2025年高中物理知识竞赛“物理科普演讲”大赛（笔试部分）试题（一）

2025年高中物理知识竞赛“物理科普演讲”大赛（笔试部分）试题（一）一、选择题（共8题，每题5分，共40分）1.航天科技中的天体力学应用2025年我国“探月工程四期”计划实施月球南极采样返回任务，假设采样探测器在月球表面附近做匀速圆周运动，已知月球质量为地球的1/81，半径为地球的3/11，地球表面重力加速度为g。则探测器的运行周期最接近（）A.1.5小时B.2.0小时C.2.5小时D.3.0小时2.新能源技术中的电磁感应某新型风力发电机采用超导磁体技术，其核心部件为匝数N=1000、长度L=2m的螺线管，通入电流I=50A时产生匀强磁场。若风速突变导致螺线管中电流在Δt=0.01s内线性变化至零，线圈两端产生的感应电动势E=200V，则螺线管的自感系数L为（）A.0.04HB.0.4HC.4HD.40H3.医学影像中的光学原理泽尔尼克相位对比显微镜通过改变光程差实现透明生物样本成像，其核心部件为相位补偿板。若入射光波长λ=550nm，样本折射率n=1.33，厚度d=2μm，补偿板引入额外光程差Δ=λ/4，则通过样本后总光程差为（）A.1.33λB.1.58λC.1.83λD.2.08λ4.量子通信中的近代物理我国“墨子号”量子科学实验卫星利用光子偏振态实现星地通信，若光子从卫星向地面传输时因多普勒效应导致频率变化，已知卫星轨道高度h=500km，地球半径R=6400km，光速c=3×10⁸m/s，则地面接收的光子频率相对原频率的偏移量Δν/ν约为（）A.1.2×10⁻⁶B.2.4×10⁻⁶C.3.6×10⁻⁶D.4.8×10⁻⁶5.热管理系统中的热传导某航天器散热片采用铝制蜂窝结构（导热系数k=237W/(m·K)），厚度d=5mm，面积S=1m²，若外太空环境温度T₀=4K，航天器内部热源功率P=1000W，稳态时散热片内外表面温差为（）A.0.085KB.0.17KC.0.34KD.0.68K6.人工智能中的传感器技术某电容式指纹传感器极板间距d=10μm，介电常数ε=8.85×10⁻¹²F/m，若指纹脊线（凸起）与谷线（凹陷）高度差Δd=1μm，对应电容变化量ΔC=1.77×10⁻¹²F，则传感器单个像素面积为（）A.10⁻⁸m²B.10⁻⁹m²C.10⁻¹⁰m²D.10⁻¹¹m²7.超导材料中的电磁学高温超导体YBa₂Cu₃O₇在液氮温度（77K）下临界磁场Bc=1T，将其制成半径r=0.5cm的圆环，通过电流I时恰好处于临界状态，已知真空中磁导率μ₀=4π×10⁻⁷T·m/A，则电流I为（）A.1.25AB.2.5AC.5AD.10A8.天体物理中的相对论效应观测发现某中子星表面存在强引力场，其引力红移效应导致光谱线波长从λ₀=400nm红移至λ=404nm，已知引力红移公式Δλ/λ₀=GM/(c²R)，则中子星的平均密度ρ约为（）A.10¹⁷kg/m³B.10¹⁸kg/m³C.10¹⁹kg/m³D.10²⁰kg/m³二、填空题（共6题，每题8分，共48分）9.航天推进中的动量定理某离子推进器以v=3×10⁴m/s的速度喷出氙离子，喷射流量Δm/Δt=1.5×10⁻⁶kg/s，其产生的推力F=________N；若航天器总质量m=500kg，持续推进1年（3.15×10⁷s）后获得的速度增量Δv=________km/s（保留两位有效数字）。10.量子计算中的能级跃迁氢原子基态能量E₁=-13.6eV，若用波长λ=97.5nm的紫外线照射，电子可跃迁到n=________的激发态；当电子从该能级跃迁回基态时，辐射光子的动量大小p=________kg·m/s（普朗克常量h=6.63×10⁻³⁴J·s，光速c=3×10⁸m/s）。11.新能源电池中的电化学某锂硫电池放电时发生反应：S₈+16Li=8Li₂S，若电池容量为2Ah（安培小时），则理论上每块电池可消耗S₈的质量m=________g（Nₐ=6.02×10²³mol⁻¹，S原子量32）；充电时若两极电势差U=3.2V，能量转化效率η=80%，则充满电需输入电能W=________kJ。12.