2025年高三物理上學(xué)期“物理創(chuàng)新制作”大賽理論試題一、選擇題（共5題，每題12分，共60分）1.高鐵立硬幣現(xiàn)象的力學(xué)分析某實(shí)驗(yàn)小組在復(fù)興號(hào)高鐵車廂內(nèi)觀察到“硬幣直立靜止于桌面”的現(xiàn)象。已知高鐵勻速行駛時(shí)加速度為0，啟動(dòng)階段的最大加速度為0.3m/s2，軌道曲線半徑最小為3000m。若硬幣與桌面間的靜摩擦系數(shù)μ=0.4，下列說法正確的是（）A.硬幣直立時(shí)，重力與支持力構(gòu)成一對(duì)平衡力，與摩擦力無關(guān)B.高鐵以最大加速度啟動(dòng)時(shí)，硬幣所受摩擦力大小為μmgC.高鐵轉(zhuǎn)彎時(shí)，若向心加速度達(dá)到0.2m/s2，硬幣可能發(fā)生側(cè)滑D.若桌面傾斜5°，硬幣仍能靜止，說明靜摩擦力可大于重力沿斜面的分力2.柔性太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的柔性太陽能電池采用單晶硅薄膜材料，其能量轉(zhuǎn)換效率η=22%。已知該電池在標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度（1000W/m2）下的輸出電壓為0.6V，短路電流密度為400A/m2。若將此電池制成面積為0.5m2的柔性組件，下列說法錯(cuò)誤的是（）A.該組件的最大輸出功率為132WB.短路電流時(shí)，組件的輸出功率為0C.若光照強(qiáng)度降至500W/m2，開路電壓保持不變D.組件工作時(shí)，光子能量完全轉(zhuǎn)化為電能3.量子點(diǎn)顯示技術(shù)的光學(xué)原理量子點(diǎn)是一種納米級(jí)半導(dǎo)體晶體，其發(fā)光波長隨粒徑變化（如圖1）。某量子點(diǎn)材料的禁帶寬度E與粒徑d的關(guān)系為E=1.5+2.0/d2（單位：eV，d單位：nm）。已知可見光波長范圍為400-760nm，普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，電子電荷量e=1.6×10?1?C，真空中光速c=3×10?m/s。若要使量子點(diǎn)發(fā)出紅光（波長700nm），其粒徑d約為（）A.2.0nmB.3.5nmC.5.0nmD.7.5nm4.航天器熱控系統(tǒng)的熱力學(xué)分析國際空間站的“熱管-輻射器”熱控系統(tǒng)通過工質(zhì)（氨）的相變傳遞熱量。已知氨的汽化熱L=1.35×10?J/kg，液態(tài)氨密度ρ=600kg/m3，在一根長度為2m的熱管中，氨從液態(tài)完全汽化為氣態(tài)后體積膨脹為原來的800倍。若空間站某設(shè)備的散熱功率為2000W，忽略熱損失，熱管中氨的循環(huán)流量應(yīng)為（）A.0.0015kg/sB.0.0030kg/sC.0.0045kg/sD.0.0060kg/s5.電磁懸浮軸承的力平衡某磁懸浮軸承的定子由4個(gè)對(duì)稱分布的電磁鐵組成，轉(zhuǎn)子（質(zhì)量m=0.5kg）下方裝有霍爾傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子偏移量并調(diào)節(jié)電磁鐵電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到豎直向下的干擾力F=3N時(shí)，傳感器反饋調(diào)節(jié)使電磁鐵對(duì)轉(zhuǎn)子的總磁力變?yōu)樨Q直向上的F?=8N。此時(shí)轉(zhuǎn)子的加速度大小為（）A.2m/s2B.6m/s2C.10m/s2D.16m/s2二、填空題（共5題，每題20分，共100分）6.無人機(jī)懸停的動(dòng)力學(xué)模型某四旋翼無人機(jī)總質(zhì)量m=1.2kg，每個(gè)旋翼的旋轉(zhuǎn)平面與水平面夾角θ=0°（水平飛行時(shí)θ=5°）。當(dāng)無人機(jī)懸停時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的升力方向?yàn)開_____，每個(gè)旋翼的升力大小為______N（重力加速度g=10m/s2，忽略空氣阻力）。若無人機(jī)以2m/s2的加速度豎直上升，此時(shí)總升力與總重力的合力大小為______N。7.溫差發(fā)電裝置的效率計(jì)算某小組利用塞貝克效應(yīng)設(shè)計(jì)溫差發(fā)電機(jī)，其核心為碲化鉍半導(dǎo)體材料，輸出電壓U與溫差ΔT的關(guān)系為U=0.05ΔT（單位：V/K）。若將該裝置接入一個(gè)10Ω的電阻，當(dāng)熱源溫度為373K（100℃）、冷源溫度為293K（20℃）時(shí)，電阻的發(fā)熱功率為______W；若冷源溫度不變，熱源溫度升高至473K（200℃），此時(shí)發(fā)電效率將______（填“提高”“降低”或“不變”）。8.光纖通信的信號(hào)傳輸單模光纖的纖芯直徑約9μm，折射率n?=1.45，包層折射率n?=1.44。光在光纖中傳播時(shí)，最大入射角θ（滿足全反射條件）的正弦值sinθ=______；若光信號(hào)在光纖中傳播速度為v=2.0×10?m/s，則10km光纖的信號(hào)延遲時(shí)間為______μs。9.超導(dǎo)磁體的電流計(jì)算某高溫超導(dǎo)磁體采用YBCO帶材，臨界電流密度J?