2025年高三物理高考合作解决问题能力模拟试题

2025年高三物理高考合作解决问题能力模拟试题一、情境化综合应用题（共2小题，满分40分）（一）新能源汽车充电桩设计与优化（20分）背景：某研究小组计划为社区设计一款智能充电桩，需解决充电效率、安全保护及能源管理问题。团队成员分工如下：甲同学负责电路参数计算（涉及电磁学、恒定电流）；乙同学负责动力学分析（涉及力学、运动学）；丙同学负责数据可视化与误差分析（涉及数学处理、实验能力）。任务1：电路安全设计（甲同学主导）充电桩输入电压为220V交变电流，经整流后输出直流电给电动汽车充电。已知电池容量为50kWh，充电效率为90%，充电过程中电池两端电压保持380V恒定。（1）若采用20A恒定电流充电，求充满电所需时间（结果保留整数）；（2）为防止短路事故，需在电路中串联保险丝。已知保险丝熔断电流为额定电流的1.2倍，求保险丝的最小额定电流（结果保留两位小数）。任务2：充电车动力学分析（乙同学主导）一辆质量为1500kg的电动汽车充满电后，在水平路面上以额定功率80kW匀速行驶时，阻力为车重的0.05倍（g=10m/s²）。（1）求汽车匀速行驶的速度；（2）若汽车以2m/s²的加速度从静止开始匀加速启动，求匀加速过程持续的时间（设阻力不变）。任务3：数据协同与误差分析（丙同学主导）团队测量得到充电电流随时间变化的图像如图1所示（t=0时刻开始充电，电流从0线性增大至20A后保持恒定，充满电后电流降为0）。（1）根据图像计算充电总时间，并与任务1结果对比，分析误差来源（至少写出2点）；（2）若充电过程中电网电压波动导致实际电压比标称值低5%，在不改变电路结构的情况下，丙同学应如何调整充电方案以保证总充电时间不变？（二）航天器对接与姿态控制（20分）背景：某空间站在距地面400km的圆轨道运行，任务小组需完成货运飞船与空间站的对接及姿态调整。团队分工如下：A同学负责轨道参数计算（涉及万有引力、天体运动）；B同学负责对接过程动力学分析（涉及动量守恒、能量守恒）；C同学负责姿态调整的电磁力矩计算（涉及电磁学、刚体转动）。任务1：轨道参数与对接窗口（A同学主导）已知地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s²，空间站质量为4×10⁵kg，货运飞船质量为5×10⁴kg。（1）求空间站的运行周期（结果用分钟表示，保留整数）；（2）为实现快速对接，货运飞船需在空间站后方30km处进入同轨道，此时两者具有相同速率。若飞船发动机瞬间向后喷气，使飞船获得指向空间站的速度增量Δv，忽略轨道变化，求Δv的最小值（提示：可视为近匀速直线运动，对接时间不超过1小时）。任务2：对接碰撞过程分析（B同学主导）飞船与空间站对接时，通过缓冲装置实现完全非弹性碰撞。已知对接前飞船相对空间站的速度为0.2m/s，方向沿轨道切线方向。（1）求碰撞后联合体的速度变化量；（2）若缓冲装置的弹簧劲度系数k=5×10⁴N/m，求碰撞过程中弹簧的最大压缩量（设碰撞时间极短，弹簧压缩过程无能量损失）。任务3：姿态调整的电磁力矩（C同学主导）空间站对接后需调整姿态，通过边缘的电磁线圈与地磁场相互作用产生力矩。已知线圈匝数为1000匝，面积为0.5m²，地磁场在轨道处的磁感应强度为3×10⁻⁵T，方向与线圈平面夹角为30°。（1）若线圈中通入10A电流，求线圈所受的电磁力矩大小；（2）为使空间站在10分钟内旋转90°，求所需的平均功率（已知空间站对旋转轴的转动惯量I=8×10⁸kg·m²，忽略其他力矩）。二、实验探究与合作设计题（共1小题，满分20分）（三）智能家居节能系统的设计与验证背景：某小组设计“光控-声控”双控节能路灯系统，需测量光敏电阻的阻值随光照强度变化的关系，并验证声控电路的延时功能。实验器材如下：光敏电阻（型号GL5528，暗电阻>1MΩ，亮电阻<2kΩ）、驻极体话筒（输出电压与声音强度成正比）、直流电源（3V）、滑动变阻器（0-20kΩ）、数字万用表、示波器、秒表、遮光罩等。