2026年“明天小小科学家”竞赛试题及答案

2026年“明天小小科学家”竞赛试题及答案2026年“明天小小科学家”竞赛笔试试题（满分150分，考试时间180分钟）一、客观题（共40分）（一）单项选择题（每题5分，共20分，每题只有1个正确选项）1.2024年嫦娥六号任务带回人类首份月球背面南极-艾特肯盆地的月壤样本，经检测该区域月壤中氦-3含量较正面月壤高17%左右，下列关于氦-3的说法正确的是：A.氦-3原子核内有3个质子B.氦-3与氘的聚变反应无中子产生，是理想的核聚变清洁能源C.氦-3在地球地壳中的储量远高于月球表层D.1mol氦-3气体的体积在标准状况下约为11.2L2.我国科研团队开发的铜单原子配位改性电催化剂，可在常温常压下将CO₂还原为乙酸，法拉第效率最高达98%，下列说法错误的是：A.该反应可将电能转化为化学能，属于人工固碳的技术路径B.法拉第效率98%指的是生成乙酸消耗的电量占总通入电量的98%C.1molCO₂完全转化为乙酸时转移电子数为8Nₐ（Nₐ为阿伏伽德罗常数）D.该技术耦合可再生能源发电后，可实现乙酸的负碳生产3.DeepMind团队2024年迭代发布的AlphaFold3可实现蛋白质、核酸、小分子配体复合物结构的高精度预测，预测精度中位值达0.97埃，下列相关说法正确的是：A.蛋白质的二级结构仅由肽键之间的氢键维持，与氨基酸侧链基团无关B.RNA的二级结构为线性单链结构，不存在碱基配对现象C.AlphaFold3的预测结果可完全替代冷冻电镜、X射线晶体衍射的实验结构解析结果D.该技术可大幅缩短靶向药物研发过程中靶点结构解析的时间成本，降低研发门槛4.2023年我国科学家研发的镥-氢-氮材料在1GPa压强下实现了21℃的近常压室温超导，下列关于超导材料的说法正确的是：A.超导材料的零电阻特性指的是温度降到临界温度以下时，材料电阻突然降至0B.本次研发的室温超导材料已经可以直接大规模应用于特高压输电领域C.超导材料的迈斯纳效应指的是超导态下材料内部磁场强度远高于外部磁场强度D.所有超导材料的临界温度都低于0℃（二）多项选择题（每题10分，共20分，每题有2个及以上正确选项，全对得10分，漏选得4分，错选、不选得0分）1.我国计划2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和，下列措施符合我国双碳发展战略、有助于减排目标实现的是：A.推广光伏、风电、生物质能等可再生能源替代化石能源，构建新型电力系统B.在西部干旱、半干旱区大规模种植乔木类碳汇林，提升陆地碳汇能力C.推广钢渣、矿渣、粉煤灰等工业固废替代水泥熟料制备低碳建材，减少水泥生产碳排放D.将燃煤电厂、钢铁厂排放的CO₂捕集后封存于枯竭油气田、咸水层等地质结构中2.我国天问四号行星探测任务计划2030年前后发射，实现木星系统探测及天王星飞越探测，下列关于太阳系行星的说法正确的是：A.木星是太阳系质量最大的行星，其大气层主要成分为氢和氦，占总质量的95%以上B.天王星的自转轴倾斜角度达97度，几乎是“躺着”围绕太阳公转，四季差异极大C.木星的卫星木卫二是太阳系中除地球外唯一存在液态水的天体，地下海洋储量超过地球总水量D.天王星属于类木行星（气态巨行星），没有固体岩石表面，外层大气主要成分为氢、氦和甲烷===客观题参考答案及解析===（一）单项选择题1.答案：B解析：A选项错误，氦为2号元素，所有氦同位素原子核内均有2个质子，氦-3的质量数为3，原子核内有1个中子；B选项正确，氘（²H）与氦-3（³He）聚变反应生成氦-4（⁴He）和质子，无中子产生，辐射危害小，是理想的核聚变清洁能源；C选项错误，月球表层氦-3储量约为100万吨，是地球已探明储量的100万倍以上；D选项错误，氦-3为单原子分子气体，标准状况下1mol任何气体的体积均约为22.4L。2.