2025年高三物理上學(xué)期“物理合成生物學(xué)”中的物理知識考查卷一、選擇題（共10小題，每題5分，共50分）（一）單選題生物傳感器中的電學(xué)測量在合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常用微電極陣列檢測細(xì)胞膜電位變化。若某細(xì)胞膜兩側(cè)存在勻強(qiáng)電場，場強(qiáng)大小為5×10?V/m，膜厚度為8nm（1nm=10??m），則膜兩側(cè)的電勢差為（）A.0.4VB.4×10??VC.1.6×10??VD.2×10?3VDNA分子的力學(xué)特性DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可視為彈性桿模型，其拉伸形變遵循胡克定律。若某DNA片段的勁度系數(shù)k=1.2×10??N/m，在外力作用下伸長量Δx=0.5μm（1μm=10??m），則該過程中外力做功為（）A.1.5×10?21JB.3×10?21JC.6×10?21JD.1.2×10?2?J生物膜的流體力學(xué)特性細(xì)胞膜具有流動性，其磷脂雙分子層的黏滯系數(shù)η=10?3Pa·s。若某種蛋白質(zhì)分子在膜內(nèi)做布朗運(yùn)動，其擴(kuò)散系數(shù)D=k?T/(6πηr)（k?為玻爾茲曼常量，T為熱力學(xué)溫度，r為分子半徑），在300K時(shí)（k?T≈4.14×10?21J），半徑r=5nm的蛋白質(zhì)分子擴(kuò)散系數(shù)為（）A.4.4×10?11m2/sB.8.8×10?11m2/sC.1.76×10?1?m2/sD.3.52×10?1?m2/s基因測序中的光學(xué)原理合成生物學(xué)中常用熒光標(biāo)記法測定DNA序列，某熒光分子的激發(fā)波長λ?=488nm，發(fā)射波長λ?=520nm（普朗克常量h=6.63×10?3?J·s，光速c=3×10?m/s），則發(fā)射光子的能量比激發(fā)光子（）A.大1.6×10?2?JB.小1.6×10?2?JC.大2.1×10?1?JD.小2.1×10?1?JPCR擴(kuò)增的熱循環(huán)過程聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）中，DNA雙鏈需在95℃下解旋（溫度T?=368K），在55℃下退火（T?=328K）。若反應(yīng)體系的定容比熱容c=4.2×103J/(kg·K)，每次循環(huán)中1mL反應(yīng)液（質(zhì)量m=1g）的溫度變化過程中，吸收或釋放的熱量約為（）A.168JB.210JC.378JD.420J（二）多選題生物力學(xué)中的能量轉(zhuǎn)換ATP水解是細(xì)胞內(nèi)的能量供應(yīng)機(jī)制，1分子ATP水解可釋放能量E?=30.5kJ/mol。若某細(xì)胞每秒消耗10?個(gè)ATP分子，其功率P可表示為（N?為阿伏伽德羅常量，N?≈6.02×1023mol?1）（）A.P=E?×10?/(N?×1s)B.P≈5.07×10?11WC.若細(xì)胞效率為30%，則輸出功率為1.52×10?11WD.該功率相當(dāng)于10?1?N的力以1μm/s速度做功生物電現(xiàn)象的電路模型神經(jīng)細(xì)胞膜可等效為RC串聯(lián)電路，其中膜電容C=1μF，膜電阻R=10?Ω。下列說法正確的有（）A.時(shí)間常數(shù)τ=RC=1sB.充電過程中，電流隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減C.若膜電位從0升至-70mV，電源電動勢至少為70mVD.該模型可解釋動作電位的產(chǎn)生機(jī)制合成生物學(xué)中的熱力學(xué)分析某生物合成反應(yīng)在37℃（T=310K）下進(jìn)行，ΔH=-20kJ/mol，ΔS=-50J/(mol·K)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列判斷正確的有（）A.該反應(yīng)的ΔG=ΔH-TΔS=-4.5kJ/molB.反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行C.低溫下反應(yīng)更易自發(fā)D.反應(yīng)的熵變不利于自發(fā)進(jìn)行二、實(shí)驗(yàn)題（共20分）基于霍爾效應(yīng)的生物傳感器設(shè)計(jì)某研究小組利用霍爾效應(yīng)檢測細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度。