2025年高考物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)試題實(shí)驗(yàn)一：新能源汽車動(dòng)能回收系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)背景與目的隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)原理在動(dòng)能回收系統(tǒng)中的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)要求利用渦流制動(dòng)原理設(shè)計(jì)測量裝置，探究磁感應(yīng)強(qiáng)度與制動(dòng)電流的關(guān)系，理解新能源汽車減速過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率問題。二、實(shí)驗(yàn)器材可調(diào)速直流電機(jī)（模擬汽車驅(qū)動(dòng)輪）、U型電磁鐵（鐵芯截面積S=0.02m2）、銅質(zhì)制動(dòng)圓盤（半徑r=0.1m，電阻R=0.5Ω）、光電門傳感器、數(shù)字萬用表、力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)。三、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)制動(dòng)圓盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，切割電磁鐵產(chǎn)生的磁感線，在圓盤內(nèi)形成渦流，渦流在磁場中受安培力作用產(chǎn)生制動(dòng)torque。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢E=BωS（ω為角速度），結(jié)合閉合電路歐姆定律I=E/R，可得I=BωS/R。通過測量不同轉(zhuǎn)速下的電流與制動(dòng)力矩，可建立B與I的定量關(guān)系。四、實(shí)驗(yàn)步驟裝置搭建：將制動(dòng)圓盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，確保圓盤部分區(qū)域處于電磁鐵兩極間；力傳感器安裝在制動(dòng)圓盤邊緣切線方向，用于測量制動(dòng)力F。參數(shù)測量：調(diào)節(jié)電磁鐵線圈電流，使磁感應(yīng)強(qiáng)度B分別為0.1T、0.2T、0.3T（通過特斯拉計(jì)預(yù)先校準(zhǔn)）；控制電機(jī)轉(zhuǎn)速ω（范圍50-300rad/s），記錄光電門測得的周期T，計(jì)算ω=2π/T；用萬用表測量不同ω下的渦流電流I，同時(shí)記錄力傳感器示數(shù)F，計(jì)算制動(dòng)功率P=F·ωr。數(shù)據(jù)處理：繪制I-ω圖像，分析斜率k與B的關(guān)系，驗(yàn)證I∝B的理論假設(shè)。五、誤差分析與改進(jìn)系統(tǒng)誤差：圓盤電阻隨溫度升高而變化，可采用恒溫裝置控制環(huán)境溫度；偶然誤差：轉(zhuǎn)速測量波動(dòng)較大，建議每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)測量3次取平均值；創(chuàng)新改進(jìn)：若用霍爾傳感器直接測量B，可減少因電磁鐵磁性不均勻?qū)е碌恼`差。六、拓展探究若將制動(dòng)圓盤替換為鋁質(zhì)材料（電阻率更高），分析對(duì)渦流電流及制動(dòng)效率的影響，結(jié)合新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)討論材料選擇的權(quán)衡。實(shí)驗(yàn)二：遠(yuǎn)距離高壓輸電節(jié)能模擬實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)背景與目的高壓輸電是減少線路損耗的關(guān)鍵技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比低壓與高壓輸電模式下的功率損耗，驗(yàn)證P損=I2R的規(guī)律，并探究變壓器變壓比與節(jié)能效率的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)器材學(xué)生電源（交流12V）、可調(diào)變壓器T1（原副線圈匝數(shù)比1:5）、T2（原副線圈匝數(shù)比5:1）、電阻箱（模擬輸電線電阻R=10Ω）、6V燈泡（模擬用戶負(fù)載）、交流電流表（量程0-500mA）、電壓表（量程0-20V）。三、實(shí)驗(yàn)原理低壓輸電：電源直接向負(fù)載供電，輸電電流I1=U1/(R+RL)，線路損耗P損1=I12R；高壓輸電：通過T1升壓至U2=n2U1/n1，再經(jīng)T2降壓至U3=n4U2/n3，輸電電流I2=U2/(R+RL')，其中RL'為降壓后等效負(fù)載電阻，線路損耗P損2=I22R。四、實(shí)驗(yàn)步驟低壓輸電模式：按圖甲連接電路，電源輸出電壓U=12V，調(diào)節(jié)電阻箱使燈泡兩端電壓UL=6V，記錄電流表讀數(shù)I1=0.2A（如圖乙所示，電流表分度值為10mA，指針指在第20格），計(jì)算電源輸出功率P1=U·I1=12×0.2=2.4W，線路損耗P損1=I12R=0.22×10=0.4W。高壓輸電模式：按圖丙連接電路，保持電源電壓和電阻箱阻值不變，調(diào)節(jié)T1、T2使燈泡兩端電壓仍為6V，此時(shí)升壓后電壓U2=60V，輸電電流I2=0.04A，線路損耗P損2=0.042×10=0.016W。數(shù)據(jù)對(duì)比：計(jì)算節(jié)能效率η=(P損1-P損2)/P損1×100%=96%，驗(yàn)證高壓輸電的節(jié)能優(yōu)勢。五、關(guān)鍵問題討論若輸電線電阻R增大，高壓輸電的節(jié)能效果是否更顯著？（提示：P損∝I2，高壓輸電可大幅降低I）實(shí)際輸電中為何采用多組變壓器分級(jí)升壓？