2025年高二物理下學(xué)期跨學(xué)科綜合測(cè)試（物理與信息技術(shù)）一、理論綜合題（共40分）（一）傳感器原理與物理量測(cè)量（15分）溫度傳感器的物理機(jī)制某實(shí)驗(yàn)小組使用NTC熱敏電阻傳感器測(cè)量水溫變化，其電阻值隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律減小。已知該傳感器在25℃時(shí)電阻為5kΩ，溫度系數(shù)α=-0.04/℃。若將其接入如圖1所示的惠斯通電橋電路，其中R?=R?=10kΩ，R?為可變電阻，電源電壓U=5V。當(dāng)水溫升至50℃時(shí)，電橋輸出電壓ΔU與溫度的關(guān)系可表示為：[\DeltaU=\frac{U}{4}\cdot\frac{\DeltaR}{R_0}]式中ΔR為電阻變化量，R?為基準(zhǔn)電阻。請(qǐng)計(jì)算此時(shí)的輸出電壓，并分析若改用PTC熱敏電阻（正溫度系數(shù)）會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生哪些影響？光電傳感器的能量轉(zhuǎn)換智能手機(jī)攝像頭模組中的CMOS圖像傳感器包含1000萬(wàn)像素感光單元，每個(gè)單元尺寸為1.4μm×1.4μm。已知可見光波長(zhǎng)范圍為400-760nm，當(dāng)傳感器工作在f/1.8光圈（通光孔徑直徑d=5mm）時(shí)，（1）計(jì)算單個(gè)感光單元接收到的光子能量范圍；（2）若某像素在0.1秒曝光時(shí)間內(nèi)累計(jì)接收1.2×10?個(gè)光子，估算其產(chǎn)生的光電流大小（電子電荷量e=1.6×10?1?C）。（二）虛擬實(shí)驗(yàn)與物理規(guī)律驗(yàn)證（15分）天體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬在引力場(chǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，學(xué)生構(gòu)建了"雙星系統(tǒng)+行星"模型：兩顆恒星質(zhì)量分別為M?=2×103?kg、M?=1.5×103?kg，相距L=3×1011m，行星質(zhì)量m=5×102?kg繞雙星系統(tǒng)質(zhì)心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。（1）推導(dǎo)行星軌道半徑r與周期T的關(guān)系；（2）若模擬軟件采用歐拉法迭代計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)Δt=1地球日，初始速度設(shè)置誤差對(duì)軌道穩(wěn)定性的影響體現(xiàn)了混沌理論的什么特征？電磁感應(yīng)現(xiàn)象的可視化分析使用PhET仿真軟件觀察如圖2所示的實(shí)驗(yàn)：矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以角速度ω=2πrad/s繞垂直磁場(chǎng)的軸旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.5T，線圈面積S=0.2m2，匝數(shù)N=50。軟件實(shí)時(shí)顯示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e-t圖像，其峰值e?=NBSω。若在軟件中添加電阻R=10Ω和電容C=100μF的串聯(lián)電路，（1）計(jì)算電路的時(shí)間常數(shù)τ；（2）分析此時(shí)的電流波形與純電阻電路相比有何變化，并解釋相位滯后的物理本質(zhì)。（三）數(shù)據(jù)處理與誤差分析（10分）平拋運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化測(cè)量某同學(xué)使用超聲波測(cè)距傳感器（采樣頻率50Hz）記錄小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡，得到如表1所示數(shù)據(jù)（x為水平距離，y為豎直距離）：時(shí)間t/s0.020.040.060.080.10x/m0.120.240.350.470.59y/m0.0020.0080.0180.0320.050（1）用最小二乘法擬合x-t和y-t2曲線，求出初速度v?和重力加速度g的測(cè)量值；（2）若傳感器測(cè)距誤差Δx=±0.01m，計(jì)算重力加速度的相對(duì)誤差。二、實(shí)驗(yàn)操作題（共30分）（一）傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（15分）單擺周期的自動(dòng)化測(cè)量實(shí)驗(yàn)器材：?jiǎn)螖[裝置（擺長(zhǎng)可調(diào)）、霍爾傳感器（靈敏度10mV/mT）、強(qiáng)磁鐵、數(shù)據(jù)采集器（采樣率1kHz）、計(jì)算機(jī)。（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用霍爾傳感器檢測(cè)擺球通過(guò)平衡位置的時(shí)刻，要求畫出裝置示意圖并說(shuō)明工作原理；（2）若采集到的電壓信號(hào)如圖3所示，其中脈沖信號(hào)寬度Δt=0.01s，相鄰脈沖間隔T?