將半導(dǎo)體薄片（厚度d=0.1mm，寬度b=1mm）置于勻強(qiáng)磁場B中，通入電流I=10mA，當(dāng)細(xì)胞液中的Ca2?通過薄片時(shí)，形成霍爾電壓U_H。（1）若霍爾系數(shù)R_H=10?3m3/C，磁場B=0.5T，計(jì)算空載時(shí)的霍爾電壓U_H=V（U_H=R_HIB/d）。（2）實(shí)驗(yàn)中觀察到U_H隨Ca2?濃度增大而線性增大，其原因是_______________。（3）若測量電路的內(nèi)阻r=1kΩ，電壓表量程為10mV，為使測量誤差小于5%，電壓表內(nèi)阻R_V應(yīng)滿足__________（寫出表達(dá)式并計(jì)算結(jié)果）。三、計(jì)算題（共30分）DNA分子的電泳遷移在瓊脂糖凝膠電泳中，DNA分子在電場中做定向運(yùn)動。已知某雙鏈DNA分子的電荷量q=2eN（e=1.6×10?1?C，N為堿基對數(shù)），所受黏滯阻力f=6πηrv（η為凝膠黏滯系數(shù)，r為分子半徑，v為遷移速度）。（1）若電場強(qiáng)度E=100V/m，DNA分子的遷移速度v=2μm/s，求其遷移率μ=v/E（單位：m2/(V·s)）。（2）若該DNA分子含N=10?個(gè)堿基對，分子長度L=0.34nm×N，橫截面積S=πr2，DNA的線密度ρ=2×10?1?kg/m，求其半徑r及黏滯阻力f（η=10Pa·s）。生物膜的滲透壓平衡植物細(xì)胞在合成生物學(xué)研究中常作為受體細(xì)胞。當(dāng)細(xì)胞置于濃度為c的蔗糖溶液中，若細(xì)胞液初始濃度c?=0.3mol/L，外界溶液體積遠(yuǎn)大于細(xì)胞液體積，細(xì)胞膜的滲透系數(shù)k=0.5×10?12m3/(s·Pa)，滲透壓π=RT(c-c?)（R=8.31J/(mol·K)，T=300K）。（1）計(jì)算當(dāng)外界蔗糖溶液濃度c=0.5mol/L時(shí)，細(xì)胞的初始吸水速率v=kπ。（2）若細(xì)胞體積V?=10?1?m3，忽略細(xì)胞體積變化對濃度的影響，估算達(dá)到滲透平衡所需時(shí)間t（v=ΔV/Δt，ΔV≈V?(c-c?)/c?）。四、綜合應(yīng)用題（共50分）合成生物學(xué)中的能量代謝網(wǎng)絡(luò)某人工合成細(xì)胞的能量代謝過程包含三個(gè)環(huán)節(jié)：①光能驅(qū)動質(zhì)子泵：每吸收1個(gè)波長λ=680nm的光子，可將1個(gè)H?泵出細(xì)胞膜，形成跨膜質(zhì)子濃度梯度；②質(zhì)子通過ATP合酶回流：H?順濃度梯度回流時(shí)，驅(qū)動ATP合成，每3個(gè)H?生成1個(gè)ATP；③ATP水解供能：用于合成目標(biāo)蛋白質(zhì)，每個(gè)氨基酸的活化需消耗2個(gè)ATP。（1）計(jì)算環(huán)節(jié)①中光子的能量轉(zhuǎn)化效率η?（H?跨膜運(yùn)輸?shù)碾妱菽堞=eU，膜電位U=0.1V）。（2）若該細(xì)胞每秒吸收101?個(gè)光子，求環(huán)節(jié)②中ATP的合成速率及環(huán)節(jié)③中氨基酸的最大活化速率（不考慮能量損耗）。（3）若目標(biāo)蛋白質(zhì)含1000個(gè)氨基酸，計(jì)算合成1mol該蛋白質(zhì)所需的光照時(shí)間（N?=6.02×1023mol?1）?；蚓庉嬛械募{米操作技術(shù)CRISPR-Cas9系統(tǒng)的基因編輯過程需通過納米機(jī)械手完成DNA切割。某納米機(jī)械手的末端執(zhí)行器可視為半徑r=50nm的球形探針，在溶液中移動時(shí)所受的斯托克斯阻力f=6πηrv。（1）若探針以速度v=10μm/s移動，η=10?3Pa·s，求其所需驅(qū)動力F=f。（2）當(dāng)探針接觸DNA分子時(shí)，需施加力F=10?12N以克服DNA的彈性力。若DNA的勁度系數(shù)k=10??N/m，求探針的最大形變量Δx。（3）若納米機(jī)械手的定位精度要求Δx≤1nm，驅(qū)動電壓U=5V，壓電陶瓷的位移系數(shù)d=10?1?m/V，求所需最小電壓調(diào)節(jié)量ΔU。五、拓展探究題（共20分）物理合成生物學(xué)的跨學(xué)科應(yīng)用（1）在合成生物學(xué)中，常利用“生物樂高”（BioBrick）標(biāo)準(zhǔn)元件構(gòu)建基因回路。從物理學(xué)角度，說明標(biāo)準(zhǔn)元件