2025年高二物理下學(xué)期STSE情境問題探究題情境一：新能源汽車無線充電技術(shù)的電磁學(xué)原理隨著2025年新能源汽車無線充電技術(shù)的普及，某品牌電動(dòng)汽車采用的磁共振耦合充電系統(tǒng)引發(fā)廣泛關(guān)注。該系統(tǒng)地面發(fā)射線圈通入頻率為50Hz的正弦交變電流，在周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。車載接收線圈匝數(shù)為200匝，有效面積0.4m2，當(dāng)發(fā)射線圈電流峰值為10A時(shí)，接收線圈所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度按B=0.1sin(100πt)T規(guī)律變化。問題1：（1）推導(dǎo)接收線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式；（2）若充電電路總電阻為20Ω，求一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱。解析：（1）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=NΔΦ/Δt=NSΔB/Δt。代入B=0.1sin(100πt)，得ΔB/Δt=0.1×100πcos(100πt)=10πcos(100πt)。則e=200×0.4×10πcos(100πt)=800πcos(100πt)V，即e=2512cos(100πt)V（π取3.14）。（2）電動(dòng)勢(shì)有效值E=Em/√2=800π/√2≈1776V，周期T=0.02s，焦耳熱Q=E2T/R=(1776)2×0.02/20≈3152J。問題2：當(dāng)汽車行駛時(shí)，車載電池組通過DC-DC轉(zhuǎn)換器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。已知電池組輸出電壓為380V，電機(jī)額定功率150kW，效率90%。若汽車在平直路面以20m/s勻速行駛，所受阻力為車重的0.05倍（車重2000kg，g=10m/s2）。求：（1）電機(jī)輸出的機(jī)械功率；（2）電池組的工作電流。解析：（1）汽車勻速行駛時(shí)牽引力F=f=0.05mg=1000N，機(jī)械功率P機(jī)=Fv=1000×20=20000W=20kW。（2）電機(jī)輸入電功率P電=P機(jī)/η=20kW/0.9≈22.2kW，電池組電流I=P電/U=22200W/380V≈58.4A。情境二：太空空間站的能量供應(yīng)系統(tǒng)國(guó)際空間站2025年新增的柔性太陽(yáng)能電池翼采用三結(jié)砷化鎵電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)32%。單塊電池板面積50m2，在地球軌道上接收的太陽(yáng)輻射功率為1361W/m2。電池翼通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向，確保最大受光面積。問題3：（1）計(jì)算單塊電池板的最大輸出電功率；（2）若空間站運(yùn)行軌道高度400km，繞地球周期90分鐘，地球半徑6400km，求空間站的運(yùn)行速度。解析：（1）入射總功率P入=1361W/m2×50m2=68050W，輸出電功率P出=ηP入=0.32×68050≈21776W≈21.8kW。（2）軌道半徑r=R+h=6400km+400km=6800km=6.8×10?m，由萬有引力提供向心力：GMm/r2=mv2/r，又GM=gR2（黃金代換），則v=√(gR2/r)=√(10×(6.4×10?)2/6.8×10?)≈7.8km/s。問題4：空間站機(jī)械臂采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其原理可簡(jiǎn)化為矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)。已知線圈匝數(shù)1000匝，面積0.02m2，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度0.5T，轉(zhuǎn)速3000r/min。求：（1）線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值；（2）若采用正弦式電流給線圈供電，頻率50Hz，求線圈平面與中性面夾角為60°時(shí)的瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)。解析：（1）轉(zhuǎn)速n=3000r/min=50r/s，角速度ω=2πn=100πrad/s，Em=NBSω=1000×0.5×0.02×100π≈3140V。（2）瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)e=Emsin(ωt+φ)，當(dāng)φ=60°時(shí)，e=3140sin(100πt+π/3)V，此時(shí)瞬時(shí)值e=3140×sin60°≈2717V。情境三：智能建筑的能源管理系統(tǒng)某綠色建筑采用地源熱泵系統(tǒng)供暖，利用地下土壤恒溫特性（15℃）與室內(nèi)（25℃）進(jìn)行熱交換。