2025年高中物理知识竞赛“物理绘画”大赛（原理说明笔试部分）试题（三）

2025年高中物理知识竞赛“物理绘画”大赛（原理说明笔试部分）试题（三）一、选择题（每题3分，共15分）如图1所示为“波的干涉绘画”作品，两个同频率波源S₁、S₂在水面产生干涉图样，其中实线表示波峰，虚线表示波谷。若某点P到S₁、S₂的路程差为1.5λ（λ为波长），则P点的振动状态为（）A.始终加强B.始终减弱C.周期性交替加强与减弱D.无法确定某同学用长曝光摄影记录平抛运动轨迹，得到“抛物线光斑绘画”。若相机曝光时间为0.1s，小球抛出时初速度为5m/s，重力加速度g=10m/s²，则相邻光斑在水平方向的间距为（）A.0.2mB.0.5mC.1.0mD.1.5m“电磁感应动态绘画”装置中，闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动，产生的感应电动势随时间变化的图像如图2所示。若仅将线圈转速提高一倍，则电动势的最大值Eₘ和周期T的变化为（）A.Eₘ加倍，T减半B.Eₘ不变，T减半C.Eₘ加倍，T不变D.Eₘ减半，T加倍“光的折射彩虹绘画”中，一束白光通过三棱镜后形成彩色光带。若增大入射角，以下说法正确的是（）A.红光的偏折角增大，紫光的偏折角减小B.红光的偏折角减小，紫光的偏折角增大C.所有色光的偏折角均增大，且紫光增幅最大D.所有色光的偏折角均减小，且红光减幅最大“热力学循环绘画”中，某理想气体经历如图3所示的p-V图像循环过程（A→B→C→A），其中A→B为等温膨胀，B→C为等容降温，C→A为等压压缩。则该循环过程中气体对外做功W、内能变化ΔU、吸放热Q的关系正确的是（）A.W>0，ΔU=0，Q>0B.W<0，ΔU<0，Q<0C.W=0，ΔU>0，Q>0D.W>0，ΔU=0，Q<0二、填空题（每空2分，共20分）“共振摆绘画”装置中，五个单摆悬挂于同一水平绳上，摆长分别为0.5m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m。若驱动摆长为1.0m的单摆做简谐运动，稳定后振幅最大的单摆摆长为______m，其共振频率与驱动频率的比值为______。“电磁炮轨迹绘画”中，金属弹丸在水平放置的平行导轨间受安培力作用加速。已知导轨间距L=0.2m，电流I=500A，弹丸质量m=0.1kg，所受安培力F=BIL（B=0.5T），忽略摩擦阻力，弹丸从静止开始运动2m后的速度大小为______m/s，此过程中安培力做的功为______J。“全息投影绘画”利用光的干涉原理记录物体三维信息。若使用氦氖激光器（波长λ=632.8nm）作为光源，物光与参考光的夹角θ=30°，则干涉条纹的间距d=m（结果保留两位有效数字）；若改用波长为532nm的绿光光源，条纹间距将（选填“增大”“减小”或“不变”）。“天体运动轨迹绘画”中，某卫星绕地球做椭圆运动，近地点距离地心r₁=7×10⁶m，远地点距离地心r₂=1.4×10⁷m。若卫星在近地点的速度v₁=8km/s，则在远地点的速度v₂=km/s（地球质量M视为常量）；该过程中卫星的机械能（选填“守恒”或“不守恒”）。“布朗运动绘画”中，显微镜下观察到花粉颗粒在水中做无规则运动。若水温从20℃升高到40℃，颗粒的运动剧烈程度将______（选填“增强”“减弱”或“不变”），其微观原因是水分子的______增大。三、计算题（共3题，共60分）（20分）“波动光学绘画”作品《双缝干涉的色彩交响》中，用红光（λ₁=600nm）和蓝光（λ₂=450nm）分别照射双缝装置，在距离双缝L=1.5m的光屏上形成干涉条纹。（1）若双缝间距d=0.3mm，求红光的第3级亮条纹与蓝光的第4级亮条纹之间的距离；（2）若用厚度t=6μm、折射率n=1.5的透明薄膜覆盖其中一条缝，求红光的中央亮条纹将向哪侧移动？移动的距离是多少？（3）若将光屏换成半圆柱形透镜（横截面半径R=2m），且透镜平面与光屏贴合，光轴与双缝中线重合，分析红光第1级亮条纹的位置变化。（20分）“电磁感应绘画”作品《楞次定律的动态平衡》中，边长L=0.4m的正方形线圈abcd（电阻R=0.5Ω，质量m=0.2kg）从某高度自由下落，进入磁感应强度B=0.5T的匀强磁场区域（磁场方向垂直纸面向里，区域高度h=0.6m），如图4所示。线圈平面始终与磁场方向垂直，空气阻力不计，g=10m/s²。（1）若线圈进入磁场时恰好做匀速运动，求线圈释放时的高度H；（2）求线圈穿越磁场过程中产生的焦耳热Q；（3）若在磁场区域加一竖直向上的匀强电场E=10N/C，线圈带电荷量q=0.1C，重新从原高度H释放，求线圈刚离开磁场时的速度v。（20分）“热力学循环绘画”作品《卡诺循环的艺术表达》中，一定质量的理想气体经历卡诺循环，其p-V图像如图5所示，其中A→B为等温膨胀，B→C为绝热膨胀，C→D为等温压缩，D→A为绝热压缩。已知状态A的温度T₁=300K，状态C的温度T₂=100K，循环中气体从高温热源吸收的热量Q₁=600J。（1）求该循环的效率η；（2）若气体在A→B过程中体积增大为原来的3倍，求气体在B→C过程中对外做的功W；（3）若将低温热源温度降低至T₂'=50K，保持Q₁不变，求循环效率的变化量Δη。四、综合分析题（共1题，共15分）“相对论效应绘画”作品《钟慢尺缩的视觉隐喻》中，包含三个场景：场景甲：地面观察者看到高速行驶的列车（速度v=0.6c，c为真空中光速）窗口发出的激光束与列车前进方向成60°角，求列车内观察者测得的激光束方向与列车前进方向的夹角θ；场景乙：列车内时钟显示时间经过10分钟，求地面观察者测得的时间间隔Δt；场景丙：列车静止时长L₀=100m，某乘客从车尾走到车头，相对列车速度u=10m/s，求地面观察者测得的乘客行走时间Δt'。请结合狭义相对论的时空变换关系，分析以上三个场景中物理量的变换原理，并说明如何通过绘画元素（如线条角度、色彩对比、长度比例）体现这些相对论效应。五、开放创新题（共1题，共20分）“量子力学绘画”作品创作要求：（1）设计一个基于“电子双缝干涉”原理的绘画方案，需说明绘画材料（如光源、光屏类型）、实验装置的艺术化改造（如双缝形状、背景图案），以及如何通过干涉条纹的分布特征展现量子态的叠加性；（2）若在双缝后放置探测器以观测电子路径，条纹会消失变为两个单缝衍射斑。从波粒二象性角度，解释这一现象的物理本