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（一）一、選擇題（每題4分，共20分）某參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“磁懸浮溫控馬甲”采用超導(dǎo)材料線圈實(shí)現(xiàn)懸浮功能。當(dāng)線圈通入交變電流時，其產(chǎn)生的磁場與外界永磁體相互作用，使馬甲下擺懸浮于腰部1cm處。若線圈中電流頻率從50Hz提高至100Hz，其他條件不變，則懸浮力大小的變化為（）A.增大為原來的2倍B.減小為原來的1/2C.增大為原來的4倍D.保持不變“力學(xué)緩沖運(yùn)動鞋”的鞋底采用蜂窩狀氣墊結(jié)構(gòu)，每個氣墊單元可視為橫截面積為10cm2的圓柱形容器。當(dāng)運(yùn)動員落地時，氣墊內(nèi)氣體從初始壓強(qiáng)1atm（1×10?Pa）壓縮至2atm，體積減少50cm3。此過程中氣體對外界做的功最接近（）A.-5J（外界對氣體做功）B.5J（氣體對外界做功）C.-10J（外界對氣體做功）D.10J（氣體對外界做功）“智能反光騎行服”的安全警示系統(tǒng)利用光的反射原理，在面料中嵌入玻璃微珠反射層。若入射光與面料法線夾角為30°，反射光與法線夾角為（）A.15°（鏡面反射）B.30°（鏡面反射）C.60°（漫反射）D.90°（全反射）“電磁加熱保暖手套”通過內(nèi)置線圈產(chǎn)生渦流實(shí)現(xiàn)發(fā)熱。已知線圈匝數(shù)為100匝，磁場變化率為0.5T/s，線圈面積為20cm2，則手套內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為（）A.0.1VB.1VC.10VD.100V“人體工學(xué)壓力衣”的肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需平衡服裝重力與人體支撐力。若一件壓力衣總質(zhì)量為0.8kg，肩部接觸面積為200cm2，則肩部受到的壓強(qiáng)為（）A.40PaB.400PaC.4×103PaD.4×10?Pa二、填空題（每空3分，共30分）“彈性勢能背包”的背帶采用彈簧材料，勁度系數(shù)k=500N/m。當(dāng)背包內(nèi)裝入5kg物品時，背帶伸長量為______m（g=10m/s2）?！肮庵伦兩罆穹钡拿媪戏肿釉谧贤饩€照射下發(fā)生能級躍遷，吸收波長380-420nm的光。該波段光子的能量范圍為______eV（普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，1eV=1.6×10?1?J）。“聲波降噪耳機(jī)”通過主動降噪技術(shù)產(chǎn)生與外界噪聲頻率相同、相位相反的聲波，利用______原理抵消噪聲?！俺瑢?dǎo)磁懸浮外套”的懸浮間隙與磁場強(qiáng)度成正比。若磁場強(qiáng)度從0.5T提升至1.5T，懸浮間隙從2mm變?yōu)開_____mm。“熱傳導(dǎo)散熱馬甲”的鋁制散熱片厚度為2mm，導(dǎo)熱系數(shù)k=237W/(m·K)。當(dāng)人體皮膚與外界溫差為10℃時，單位面積散熱功率為______W/m2?！半x心力調(diào)節(jié)腰帶”內(nèi)置可滑動配重塊，當(dāng)人體做圓周運(yùn)動時產(chǎn)生離心力。若配質(zhì)量m=0.2kg，運(yùn)動半徑r=0.3m，角速度ω=5rad/s，則離心力大小為______N?！办o電防塵外套”通過面料摩擦帶電吸附灰塵，帶電體所帶電荷量Q與電壓U的關(guān)系為Q=______（填寫物理量符號及公式）?！凹す舛ㄎ贿\(yùn)動服”的GPS模塊信號波長為0.1m，其頻率為______Hz（電磁波傳播速度c=3×10?m/s）?！按帕髯儨p震褲”的減震器內(nèi)磁流變液在磁場中粘度變化，其剪切應(yīng)力τ與磁場強(qiáng)度B的關(guān)系為τ=ηγ+B2（η為粘度，γ為剪切速率）。當(dāng)B=0時，τ=______?！肮夥潆妸A克”的太陽能電池板效率為15%，若接收太陽光功率為1000W/m2，電池板面積為0.2m2，則1小時可產(chǎn)生電能______kJ。