答案：C解析：乙酸的分子式为C₂H₄O₂，分子中2个碳原子的平均氧化态为0，CO₂中碳原子氧化态为+4，因此每生成1mol乙酸需要消耗2molCO₂，转移电子总量为8mol，即1molCO₂完全转化为乙酸时转移电子数为4Nₐ，C选项表述错误；其余选项表述均正确：电催化CO₂还原为乙酸将电能存储为化学能，属于人工固碳路径；法拉第效率定义为目标产物消耗的电量占总输入电量的比例；耦合可再生能源发电时，电力碳排放为0，反应消耗CO₂，可实现乙酸的负碳生产。3.答案：D解析：A选项错误，蛋白质的二级结构不仅与肽键氢键有关，氨基酸侧链的疏水相互作用、静电相互作用也会影响二级结构的稳定性；B选项错误，RNA的二级结构存在大量局部碱基配对，形成发夹、茎环等结构；C选项错误，AlphaFold3的预测结果为概率性结果，对于高复杂度的多分子复合物、动态构象结构仍需实验验证，无法完全替代实验解析；D选项正确，传统结构解析需耗时数月至数年，AlphaFold3可在数小时内得到高精度预测结果，大幅降低靶点结构解析的时间成本。4.答案：A解析：B选项错误，本次研发的室温超导需要1GPa的高压条件（约为1万个标准大气压），无法满足常压大规模应用的要求；C选项错误，迈斯纳效应指的是超导态下材料内部磁场为0，具有完全抗磁性；D选项错误，本次研发的材料临界温度为21℃，高于0℃；A选项表述为超导零电阻特性的标准定义，正确。（二）多项选择题1.答案：ACD解析：B选项错误，我国西部干旱、半干旱区水资源匮乏，大规模种植乔木会加剧水资源消耗，乔木成活率低，碳汇效益差，适宜种植耐旱灌木、草本植物提升碳汇能力；其余选项均为我国双碳战略推广的技术路径：可再生能源替代化石能源可直接减少碳排放；工业固废替代水泥熟料可减少水泥生产过程中碳酸钙分解的碳排放；CO₂地质封存是碳捕集利用与封存（CCUS）的重要技术方向。2.答案：ABD解析：C选项错误，太阳系中除地球、木卫二外，木卫三、土卫六、土卫二等天体均已证实存在地下液态水，木卫二不是唯一存在液态水的天体；其余选项表述均正确：木星质量为太阳系其他行星总质量的2.5倍，大气主要成分为氢和氦；天王星自转轴倾斜97度，公转过程中两极轮流朝向太阳，四季差异极大；天王星为气态巨行星，无固体表面，大气中的甲烷使其呈现蓝色外观。二、主观必考题（共40分，每题20分）1.我国最新研发的18MW海上风电机组是当前全球单机容量最大的风电机组，叶轮直径280米，额定风速（11m/s）下的风能利用系数为0.36，已知空气密度取1.29kg/m³，回答下列问题：（1）计算额定风速下，该风电机组叶轮扫过区域单位时间内通过的空气动能（理论风能功率）。（2）计算额定工况下该机组的实际发电功率（忽略传动、发电环节的能量损耗），若机组的风能利用系数提升至0.4，额定发电功率可提升多少？（3）若该机组年有效发电小时数为3300小时，每发1kWh电可替代0.32kg标准煤，每千克标准煤燃烧排放2.6kgCO₂，计算该机组投运后年CO₂减排量。===参考答案===（1）叶轮扫风面积S=πr²=3.14×(280/2)²=3.14×19600≈61544m²（3分）单位时间内通过扫风面的空气质量m=ρ·S·v=1.29kg/m³×61544m²×11m/s≈8.73×10⁵kg/s（4分）单位时间空气动能（理论风能功率）P₀=0.5mv²=0.5×8.73×10⁵kg/s×(11m/s)²≈5.28×10⁷W=52.8MW（3分）（2）实际发电功率P₁=Cp·P₀=0.36×52.8≈19.0MW（2分）Cp提升至0.4时，P₂=0.4×52.8≈21.1MW，功率提升量ΔP=21.1-19.0=2.1MW（3分）（3）年发电量W=19.0×10³kW×3300h=6.27×10⁷kWh（2分）年替代标准煤量=6.27×10⁷kWh×0.32kg/kWh≈2.01×10⁷kg年CO₂减排量=2.01×10⁷kg×2.6kg/kg≈5.23×10⁷kg=5.23万吨（3分）2.