高考物理與科技前沿相結(jié)合的試題新編

新課程的課程理念要求，物理教學(xué)要“關(guān)心學(xué)科發(fā)展，關(guān)注科技前沿…”；新課程的課程目標(biāo)要求培養(yǎng)學(xué)生的“情感、態(tài)度、價(jià)值觀”。作為對(duì)中學(xué)物理教學(xué)具有“指揮棒”功能的高考，近年已經(jīng)開(kāi)始命制一些物理與STS相結(jié)合的試題。2007年的考試大綱也明確地指出了與生活、科技生產(chǎn)等實(shí)際相結(jié)合的命題思想要有所體現(xiàn)。對(duì)于高考命題的這種改革，我們無(wú)論從物理教學(xué)改革還是從引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)備考的角度都應(yīng)該對(duì)此有所關(guān)注。尤其對(duì)于指導(dǎo)學(xué)生備考的一線教師更不能報(bào)著“讓學(xué)生去碰”的思想被動(dòng)地跟著資料走。應(yīng)該具有超前意識(shí)。我們結(jié)合其他同行的現(xiàn)有成果以及收集而來(lái)的有關(guān)信息，進(jìn)行了這方面的探討。

1 冥王星問(wèn)題——科技前沿材料信息題、學(xué)科內(nèi)綜合試題的命制

例1 （作者編）2006 年8月24日，在布拉格的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)上，天文學(xué)家們通過(guò)表決做出了一項(xiàng)決議，將冥王星從太陽(yáng)系原九大行星中除名，降級(jí)為“矮行星”。關(guān)于冥王星還有其它信息：它現(xiàn)在正處于溫度較高的夏季，只有零下200攝氏度左右，號(hào)稱“嚴(yán)寒地獄”，它的夏季時(shí)間相當(dāng)于地球上的20年，除了夏季之外的其它季節(jié)，相當(dāng)于地球上的228年，這顆星上的空氣全被凍結(jié)，覆蓋在其表面上，可認(rèn)為是真空，但有一定的重力加速度。假設(shè)其繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)也可以按圓周運(yùn)動(dòng)處理。 依據(jù)這些信息判斷下列問(wèn)題中正確的是（ ）

A.冥王星上的公轉(zhuǎn)半徑一定比地球的公轉(zhuǎn)半徑大

B.冥王星的公轉(zhuǎn)線速度一定比地球的公轉(zhuǎn)線速度大

C.在冥王星上，如果從相同高度處同時(shí)釋放氫氣球（輕質(zhì)絕熱材料制成，里面氣體是氣態(tài)的）和等大的石塊都將豎直向下運(yùn)動(dòng)，且同時(shí)到達(dá)其表面

D.冥王星上的冬季溫度有可能達(dá)到-280攝氏度

2.答案：AC

點(diǎn)評(píng) 本題綜合2006年國(guó)際天文學(xué)界的重要事件和社會(huì)熱點(diǎn)，從STS方面選取命題情景，考查了萬(wàn)有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、由熱力學(xué)第三定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式等物理學(xué)重要知識(shí)，考查了學(xué)生獲取信息和處理信息的能力，用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，屬于學(xué)科內(nèi)的綜合，體現(xiàn)了新課標(biāo)關(guān)于“關(guān)注科技前沿，關(guān)注學(xué)科發(fā)展”的課程理念，體現(xiàn)了高考命題改革的發(fā)展趨勢(shì)——發(fā)揮對(duì)基礎(chǔ)教育課程改革的導(dǎo)向功能。

1 “智能一號(hào)”撞擊月球（太陽(yáng)能離子發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題）——曲經(jīng)通幽，科技前沿試題的編制

