2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽“物理防災(zāi)”減災(zāi)方案設(shè)計(jì)大賽試題（一）一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）地震波傳播與建筑抗震地震發(fā)生時(shí)，建筑物破壞主要由哪種地震波引起？A.縱波（P波）B.橫波（S波）C.面波（L波）D.聲波物理知識(shí)解析：地震波中，縱波傳播速度最快（約5-7km/s），但破壞力較??；橫波速度次之（約3-4km/s），能引起地面水平晃動(dòng)；面波是縱波和橫波在地表相遇后激發(fā)的混合波，振幅最大且傳播距離遠(yuǎn)，是造成建筑物倒塌的主要原因。例如2008年汶川地震中，面波導(dǎo)致大量磚混結(jié)構(gòu)房屋墻體開裂，印證了其破壞力。臺(tái)風(fēng)風(fēng)力與流體力學(xué)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，某高層建筑迎風(fēng)面所受風(fēng)壓的計(jì)算公式為(P=\frac{1}{2}\rhov^2)（(\rho)為空氣密度，(v)為風(fēng)速）。若臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速由25m/s增至50m/s，風(fēng)壓將變?yōu)樵瓉淼模篈.2倍B.4倍C.8倍D.16倍物理知識(shí)解析：風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比。當(dāng)風(fēng)速從25m/s增至50m/s（即變?yōu)樵瓉淼?倍）時(shí)，風(fēng)壓(P)變?yōu)?\frac{1}{2}\rho(2v)^2=4\times\frac{1}{2}\rhov^2)，即4倍。這解釋了為何超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（風(fēng)速≥51m/s）能輕易掀翻屋頂——其風(fēng)壓可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的1.3%，足以克服建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)荷載。泥石流逃生與運(yùn)動(dòng)學(xué)泥石流沿坡度30°的山體下滑，若初速度為0，下滑加速度(a=g\sin\theta-\mug\cos\theta)（(\mu=0.2)，(g=10m/s^2)），則10秒后泥石流的速度約為：A.30m/sB.40m/sC.50m/sD.60m/s物理知識(shí)解析：代入數(shù)據(jù)得(a=10\times0.5-0.2\times10\times\frac{\sqrt{3}}{2}\approx5-1.732=3.268m/s^2)。由(v=at)可得10秒后速度(v=3.268\times10\approx32.7m/s)，接近30m/s。此計(jì)算表明泥石流在短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到高速，逃生時(shí)必須向垂直于流動(dòng)方向的兩側(cè)高地轉(zhuǎn)移（速度需超過4m/s）?；馂?zāi)煙霧與氣體擴(kuò)散火災(zāi)中，一氧化碳（CO）氣體在封閉空間的擴(kuò)散符合菲克定律：擴(kuò)散通量(J=-D\frac{dc}{dx})（(D)為擴(kuò)散系數(shù)）。下列措施中能有效降低CO擴(kuò)散速度的是：A.打開門窗通風(fēng)B.降低室內(nèi)溫度C.使用風(fēng)扇加速空氣對(duì)流D.噴灑水霧增加空氣濕度物理知識(shí)解析：擴(kuò)散系數(shù)(D)與溫度成正比，降低溫度可減小(D)，從而減緩CO擴(kuò)散。打開門窗和使用風(fēng)扇會(huì)加速對(duì)流擴(kuò)散，而水霧對(duì)氣體擴(kuò)散影響較小。實(shí)際逃生中，低姿匍匐（利用CO密度略小于空氣的特性）可減少吸入量，這與氣體分層擴(kuò)散原理直接相關(guān)。雷電防護(hù)與靜電屏蔽避雷針避雷的物理原理是：A.隔絕雷電擊中建筑物B.通過尖端放電中和云層電荷C.將雷電引入地下并削弱電流D.