2025年高三物理上学期“物理创新制作”大赛理论试题

2025年高三物理上学期“物理创新制作”大赛理论试题一、选择题（共5题，每题12分，共60分）1.高铁立硬币现象的力学分析某实验小组在复兴号高铁车厢内观察到“硬币直立静止于桌面”的现象。已知高铁匀速行驶时加速度为0，启动阶段的最大加速度为0.3m/s²，轨道曲线半径最小为3000m。若硬币与桌面间的静摩擦系数μ=0.4，下列说法正确的是（）A.硬币直立时，重力与支持力构成一对平衡力，与摩擦力无关B.高铁以最大加速度启动时，硬币所受摩擦力大小为μmgC.高铁转弯时，若向心加速度达到0.2m/s²，硬币可能发生侧滑D.若桌面倾斜5°，硬币仍能静止，说明静摩擦力可大于重力沿斜面的分力2.柔性太阳能电池的能量转换某团队设计的柔性太阳能电池采用单晶硅薄膜材料，其能量转换效率η=22%。已知该电池在标准光照强度（1000W/m²）下的输出电压为0.6V，短路电流密度为400A/m²。若将此电池制成面积为0.5m²的柔性组件，下列说法错误的是（）A.该组件的最大输出功率为132WB.短路电流时，组件的输出功率为0C.若光照强度降至500W/m²，开路电压保持不变D.组件工作时，光子能量完全转化为电能3.量子点显示技术的光学原理量子点是一种纳米级半导体晶体，其发光波长随粒径变化（如图1）。某量子点材料的禁带宽度E与粒径d的关系为E=1.5+2.0/d²（单位：eV，d单位：nm）。已知可见光波长范围为400-760nm，普朗克常量h=6.63×10⁻³⁴J·s，电子电荷量e=1.6×10⁻¹⁹C，真空中光速c=3×10⁸m/s。若要使量子点发出红光（波长700nm），其粒径d约为（）A.2.0nmB.3.5nmC.5.0nmD.7.5nm4.航天器热控系统的热力学分析国际空间站的“热管-辐射器”热控系统通过工质（氨）的相变传递热量。已知氨的汽化热L=1.35×10⁶J/kg，液态氨密度ρ=600kg/m³，在一根长度为2m的热管中，氨从液态完全汽化为气态后体积膨胀为原来的800倍。若空间站某设备的散热功率为2000W，忽略热损失，热管中氨的循环流量应为（）A.0.0015kg/sB.0.0030kg/sC.0.0045kg/sD.0.0060kg/s5.电磁悬浮轴承的力平衡某磁悬浮轴承的定子由4个对称分布的电磁铁组成，转子（质量m=0.5kg）下方装有霍尔传感器，可实时检测转子偏移量并调节电磁铁电流。当转子受到竖直向下的干扰力F=3N时，传感器反馈调节使电磁铁对转子的总磁力变为竖直向上的Fₘ=8N。此时转子的加速度大小为（）A.2m/s²B.6m/s²C.10m/s²D.16m/s²二、填空题（共5题，每题20分，共100分）6.无人机悬停的动力学模型某四旋翼无人机总质量m=1.2kg，每个旋翼的旋转平面与水平面夹角θ=0°（水平飞行时θ=5°）。当无人机悬停时，旋翼转动产生的升力方向为______，每个旋翼的升力大小为______N（重力加速度g=10m/s²，忽略空气阻力）。若无人机以2m/s²的加速度竖直上升，此时总升力与总重力的合力大小为______N。7.温差发电装置的效率计算某小组利用塞贝克效应设计温差发电机，其核心为碲化铋半导体材料，输出电压U与温差ΔT的关系为U=0.05ΔT（单位：V/K）。若将该装置接入一个10Ω的电阻，当热源温度为373K（100℃）、冷源温度为293K（20℃）时，电阻的发热功率为______W；若冷源温度不变，热源温度升高至473K（200℃），此时发电效率将______（填“提高”“降低”或“不变”）。8.