系統(tǒng)COP（性能系數(shù)）為4.5，即消耗1kW電能可獲得4.5kW的熱量。建筑供暖負(fù)荷為120kW，采用水作為傳熱介質(zhì)，水的比熱容4.2×103J/(kg·℃)。問題5：（1）計(jì)算系統(tǒng)的電功率消耗；（2）若地下水流量為50kg/s，求水在換熱器中的溫度變化。解析：（1）COP=Q吸/W電，故W電=Q吸/COP=120kW/4.5≈26.7kW。（2）Q吸=cmΔt，即120×103W=4.2×103J/(kg·℃)×50kg/s×Δt，解得Δt=120000/(4.2×103×50)≈0.57℃。問題6：建筑中的風(fēng)力發(fā)電幕墻由多個(gè)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成。單個(gè)發(fā)電機(jī)葉輪直徑0.6m，風(fēng)能利用系數(shù)0.4（即轉(zhuǎn)化為電能的功率與風(fēng)的動(dòng)能功率之比）。當(dāng)風(fēng)速為8m/s時(shí)，空氣密度1.2kg/m3。求：（1）單個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出電功率；（2）若要滿足建筑20%的供暖用電需求，需安裝多少臺(tái)這樣的發(fā)電機(jī)。解析：（1）風(fēng)的動(dòng)能功率P風(fēng)=1/2ρSv3=1/2×1.2×(πr2)×v3=0.5×1.2×π×0.32×83≈86.8W，輸出電功率P電=0.4×86.8≈34.7W。（2）供暖用電26.7kW，20%需求為5340W，需安裝臺(tái)數(shù)n=5340W/34.7W≈154臺(tái)。情境四：醫(yī)療影像技術(shù)中的物理原理2025年新型MRI（核磁共振成像）設(shè)備主磁體產(chǎn)生1.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，氫原子核（質(zhì)子）在磁場(chǎng)中發(fā)生旋進(jìn)。質(zhì)子的旋磁比γ=2.675×10?rad/(T·s)，通過射頻脈沖激發(fā)質(zhì)子產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。問題7：（1）計(jì)算質(zhì)子的旋進(jìn)頻率（拉莫爾頻率）；（2）若射頻線圈匝數(shù)50匝，面積0.01m2，通入頻率與質(zhì)子旋進(jìn)頻率相同的交變電流，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值0.01T，求線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值。解析：（1）拉莫爾頻率f=γB/(2π)=2.675×10?×1.5/(2×3.14)≈63.8MHz。（2）角速度ω=2πf=γB=2.675×10?×1.5≈4.01×10?rad/s，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Em=NBSω=50×0.01×0.01×4.01×10?≈2.01×10?V=201kV。問題8：CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）設(shè)備中，X射線管的電子經(jīng)高壓加速后撞擊鎢靶產(chǎn)生X射線。已知加速電壓120kV，電子電荷量1.6×10?1?C，質(zhì)量9.1×10?31kg。求：（1）電子到達(dá)靶材時(shí)的動(dòng)能；（2）電子的速度大?。ㄏ鄬?duì)論效應(yīng)可忽略）。解析：（1）動(dòng)能Ek=eU=1.6×10?1?C×120×103V=1.92×10?1?J。（2）由Ek=1/2mv2，得v=√(2Ek/m)=√(2×1.92×10?1?/9.1×10?31)≈2.05×10?m/s。情境五：量子通信中的單光子探測(cè)技術(shù)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星2025年搭載的單光子探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)800nm光子的探測(cè)。光子能量E=hν，普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，光速c=3×10?m/s。問題9：（1）計(jì)算該波長(zhǎng)光子的能量；（2）若探測(cè)器靈敏度為每秒可探測(cè)100個(gè)光子，求探測(cè)器接收到的最小光功率。解析：（1）光子頻率ν=c/λ=3×10?m/s/(800×10??m)=3.75×101?Hz，能量E=hν=6.63×10?3?×3.75×101?≈2.486×10?1?J≈2.49×10?1?J。（2）光功率P=NE/t=100×2.486×10?1?J/1s≈2.49×10?1?W。問題10：量子密鑰分發(fā)中，光子偏振態(tài)通過偏振片進(jìn)行調(diào)制。若水平偏振光子通過與水平方向成30°角的偏振片，求透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比（馬呂斯定律：I=I?cos2θ）。解析：根據(jù)馬呂斯定律，I/I?=cos230°=(√3/2)2=3/4=