例2 （作者編）.歐盟研制的“智能一號(hào)”（SMART－1）月球探測(cè)器，在圍繞月球運(yùn)行了近3年以后，于2006年9月3日完成了對(duì)月球的“輕柔一擊”。測(cè)試太陽(yáng)能離子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，其實(shí)是“智能１號(hào)”探月之旅最主要的任務(wù)。太陽(yáng)能離子發(fā)動(dòng)機(jī)（即通常所說(shuō)的“電火箭”推進(jìn)技術(shù)）為探測(cè)器的軌道糾偏或調(diào)整姿態(tài)等提供動(dòng)力。工作原理是：將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電能電離惰性氣體原子（如氙），將產(chǎn)生的氙離子經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)加速后，從尾噴管高速噴出，提供反沖力。它利用燃料的效率比普通化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高10倍，主要利用太陽(yáng)能，因此在宇宙無(wú)重力狀況下能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)幾年，而普通火箭發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)以噸計(jì)的燃料幾分鐘即可用完。因此，歐空局把“電火箭”推進(jìn)技術(shù)列為十大尖端技術(shù)之一。假如探測(cè)器連同離子發(fā)動(dòng)機(jī)和氙氣的總質(zhì)量為M，每個(gè)氙離子的質(zhì)量為m，電量為q，加速電壓為U，離子加速后形成的電流強(qiáng)度為I，假如開(kāi)始飛行器的速度為零，求：

（1）則發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)噴出多少個(gè)氙離子？

（2）在離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作的初始階段由離子發(fā)動(dòng)機(jī)給探測(cè)器產(chǎn)生的加速度的大小為多少？

解析 （1）設(shè)單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)噴出n個(gè)離子，根據(jù)電流強(qiáng)度的定義可以知道，

n=I/q

（2）設(shè)離子被噴出尾管時(shí)的速度為v，則t時(shí)間內(nèi)噴出離子個(gè)數(shù)為nt。由動(dòng)量定理得：

F=P/t=ntmv/t=nmv=mvI/q

在發(fā)射離子的過(guò)程中，與發(fā)射出的離子組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，設(shè)噴射出的離子的總質(zhì)量為，發(fā)射離子后，離子的速度為，則有：

mv=(M-m)v₁

因?yàn)镸m，所以vv₁。故在離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作的初始階段探測(cè)器的速度可以忽略不計(jì)

在離子加速階段，由動(dòng)能定理得：

點(diǎn)評(píng) 本題以物理知識(shí)在科技前沿問(wèn)題中的應(yīng)用為線索，緊密結(jié)合科技時(shí)事，考查了帶電粒子在電場(chǎng)中的加速、動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒、動(dòng)能定理、功率等知識(shí)，考查學(xué)生收集有效信息，建立物理模型的能力。

一般人們都是將碰撞問(wèn)題作為本科技事件的結(jié)合點(diǎn)，而且難以命題，本題轉(zhuǎn)向離子發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題，使得命題思路迅速柳暗花明！

3 我國(guó)的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)——推陳出新，“從物理走向社會(huì)”試題的編制

例3 （改編）繼２００６年９月２８日中國(guó)科學(xué)院等離子體所的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（ＥＡＳＴ）首次調(diào)試成功之后， 2007年1月14日又進(jìn)行再次成功放電實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著我國(guó)在全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域（“人造太陽(yáng)”）已站在世界前沿。目前國(guó)際上的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)是通過(guò)可控?zé)岷朔磻?yīng)可以獲得能源，要持續(xù)發(fā)生熱核反應(yīng)必須把溫度高達(dá)幾百萬(wàn)攝氏度以上的核材料約束在一定的空間內(nèi)。約束的辦法有多種，其中技術(shù)上相對(duì)較成熟的是用磁場(chǎng)約束核材料，稱為托卡馬克裝置（Tokamak是研究受控核聚變的一種裝置。這個(gè)詞是由toroidal（環(huán)形的）、kamera（真空室）、magnet（磁）的頭兩個(gè)字母和 katushka（線圈）的第一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞），如圖所示為這種裝置的簡(jiǎn)化模型：垂直紙面的有環(huán)形邊界的勻強(qiáng)磁場(chǎng)（b區(qū)域）圍著磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的圓形a區(qū)域，a區(qū)域內(nèi)的離子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，離子的速度只要不超過(guò)某值，就不能穿過(guò)環(huán)形磁場(chǎng)的外邊界而逃逸，從而被約束。