光学成像中的几何光学某天文望远镜物镜焦距f₁=2m，目镜焦距f₂=20mm，其放大倍数M=________倍；若观测月球时物镜口径D=0.5m，为分辨月球表面最小距离d，需满足瑞利判据θ=1.22λ/D，当λ=550nm时，望远镜的角分辨率θ=________rad（保留两位有效数字）。13.超导磁悬浮中的电磁力某磁悬浮列车利用“迈斯纳效应”，下方超导块与轨道永磁体间产生排斥力。若永磁体表面磁场B=0.5T，超导块中感应电流形成的等效电流环半径r=10cm，电流I=100A，则排斥力F=________N（结果用π表示）；若列车总质量m=50t，需至少________个这样的超导块才能悬浮（g=10m/s²）。14.气候变化中的热学某极地科考站采用相变储能材料（冰）维持室内温度，已知冰的熔化热λ=3.35×10⁵J/kg，若室外温度T₁=-30℃，室内温度T₂=15℃，热传导功率P=200W，为维持24小时恒温，需储备冰的质量m=________kg（冰的比热容c=2100J/(kg·K)）。三、计算题（共4题，共62分）15.电磁弹射中的动力学问题（14分）某航母电磁弹射器采用直线电机技术，简化模型如图所示：两平行导轨间距L=2m，长x=100m，通入电流I=5×10⁴A，滑块（含飞机）质量m=30t，与导轨间动摩擦因数μ=0.1，所受安培力F=BIL（B=0.8T为匀强磁场磁感应强度）。（1）求滑块运动的加速度a；（2）若滑块从静止开始加速，离开导轨时速度v=100m/s，求电磁弹射效率η；（3）若考虑空气阻力f=kv²（k=50N·s²/m²），定性分析实际弹射距离与理想情况的差异。16.天体力学中的多体问题（16分）2025年计划发射的“小行星防御试验卫星”将对近地小行星2023DZ₂实施动能撞击。已知地球质量M=5.98×10²⁴kg，小行星质量m=5×10⁴kg，轨道半长轴a=1.2AU（1AU=1.5×10¹¹m），撞击前两者相对速度v₀=15km/s。（1）求小行星绕太阳运动的周期T；（2）若撞击后小行星速度改变量Δv=0.1m/s，轨道半长轴变化Δa≈2a²Δv/v₀，求Δa；（3）分析撞击点位置（小行星运动前方或后方）对轨道调整效果的影响。17.量子通信中的波动光学（16分）“京沪干线”量子通信采用单模光纤传输光子，光纤芯径d=8μm，折射率n₁=1.46，包层折射率n₂=1.45。（1）求光纤的数值孔径NA=√(n₁²-n₂²)及最大入射角θ；（2）若传输波长λ=1550nm，计算光纤中可传播的模式数量N≈(πdNA/λ)²/2；（3）若光子在光纤中传播时因瑞利散射产生衰减，衰减系数α=0.2dB/km，求传输距离L=1000km后的光强衰减比例I/I₀（1dB=10lg(I₀/I)）。18.高温超导中的电磁感应（16分）某超导磁体储能系统（SMES）采用螺线管线圈，匝数N=1000，半径R=0.5m，长度L=2m，通入电流I=100A。（1）求螺线管内的磁感应强度B及储存的磁场能量W；（2）若线圈电阻R=10⁻⁶Ω，电流衰减至初始值的1/e所需时间τ=L/R（L为自感系数），计算τ；（3）若将储存能量用于功率P=1000kW的负载，放电时间t=________s（结果保留一位有效数字），并说明超导储能的优势。四、综合应用题（共2题，共54分）19.聚变能源中的等离子体物理（28分）可控核聚变装置“中国环流器二号M”（HL-2M）通过磁场约束高温等离子体，其核心参数为：等离子体温度T=1.5×10⁸K，密度n=10²⁰m⁻³，约束时间τ=100s。（1）计算等离子体粒子的热运动平均动能Eₖ（k=1.38×10⁻²³J/K）；（2）已知聚变反应D+T→⁴He+n释放能量Q=17.6MeV，若每秒发生N=10¹⁹次反应，求功率P；（3）若等离子体被约束在半径r=1m、长度L=3m的圆柱体内，估算其磁约束压强p（磁场能量密度u=B²/(2μ₀)）。20.深空探测中的相对论天体物理（26分）“旅行者2号”探测器在星际空间探测到某类星体发出的γ射线暴，测得其红移量z=5（z=Δλ/λ₀），已知哈勃定律v=H₀d（H₀=70km/(s·Mpc)，1Mpc=3.086×10²²m）。（1）求类星体的距离d及退行速度v；（2）若γ