2025年高中物理知识竞赛“物理工业”流程优化设计大赛试题（三）

2025年高中物理知识竞赛“物理工业”流程优化设计大赛试题（三）一、理论综合应用题（共40分）（一）工业传送带能量损耗分析（15分）某自动化工厂的水平传送带系统如图1所示，传送带以恒定速度(v_0=2,\text{m/s})顺时针运行，传送带两端A、B间距(L=10,\text{m})，传送带与物体间的动摩擦因数(\mu=0.2)，重力加速度(g=10,\text{m/s}^2)。现有一质量(m=1,\text{kg})的工件从A端无初速度释放，工件与传送带间因摩擦产生的热量部分被传送带下方的水冷系统吸收，系统的散热效率(\eta=60%)。计算工件从A端运动到B端的总时间及传送带对工件做的功；（5分）若传送带的驱动电机输出功率恒定为(P=50,\text{W})，求工件在传送过程中电机因克服摩擦额外消耗的电能；（5分）若将传送带倾斜30°角放置（A端低、B端高），工件仍从A端无初速度释放，且传送带速度调整为(v_1=3,\text{m/s})，试分析工件在传送过程中机械能的变化量，并说明该过程中能量转化的具体路径。（5分）（二）液压系统流量控制模型（15分）某重型机械的液压千斤顶简化模型如图2所示，系统由大小两个活塞组成，活塞横截面积分别为(S_1=10,\text{cm}^2)（小活塞）和(S_2=100,\text{cm}^2)（大活塞），两活塞通过长度(L=2,\text{m})的光滑管道连接，管道直径(d=2,\text{cm})，液压油密度(\rho=800,\text{kg/m}^3)，不计活塞自重及摩擦。当小活塞受到竖直向下的压力(F_1=500,\text{N})时，求大活塞能顶起的最大质量；（4分）若小活塞以速度(v_1=0.1,\text{m/s})匀速向下运动，求大活塞的上升速度及管道内液压油的流速；（5分）若在大活塞上方放置质量(M=800,\text{kg})的重物，且小活塞以加速度(a=0.5,\text{m/s}^2)从静止开始向下运动，求t=2s时小活塞对液压油的压强（忽略管道内液体的粘滞阻力）。（6分）（三）光伏并网发电效率优化（10分）某工业园区的光伏并网系统由200块单晶硅太阳能电池板组成，每块电池板的参数为：开路电压(U_{\text{oc}}=40,\text{V})，短路电流(I_{\text{sc}}=10,\text{A})，最大功率点电压(U_m=32,\text{V})，最大功率点电流(I_m=8,\text{A})。电池板采用串联-并联混合连接方式接入逆变器，逆变器的转换效率(\eta_{\text{inv}}=95%)，系统工作时的温度系数为(-0.3%/\degree\text{C})（当环境温度高于25℃时，输出功率每升高1℃下降0.3%）。若将电池板分为4组串联，每组50块并联，求该连接方式下的总开路电压和最大功率；（4分）若某天的环境温度为35℃，太阳辐照度为(800,\text{W/m}^2)（标准辐照度为(1000,\text{W/m}^2)），求系统的实际输出功率（忽略线路损耗）。（6分）二、实验设计与数据处理题（共30分）（一）风力发电机叶片角度优化实验（18分）某团队设计了一款小型水平轴风力发电机，为提高其发电效率，需通过实验确定叶片安装角(\theta)（叶片弦线与旋转平面的夹角）对输出功率的影响。实验器材包括：直流发电机（内阻(r=1,\Omega)）、风速可调风洞、叶片模型（长度(l=0.5,\text{m})，数量3片）、可调电阻箱、电压传感器、转速计及数据采集系统。设计实验方案，要求明确实验目的、主要步骤、需测量的物理量及控制变量（写出具体操作流程，可配图说明）；（8分）实验测得不同叶片角度下的风速(v)与发电机输出电压(U)的关系数据如下表所示（电阻箱阻值(R=5,\Omega)固定）：叶片角度(\theta)/°风速(v/\text{(m·s}^{-1}))输出电压(U/\text{V})转速(n/\text{(r·min}^{-1}))1083.0120010104.515002083.6135020105.418003083.2110030104.81600根据表中数据，计算当(\theta=20^\circ)、(v=10,\text{m/s})时发电机的输出功率及效率（提示：风能功率(P_{\text{风}}=\frac{1}{2}\rhoSv^3)，空气密度(\rho=1.2,\text{kg/m}^3)，叶片扫风面积(S=\pil^2)）；（6分）在坐标纸上绘制(U-v)关系图（要求标注坐标轴、单位及数据点），并结合图像分析叶片角度对发电效率的影响规律，指出最优安装角及对应的物理原理。