（考慮鐵芯磁飽和與絕緣材料限制）實(shí)驗(yàn)三：黏性液體中微粒運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)測量一、實(shí)驗(yàn)背景與目的在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，微粒在黏性介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（如斯托克斯定律）具有重要應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)利用頻閃攝影技術(shù)探究小球在甘油中的沉降運(yùn)動(dòng)，測量黏滯阻力系數(shù)η，并分析溫度對(duì)η的影響。二、實(shí)驗(yàn)器材透明玻璃管（長1m，內(nèi)徑5cm）、直徑d=2mm的鋼球（密度ρ=7.9×103kg/m3）、甘油（密度ρ0=1.26×103kg/m3）、頻閃相機(jī)（幀率f=50Hz）、溫控水浴槽、游標(biāo)卡尺、秒表。三、實(shí)驗(yàn)原理小球在黏性液體中受重力、浮力和黏滯阻力作用，當(dāng)加速度a=0時(shí)達(dá)到收尾速度v。根據(jù)斯托克斯定律：黏滯阻力F=6πηrv（r為小球半徑），平衡條件mg=F+F浮，即(4/3)πr3(ρ-ρ0)g=6πηrv，解得η=2r2(ρ-ρ0)g/(9v)。通過頻閃照片測量v，可計(jì)算η。四、實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備工作：將甘油注入玻璃管，置于水浴槽中，控制溫度分別為20℃、30℃、40℃；用游標(biāo)卡尺測量鋼球直徑，計(jì)算r=1mm。運(yùn)動(dòng)拍攝：釋放鋼球，同時(shí)啟動(dòng)頻閃相機(jī)，記錄小球在甘油中的沉降軌跡，獲取相鄰兩幀圖像的距離Δx，計(jì)算v=Δx·f。數(shù)據(jù)處理：20℃時(shí)測得Δx=0.5cm，v=0.5×50=25cm/s=0.25m/s；代入公式得η=2×(0.001)2×(7.9-1.26)×103×9.8/(9×0.25)≈0.58Pa·s，與標(biāo)準(zhǔn)值（0.6Pa·s）誤差<3%。五、創(chuàng)新探究若用不同直徑的塑料球（ρ=1.05×103kg/m3）重復(fù)實(shí)驗(yàn)，能否驗(yàn)證F∝r的關(guān)系？設(shè)計(jì)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)并繪制F-r圖像。實(shí)驗(yàn)四：多用電表“黑盒”故障診斷實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)背景與目的多用電表是電路故障排查的常用工具。本實(shí)驗(yàn)通過“黑盒”內(nèi)元件（電阻、二極管、電容）的組合，要求學(xué)生利用多用電表的歐姆擋、電壓擋，判斷元件類型及連接方式，培養(yǎng)電路分析與逆向推理能力。二、實(shí)驗(yàn)器材密封黑盒（內(nèi)有3個(gè)接線柱A、B、C，內(nèi)置元件為1kΩ電阻、IN4007二極管、10μF電容）、數(shù)字多用電表、直流電源（3V）、導(dǎo)線若干。三、實(shí)驗(yàn)要求判斷元件類型：用多用電表測量A-B、B-C、A-C間的電學(xué)特性，記錄不同擋位下的示數(shù)變化；繪制電路圖：根據(jù)測量數(shù)據(jù)推斷黑盒內(nèi)元件的連接方式；故障模擬：若黑盒中某元件短路，分析對(duì)測量結(jié)果的影響。四、示例測量數(shù)據(jù)與分析測量擋位A-B間示數(shù)B-C間示數(shù)A-C間示數(shù)歐姆擋×10010（穩(wěn)定）左偏至0后右偏正反向均為∞直流電壓擋0V（未接電源）0V0V推理過程：A-B間電阻恒定為10×100=1000Ω，判斷為電阻；B-C間歐姆擋正接時(shí)電容充電（指針先偏后回），反接時(shí)二極管截止（示數(shù)∞），故B-C間為二極管與電容串聯(lián)（二極管正極接B）；A-C間斷路，說明A與C無直接連接。實(shí)驗(yàn)五：平拋運(yùn)動(dòng)與電磁感應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)背景與目的將力學(xué)中的平拋運(yùn)動(dòng)與電磁感應(yīng)結(jié)合，探究復(fù)合場中帶電體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)要求測量帶電小球在重力場與磁場中的軌跡偏移量，驗(yàn)證洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。二、實(shí)驗(yàn)器材帶正電塑料小球（質(zhì)量m=0.1g，電荷量q=1×10??C）、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、傾斜導(dǎo)軌（末端水平）、勻強(qiáng)磁場裝置（B=0.5T，方向垂直紙面向外）、坐標(biāo)紙、米尺。三、實(shí)驗(yàn)原理小球從導(dǎo)軌末端平拋，初速度v?=√(2gh)（h為導(dǎo)軌高度差）。進(jìn)入磁場后，洛倫茲力F洛=qv?B提供向心力，使水平方向產(chǎn)生向心加速度，軌跡由拋物線變?yōu)槁菪€。通過測量無磁場和有磁場時(shí)的水平射程x，計(jì)算洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響。四、實(shí)驗(yàn)步驟無磁場時(shí)：讓小球從導(dǎo)軌某一高度靜止釋放，記錄打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在坐標(biāo)紙上的落點(diǎn)，測量水平射程x?=1.2m，計(jì)算v?=x?√(g/(2h))=1.2×√(9.8/(2×0.2))≈6m/s；有磁場時(shí)：開啟磁場，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測量水平射程x?=1.0m，計(jì)算偏移量Δx=x?-x?=0.2m，結(jié)合洛倫茲力公式推導(dǎo)軌跡偏移量與B的關(guān)系。五、拓展思考若磁場方向改為豎直向上，小球軌跡將如何變化？試從運(yùn)動(dòng)的合成與分解角度分析。命題趨勢與考查重點(diǎn)2025年高考物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題呈現(xiàn)三大特征：跨模塊融合：如實(shí)驗(yàn)五將平拋運(yùn)動(dòng)（力學(xué)）與洛倫茲力（電磁學(xué)）結(jié)合，