利用金屬外殼形成靜電屏蔽物理知識(shí)解析：避雷針通過頂部尖端釋放電荷，與云層中電荷中和，從而避免強(qiáng)烈放電。其工作基于尖端放電效應(yīng)——導(dǎo)體尖端的電荷面密度大，電場(chǎng)強(qiáng)度足以使空氣電離。例如，高45米的避雷針保護(hù)半徑約為45米，在此范圍內(nèi)建筑物被擊中概率降低90%以上。洪水浮力與阿基米德原理一個(gè)質(zhì)量60kg的人站在體積0.1m3的木質(zhì)門板上，門板密度0.6×103kg/m3，洪水密度1.0×103kg/m3。忽略門板厚度，門板浸入水中的體積為：A.0.06m3B.0.10m3C.0.12m3D.0.16m3物理知識(shí)解析：總重力(G=(60+0.1\times600)\times10=1200N)，浮力(F_浮=\rho_水gV_排)。由(F_浮=G)得(V_排=\frac{1200}{1000\times10}=0.12m3)。此計(jì)算表明，門板需浸入0.12m3水才能承載人體，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇面積更大的門板以降低浸入深度。沙塵暴與動(dòng)量定理沙塵暴中，直徑0.1mm的沙粒以20m/s的速度撞擊面部，若每平方厘米面積每秒受100粒沙粒沖擊（沙粒密度2.5×103kg/m3），則面部受到的壓強(qiáng)約為：A.0.01PaB.0.1PaC.1PaD.10Pa物理知識(shí)解析：?jiǎn)瘟Ｉ沉Ｙ|(zhì)量(m=\rho\times\frac{4}{3}\pir^3\approx2.5\times10^3\times\frac{4}{3}\pi(5\times10^{-5})^3\approx1.3\times10^{-8}kg)。每秒每平方厘米沖量(I=100\timesm\timesv=100\times1.3\times10^{-8}\times20=2.6\times10^{-5}N·s)。壓強(qiáng)(P=\frac{F}{S}=\frac{I}{S·t}=\frac{2.6\times10^{-5}}{10^{-4}\times1}=0.26Pa)，接近0.1Pa。這解釋了為何沙塵暴會(huì)導(dǎo)致皮膚劃傷和眼部損傷，需佩戴防風(fēng)眼鏡和口罩。建筑抗震與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，若建筑的固有頻率為1Hz，地震波的主要頻率為0.5Hz，則建筑會(huì)發(fā)生：A.共振現(xiàn)象B.振幅放大C.振幅縮小D.無法判斷物理知識(shí)解析：共振發(fā)生在驅(qū)動(dòng)力頻率接近固有頻率時(shí)。當(dāng)?shù)卣鸩l率（0.5Hz）為建筑固有頻率（1Hz）的一半時(shí)，屬于次諧波驅(qū)動(dòng)，振幅會(huì)被抑制。例如，日本東京晴空塔通過調(diào)諧質(zhì)量阻尼器將固有頻率調(diào)整至0.2Hz，避開地震波主要頻率（0.5-2Hz），從而降低振動(dòng)幅度。洪水逃生與流體阻力人在洪水中游泳時(shí)，所受阻力(F=\frac{1}{2}C\rhoSv^2)（(C=0.5)，(S=0.5m2)，(\rho=1000kg/m3)）。若要獲得100N的推進(jìn)力以對(duì)抗洪水，游泳速度需達(dá)到：A.0.5m/sB.0.8m/sC.1.0m/sD.1.2m/s物理知識(shí)解析：由(F=\frac{1}{2}C\rhoSv^2)可得(v=\sqrt{\frac{2F}{C\rhoS}}=\sqrt{\frac{2\times100}{0.5\times1000\times0.5}}=\sqrt{0.8}\approx0.89m/s)，接近0.8m/s。此結(jié)果表明，普通人難以在流速超過1m/s的洪水中自主游泳，應(yīng)借助漂浮物逃生。雷電能量與焦耳定律某次雷電放電電流20000A，持續(xù)時(shí)間0.01s，若通過電阻100Ω的空氣通道，釋放的能量約為：A.4×10?JB.4×10?JC.4×10?JD.4×101?J物理知識(shí)解析：由(W=I^2Rt)得(W=(2\times10^4)^2\times100\times0.01=4\times10^8\times1=4\times10^8J)。這相當(dāng)于100kgTNT炸藥的能量，足以摧毀一棟建筑，因此防雷裝置的接地電阻必須小于10Ω以快速泄放電流。