科研人员利用CRISPR-Cas9基因编辑技术改造大肠杆菌，使其能够利用葡萄糖合成可降解塑料PHA（聚羟基脂肪酸酯），已知改造后的大肠杆菌每消耗1mol葡萄糖可生成0.35molPHA单体（分子式为C₄H₆O₂），PHA聚合物的平均聚合度为1200，回答下列问题：（1）写出大肠杆菌有氧呼吸分解葡萄糖的总反应式。（2）计算1kg葡萄糖经过改造后的大肠杆菌代谢，最多可生成多少kgPHA（保留3位有效数字）。（3）与传统石油基聚乙烯（PE）塑料相比，PHA可在自然环境中被微生物完全降解为CO₂和H₂O，计算1kgPHA完全降解时需要消耗标准状况下的氧气体积（保留1位小数）。===参考答案===（1）有氧呼吸总反应式：C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O→6CO₂+12H₂O+能量（4分）（2）葡萄糖摩尔质量为180g/mol，1kg葡萄糖的物质的量n(葡萄糖)=1000g÷180g/mol≈5.556mol（3分）生成PHA单体的物质的量n(单体)=5.556mol×0.35≈1.945mol（3分）PHA单体摩尔质量为4×12+6×1+2×16=86g/mol，因此PHA质量m=1.945mol×86g/mol≈167g=0.167kg（4分）（3）PHA单体完全降解的反应式为：C₄H₆O₂+4.5O₂→4CO₂+3H₂O（2分）1kgPHA含单体物质的量n=1000g÷86g/mol≈11.628mol，消耗O₂的物质的量=11.628mol×4.5≈52.33mol（2分）标准状况下O₂体积=52.33mol×22.4L/mol≈1172.2L（2分）三、实验探究题（共30分）某兴趣小组发现市面售卖的“富氢水杯”声称开机10分钟可生成溶解氢浓度达1200ppb的富氢水，长期饮用可发挥抗氧化作用，小组计划设计实验验证该水杯的产氢效率及富氢水的抗氧化性，提供的实验器材包括：富氢水杯、精度1ppb的溶解氢传感器、磁力搅拌器、碘量瓶、新制氯水、品红溶液、pH计、0.01mol/L硫代硫酸钠标准溶液、淀粉指示剂、KI固体、稀硫酸等，回答下列问题：1.设计实验测定富氢水杯开机工作10分钟后水中的实际溶解氢浓度，写出详细实验步骤和数据处理方法（10分）。2.为验证富氢水的抗氧化性，小组计划用等体积的富氢水和普通蒸馏水分别与等量新制氯水混合，加入品红溶液观察褪色时间，指出该实验的自变量、因变量和至少3项需要控制的无关变量（8分）。3.已知氢气可将氯水中的Cl₂还原为Cl⁻，反应式为H₂+Cl₂=2HCl，小组采用碘量法验证溶解氢浓度：①空白实验：取100mL普通蒸馏水，加入10mL相同浓度的新制氯水，加入过量KI固体，滴加稀硫酸酸化，用0.01mol/L硫代硫酸钠标准溶液滴定至终点，消耗标准液18.60mL；②样品实验：取100mL富氢水杯工作10分钟后的富氢水，加入10mL相同浓度的新制氯水，后续操作与空白实验一致，消耗标准液6.20mL。已知滴定反应为I₂+2S₂O₃²⁻=2I⁻+S₄O₆²⁻，1ppb=1μg/L，计算该富氢水中的溶解氢浓度，判断是否达到商家声称的1200ppb标准（12分）。===参考答案===1.实验步骤：①将富氢水杯洗净，加入200mL常温普通蒸馏水，静置5分钟后，将溶解氢传感器探头插入液面下，待读数稳定后记录初始溶解氢浓度C₀，重复测定3次取平均值（3分）；②开启富氢水杯工作模式，工作10分钟后自动停止，将杯内全部水样倒入密闭碘量瓶中，放入磁力搅拌子，将溶解氢传感器探头插入液面下并密封瓶口，开启磁力搅拌器待读数稳定后记录溶解氢浓度C₁，重复该操作3次取平均值（4分）；数据处理：最终溶解氢浓度C=C₁平均-C₀平均，排除初始溶解氢的干扰，若3次平行实验的相对偏差小于5%则数据有效（3分）。