2025年高中物理知識競賽“物理服裝”設計大賽（功能原理筆試部分）試題（三）一、選擇題（每題4分，共5題，共20分）智能溫控服裝中，相變材料（PCM）通過固-液轉變調節(jié)溫度。當環(huán)境溫度高于相變溫度時，材料發(fā)生的物理變化及能量轉換是A.凝固放熱，將化學能轉化為熱能B.熔化吸熱，將熱能轉化為內能C.升華吸熱，將內能轉化為化學能D.液化放熱，將機械能轉化為熱能某款反光安全服采用玻璃微珠回歸反射原理，當入射光與面料法線夾角為30°時，反射光與法線夾角應為A.0°（垂直反射）B.30°（鏡面反射）C.60°（漫反射）D.180°（全反射）彈性面料的應力-應變曲線中，“屈服點”對應的物理意義是A.材料開始發(fā)生彈性形變B.材料從彈性形變過渡到塑性形變C.材料達到最大彈性勢能D.材料分子間引力與斥力平衡磁療保健衣內置永磁鐵，若某磁體表面磁場強度為0.5T，與人體距離從1cm增至2cm時，磁場強度變?yōu)锳.0.125T（平方反比關系）B.0.25T（線性衰減關系）C.1.0T（距離越遠磁場越強）D.0.5T（勻強磁場不隨距離變化）服裝制版中，立領結構的伏倒角度θ與領高H的關系符合A.θ∝H（領越高伏倒角度越大）B.θ∝1/H（領越高伏倒角度越?。〤.θ∝√H（平方根關系）D.θ與H無關（僅由面料密度決定）二、填空題（每空3分，共30分）光纖發(fā)光服中，塑膠光纖（POF）的導光原理是________，其臨界角公式為________（用折射率n1、n2表示纖芯與包層）。某壓縮衣對肌肉的壓強為2000Pa，接觸面積為0.01m2，其壓力大小為________N，相當于質量為________kg的物體產生的重力（g取10m/s2）。熱阻（R值）為0.5(m2·K)/W的保暖面料，若人體體表與環(huán)境溫差為30℃，單位面積散熱功率為________W/m2。平衡力制版技術中，“全省結構法”通過________原理平衡衣身與袖窿的受力，其核心方程為________（用F1、F2表示合力與分力）。智能穿戴設備的心率傳感器利用________效應，當血液容積變化時，紅外光的________（選填“反射率”或“折射率”）發(fā)生周期性改變。三、計算題（共3題，共50分）（15分）1.反光材料光學計算某交通安全背心采用微棱鏡結構反射膜，已知玻璃棱鏡折射率n=1.5，頂角α=90°，入射光以45°角射入棱鏡一側面。（1）計算光線在棱鏡內的折射角（5分）；（2）證明光線經兩次反射后與入射光平行（5分）；（3）若入射光波長從400nm（紫光）變?yōu)?00nm（紅光），折射角如何變化？解釋原因（5分）。（20分）2.彈性面料力學分析某氨綸纖維的應力-應變曲線如圖所示，已知樣品原長L0=0.2m，橫截面積S=1×10??m2：（1）計算彈性形變階段的楊氏模量E=（需寫出公式及計算過程，5分）；（2）當應變?yōu)?.2時，該纖維儲存的彈性勢能Ep=（5分）；（3）若將10根這樣的纖維并聯成一束，其最大承受拉力為________N（5分）；（4）若改用滌綸纖維（E=101?Pa），相同應力下應變變?yōu)樵瓉淼腳_______倍（5分）。（15分）3.熱力學應用滑雪服采用三層結構：外層防水膜（R1=0.1）、中間羽絨層（R2=1.5）、內層親膚層（R3=0.2），單位均為(m2·K)/W。（1）計算總熱阻R總=（3分）；（2）若人體產熱功率為100W，服裝覆蓋面積為1.5m2，求穩(wěn)態(tài)時的體表溫度T體=（環(huán)境溫度T環(huán)=-10℃，5分）；（3）若羽絨層厚度增加50%，其熱阻變?yōu)開_______，此時散熱功率變?yōu)開_______W（7分）。四、綜合應用題（共40分）（20分）1.智能溫控服裝設計某團隊設計“太陽能溫控馬甲”，結構如圖所示：外層：單晶硅太陽能板（效率η=15%，面積S=0.2m2）中層：相變儲能材料（PCM，熔點28℃，latentheatλ=200kJ/kg）內層：電熱膜（功率P=10W，效率100%）已知：標準光照強度I=1000W/m2，每天有效光照時間t=6h人體平均散熱功率P散=80W，環(huán)境溫度T環(huán)=5℃（1）計算太陽能板每天發(fā)電量E=________kJ，可加熱PCM的質量m=________kg（5分）；（2）若PCM完全凝固時釋放的熱量全部用于供暖，可維持供暖時間t=________h（5分）；（3）當光照不足時啟用備用電池（容量C=10000mAh，電壓U=5V），求電池可供電熱膜工作的時間t'=________h（5分）；（4）從能量守恒角度分析，該設計能否滿足人體冬季供暖需求？若不能，提出改進方案（至少2點，5分）。（20分）2.服裝力學平衡分析“平衡力制版技術”中，省量轉移的力學模型如圖所示：胸省量ΔS=2cm，省縫長度L=10cm面料彈性模量E=5×10?Pa，厚度d=0.2mm人體胸凸點到前頸點的水平距離x=15cm（1）計算省縫閉合時產生的力矩M=N·m（假設單位長度張力T=10N/cm，5分）；（2）推導省量ΔS與面料應變ε的關系：ε=（5分）；（3）若改用彈性模量E'=2.5×10?Pa的針織面料，保持相同省量ΔS，應變變?yōu)樵瓉淼腳_______倍，此時省縫張力變?yōu)開_______N（5分）；（4）從靜力學平衡角度，說明“全省結構法”相比“無省結構法”的優(yōu)勢（5分）。五、開放創(chuàng)新題（20分）可穿戴物理實驗裝置設計請基于高中物理知識，設計一款“服裝式物理實驗教具”，需滿足：（1）明確實驗目的（如驗證牛頓第二定律、測量摩擦系數等）；（2）描述裝置結構（含傳感器類型、服裝集成方式）；（3）推導實驗原理公式（需含測量量與待求量）；（4）分析實驗誤差來源及減小措施（至少2項）。示例框架：實驗名稱：基于智能手環(huán)的單擺周期測量裝置結構設計：在袖口固定擺線（長度L可調），末端