（4分）（二）材料弹性模量的非破坏性测量（12分）某工厂需对一批铝合金板材进行质量检测，要求通过非破坏性实验测量其弹性模量(E)。现有器材：激光位移传感器（精度(0.01,\text{mm})）、力传感器（量程(0\sim1000,\text{N})）、固定支架、待测铝板（长(L=1,\text{m})，宽(b=0.1,\text{m})，厚度(h=0.002,\text{m})）。基于弯曲形变原理设计实验，推导出弹性模量(E)与测量物理量的关系式（提示：简支梁中心受集中力(F)时，挠度(\delta=\frac{FL^3}{48EI})，惯性矩(I=\frac{bh^3}{12})）；（5分）实验中测得铝板两端简支，中心位置施加竖直向下的力(F)与对应的挠度(\delta)数据如下：(F/\text{N})200400600800(\delta/\text{mm})0.51.01.52.0根据数据计算该铝合金的弹性模量，并分析若实验中铝板存在微小弯曲（未完全水平），会对测量结果产生何种影响。（7分）三、工程设计与创新题（共30分）（一）智能仓储机械臂路径优化（15分）某电商仓库的智能机械臂需将货物从货架A（坐标((0,0,2),\text{m})）搬运至分拣台B（坐标((4,3,0.5),\text{m})），机械臂末端执行器的运动可分解为水平方向（x-y平面）和竖直方向（z轴）的独立控制。已知机械臂最大负载质量(m=5,\text{kg})，水平方向最大加速度(a_x=1,\text{m/s}^2)，竖直方向最大提升加速度(a_z=0.5,\text{m/s}^2)，且要求货物在运动过程中加速度变化率（加加速度）不超过(j=0.2,\text{m/s}^3)（避免货物晃动）。建立机械臂末端的运动学方程，计算水平方向和竖直方向的最小运动时间（忽略机械臂关节转角限制）；（6分）若货物与末端执行器间的静摩擦因数(\mu_s=0.8)，校核在竖直提升阶段货物是否会发生滑动，并提出一种提高货物稳定性的机械结构改进方案（需说明原理）；（5分）从能量损耗角度分析，若将分拣台B的高度调整为(z=2,\text{m})（与货架A等高），是否能降低机械臂的总能耗？通过计算说明理由（假设机械臂水平运动能耗与路程成正比，竖直运动能耗与克服重力做功成正比）。（4分）（二）新能源汽车充电桩散热系统设计（15分）某60kW直流充电桩在满负荷运行时，内部功率模块的发热功率为3kW，需设计强制风冷散热系统。已知充电桩外壳尺寸为(0.5,\text{m}\times0.3,\text{m}\times1.2,\text{m})（长×宽×高），进风口面积(S_{\text{in}}=0.02,\text{m}^2)，出风口面积(S_{\text{out}}=0.03,\text{m}^2)，环境温度(T_0=30^\circ\text{C})，要求模块最高温度不超过(T_{\text{max}}=70^\circ\text{C})，空气比热容(c=1005,\text{J/(kg·K)})，密度(\rho=1.2,\text{kg/m}^3)。计算散热系统所需的最小空气流量（单位：(\text{m}^3/\text{s})）；（5分）若选用轴流风机，其风量-风压曲线近似满足(Q=0.1-5P)（(Q)单位：(\text{m}^3/\text{s})，(P)单位：Pa），且空气流经充电桩的阻力损失(\DeltaP=kQ^2)（(k=1000,\text{Pa·s}^2/\text{m}^6)），求风机的实际工作风量及功率（风机效率(\eta=0.7)）；（6分）为进一步提升散热效率，提出两种基于传热学原理的结构改进方案（例如增加散热鳍片、优化风道设计等），并说明每种方案的理论依据及预期效果。（4分）四、综合开放题（共20分）工业4.0背景下的物理技术创新随着工业自动化与智能化的发展，物理学科在能源转化、精密测量、智能控制等领域的应用日益深入。请结合以下两个方向之一，完成一篇不少于800字的技术分析报告：方向一：基于电磁感应原理的无线充电技术在智能制造中的应用分析磁共振耦合式无线充电的频率匹配条件及传输效率影响因素；设计一个适用于AGV机器人（自动导引运输车）的无线充电系统方案，要求传输距离(d=10,\text{cm})，输出功率(P=500,\text{W})，并估算线圈尺寸与能耗；讨论该技术在防爆车间或无尘环境中的优势与挑战。方向二：热力学第二定律在工业余热回收系统中的应用以某钢铁厂高温烟气（温度(T_1=800^\circ\text{C})，流量(q_m=10,\text{kg/s})）为例，计算其最大可利用余热功率（环境温度(T_0=25^\circ\text{C})）；对比有机朗肯循环