2025年高二物理下学期“我是发明家”创新设计试题

2025年高二物理下学期“我是发明家”创新设计试题一、情境化创新设计题（共60分）（一）智能家居安全系统设计随着智能家居的普及，某家庭需要一款基于物理原理的“防闯入报警装置”。现有器材：电源（电动势9V，内阻不计）、滑动变阻器（最大阻值500Ω）、压敏电阻（阻值随压力变化关系如图1所示）、理想电流表（量程0~6mA）、蜂鸣器（内阻可忽略，两端电压达到3V时发声）、定值电阻（10Ω、500Ω、1200Ω可选）及导线若干。电路设计（15分）（1）选择合适的定值电阻并说明作用；（2）在图2虚线框内完成电路图，要求压力达到500N时蜂鸣器恰好发声；（3）若用该装置检测窗户玻璃破碎时的冲击力（约200N），需如何调整电路参数？误差分析（10分）实际使用中发现，环境温度升高时蜂鸣器误触发概率增加。结合压敏电阻温度特性，解释该现象并提出改进方案。（二）新能源汽车能量回收装置某兴趣小组拟为电动自行车设计“刹车能量回收系统”，其核心是将机械能通过电磁感应转化为电能。现有器材：强磁铁（磁感应强度B=0.5T）、矩形线圈（匝数N=100，面积S=0.02m²）、滑动变阻器（0~10Ω）、理想二极管、蓄电池（电动势12V，内阻1Ω）及导线若干。原理建模（15分）（1）推导线圈以角速度ω切割磁感线时产生的感应电动势表达式；（2）若自行车刹车时线圈转速从30r/s降至0，计算全过程通过蓄电池的电荷量（假设磁通量变化均匀）；（3）说明二极管在电路中的作用，画出电流随时间变化的图像（不要求定量计算）。方案优化（20分）实验发现回收效率仅为15%，从以下角度提出改进措施：（1）机械结构：如何通过齿轮传动提高线圈转速？（2）电学参数：设计滑动变阻器的最佳接入阻值；（3）材料选择：对比硅钢片与纯铁制作线圈铁芯的效果差异。二、跨学科综合应用题（共40分）（一）生态监测浮标设计某湿地保护区需监测水位变化与光照强度，要求装置具备自供电功能。现有器材：太阳能电池板（输出电压12V，效率18%）、光敏电阻（阻值随光照强度变化关系如图3）、空心塑料浮球（体积0.01m³，质量200g）、滑动变阻器（0~20Ω）、微处理器（工作电流5mA）及导线若干。力学分析（15分）（1）计算浮球浸入水中的深度与水位变化的关系；（2）设计一套机械结构，将水位变化转化为滑动变阻器接入阻值的变化（画出示意图并说明原理）。能量管理（25分）（1）若当地日均有效光照时间为6小时，计算太阳能电池板的最小面积（假设微处理器日均耗电量0.5Wh）；（2）当光照强度低于200lx时，光敏电阻阻值突变为10kΩ，设计一个光控开关电路，使微处理器自动进入低功耗模式（电流降至0.1mA）。（二）医疗辅助器械创新为帮助行动不便者上下楼梯，某团队设计“履带式爬楼轮椅”，其核心部件是电磁制动器：当轮椅超速时，磁铁与金属履带间产生涡流制动。已知磁铁磁感应强度B=0.8T，履带等效电阻R=0.2Ω，有效长度L=0.5m。电磁制动原理（15分）（1）推导履带速度v与制动力F的关系；（2）若轮椅额定爬楼速度1m/s，计算制动时的电功率。安全性设计（25分）（1）当履带卡滞时（速度突变为0），制动电流会瞬间增大，设计一个保护电路（使用定值电阻、继电器等元件）；（2）从材料力学角度，分析履带材料需满足的杨氏模量与屈服强度要求。三、开放性探究题（共50分）（一）“双碳”目标下的物理创新结合2025年物理课程标准“绿色能源”主题，设计一个可测量家庭碳排放的简易装置。要求：原理阐述（20分）选择一种与碳排放相关的物理量（如CO₂浓度、燃气流量等），说明测量原理并推导计算公式。方案设计（30分）（1）列出所需器材及预算（总费用不超过200元）；（2）绘制装置装配图，标注关键部件参数；（3）分析该装置在北方冬季供暖期的测量误差来源。（二）太空实验方案构想假设你是国际空间站学生实验项目设计者，需利用微重力环境验证“热力学第二定律”。现有器材：密闭玻璃管（两端分别装有O₂和N₂气体）、半导体致冷片、高精度温度传感器及数据采集模块。实验设计（25分）（1）设计实验步骤，观察气体扩散与温度变化的关系；（2）如何通过该实验区分“自发过程”与“非自发过程”？误差讨论（25分）（1）分析微重力环境对实验结果的影响（对比地面实验）；（2）若玻璃管存在微小漏气，会导致熵变测量值偏大还是偏小？四、工程实践与报告写作（共50分）任务：选择以上任一题目（或自拟主题），完成以下报告：设计理念（10分）结合核心素养目标，说明作品的创新性与实用性。原型制作（20分）提交实物照片或三维建模图，标注关键尺寸与材料。测试数据（15分）记录至少3组实验数据，绘制相关曲线（如“压力-电流”“光照-电压”等）。反思改进（5分）总结制作过程中遇到的3个技术难题及解决方案。注意事项：所有设计需符合安全性要求，涉及220V交流电时需标注警示说明；鼓励使用生活废弃物（如饮料瓶、旧电路板）作为器材；报告字数不少于800字，可附手绘草图或代码片段。本试题严格遵循2025年高中物理课程标准要求，突出以下特点：情境真实性：所有题目源于新能源、智能家居等现实场景，如CR450动车组能量回收技术、“天都一号”卫星温控系统等；跨