2025年高二物理上学期项目式学习评价卷（二）

2025年高二物理上学期项目式学习评价卷（二）一、情境探究题（共40分）情境背景某科技小组计划设计一款“智能家居节能系统”，核心装置为可调节角度的太阳能电池板和智能温控电路。系统需通过传感器采集光照强度、环境温度等数据，自动优化电池板倾角和电路功率分配，实现能源高效利用。请结合电磁学、热力学及机械运动知识，完成以下探究任务。任务1：太阳能电池板的倾角优化（15分）情境描述：太阳能电池板的发电效率与太阳光线入射角θ（光线与电池板平面法线的夹角）密切相关，理想情况下效率公式为η=η₀cosθ（η₀为垂直入射时的效率）。某地区秋分日正午太阳高度角为45°（太阳光线与水平面夹角），电池板可绕水平轴旋转，支架高度可调节。问题：（1）若电池板与水平面的夹角为α，推导太阳光线入射角θ与α的关系式；（5分）（2）计算秋分日正午时，使η最大的α值，并说明若某天正午太阳高度角变为60°，α应如何调整；（6分）（3）实际安装时发现，电池板倾角还需考虑冬季积雪滑落问题，若积雪能沿板面向下滑动的临界条件为板面对积雪的静摩擦力等于重力沿斜面的分力，已知积雪与板面间的动摩擦因数μ=0.3，求确保积雪滑落的最小α值。（4分）评分标准：（1）正确画出几何关系图，推导出θ=|45°-α|（3分）；说明θ越小，cosθ越大（2分）。（2）α=45°时θ=0，η最大（3分）；太阳高度角60°时，α需调整为60°（3分）。（3）根据平衡条件μmgcosα=mgsinα，解得α=arctan0.3≈16.7°（公式2分，结果2分）。任务2：智能温控电路的设计（25分）情境描述：温控电路核心为半导体致冷片（TEC），其工作原理是：当电流I通过TEC时，热量从冷端（室内）转移到热端（室外），转移功率P=αI-κΔT（α为塞贝克系数，κ为热导系数，ΔT为两端温差）。已知电源电动势E=12V，内阻r=2Ω，TEC的等效电阻R=4Ω，α=0.05W/A，κ=0.02W/℃。问题：（1）画出电路简图，计算电路总电流I及TEC两端的电压U；（8分）（2）若室内外温差ΔT=20℃，求TEC的实际制冷功率P；若要使ΔT增大到30℃，需串联还是并联一个电阻？计算电阻值；（10分）（3）电路中串联一个滑动变阻器，当环境温度降低时，如何调节变阻器使制冷功率减小？用公式说明理由。（7分）评分标准：（1）正确画出串联电路（电源、TEC、内阻）（3分）；I=E/(R+r)=12/(4+2)=2A（2分）；U=E-Ir=12-2×2=8V（3分）。（2）P=αI-κΔT=0.05×2-0.02×20=1-0.4=0.6W（4分）；ΔT增大需减小I，应串联电阻（2分）；由ΔT=30℃时P=αI-κΔT=0（制冷与散热平衡），解得I=12A（2分），总电阻R总=E/I=1Ω，矛盾，说明需重新分析：实际中ΔT增大时P需增大，应减小外电阻，故并联电阻（2分）。（3）减小制冷功率需减小I，应增大变阻器电阻（3分）；由I=E/(R+r+R变)，R变增大→I减小→P=αI-κΔT减小（4分）。二、实验设计题（共30分）任务：测量动摩擦因数的创新实验（30分）情境描述：传统测量动摩擦因数的实验需用斜面和打点计时器，操作复杂。某同学设计了新方案：将一质量m=0.5kg的物块用轻绳连接，绳另一端绕过定滑轮悬挂质量M=0.2kg的钩码，释放后物块在水平桌面滑行，用智能手机拍摄物块运动视频，通过视频分析软件得到其v-t图像（如图1）。问题：（1）实验中是否需要满足M远小于m？说明理由；（5分）（2）根据v-t图像（图1），计算物块滑行的加速度a及滑行距离x；（8分）（3）推导动摩擦因数μ的表达式，结合数据计算μ值（g=10m/s²，不计滑轮摩擦及空气阻力）；（10分）（4）若实验中发现钩码落地后物块继续滑行，如何改进数据处理以减小误差？（7分）评分标准：（1）不需要（2分）；因为本实验通过v-t图像直接求加速度，无需近似（3分）。（2）从图像中读取初速度v₀=2m/s，末速度v=0，时间t=1s，a=(v-v₀)/t=-2m/s²（4分）；x=v₀t+½at²=2×1+½×(-2)×1²=1m（4分）。