中国少年科学院小院士答辩试题及答案

中国少年科学院小院士答辩试题及答案一、科学基础知识问答（共5题，每题10分，总分50分）1.请解释“阿基米德原理”的核心内容，并举例说明其在日常生活中的应用。答案：阿基米德原理的核心是：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力，公式表达为F浮=G排=ρ液gV排。日常生活中，轮船能漂浮在水面就是利用这一原理——船体设计成空心结构，增大排开水的体积，从而获得足够浮力；潜水艇通过改变自身重量（向水舱充水或排水）来调整排开水的重量，实现上浮或下潜；密度计测量液体密度时，利用其漂浮状态下浮力等于重力，通过浸入液体的深度反映液体密度大小。2.植物光合作用的原料、条件和产物分别是什么？若将一株植物长期置于绿光环境中，其生长状况会如何变化？请说明原因。答案：光合作用的原料是二氧化碳（CO₂）和水（H₂O），条件是光照和叶绿体（或叶绿素），产物是有机物（主要是葡萄糖）和氧气（O₂）。若长期置于绿光环境中，植物会生长缓慢甚至死亡。原因是植物叶片中的叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收最少（绿光被反射，所以叶片呈绿色）。绿光环境下，植物无法有效利用光能进行光合作用，有机物合成量大幅减少，无法满足自身生长需求，最终因能量和物质供应不足而衰退。3.请描述“牛顿第一定律”的内容，并说明其与惯性的关系。为什么急刹车时，车内未系安全带的乘客会向前倾倒？答案：牛顿第一定律（惯性定律）指出：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态。惯性是物体的固有属性，指物体保持原来运动状态不变的性质，牛顿第一定律揭示了惯性的存在——物体之所以能保持静止或匀速直线运动，是因为具有惯性；而当外力改变其运动状态时，惯性会表现为“抵抗”这种改变。急刹车时，车辆受刹车阻力作用由运动变为静止，但乘客上半身由于惯性仍要保持原来的运动状态（向前运动），而下半身因与座椅接触受摩擦力随车辆停止，因此乘客会向前倾倒。4.化学中“燃烧的条件”包括哪三个要素？若要熄灭油锅起火，为什么不能用水直接浇灭？请结合燃烧条件和水的物理性质说明。答案：燃烧的三个条件是：可燃物、氧气（或空气）、达到着火点（可燃物燃烧所需的最低温度）。油锅起火时不能用水浇灭，原因有二：其一，油的密度比水小，水倒入油锅后会沉到油层下方，沸腾时（水的沸点100℃，远低于油的沸点）水迅速汽化，体积急剧膨胀，会将油滴溅起，形成“油花飞溅”，扩大燃烧面积；其二，水的温度低于油的着火点（如食用油着火点约300℃），但水在汽化过程中虽能吸收部分热量，却无法有效覆盖油面隔绝氧气，反而因油滴飞溅导致火势更猛。正确的灭火方法是盖上锅盖隔绝氧气，或使用干粉灭火器。5.地球的“温室效应”主要由哪些气体引起？简述其对生态系统的潜在影响。答案：温室效应的主要气体是二氧化碳（CO₂），其次是甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、氟氯烃（CFCs）等。这些气体能吸收地面辐射的长波红外线，使热量保留在大气中，导致全球气温升高。对生态系统的潜在影响包括：极地冰川融化，海平面上升，沿海低地和岛屿被淹没；气候异常（如极端高温、暴雨、干旱频发）；生物栖息地改变，物种分布范围迁移（如高山物种向更高海拔迁徙），部分适应能力弱的物种可能灭绝；海洋酸化（CO₂溶于海水生成碳酸），影响珊瑚礁、贝类等海洋生物的碳酸钙外壳形成；农业生产受影响（如积温变化导致作物种植带北移，病虫害范围扩大）。二、实验设计与操作分析（共2题，每题20分，总分40分）1.请设计一个实验，探究“种子萌发是否需要光照”。要求写出实验材料、变量控制、实验步骤及预期结论。实验材料：饱满的大豆种子（或其他常见种子）50粒、培养皿4个、脱脂棉、蒸馏水、恒温箱、遮光布（或纸箱）。变量控制：自变量是光照条件（有光/无光），因变量是种子萌发率（萌发的种子数占总种子数的比例）。无关变量需控制相同，包括温度（25℃左右）、水分（脱脂棉保持湿润）、空气（充足）、种子大小和饱满度（随机均分）。