三、計(jì)算題（共60分）（1）力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（20分）“仿生昆蟲跳躍鞋”模仿跳蚤后腿結(jié)構(gòu)，通過碳纖維彈簧桿儲存彈性勢能。已知彈簧桿勁度系數(shù)k=2000N/m，運(yùn)動員質(zhì)量m=60kg，起跳前彈簧壓縮量x=0.3m，忽略空氣阻力。（1）計(jì)算彈簧儲存的彈性勢能；（5分）（2）若彈簧彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為運(yùn)動員的動能，求起跳速度；（5分）（3）實(shí)際起跳高度為0.8m，求機(jī)械能損失率。（10分）（2）電磁功能應(yīng)用（20分）“無線充電智能手環(huán)”內(nèi)置接收線圈，通過電磁感應(yīng)從底座獲取電能。已知底座發(fā)射線圈電流I=2A，匝數(shù)n?=500匝，接收線圈匝數(shù)n?=50匝，兩線圈互感系數(shù)M=0.01H，電流變化率ΔI/Δt=100A/s。（1）求接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；（8分）（2）若接收線圈電阻R=1Ω，求輸出功率；（6分）（3）若充電效率為80%，充滿1000mAh電池（電壓3.7V）需多長時間？（6分）（3）光學(xué)與熱學(xué)綜合（20分）“溫控變色玻璃窗衣”可通過調(diào)節(jié)透光率控制體溫。其內(nèi)層為透明導(dǎo)電膜（電阻R=10Ω），外層為液晶材料（透光率T與溫度θ關(guān)系為T=0.1θ+0.5，θ單位為℃）。當(dāng)通入電流I=0.5A時，膜層發(fā)熱使溫度從20℃升至40℃。（1）計(jì)算導(dǎo)電膜的發(fā)熱功率；（5分）（2）求溫度升至40℃時的透光率；（5分）（3）若外界陽光輻射功率P=500W/m2，玻璃窗衣面積S=0.5m2，求溫度穩(wěn)定時的散熱功率（假設(shè)散熱功率P散=k(T-T?)，k=10W/(℃·m2)，T?=20℃）。（10分）四、綜合設(shè)計(jì)題（40分）“太空行走多功能防護(hù)服”原理分析某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)用于空間站外活動的防護(hù)服，需滿足以下功能：輻射防護(hù)：內(nèi)置鉛板屏蔽γ射線，鉛板厚度d與衰減系數(shù)μ的關(guān)系為I=I?e???（I?為入射強(qiáng)度）；壓力維持：密封艙內(nèi)氣壓p=1×10?Pa，艙體表面積S=2m2；熱控系統(tǒng)：通過水循環(huán)散熱，水的比熱容c=4200J/(kg·℃)，流量m=0.1kg/s。（1）若γ射線衰減系數(shù)μ=0.5cm?1，要求透射強(qiáng)度I≤0.01I?，求鉛板最小厚度；（10分）（2）計(jì)算密封艙體受到的總壓力；（10分）（3）若人體代謝產(chǎn)熱功率P=100W，水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)出口溫差ΔT=5℃，判斷散熱是否滿足需求（通過計(jì)算說明）。（20分）五、開放創(chuàng)新題（40分）“未來物理服裝”概念設(shè)計(jì)請基于高中物理知識，設(shè)計(jì)一款具有新型功能的“物理服裝”，需包含以下要素：核心物理原理（15分）：明確說明應(yīng)用的1-2個主要物理定律或效應(yīng)（如電磁感應(yīng)、光的干涉、熱力學(xué)第二定律等）；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（15分）：描述關(guān)鍵組件的材料選擇（如超導(dǎo)材料、壓電陶瓷、納米涂層等）及工作機(jī)制；功能驗(yàn)證（10分）：通過公式推導(dǎo)或數(shù)據(jù)計(jì)算說明功能可行性（例如：“當(dāng)施加拉力F=10N時，壓電元件產(chǎn)生電壓U=5V”）。（注：設(shè)計(jì)需符合物理規(guī)律，鼓勵創(chuàng)新性與實(shí)用性結(jié)合，字?jǐn)?shù)不少于300字）（全卷共計(jì)200分，考試時間180分鐘）說明：本試題