二、綜合應(yīng)用題（共70分）（一）地震應(yīng)急避難所設(shè)計(jì)（25分）背景：某中學(xué)計(jì)劃在操場(chǎng)搭建臨時(shí)地震避難所，需滿足抗震、防風(fēng)、防雨要求。給定條件：避難所為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)10m、寬5m、高3m），采用輕質(zhì)鋼架（密度7.9×103kg/m3）和彩鋼板（厚度0.5mm，密度7.8×103kg/m3）搭建，地面為水泥地（摩擦系數(shù)0.3）。問題：計(jì)算避難所結(jié)構(gòu)總質(zhì)量（鋼架體積忽略不計(jì)，彩鋼板僅計(jì)算六面面積）；若地震時(shí)水平加速度達(dá)0.3g，求避難所與地面間的靜摩擦力是否足以抵抗滑動(dòng)；設(shè)計(jì)一個(gè)基于單擺原理的簡(jiǎn)易地震預(yù)警裝置，要求能在水平加速度0.1g時(shí)觸發(fā)警報(bào)（寫出裝置結(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算）。物理知識(shí)應(yīng)用要點(diǎn)：質(zhì)量計(jì)算：彩鋼板面積(S=2(10×5+10×3+5×3)=190m2)，體積(V=S×d=190×0.5×10^{-3}=0.095m3)，質(zhì)量(m=\rhoV=7.8×103×0.095≈741kg)。摩擦力分析：最大靜摩擦力(f_{max}=\mumg=0.3×741×10≈2223N)，地震水平力(F=ma=741×0.3×10=2223N)，剛好達(dá)到臨界狀態(tài)，需增加配重或固定裝置。單擺預(yù)警裝置：由擺長(zhǎng)(L)的單擺和觸點(diǎn)開關(guān)組成，當(dāng)水平加速度(a=g\tan\theta)時(shí)，擺角(\theta=\arctan(\frac{a}{g})=\arctan(0.1)≈5.7°)。由(T=2\pi\sqrt{\frac{L}{g}})，取預(yù)警響應(yīng)時(shí)間0.5s（半周期），則(L=\frac{gT2}{4\pi2}=\frac{10×0.25}{4×9.87}≈0.064m)，即擺長(zhǎng)6.4cm，擺球質(zhì)量100g即可觸發(fā)警報(bào)。（二）洪水應(yīng)急浮力裝置設(shè)計(jì)（25分）背景：要求用廢棄塑料瓶（容積500mL，質(zhì)量15g）制作浮力裝置，承載一名60kg的成年人。假設(shè)每人攜帶20kg行李，塑料瓶填充空氣（密度1.29kg/m3），水的密度1.0×103kg/m3，g=10m/s2。問題：計(jì)算單個(gè)塑料瓶的最大浮力；求至少需要多少個(gè)塑料瓶才能確保安全（安全系數(shù)取1.5）；設(shè)計(jì)一個(gè)浮力裝置的組裝方案，要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且便于攜帶（用受力分析說明方案合理性）。物理知識(shí)應(yīng)用要點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)浮力：塑料瓶排開水的體積(V=500mL=0.5×10^{-3}m3)，浮力(F_浮=\rho_水gV=1000×10×0.5×10^{-3}=5N)，自身重力(G=mg=0.015×10=0.15N)，有效浮力(F=5-0.15=4.85N)?？傂枨蟾×Γ嚎傎|(zhì)量(M=60+20=80kg)，總重力(G_總=80×10=800N)，考慮安全系數(shù)后需(F_總=800×1.5=1200N)，所需瓶數(shù)(n=\frac{1200}{4.85}≈247)個(gè)（取250個(gè)）。組裝方案：將塑料瓶分4組（每組63個(gè)），用尼龍繩捆扎成邊長(zhǎng)0.5m的立方體，再用木板固定上下表面。受力分析：每個(gè)立方體承受(250/4×4.85≈303N)浮力，木板提供剪切力，確保整體結(jié)構(gòu)在水流沖擊下不變形。（三）火災(zāi)逃生路線優(yōu)化（20分）背景：某教學(xué)樓（長(zhǎng)30m、寬15m、高10m）發(fā)生火災(zāi)，濃煙從一樓起火點(diǎn)（坐標(biāo)(0,0,0)）向各樓層擴(kuò)散，擴(kuò)散速度(v=0.5m/s)，學(xué)生需從三樓教室（坐標(biāo)(10m,7.5m,6m)）逃生至室外安全區(qū)（坐標(biāo)(30m,7.5m,0)）。