=1.20s、T?=1.18s、T?=1.22s，計(jì)算單擺周期的最佳估計(jì)值；（3）分析擺角θ對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，說(shuō)明為何當(dāng)θ<5°時(shí)可近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。（二）虛擬仿真操作（15分）熱力學(xué)過(guò)程的模擬分析在"熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室"中完成以下任務(wù)：（1）構(gòu)建1mol理想氣體的等溫膨脹模型，初始狀態(tài)p?=2atm、V?=10L，終態(tài)V?=30L，通過(guò)軟件測(cè)量不同過(guò)程路徑（①勻速膨脹、②先加速后減速膨脹）的功和熱量變化，驗(yàn)證熱力學(xué)第一定律；（2）若軟件采用剛性球分子模型（分子直徑d=3×10?1?m），計(jì)算氣體在300K時(shí)的平均自由程λ，并分析當(dāng)模擬時(shí)間步長(zhǎng)從10?12s增大到10?1?s時(shí)，對(duì)分子碰撞頻率計(jì)算結(jié)果的影響。三、項(xiàng)目探究題（共30分）（一）智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)（15分）光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置某小組設(shè)計(jì)的智能窗簾系統(tǒng)包含：核心元件：光照傳感器（輸出0-5V對(duì)應(yīng)0-10000lux）、步進(jìn)電機(jī)（步距角1.8°，減速比10:1）、Arduino控制器控制邏輯：當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)5000lux時(shí)，窗簾自動(dòng)關(guān)閉；低于2000lux時(shí)打開，中間區(qū)間保持狀態(tài)（1）繪制系統(tǒng)框圖，說(shuō)明各模塊的物理作用（如傳感器的光電效應(yīng)、電機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)原理）；（2）編寫光照強(qiáng)度采樣的程序片段（使用analogRead函數(shù)，參考電壓5V，10位AD轉(zhuǎn)換）；（3）若窗簾軌道長(zhǎng)度1.5m，電機(jī)每轉(zhuǎn)帶動(dòng)窗簾移動(dòng)10cm，計(jì)算完全關(guān)閉所需的脈沖數(shù)。（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信息化處理（15分）彈簧振子的非線性特性研究提供某實(shí)驗(yàn)小組使用力傳感器（量程±5N，精度0.5%）和位移傳感器（分辨率0.01mm）采集的彈簧振子數(shù)據(jù)文件（data.csv），包含時(shí)間（t）、拉力（F）、位移（x）三列數(shù)據(jù)共1000組。要求：（1）使用Python或Excel軟件繪制F-x滯回曲線，說(shuō)明如何通過(guò)曲線包圍面積計(jì)算機(jī)械能耗散；（2）當(dāng)振子質(zhì)量m=0.5kg，振幅A從2cm增大到5cm時(shí)，共振頻率從1.2Hz變?yōu)?.0Hz，分析該現(xiàn)象是否符合胡克定律，并推測(cè)可能的非線性因素；（3）若采樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)存在50Hz工頻干擾，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波方案并解釋其物理原理。四、開放創(chuàng)新題（共20分）基于AI的物理實(shí)驗(yàn)分析某研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的"實(shí)驗(yàn)助手"AI系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別實(shí)驗(yàn)視頻中的物理量?，F(xiàn)有一段斜面上小球滾動(dòng)的視頻（幀率30fps，分辨率1920×1080），（1）說(shuō)明AI系統(tǒng)從視頻中提取小球位置坐標(biāo)的圖像處理步驟（至少包含3個(gè)關(guān)鍵算法）；（2）若視頻中存在光照變化導(dǎo)致的像素值波動(dòng)，可采用哪些物理建模方法提高測(cè)量精度？（3）設(shè)計(jì)一個(gè)跨學(xué)科探究項(xiàng)目，要求結(jié)合電磁感應(yīng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，研究"無(wú)線充電系統(tǒng)的效率優(yōu)化"，寫出項(xiàng)目實(shí)施步驟和預(yù)期成果。參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（略）