2025年高三物理上學(xué)期“物理基因編輯”中的物理知識考查卷一、選擇題（共10小題，每小題5分，共50分。每小題只有一個選項符合題意）在CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)中，Cas9蛋白需要在sgRNA的引導(dǎo)下對特定DNA序列進行切割。若sgRNA的分子質(zhì)量為m，在細胞內(nèi)以速度v定向運動，其德布羅意波長為（）A.h/mvB.mv/hC.√(2mE_k)/hD.h/√(2mE_k)基因編輯過程中常用熒光標記技術(shù)追蹤Cas9蛋白的運動軌跡。若某熒光分子發(fā)出的光子能量為2.5eV，其波長最接近（）A.496nmB.589nmC.632nmD.700nm為提高基因編輯精度，科研人員利用光學(xué)鑷子技術(shù)固定DNA分子。若光學(xué)鑷子產(chǎn)生的激光功率為10mW，光斑直徑為2μm，其光強為（）A.3.18×10^9W/m2B.1.59×10^9W/m2C.3.18×10^6W/m2D.1.59×10^6W/m2基因測序儀中，DNA片段需要通過電場進行分離。若某DNA片段帶電量為q，在電壓為U的勻強電場中運動距離d，電場力做功為（）A.qUB.qU/dC.qEdD.qE/dCRISPR-Cas9系統(tǒng)中，sgRNA與目標DNA鏈的結(jié)合過程伴隨能量變化。若結(jié)合前的總能量為E1，結(jié)合后的總能量為E2，則（）A.E1=E2，符合能量守恒定律B.E1>E2，釋放的能量轉(zhuǎn)化為熱能C.E1<E2，需要ATP提供能量D.E1>E2，釋放的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能基因編輯實驗中常用顯微鏡觀察細胞結(jié)構(gòu)。若顯微鏡物鏡焦距為10mm，目鏡焦距為20mm，光學(xué)筒長為160mm，其放大倍數(shù)為（）A.80倍B.40倍C.20倍D.16倍為防止基因編輯工具過熱失效，需采用半導(dǎo)體制冷片降溫。若制冷片兩端電壓為12V，工作電流為2A，其電功率為（）A.6WB.12WC.24WD.48W基因編輯過程中，DNA分子在切割后會發(fā)生彈性形變。若某DNA片段的勁度系數(shù)為k，被拉伸Δx距離時的彈性勢能為（）A.1/2kΔx2B.kΔx2C.1/2k2ΔxD.k2Δx科研人員利用核磁共振技術(shù)分析基因編輯產(chǎn)物。若磁場強度為1.5T，質(zhì)子的旋磁比為2.675×10^8T^-1·s^-1，其共振頻率為（）A.40.1MHzB.60.2MHzC.40.1GHzD.60.2GHz在基因編輯工具的納米驅(qū)動系統(tǒng)中，某微型電機的輸出功率為1μW，工作效率為80%，則其輸入功率為（）A.1.25μWB.0.8μWC.1.25mWD.0.8mW二、實驗題（共2小題，共18分）（8分）某研究小組利用光鑷技術(shù)測量DNA分子的彈性系數(shù)。實驗裝置如圖所示，激光通過物鏡聚焦形成光阱捕獲DNA分子一端，另一端固定在載玻片上。當載玻片以速度v緩慢移動時，通過CCD相機記錄光阱中心與DNA分子末端的偏移量Δx。（1）若激光波長λ=532nm，物鏡數(shù)值孔徑NA=1.2，其光斑半徑r=______μm（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。（2）實驗測得不同拉力F作用下的伸長量Δx數(shù)據(jù)如下表：F（pN）2.04.06.08.010.0Δx（nm）50100150200250根據(jù)胡克定律，該DNA分子的彈性系數(shù)k=pN/nm（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。（3）實驗中發(fā)現(xiàn)，當拉力超過15pN時，Δx與F不再呈線性關(guān)系，原因是。（10分）利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計的基因傳感器可檢測Cas9蛋白的活性。