2025年高中物理知識競賽“物理服裝”設(shè)計(jì)大賽（功能原理筆試部分）試題（二）一、計(jì)算題（共60分）1.力學(xué)模塊：智能緩沖運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)（20分）某參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“物理服裝”包含一款智能緩沖運(yùn)動(dòng)鞋，其鞋底安裝有螺旋彈簧減震系統(tǒng)。已知每個(gè)鞋底前后各有一個(gè)彈簧組，每組由2個(gè)勁度系數(shù)均為k=800N/m的彈簧并聯(lián)組成，彈簧自由長度為10cm。假設(shè)某運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量m=60kg，穿著該鞋從高度h=0.5m處自由落下，落地后彈簧壓縮到最短時(shí)的長度為6cm，不計(jì)空氣阻力及鞋底其他部分的形變。（1）求運(yùn)動(dòng)員落地過程中彈簧系統(tǒng)的最大彈性勢能；（2）若運(yùn)動(dòng)員落地后在0.2s內(nèi)速度減為零，求地面對鞋底的平均沖擊力；（3）若將彈簧更換為勁度系數(shù)k'=1000N/m的新材料彈簧（仍為并聯(lián)結(jié)構(gòu)），分析緩沖效果的變化并說明物理原理。2.電磁學(xué)模塊：柔性太陽能馬甲能量轉(zhuǎn)換（20分）某參賽作品“柔性太陽能馬甲”在背部集成了面積S=0.8m2的柔性光伏板，其光電轉(zhuǎn)換效率η=18%。已知比賽當(dāng)天的太陽輻射強(qiáng)度I=1000W/m2，馬甲內(nèi)置鋰電池容量C=10000mAh（標(biāo)稱電壓U=5V），忽略能量傳輸過程中的損耗。（1）計(jì)算光伏板的最大輸出功率；（2）若馬甲需為一個(gè)功率P=2W的智能溫控模塊供電，求理論上可持續(xù)工作的時(shí)間；（3）若將光伏板接入如圖1所示的電路（R?=10Ω，R?=20Ω，電源內(nèi)阻r=1Ω），求開關(guān)S閉合前后電源的輸出功率變化量。3.熱學(xué)模塊：相變溫控圍巾的熱平衡分析（20分）“相變溫控圍巾”內(nèi)置由正十八烷（相變溫度T?=28℃，相變潛熱L=247kJ/kg）填充的微膠囊。已知圍巾質(zhì)量m?=0.1kg，微膠囊填充物質(zhì)量m?=0.05kg，初始溫度T?=20℃。將圍巾放入60℃的熱水中加熱至熱平衡后取出，在20℃的室溫環(huán)境下自然冷卻。（1）計(jì)算圍巾從熱水中吸收的總熱量（已知圍巾面料比熱容c?=1.2kJ/(kg·℃)，正十八烷液態(tài)比熱容c?=2.3kJ/(kg·℃)）；（2）若圍巾在室溫下散熱功率P=15W，估算其維持在28℃以上的時(shí)間；（3）若將填充物更換為相變溫度32℃的硬脂酸（相變潛熱L'=199kJ/kg），分析在冬季使用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。二、分析題（共40分）4.光學(xué)與近代物理模塊：光致變色防曬服的設(shè)計(jì)原理（20分）某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“光致變色防曬服”采用含溴化銀（AgBr）的智能面料，其變色原理基于如下過程：在紫外線照射下，AgBr分解為Ag和Br原子（光解反應(yīng)），使面料顏色變深；無紫外線時(shí)，Ag和Br原子重新結(jié)合為AgBr（復(fù)合反應(yīng)），面料恢復(fù)淺色。已知紫外線光子能量需滿足E≥1.8eV，AgBr的摩爾質(zhì)量μ=187.8g/mol，阿伏伽德羅常數(shù)N?=6.02×1023mol?1。（1）計(jì)算使AgBr發(fā)生光解的紫外線最大波長；（2）若1cm2面料中含AgBr微粒5×101?個(gè)，假設(shè)每個(gè)微粒吸收一個(gè)光子后完全分解，計(jì)算1cm2面料吸收的最大光能；（3）從光學(xué)原理分析該面料的防曬效果，并提出一種提升其響應(yīng)速度的改進(jìn)方案。5.綜合應(yīng)用模塊：太空行走防護(hù)服的生命維持系統(tǒng)（20分）某模擬“太空行走防護(hù)服”需解決極端環(huán)境防護(hù)問題，其生命維持系統(tǒng)包含以下子系統(tǒng)：①溫控系統(tǒng)：采用半導(dǎo)體制冷片（Peltier元件），功耗P?=30W；②供氧系統(tǒng)：氣態(tài)氧罐容積V=10L，初始壓強(qiáng)p=15MPa，溫度T=293K（已知標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol氣體體積為22.4L，人體耗氧速率v=0.5L/min）；③輻射防護(hù)：采用鉛當(dāng)量為0.5mm的復(fù)合屏蔽層，已知宇宙射線中γ光子的線性衰減系數(shù)μ=0.02cm?1。（1）計(jì)算供氧系統(tǒng)理論上的持續(xù)供氧時(shí)間（假設(shè)氣體等溫膨脹，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p?=0.1MPa）；（2）估算γ光子穿過屏蔽層后的強(qiáng)度衰減比例；（3）若防護(hù)服總質(zhì)量m=120kg，宇航員在月球表面（重力加速度g'=1.6m/s2）進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)，分析移動(dòng)過程中需克服的主要力學(xué)阻力，并比較與地球環(huán)境的差異。（注：所有計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字，需寫出必要的公式推導(dǎo)過程）附