=1.0×10?A/m2，帶材寬度w=4mm，厚度d=0.2mm。當(dāng)通過磁體的電流為臨界電流的80%時(shí)，電流大小為______A；若磁體線圈的總匝數(shù)N=500，線圈半徑r=0.1m，其中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=______T（真空磁導(dǎo)率μ?=4π×10??T·m/A，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。10.相變儲(chǔ)能材料的熱容量某團(tuán)隊(duì)研發(fā)的復(fù)合相變材料由石蠟（相變溫度58℃，相變潛熱L=200kJ/kg）和鋁粉（比熱容c=0.9kJ/(kg·℃)）混合而成，質(zhì)量比為3:1。1kg該材料從20℃加熱至70℃的過程中，吸收的總熱量為______kJ；若用該材料給500W的電器供電（假設(shè)能量轉(zhuǎn)化效率100%），可持續(xù)供電______分鐘。三、計(jì)算題（共6題，每題40分，共240分）11.機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)分析某工業(yè)機(jī)械臂的末端執(zhí)行器簡化模型如圖2所示：輕桿AB長L=0.5m，一端通過鉸鏈固定于A點(diǎn)，另一端B連接質(zhì)量m=2kg的夾爪。電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿AB繞A點(diǎn)在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=4rad/s，角加速度α=2rad/s2。當(dāng)桿AB與豎直方向夾角θ=30°時(shí)，求：（1）夾爪B的線速度大小和加速度大??；（2）桿AB對(duì)夾爪的作用力大小。12.電磁感應(yīng)式能量回收裝置某汽車減震器內(nèi)置電磁感應(yīng)裝置：匝數(shù)N=1000的線圈套在永久磁鐵上，磁鐵相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。已知磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T，線圈有效長度l=0.1m，電阻R=5Ω。當(dāng)汽車通過減速帶時(shí)，磁鐵相對(duì)線圈的最大速度v=2m/s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt=0.1s，假設(shè)磁通量變化均勻：（1）求線圈產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和平均電流I；（2）若能量回收效率η=60%，計(jì)算此過程回收的電能W，并估算可使汽車前燈（功率P=50W）點(diǎn)亮的時(shí)間t。13.太陽能驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)某斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理為：工質(zhì)（氦氣）在冷熱兩個(gè)氣缸間循環(huán)，經(jīng)歷等溫膨脹（吸熱）、等容放熱、等溫壓縮（放熱）、等容吸熱四個(gè)過程。已知高溫?zé)嵩礈囟萒?=500K，低溫?zé)嵩礈囟萒?=300K，工質(zhì)摩爾數(shù)n=2mol，普適氣體常量R=8.31J/(mol·K)：（1）若等溫膨脹過程中工質(zhì)體積從V?=0.01m3增至V?=0.03m3，求此過程吸收的熱量Q?；（2）若發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率P=100W，求每秒循環(huán)次數(shù)k（假設(shè)循環(huán)效率等于卡諾效率）。14.激光測(cè)距儀的誤差分析某激光測(cè)距儀向目標(biāo)發(fā)射波長λ=632.8nm的激光脈沖，接收反射信號(hào)的時(shí)間差Δt=20μs。已知儀器的時(shí)間測(cè)量誤差Δt?=±0.1μs，光速c=3×10?m/s：（1）計(jì)算目標(biāo)距離L及距離測(cè)量的絕對(duì)誤差ΔL；（2）若測(cè)距時(shí)激光束與目標(biāo)表面的夾角θ=30°，求目標(biāo)到儀器的直線距離L'（考慮余弦誤差）。15.磁懸浮列車的電磁阻力某磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)采用超導(dǎo)釘扎效應(yīng)，阻力主要來自渦流制動(dòng)。已知列車質(zhì)量M=50t，以速度v=100m/s行駛時(shí)，所受電磁阻力F=kv2，比例系數(shù)k=0.5N·s2/m2：（1）求列車的加速度大小a及減速到50m/s所需時(shí)間t；（2）若列車在水平直軌道上以額定功率P=500kW勻速行駛，求其最大速度v?。16.微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的振動(dòng)特性某MEMS加速度計(jì)的核心部件為懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)：懸臂梁長度l=100μm，彈性系數(shù)k=0.1N/m，末端質(zhì)量塊m=1×10??kg。當(dāng)加