2025年高中物理知識競賽“物理防災”減災方案設計大賽試題（二）一、單項選擇題（共10題，每題5分）地震波傳播與建筑抗震設計地震發(fā)生時，縱波（P波）和橫波（S波）的傳播特性差異是建筑抗震設計的重要依據。若某建筑地基土壤中縱波傳播速度為6km/s，橫波傳播速度為3.5km/s，監(jiān)測點記錄到縱波比橫波早到達20秒，則震源距離監(jiān)測點的距離約為（）A.120kmB.168kmC.210kmD.252km解析：設震源距離為x，根據時間差公式Δt=x/v橫-x/v縱，代入數(shù)據得20=x/3.5-x/6，解得x=168km?？v波傳播速度快但破壞性弱，橫波速度慢但振動幅度大，設計中需通過減震支座延長橫波到達時間，減少結構共振。泥石流逃生路線的力學分析若泥石流密度為2.3×103kg/m3，流速為8m/s，流經寬度50m的山谷時，其攜帶固體物質的功率約為（）A.2.9×10?WB.5.8×10?WC.1.1×10?WD.2.3×10?W解析：根據流體功率公式P=ρghQ，其中h=v2/(2g)=3.27m，流量Q=v·S=8×50×2=800m3/s（假設深度2m），代入得P=2.3×103×9.8×3.27×800≈5.8×10?W。逃生時需向垂直于泥石流流向的山坡轉移，利用重力勢能克服泥石流動能。避雷針的靜電屏蔽原理某教學樓避雷針針尖曲率半徑為5mm，當云層帶電產生10?V電勢差時，針尖處電場強度約為（）（已知空氣擊穿場強為3×10?V/m）A.1.5×10?V/mB.3.0×10?V/mC.6.0×10?V/mD.1.2×10?V/m解析：根據尖端放電公式E=kQ/r2，結合電勢差U=kQ/r，推得E=U/r=10?V/0.005m=2×10?V/m，遠超空氣擊穿場強，故避雷針通過尖端放電中和云層電荷。實際設計中需保證針尖曲率半徑足夠小，確保電場強度超過擊穿閾值。洪水沖擊下的浮力與受力分析一輛質量1.5t的小汽車被洪水淹沒，若車門面積為0.8m2，水深2m時車門受到的水壓力約為（）（ρ水=1×103kg/m3，g=10N/kg）A.8×103NB.1.6×10?NC.2.4×10?ND.3.2×10?N解析：水壓力F=p·S=ρgh·S=1×103×10×2×0.8=1.6×10?N。此時車門內外壓力差約等于車內外水位差產生的壓強，若車內未進水，需用破窗器破壞玻璃逃生，利用帕斯卡原理集中壓強于一點?；馂臒熿F的熱對流與逃生策略某房間發(fā)生火災后，煙霧溫度從27℃升至327℃，若初始煙霧密度為1.3kg/m3，忽略體積變化時，升溫后煙霧密度為（）A.0.43kg/m3B.0.65kg/m3C.1.3kg/m3D.2.6kg/m3解析：根據理想氣體狀態(tài)方程ρ?T?=ρ?T?，T?=300K，T?=600K，解得ρ?=0.65kg/m3。煙霧因密度減小向上漂浮，故逃生時需低姿匍匐，減少吸入高溫有毒氣體。地震預警系統(tǒng)的多普勒效應應用地震預警系統(tǒng)通過監(jiān)測橫波多普勒頻移判斷震源移動方向。若監(jiān)測到橫波頻率由5Hz變?yōu)?.8Hz，波速3.5km/s，則震源遠離監(jiān)測點的速度約為（）A.140m/sB.210m/sC.280m/sD.350m/s解析：根據多普勒效應公式f'=f·v/(v+u)，代入數(shù)據4.8=5×3500/(3500+u)，解得u=140m/s。預警系統(tǒng)利用縱波與橫波的時間差，通過頻率變化修正預警時間，為建筑抗震爭取0.5-2秒緩沖?；麦w的機械能守恒分析某山體滑坡體質量5×10?t，從300m高斜坡滑下，若不計摩擦阻力，到達坡底時的速度約為（）A.55m/sB.77m/sC.94m/sD.110m/s解析：由機械能守恒mgh=?mv2，得v=√(2gh)=√(2×9.8×300)≈77m/s。實際滑坡因摩擦生熱，速度約為理論值的60%-80%，可通過修建擋土墻增加摩擦阻力，將動能轉化為熱能耗散。雷電防護中的電容放電原理某建筑物防雷接地裝置電容為500μF，遭遇雷擊時電壓升至10?V，接地電阻2Ω，放電時間常數(shù)為（）A.1×10?3sB.5×10?3sC.1×10?2sD.5×10?2s解析：放電時間常數(shù)τ=RC=2Ω×500μF=1×10?3s。接地裝置需在1ms內將90%電荷泄放，通過增大接地面積降低電阻，避免跨步電壓危害。洪水圍困時的浮力自救若人體密度與水接近，質量60kg的人抱住一個體積0.1m3的密封空木箱，在水中受到的浮力約為（）（g=10N/kg）A.600NB.700NC.1000ND.1600N解析：總浮力F=ρ水g(V人+V箱)=1×103×10×(0.06+0.1)=1600N，總重力G=(60+5)×10=650N（木箱質量約5kg），浮力遠大于重力，可借助木箱漂浮等待救援。