实验步骤：①将50粒种子随机均分为两组，每组25粒，分别放入两个培养皿（标记为A、B），每个培养皿底部铺等量湿润脱脂棉；②A组置于恒温箱中，保持自然光照（或用日光灯模拟，光照强度约1000勒克斯）；B组用遮光布完全覆盖培养皿，置于同一恒温箱中（确保温度与A组一致）；③每天观察并记录萌发的种子数（以胚根突破种皮为萌发标准），连续记录7天；④计算两组的最终萌发率（萌发率=萌发种子数/25×100%），比较两组数据。预期结论：若A组与B组萌发率无显著差异（如均≥90%），则说明光照不是种子萌发的必要条件；若B组萌发率显著低于A组（如B组<50%），则说明种子萌发需要光照；若A组萌发率显著低于B组，则可能该种子萌发需避光（但大多数常见种子如大豆、玉米的萌发与光照无关）。2.某同学在“测量小灯泡的电功率”实验中，连接电路后闭合开关，发现小灯泡不亮，电流表无示数，电压表有示数且接近电源电压。请分析可能的故障原因，并设计排查步骤。可能的故障原因：小灯泡断路（灯丝烧断或接线接触不良），导致电路中无电流（电流表无示数），但电压表与电源两极通过未断路的部分（如电流表、滑动变阻器）相连，因此测量的是电源电压（接近电源电压）。排查步骤：①检查小灯泡与灯座的接触是否良好（轻轻转动灯泡，观察是否恢复正常）；②用电压表并联在滑动变阻器两端，闭合开关，若电压表无示数，说明滑动变阻器无故障；若并联在小灯泡两端时电压表有示数（接近电源电压），而并联在滑动变阻器两端时无示数，可确认小灯泡断路；③更换同规格的小灯泡，重新连接电路，闭合开关，若小灯泡发光，电流表有示数，电压表有合理示数（小于电源电压），则验证故障原因为小灯泡断路。三、科学实践案例分析（共1题，30分）某学校科技社团开展“校园垃圾分类现状调查与优化”实践活动。他们通过问卷调查（共回收200份有效问卷）、垃圾桶现场观察（连续5天，每天3次）收集数据，部分结果如下：问题类型选项占比对分类标准的了解程度非常了解15%基本了解40%不太了解35%完全不了解10%垃圾桶类型可回收物桶厨余垃圾桶有害垃圾桶其他垃圾----------------------------------------------------------混投率（垃圾未按标识投放）32%45%68%18%现场观察发现：①有害垃圾桶长期空置，偶尔有电池、过期药品被投入其他垃圾桶；②可回收物桶中常见饮料瓶未清空残留液体，纸箱未压扁；③课间操后，教学楼垃圾桶旁有大量食品包装袋（属于其他垃圾）未及时清理，导致学生随意丢弃。请结合以上数据和现象，分析校园垃圾分类存在的主要问题，并提出至少3条针对性改进措施。答案：主要问题分析：①分类知识普及不足：仅15%的学生“非常了解”分类标准，45%的学生（不太了解+完全不了解）缺乏必要知识，导致混投率高（尤其是有害垃圾混投率达68%）。②分类设施使用不规范：有害垃圾桶因学生不了解其用途或嫌麻烦（如需要专门投放），导致空置；可回收物桶内物品未按要求预处理（饮料瓶未清空、纸箱未压扁），影响后续回收效率。③垃圾清理不及时：课间操后人流量大，垃圾桶容量不足且清理不及时，导致学生因找不到空位而随意丢弃，破坏分类秩序。改进措施：①加强分类知识教育：通过主题班会、校园广播、张贴漫画版分类指南（如“电池→有害垃圾”“奶茶杯→其他垃圾”）等方式，重点普及有害垃圾的种类和投放要求；开展“分类小讲师”活动，让学生讲解分类知识，增强参与感。②优化垃圾桶设置与标识：在有害垃圾桶旁增设“可投放物品示例”（如电池、荧光灯管、过期药品），并在其他垃圾桶旁标注“禁止投放有害垃圾”；可回收物桶旁放置提示牌“请清空液体/压扁纸箱”，并在垃圾桶上方设置小型收纳筐（用于暂存待处理的可回收物）。③完善垃圾清理机制：课间操等高峰时段增加垃圾桶数量（如在教学楼走廊临时放置移动垃圾桶），并调整保洁员工作时间，确保高峰后30分钟内完成清理；设立“垃圾分类监督岗”，由学生志愿者在高峰时段引导投放，对不规范行为及时提醒。四、跨学科综合题（共1题，40分）“碳中和”是指通过植树造林、节能减排等方式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。