2.自变量：水的类型（富氢水/普通蒸馏水）（2分）；因变量：品红溶液的褪色时间（2分）；无关变量：新制氯水的浓度和体积、品红溶液的浓度和体积、反应体系的温度、光照强度、溶液pH值、混合溶液的搅拌速率（答出任意3项即可，每项2分，共4分）。3.计算过程：空白实验中，Cl₂与过量KI反应生成I₂：Cl₂+2I⁻=2Cl⁻+I₂，滴定消耗的硫代硫酸钠对应氯水中的总Cl₂量：n(S₂O₃²⁻)空白=0.01mol/L×0.0186L=1.86×10⁻⁴mol，因此n(Cl₂)总=0.5×n(S₂O₃²⁻)空白=9.3×10⁻⁵mol（4分）；样品实验中，富氢水中的H₂还原了部分Cl₂，剩余Cl₂与KI反应生成I₂：n(S₂O₃²⁻)样品=0.01mol/L×0.0062L=6.2×10⁻⁵mol，因此剩余n(Cl₂)剩=0.5×n(S₂O₃²⁻)样品=3.1×10⁻⁵mol（3分）；被H₂还原的Cl₂的物质的量Δn(Cl₂)=9.3×10⁻⁵mol-3.1×10⁻⁵mol=6.2×10⁻⁵mol，根据反应式H₂+Cl₂=2HCl，n(H₂)=Δn(Cl₂)=6.2×10⁻⁵mol（2分）；H₂的质量m(H₂)=6.2×10⁻⁵mol×2g/mol=1.24×10⁻⁴g=124μg，水样体积为100mL=0.1L，因此溶解氢浓度=124μg÷0.1L=1240ppb，略高于商家声称的1200ppb，达到标称标准（3分）。四、创新设计选考题（共40分，考生从2道题中任选1道作答，若全答则按第一题计分）1.工程技术方向：我国西南山区部分农村存在小型分散式供水水源浑浊度、微生物指标超标的问题，要求设计一款成本低于100元、无需外接电源、日处理水量不低于50L的家用净水装置，写出详细设计方案，包括材料清单及成本、工作原理、工艺流程、预期处理效果，要求至少涵盖沉淀、过滤、消毒三个处理单元，符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2022的要求。===参考设计方案===（1）材料清单及成本：食品级PVC储水桶2个（20L/个，壁厚2mm，35元）、石英砂滤料（粒径0.5-1mm，5kg，10元）、柱状活性炭滤料（碘值800mg/g，2kg，15元）、0.22μm聚丙烯微孔滤膜（直径20cm，1张，6元）、食品级次氯酸钠缓释消毒片（100片/瓶，9元）、硅胶管、PVC阀门、防水密封胶（15元），总成本90元，低于100元的要求（10分）。（2）工作原理：利用重力自流实现水处理全程动力供给，无需外接电源，通过物理沉淀、多级过滤、化学缓释消毒联合去除水中的悬浮物、有机物、微生物等污染物（8分）。（3）工艺流程：①一级沉淀单元：原水倒入第一级PVC桶，静置30分钟，大颗粒泥沙、悬浮物在重力作用下沉降到底部污泥区，上层清液通过桶壁高度15cm处的阀门流入二级过滤单元；②二级过滤单元：第二级PVC桶自上而下依次填充10cm厚石英砂层、15cm厚活性炭层、5cm厚石英砂承托层，底层铺设0.22μm微孔滤膜，上清液自流经过滤层，石英砂去除残留悬浮物、胶体，活性炭去除异味、小分子有机物、农药残留，微孔滤膜截留大肠杆菌、贾第鞭毛虫等病原微生物；③三级消毒单元：过滤后的水流入桶底储水区，投入1片次氯酸钠缓释消毒片，静置30分钟后即可饮用，缓释消毒片可维持水中余氯浓度在0.3-0.5mg/L，抑制细菌滋生（14分）。（4）预期效果：出水浑浊度≤1NTU，大肠杆菌去除率≥99.99%，总大肠菌群未检出，耗氧量≤3mg/L，符合《生活饮用水卫生标准》要求，日处理水量可达60L，满足3-5人家庭的日常饮用水需求（8分）。2.基础研究方向：近年研究发现城市绿化植物的叶片可有效吸附大气中的PM2.5，不同植物的PM2.5吸附能力差异较大，要求设计实验筛选出适宜本地种植的高PM2.5吸附能力的