臺風風壓與建筑結構受力某高層建筑在12級臺風（風速35m/s）作用下，迎風面壓強約為（）（空氣密度1.2kg/m3，阻力系數(shù)1.3）A.735PaB.956PaC.1274PaD.1547Pa解析：風壓公式p=?ρv2C=0.5×1.2×352×1.3≈956Pa。建筑設計中需通過流線型外觀降低阻力系數(shù)，利用桁架結構分散風壓產生的扭矩。二、綜合應用題（共3題，每題20分）1.校園地震應急避難所設計背景：某中學教學樓為5層框架結構，需設計地震發(fā)生時的臨時避難方案，要求利用物理原理減少次生傷害。任務：（1）計算教室門框處（寬1m、高2m）在里氏6級地震（水平加速度0.3g）作用下的最大剪力；（2）設計一種利用彈簧減震的課桌防護裝置，要求在0.5s內將20kg課本的水平速度從3m/s降至0，計算所需彈簧的勁度系數(shù)；（3）說明避難時應選擇教室中哪個位置（墻角/課桌下/窗邊），并從動量定理角度分析原因。參考答案：（1）剪力F=ma=ρV·a=2500kg/m3×(0.24m×1m×2m)×0.3×9.8≈3451N（假設墻體厚度0.24m，混凝土密度2500kg/m3）；（2）由動量定理Ft=mv，得F=mv/t=20×3/0.5=120N，彈簧壓縮量x=v2/(2a)=32/(2×6)=0.75m（a=v/t=6m/s2），勁度系數(shù)k=F/x=120/0.75=160N/m；（3）選擇墻角（承重墻交匯處），此處可形成“生命三角區(qū)”。根據動量定理Δp=Ft，墻角處物體掉落時間t更長，沖擊力F更小，且墻體剛度大，形變位移小，可減少碰撞動量變化。2.山區(qū)學校泥石流預警系統(tǒng)設計背景：某山區(qū)中學位于泥石流高發(fā)區(qū)，需利用物理傳感器設計預警裝置，要求提前10分鐘發(fā)出警報。任務：（1）設計一個基于傾角傳感器的滑坡監(jiān)測裝置，若滑坡體初始傾角15°，當傾角變化率超過0.01°/s時觸發(fā)預警，計算預警時滑坡體已滑動的距離（假設滑坡面長500m）；（2）若預警裝置使用聲波測距，超聲波在空氣中傳播速度340m/s，要區(qū)分50m外0.5m的位移變化，超聲波頻率至少為多少？（3）從能量轉化角度分析，為何在泥石流通道中設置“V”型導流槽可降低災害損失。參考答案：（1）滑動時間t=Δθ/(dθ/dt)=(θ?-θ?)/0.01°，假設臨界滑動角20°，則t=500s≈8.3分鐘，滿足10分鐘預警要求，滑動距離s=?at2，a=g(sinθ-μcosθ)≈9.8×(0.26-0.3×0.97)≈0.28m/s2，s≈0.5×0.28×5002≈35000m（需結合實際摩擦系數(shù)修正）；（2）由波長λ=v/f，分辨率Δx=λ/2=v/(2f)，得f=v/(2Δx)=340/(2×0.5)=340Hz，實際需考慮回聲干擾，應選用10kHz以上頻率；（3）“V”型槽通過減小橫截面積增大流速，將泥石流的重力勢能更多轉化為動能而非對兩岸的沖擊力，同時利用離心力分離固體顆粒，降低淤積概率。3.城市內澇排水系統(tǒng)優(yōu)化背景：某校區(qū)地勢低洼，暴雨時易積水，需設計基于流體力學的排水方案。任務：（1）若校園積水深度達0.5m，排水管道直徑0.3m，水流速度2m/s，計算1小時可排出的水量；（2）設計一種利用虹吸原理的應急排水裝置，已知教學樓高度15m，計算虹吸管兩端的最大允許高度差（忽略摩擦損失）；（3）從伯努利方程角度分析，為何在排水口設置格柵可防止管道堵塞同時不顯著降低排水效率。參考答案：（1）排水量Q=v·S·t=2m/s×π(0.15m)2×3600s≈489.8m3；（2）虹吸高度差h≤P0/(ρg)=1.013×10?Pa/(1000kg/m3×9.8m/s2)≈10.3m，實際因水流阻力，應控制在8m以內；（3）格柵雖減小過流面積，但根據伯努利方程p+?ρv2+ρgh=常量，局部流速增大導致動壓增加，靜壓減小，形成“文丘里效應”，反而可通過降低格柵前后壓力差維持排水流量，同時攔截固體雜物。三、開放創(chuàng)新題（10分）主題：利用電磁感應原理設計一種洪水水位自動報警器，要求當水位達到1.2m時觸發(fā)蜂鳴器，寫出裝置結構（含傳感器、電路、電源）并說明工作原理，計算線圈匝數(shù)（已知地磁場豎直分量0.5×10??T，線圈面積0.01m2，需產生0.5V感應電動勢）。參考答案：結構：浮子（連接絕緣桿）、匝數(shù)N的線圈、永磁鐵（固定于底座）、整流電路、蜂鳴器、1.5V干電池。原理：水位上升時浮子帶動線圈沿豎直方向切割永