如圖所示，在邊長為L的正方形線圈中，通入交變電流I=I0sinωt，在線圈中心產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B=kI（k為比例系數(shù)）。將含有Cas9蛋白的溶液置于線圈上方距離d處，蛋白切割DNA時釋放的磁矩會引起線圈磁通量變化。（1）線圈中心的磁感應(yīng)強度最大值Bm=。（2）若線圈電阻為R，其產(chǎn)生的焦耳熱功率P=。（3）當Cas9蛋白切割DNA時，線圈磁通量變化率ΔΦ/Δt=5×10^-12Wb/s，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=V。（4）為提高檢測靈敏度，可采取的措施有（寫出兩條）。三、計算題（共3小題，共42分）（12分）在基因編輯過程中，Cas9蛋白需要克服DNA分子的結(jié)合能才能完成切割。已知某DNA片段的結(jié)合能為4.8eV，Cas9蛋白的動能為6.0eV，切割后Cas9蛋白的速度變?yōu)樵瓉淼?.6倍。求：（1）Cas9蛋白的質(zhì)量m（已知電子電荷量e=1.6×10^-19C）；（2）切割過程中損失的機械能ΔE。（14分）基因測序儀中，DNA片段在電場中的運動可視為帶電粒子在勻強電場中的加速和偏轉(zhuǎn)。如圖所示，質(zhì)量為m、帶電量為q的DNA片段從靜止開始，經(jīng)過電壓U1加速后，垂直進入電壓為U2的偏轉(zhuǎn)電場（極板長L，間距d），最終打在熒光屏上。（1）求DNA片段離開加速電場時的速度v0；（2）推導(dǎo)片段在偏轉(zhuǎn)電場中的偏移量y的表達式；（3）若U1=500V，U2=100V，L=5cm，d=1cm，q=1.6×10^-19C，m=3.2×10^-25kg，求偏移量y（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。（16分）為實現(xiàn)基因編輯的精準操控，科研人員開發(fā)了“光控CRISPR”系統(tǒng)，通過激光脈沖控制Cas9蛋白的活性。已知：①激光波長λ=488nm，脈沖能量E=10μJ，脈寬τ=10ns；②Cas9蛋白的激活能量閾值W0=6.0×10^-20J；③每個激光脈沖可激活N個Cas9蛋白，且N=ηE/W0（η為能量轉(zhuǎn)化效率，取0.2）。（1）計算激光脈沖的功率P和光子數(shù)n；（2）求每個脈沖可激活的Cas9蛋白數(shù)量N；（3）若要在1s內(nèi)激活1×10^6個蛋白，激光的重復(fù)頻率f應(yīng)為多少？（4）分析當激光波長變?yōu)?32nm時，激活效率的變化情況。四、選考題（共2小題，每小題15分，考生任選一題作答）【物理3-3】基因編輯過程中的溫度控制在CRISPR-Cas9系統(tǒng)中，反應(yīng)溫度需控制在37℃±0.5℃。某恒溫裝置采用半導(dǎo)體制冷片維持溫度，其工作原理是珀爾帖效應(yīng)。已知：①裝置的散熱功率P散=k(T-T0)，k=2.0W/℃，T0為環(huán)境溫度；②半導(dǎo)體制冷效率η=0.8(Tc/Th-Tc)，Tc為冷端溫度，Th為熱端溫度；③當環(huán)境溫度T0=25℃時，裝置消耗電功率P=15W。（1）求裝置的散熱系數(shù)k；（2）計算熱端溫度Th；（3）若環(huán)境溫度升高至30℃，為維持Tc=37℃，需將電功率調(diào)整為多少？【物理3-4】基因編輯中的光學(xué)成像技術(shù)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）技術(shù)可用于觀察Cas9蛋白與DNA的相互作用。當供體熒光分子（激發(fā)波長λ1=480nm）與受體熒光分子（發(fā)射波長λ2=530nm）的距離r<10nm時，會發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致受體熒光強度增強。（1）計算供體熒光分子的能量E1和受體熒光分子的能量E2；（2）若供體和受體分子的距離r=5nm，能量轉(zhuǎn)移效率η=1/(1+(r/R0)^6)，其中R0=5nm，求能量轉(zhuǎn)