(n+1)tL/dC.ntL/dD.tL/(n-1)d某空間站實驗艙在距地面高度h=400km的圓軌道運行，已知地球半徑R=6400km，地面重力加速度g=9.8m/s2。若艙內(nèi)一單擺的擺長為1m，其振動周期最接近A.0.5sB.2sC.無窮大（完全失重狀態(tài)）D.4s二、填空題（每空3分，共30分）某同學設計“溫差發(fā)電裝置”，用兩種金屬構成熱電偶，當兩接點溫度差為ΔT時，產(chǎn)生的熱電勢E=αΔT+βΔT2（α=0.04mV/K，β=1.2×10??mV/K2）。若冷端溫度為27℃，熱端溫度為527℃，則輸出熱電勢為________mV。在“超導磁體儲能”實驗中，一螺線管線圈自感系數(shù)L=20H，通入電流I=50A后斷開電源，線圈中磁場能量通過電阻R=10Ω的負載釋放，釋放的總能量為________J，釋放時間常數(shù)τ=________s。用邁克爾遜干涉儀測量透明玻璃的厚度，已知入射光波長λ=589nm，移動動鏡使干涉條紋移動了20條，玻璃折射率n=1.5，則玻璃厚度為________μm（結果保留1位小數(shù)）。某量子計算機的超導量子比特在0和1態(tài)間躍遷頻率為5GHz，根據(jù)不確定性原理ΔE·Δt≥?/2（?=h/2π），其量子態(tài)的相干時間Δt最長約為________ns（結果保留1位有效數(shù)字）。某創(chuàng)新實驗用“光電效應法測普朗克常量”，測得不同頻率ν的入射光對應的遏止電壓U?如下表：|ν/101?Hz|5.0|6.0|7.0|8.0||----------|-----|-----|-----|-----||U?/V|0.6|1.0|1.4|1.8|則普朗克常量h=________×10?3?J·s（電子電荷量e=1.6×10?1?C，結果保留2位小數(shù)）。三、計算題（共40分）11.電磁彈射與能量回收（20分）某航空母艦電磁彈射器簡化模型如圖所示，兩平行金屬導軌間距L=2m，導軌間存在豎直向上的勻強磁場B=5T，滑塊（含彈體）質量m=3000kg，與導軌間動摩擦因數(shù)μ=0.1。當滑塊在電流I=1×10?A作用下從靜止開始加速，滑行距離x=100m后脫離導軌，將質量m?=2000kg的飛機以速度v?=70m/s彈出。（1）求滑塊與飛機分離時的速度v（忽略空氣阻力，重力加速度g=10m/s2）；（8分）（2）若彈射過程中電能轉化為機械能的效率為η=60%，求所需總電能E；（6分）（3）若飛機起飛后，滑塊通過反接電路實現(xiàn)電磁制動，在導軌上滑行距離x'=50m后停下，求制動過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q。（6分）12.天體運動與引力透鏡效應（20分）2025年發(fā)現(xiàn)某雙星系統(tǒng)由黑洞A（質量M?）和恒星B（質量M?=2M?）組成，兩者繞共同質心做勻速圓周運動，軌道半徑分別為r?和r?，間距d=r?+r?=3×1012m，周期T=2π×10?s。（1）求黑洞質量M?（引力常量G=6.67×10?11N·m2/kg2，結果用科學計數(shù)法表示，保留1位小數(shù)）；（8分）（2）若某遙遠星體發(fā)出的光經(jīng)過該雙星系統(tǒng)時發(fā)生引力透鏡效應，光線偏折角θ（弧度）滿足θ=4GM/(c2b)，其中M為透鏡天體質量，b為光線與天體中心的最近距離。若恒星B對某光線的偏折角θ?=1.2×10??rad，求黑洞A對同一光線的偏折角θ?（假設b相同）。（6分）（3）若該雙星系統(tǒng)輻射引力波，其功率P=32G?M?2M?2(M?+M?)/(5c?d?)，求其每年輻射的能量相當于多少質量的物質轉化（1年≈3.15×10?s，結果保留1位小數(shù)）。（6分）四、實驗設計題（30分）13.“基于智能手機傳感器的物理創(chuàng)新實驗”設計某同學利用智能手機內(nèi)置的加速度傳感器、陀螺儀和攝像頭，設計“測量當?shù)刂亓铀俣萭”的實驗方案。（1）方案設計：請寫出至少兩種不同原理的實驗方案，要求說明實驗原理、所需器材（僅含手機及常見物品）、數(shù)據(jù)采集方法及關鍵公式。（15分）（2）誤差分析：若采用“單擺法”，用手機秒表計時，測量10次全振動時間為t，擺長為l（用刻度尺測量，誤差Δl=0.5mm），時間誤差Δt=0.1s。若l=1.000m，t=20.0s，計算重力加速度g的相對誤差Δg/g。（8分）（3）創(chuàng)新改進：如何利用手機攝像頭拍攝視頻，通過圖像處理技術測量平拋運動的初速度？請簡述實驗步驟及數(shù)據(jù)處理方法。（7分）五、綜合論述題（30分）14.物理規(guī)律在前沿科技中的應用（1）量子計算：簡述量子隧穿效應的原理，并說明其在量子計算機“超導量子比特”中的作用。（10分）（2）可控核聚變：托卡馬克裝置中，等離子體被磁場約束在環(huán)形真空室內(nèi)，其溫度需達到1億攝氏度以上。從電磁學角度分析，為何強磁場能約束高溫等離子體？（10分）（3）太空探測：“旅行者號”探測器攜帶放射性同位素溫差發(fā)電機（RTG），利用Pu-238衰變釋放的熱能轉化為電能。若RTG的熱電轉換效率為6%，Pu-238的半衰期為87.7年，衰變能量為5.59MeV/核，計算1kgPu-238初始電功率（阿伏伽德羅常量N?=6.02×1023mol?1，Pu-238摩爾質量為238g/mol，結果保留整數(shù)）。（10分）六、附加題（20分，不計入總分，供自主招生參考）15.相對論效應與高能物理某高能加速器中，質子被加速至動能E?=4GeV（1GeV=10?eV），質子靜止質量m?=938MeV/c2。（1）求質