（3）对物块：T-μmg=ma；对钩码：Mg-T=Ma（4分）；联立得μ=(Mg-(M+m)a)/(mg)=(0.2×10-0.7×(-2))/(0.5×10)=0.76（公式4分，结果2分）。（4）分段处理v-t图像：钩码落地前物块做匀加速运动，落地后做匀减速运动（3分）；分别求两段加速度，联立方程消去T（4分）。三、综合计算题（共30分）情境背景某“电磁弹射玩具车”项目中，玩具车内置矩形线圈（匝数N=100，面积S=0.02m²，电阻R=5Ω），轨道间存在垂直轨道平面的匀强磁场B=0.5T。当线圈通入电流时，安培力推动小车加速，已知小车质量m=0.2kg，运动时所受阻力f=0.1N。问题（1）若通入恒定电流I=2A，求线圈所受安培力的大小及小车的加速度；（6分）（2）若电流随时间变化规律为I=kt（k=0.5A/s），求t=4s时小车的速度（假设小车从静止开始运动，且始终在磁场中）；（12分）（3）实际发射时，线圈通过滑轨与电源连接，若电源输出功率P=20W，求小车的最大速度（此时加速度为0）。（12分）评分标准：（1）安培力F=NBIL（此处L为线圈垂直电流方向的边长，S=Ld，因未给边长，需用F=NBI(S/d)×d=NBIS，得F=100×0.5×2×0.02=2N（3分）；a=(F-f)/m=(2-0.1)/0.2=9.5m/s²（3分）。（2）F(t)=NBIS=100×0.5×kt×0.02=0.5kt（2分）；加速度a(t)=(F(t)-f)/m=(0.5kt-0.1)/0.2=2.5kt-0.5（3分）；速度v=∫₀⁴a(t)dt=∫₀⁴(2.5×0.5t-0.5)dt=∫₀⁴(1.25t-0.5)dt=[0.625t²-0.5t]₀⁴=0.625×16-0.5×4=10-2=8m/s（积分公式3分，计算4分）。（3）最大速度时F=f=0.1N，由F=NBIS得I=F/(NBS)=0.1/(100×0.5×0.02)=0.1A（4分）；电源输出功率P=UI=I²(R+r)，因轨道电阻r未知，假设r=0，则U=P/I=200V（4分）；v=P/(F+f)=20/(0.1+0.1)=100m/s（4分）。四、拓展应用题（共20分）情境描述某同学发现，智能家居系统中常用霍尔传感器检测门窗开合状态。霍尔元件是一块半导体薄片，当电流I流过薄片，且垂直于薄片施加磁场B时，在垂直于I和B的方向会产生霍尔电压U_H=k(IB/d)（k为霍尔系数，d为薄片厚度）。问题（1）若霍尔元件中载流子为电子，判断图2中霍尔电压的正负接线柱（左或右）；（5分）（2）已知某霍尔传感器的k=1.2×10⁻⁴V·m/(A·T)，d=0.1mm，当门窗关闭时磁场B=0.4T，电路中电流I=5mA，求此时U_H；（8分）（3）若门窗开启时B减小，U_H随之变化，为将U_H转换为开关信号，需设计一个比较电路，当U_H>0.2V时输出高电平（门窗关闭），否则输出低电平（门窗开启）。请在图3中补全电路（需标注电源、比较器、电阻等元件）。（7分）评分标准：（1）根据左手定则，电子受洛伦兹力向左偏转，右侧电势高，右为正接线柱（5分）。（2）U_H=k(IB/d)=1.2×10⁻⁴×(5×10⁻³×0.4)/(0.1×10⁻³)=0.24V（公式4分，单位换算2分，结果2分）。（3）正确画出比较器电路：霍尔元件输出端接比较器同相输入端，反相输入端接0.2V参考电压（分压电路实现），电源电压≥5V，输出端接上拉电阻（元件标注3分，电路逻辑4分）。五、开放性实践题（共30分）任务：设计“节能系统性能评估方案”（30分）要求：结合上述情境，设计一个实验方案，评估智能家居节能系统的综合性能，需包含以下内容：（1）明确至少3个核心评估指标（如“日均发电量”“温控响应时间”等）；（9分）（2）针对其中1个指标，设计具体测量步骤（需说明实验器材、数据记录方法及误差控制措施）；（12分）（3）分析系统可能存在的能量损耗环节，并提出改进建议（至少2点）。（9分）评分标准：（1）指标合理且可测量，如：①太阳能电池板日均发电量；②温控系统的温度调节精度；③系统整体能耗转化率（每个指标3分）。（2）以“日均发电量”为例：器材：功率计、计时器、光照强度记录仪（2分）；步骤：连续7天记录每小时