合作要求：丁同学设计测量光敏电阻特性的电路，并绘制电路图；戊同学利用示波器测量声控电路的输出电压波形，确定延时时间；己同学综合两人数据，评估系统在黄昏时段（光照强度50-200lux）的节能效果。问题：（1）丁同学需测量光敏电阻在不同光照下的阻值，为使测量误差最小，应选择图2中的哪种电路（填“甲”或“乙”）？说明理由。（2）戊同学用示波器观察到声控电路输出电压波形如图3所示（触发声音后电压从0突变为3V，持续t₀后恢复为0），若示波器时基档位为100ms/div，图中波形占4格，求延时时间t₀。（3）己同学发现：当光照强度为100lux时，光敏电阻阻值为5kΩ，此时声控电路触发电压需达到2V才能开灯。若滑动变阻器接入电路的阻值为10kΩ，求电源输出的总功率（忽略其他元件电阻）。三、跨模块综合计算题（共1小题，满分20分）（四）电磁弹射与能量回收系统背景：某团队研究电磁弹射装置，其原理如图4所示：两根平行金属导轨间距L=2m，导轨间存在竖直向上的匀强磁场B=0.5T，金属滑块（质量m=10kg，电阻R=0.1Ω）在导轨上由静止开始加速，通过弹射器末端的传感器回收动能。合作任务：动力学分析：滑块在水平拉力F（随位移x变化：F=200-50x，单位N）和安培力共同作用下运动，求滑块从x=0运动到x=4m过程中的最大加速度；能量转化计算：若滑块离开导轨时速度v=10m/s，求此过程中：（1）拉力F做的功；（2）安培力做的功（提示：利用能量守恒，忽略摩擦及导轨电阻）；误差讨论：实际测量发现滑块末速度比理论值小8%，团队成员提出以下观点：同学1：磁场不均匀导致安培力计算偏差；同学2：滑块与导轨间存在摩擦，摩擦系数μ=0.02；同学3：拉力传感器读数存在系统误差，实际拉力比标称值小5%。通过计算判断哪种观点最可能正确（g=10m/s²）。参考答案及评分标准（简要提示）一、情境化综合应用题（一）新能源汽车充电桩设计与优化（1）充电时间：(t=\frac{50\times10^3\text{Wh}}{380\text{V}\times20\text{A}\times0.9}\approx73\text{小时})；（2）保险丝额定电流：(I_0=\frac{20}{1.2}\approx16.67\text{A})；（3）匀速速度：(v=\frac{P}{f}=\frac{80\times10^3}{0.05\times1500\times10}=106.67\text{m/s})；（4）匀加速时间：(t=\frac{v_m}{a}=\frac{P/(ma+f)}{a}=10\text{s})。（二）航天器对接与姿态控制（1）空间站周期：(T=2\pi\sqrt{\frac{(R+h)^3}{GM}}\approx93\text{分钟})；（2）速度增量：(\Deltav=\frac{30\times10^3\text{m}}{3600\text{s}}\approx8.33\text{m/s})；（3）电磁力矩：(M=NBIS\sin\theta=1000\times3\times10^{-5}\times10\times0.5\times\sin30^\circ=0.075\text{N·m})。二、实验探究与合作设计题（1）选择“乙电路”（分压式电路，便于测量小电阻时调节电压）；（2）延时时间：(t_0=4\times100\text{ms}=0.4\text{s})；（3）总功率：(P=\frac{U^2}{R_{\text{总}}}=\frac{3^2}{5000+10000}=6\times10^{-4}\text{W})。三、跨模块综合计算题（1）最大加速度：当(x=0)时，(F=200\text{N})，安培力(F_A=0)，(a=\frac{F}{m}=20\text{m/s}^2)；（2）拉力功：(W_F=\int_0^4(200-50x)dx=400\text{J})；（3）安培力功：(W_A=W_F-\frac{1}{2}mv^2=400-500