请结合生物学（光合作用）、物理学（能源利用）和社会学（公众行为）知识，设计一个针对社区的“碳中和”实践方案。要求包含目标、具体措施及预期效果。答案：实践方案名称：社区“绿色碳账户”碳中和行动目标：1年内降低社区人均碳排放量20%，通过社区绿化和能源改造实现年度碳抵消量达社区总排放量的15%。具体措施：生物学层面（光合作用固碳）：①开展“社区林”种植计划：在社区公共区域（如广场、楼间空地）种植固碳能力强的树种（如樟树、梧桐，每棵成年树年均固碳约20kg）和灌木（如夹竹桃、黄杨），每5户家庭认养1棵树，记录树木生长数据（高度、冠幅）与固碳量。②推广屋顶绿化：鼓励居民在阳台、屋顶种植爬藤植物（如常春藤、葡萄）或多肉植物（如景天科），社区提供免费种苗和种植指导，每平方米绿化年均固碳约1.5kg。物理学层面（能源减排）：①改造公共照明：将社区路灯、楼道灯更换为LED节能灯具（能耗比传统白炽灯低80%），并安装光控+人体感应装置（夜间无行人时自动调暗）。②推广家庭节能设备：联合家电企业开展“以旧换新”活动，对更换一级能效空调、冰箱的家庭给予补贴；在社区中心设置“能源监测角”，通过智能电表展示家庭每日用电量及对应的碳排放量（1度电≈0.785kgCO₂）。社会学层面（公众行为引导）：①建立“碳账户”系统：为每户家庭发放“碳积分卡”，步行/骑行1公里积1分，参与垃圾分类1次积2分，种植绿植1盆积5分；积分可兑换社区超市优惠券、免费停车券等。②组织“低碳生活”主题活动：每月举办“无车日”（鼓励乘坐公共交通）、“零废弃周末”（倡导自带水杯、购物袋），邀请环保专家开展讲座，分享“家庭碳减排小技巧”（如缩短洗澡时间、空调温度设置26℃以上）。预期效果：①生物学措施：社区绿化面积增加300平方米，新增树木50棵，年均固碳量约50×20kg+300×1.5kg=1000kg+450kg=1450kg。②物理学措施：公共照明年耗电量减少60%（原年耗电约5万度，现约2万度，减排CO₂约(5-2)×0.785=2.355吨）；家庭节能设备普及率达60%，户均年节电约200度，社区200户家庭共减排200×200×0.785=31.4吨。③社会学措施：“碳账户”参与率达80%，居民垃圾分类准确率从50%提升至85%，步行/骑行出行比例从30%提升至50%，人均年碳排放量从1.2吨降至0.96吨（降幅20%）。五、创新思维题（共1题，40分）请针对“城市道路雨水收集利用”问题，设计一个创新装置或系统。要求说明设计原理、组成部分及可能的应用场景，并分析其优缺点。答案：创新设计名称：“阶梯式海绵树池”雨水收集系统设计原理：利用城市道路两侧的树池（现有绿化空间），通过分层结构实现雨水“收集-净化-储存-利用”一体化。树池底部高于地下管网，形成“阶梯”落差，雨水经地表径流进入树池后，依次通过过滤层、储水层和导水层，最终储存于地下蓄水池，用于道路绿化灌溉或补充地下水。组成部分：①表层种植区：种植耐涝草本植物（如鸢尾、菖蒲）和灌木（如紫穗槐），土壤中混合碎石（占比30%），用于初步过滤雨水中的泥沙、垃圾。②中间过滤层：铺设5cm厚的火山岩（多孔结构，吸附能力强）和3cm厚的活性炭层，进一步去除雨水中的有机物、重金属离子。③储水层：由PP模块（塑料蓄水模块）搭建，空隙率达95%，可储存雨水（容量根据树池大小设计，单个树池约储水0.5m³）。④导水层：底部铺设透水管（管壁有小孔），连接至地下主蓄水池（位于道路绿化带下方，容量50-100m³），储水层水位超过阈值时，雨水通过透水管汇入主池。⑤智能控制系统：包括水位传感器（监测储水层和主池水位）、电磁阀（控制雨水是否排入市政管网）、太阳能水泵（旱季将主池雨水抽至喷灌系统）。应用场景：适用于城市新建或改造的双向四车道及以上道路（路侧有宽度≥2m的绿化带），尤其适合年降水量800mm以上的地区（如南方城市）。优点：①空间利用率高：利用现有树池，无需额外占用土地，降低建设成本（相比独立雨水收集池，成本降低40%）。②生态效益显著：表层植物可增加城市绿化覆盖率，过滤层净化雨水后回补地下水，缓解地面沉降；储水用于绿化灌溉，减少市政用水（年节