光纤通信的信号传输单模光纤的纤芯直径约9μm，折射率n₁=1.45，包层折射率n₂=1.44。光在光纤中传播时，最大入射角θ（满足全反射条件）的正弦值sinθ=______；若光信号在光纤中传播速度为v=2.0×10⁸m/s，则10km光纤的信号延迟时间为______μs。9.超导磁体的电流计算某高温超导磁体采用YBCO带材，临界电流密度Jₑ=1.0×10⁸A/m²，带材宽度w=4mm，厚度d=0.2mm。当通过磁体的电流为临界电流的80%时，电流大小为______A；若磁体线圈的总匝数N=500，线圈半径r=0.1m，其中心处的磁感应强度B=______T（真空磁导率μ₀=4π×10⁻⁷T·m/A，结果保留两位有效数字）。10.相变储能材料的热容量某团队研发的复合相变材料由石蜡（相变温度58℃，相变潜热L=200kJ/kg）和铝粉（比热容c=0.9kJ/(kg·℃)）混合而成，质量比为3:1。1kg该材料从20℃加热至70℃的过程中，吸收的总热量为______kJ；若用该材料给500W的电器供电（假设能量转化效率100%），可持续供电______分钟。三、计算题（共6题，每题40分，共240分）11.机械臂末端执行器的运动分析某工业机械臂的末端执行器简化模型如图2所示：轻杆AB长L=0.5m，一端通过铰链固定于A点，另一端B连接质量m=2kg的夹爪。电机驱动杆AB绕A点在竖直平面内转动，角速度ω=4rad/s，角加速度α=2rad/s²。当杆AB与竖直方向夹角θ=30°时，求：（1）夹爪B的线速度大小和加速度大小；（2）杆AB对夹爪的作用力大小。12.电磁感应式能量回收装置某汽车减震器内置电磁感应装置：匝数N=1000的线圈套在永久磁铁上，磁铁相对线圈运动时产生感应电动势。已知磁铁的磁感应强度B=0.5T，线圈有效长度l=0.1m，电阻R=5Ω。当汽车通过减速带时，磁铁相对线圈的最大速度v=2m/s，运动时间Δt=0.1s，假设磁通量变化均匀：（1）求线圈产生的平均感应电动势E和平均电流I；（2）若能量回收效率η=60%，计算此过程回收的电能W，并估算可使汽车前灯（功率P=50W）点亮的时间t。13.太阳能驱动的斯特林发动机某斯特林发动机的工作原理为：工质（氦气）在冷热两个气缸间循环，经历等温膨胀（吸热）、等容放热、等温压缩（放热）、等容吸热四个过程。已知高温热源温度T₁=500K，低温热源温度T₂=300K，工质摩尔数n=2mol，普适气体常量R=8.31J/(mol·K)：（1）若等温膨胀过程中工质体积从V₁=0.01m³增至V₂=0.03m³，求此过程吸收的热量Q₁；（2）若发动机输出功率P=100W，求每秒循环次数k（假设循环效率等于卡诺效率）。14.激光测距仪的误差分析某激光测距仪向目标发射波长λ=632.8nm的激光脉冲，接收反射信号的时间差Δt=20μs。已知仪器的时间测量误差Δtₑ=±0.1μs，光速c=3×10⁸m/s：（1）计算目标距离L及距离测量的绝对误差ΔL；（2）若测距时激光束与目标表面的夹角θ=30°，求目标到仪器的直线距离L'（考虑余弦误差）。15.磁悬浮列车的电磁阻力某磁悬浮列车的悬浮系统采用超导钉扎效应，阻力主要来自涡流制动。已知列车质量M=50t，以速度v=100m/s行驶时，所受电磁阻力F=kv²，比例系数k=0.5N·s²/m²：（1）求列车的加速度大小a及减速到50m/s所需时间t；（2）若列车在水平直轨道上以额定功率P=500kW匀速行驶，求其最大速度vₘ。16.微机电系统（MEMS）的振动特性某MEMS加速度计的核心部件为悬臂梁-质量块结构：悬臂梁长度l=100μm，弹性系数k=0.1N/m，末端质量块m=1×10⁻⁶kg。当加