問題：計(jì)算濃煙到達(dá)三樓教室的時(shí)間；若學(xué)生步行速度1.5m/s，設(shè)計(jì)兩條逃生路線（樓梯逃生/繩索逃生），通過計(jì)算比較哪條路線更安全；基于流體力學(xué)原理，說明逃生時(shí)低姿匍匐的科學(xué)依據(jù)。物理知識(shí)應(yīng)用要點(diǎn)：濃煙擴(kuò)散時(shí)間：豎直方向擴(kuò)散距離6m，時(shí)間(t=\frac{h}{v}=\frac{6}{0.5}=12s)（水平擴(kuò)散可忽略，因熱煙氣向上流動(dòng)為主）。路線比較：樓梯逃生：路程(s_1=\sqrt{(30-10)^2+(7.5-7.5)^2+(6-0)^2}=\sqrt{400+36}≈20.9m)，時(shí)間(t_1=\frac{20.9}{1.5}≈13.9s)，超過濃煙到達(dá)時(shí)間，有風(fēng)險(xiǎn)。繩索逃生：沿外墻豎直下降6m，水平移動(dòng)20m（地面奔跑），總路程(s_2=6+20=26m)，時(shí)間(t_2=\frac{26}{1.5}≈17.3s)，但可避開濃煙，更安全。低姿匍匐依據(jù)：火災(zāi)中熱煙氣溫度高（密度?。┫蛏暇奂?，地面附近溫度較低且CO濃度低。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(\rho=\frac{P}{RT})，溫度升高導(dǎo)致密度降低，形成“上熱下冷”的分層結(jié)構(gòu)，低姿可減少吸入有毒氣體。三、開放性探究題（20分）主題：利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)一種地震救援生命探測(cè)儀，要求說明裝置結(jié)構(gòu)、工作原理及物理公式推導(dǎo)。參考答案要點(diǎn)：結(jié)構(gòu)組成：由線圈（匝數(shù)N=1000，面積S=0.1m2）、磁體（磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T）、整流電路和信號(hào)處理器組成，磁體固定在探測(cè)桿頂端，線圈隨救援人員手持移動(dòng)。工作原理：當(dāng)?shù)卣饛U墟下有人員活動(dòng)時(shí)，會(huì)引起探測(cè)桿微小振動(dòng)，導(dǎo)致線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(E=NBLv\sin\theta)（(v)為振動(dòng)速度，(\theta)為線圈平面與磁場(chǎng)夾角）。若振動(dòng)頻率5Hz、振幅0.1m，則最大速度(v=A\omega=0.1×2\pi×5≈3.14m/s)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(E=1000×0.5×0.1×3.14×1≈157V)，經(jīng)整流后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)觸發(fā)警報(bào)。靈敏度優(yōu)化：采用鐵芯線圈（磁導(dǎo)率(\mu)提高1000倍）可使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增至157kV，但需注意絕緣和抗干擾設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中可通過調(diào)諧電路篩選5-10Hz的人體活動(dòng)頻率信號(hào)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)描述（5分）、原理闡述（8分）、公式推導(dǎo)（5分）、創(chuàng)新性（2分）。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（30分）任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)“模擬地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響”的物理實(shí)驗(yàn)，要求使用常見材料（如積木、牙簽、棉花等），通過改變變量探究抗震結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。