設(shè)環(huán)形磁場(chǎng)的內(nèi)半徑為R₁=0.50m，外半徑為R₂=1.0m，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=1.0T，被約束的離子的比荷為q/m=4.0×10⁷C/kg。

（1）這種裝置同我國(guó)秦山、大亞灣核電站所使用的核裝置核反應(yīng)是否同一類(lèi)型？

（4）若a區(qū)域中沿半徑OM方向射入磁場(chǎng)的離子不能穿越磁場(chǎng)，粒子的速度不能超過(guò)多大？

（5）若要使a區(qū)域沿任何方向射入磁場(chǎng)的速度大小為2×10⁷m/s的離子不能穿越磁場(chǎng)的外邊界，則b區(qū)域的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B′至少要有多大？

解析 （1）相同。因?yàn)榍厣健⒋髞啚澈穗娬舅褂玫暮朔磻?yīng)是原子核的裂變，本題是聚變反應(yīng)，所以不相同。

點(diǎn)撥 本題結(jié)合我國(guó)的科技新成就考查了熱核反應(yīng)、洛侖茲力、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等知識(shí)，尤其是第一問(wèn)中相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題——“秦山、大亞灣核電站的反應(yīng)類(lèi)型、工作原理”如果不關(guān)心社會(huì)、一味地游題海很難得分。本題有利于體現(xiàn)新課程關(guān)于“知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀”等課程目標(biāo)，有利于督促學(xué)生關(guān)注社會(huì)、關(guān)注生活，體現(xiàn)了高考對(duì)基礎(chǔ)教育課程改革的導(dǎo)向功能。

4 2006諾貝爾獎(jiǎng)和冥王星問(wèn)題的綜合——陳題新用，信息材料探究題的編制

例6 （陳題改編——估測(cè)冥王星表面溫度）2006年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家約翰#8226;馬瑟和喬治#8226;斯穆特，以表彰他們對(duì)宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性的發(fā)現(xiàn)。該成果將有助于研究早期宇宙，幫助人們更多地了解恒星和星系的起源。對(duì)宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)提供了有力的支持。關(guān)于黑體輻射，有下列科學(xué)材料：自然界中的一切物體由于有一定的溫度會(huì)不斷地向外輻射電磁波，這種輻射也叫做熱輻射.處于一定溫度的物體在向外輻射電磁波的同時(shí)，也不斷吸收其它物體輻射的電磁波，如果它處于熱平衡則能量保持不變。在不考慮其它影響時(shí)，如果能夠100%地吸收入射到其表面的能量的理想物體，叫做黑體。單位時(shí)間從黑體表面單位面積所輻射的總能量與黑體絕對(duì)溫度的四次方成正比，即W₀=kT⁴，其中常量k=5.67×10^-8W/（m²K⁴），在下面的問(wèn)題中，把研究對(duì)象都簡(jiǎn)單地看成黑體，有關(guān)數(shù)據(jù)和公式：太陽(yáng)半徑R=6.96×10⁵km，太陽(yáng)表面溫度T=5770K，冥王星半徑為1137km，球面積S=4πR²，其中R為球半徑，求：

（1）每小時(shí)從太陽(yáng)表面輻射的總能量為多少？

（2）冥王星受到太陽(yáng)的輻射可以認(rèn)為垂直射到面積為πr²的圓盤(pán)上（r為冥王星的半徑），已知太陽(yáng)到冥王星的距離約為太陽(yáng)半徑的64億千米（該距離大約是太陽(yáng)半徑的9200倍），忽略其它天體與宇宙空間的輻射，試估算冥王星的平均溫度。

本題通過(guò)材料信息的提供，考查學(xué)生的即時(shí)自主學(xué)習(xí)能力、提取有效信息進(jìn)行科學(xué)探究的能力。體現(xiàn)了新課程關(guān)于“提倡學(xué)習(xí)方式多樣化、關(guān)注探究…關(guān)注多元化的評(píng)價(jià)方式”等思想。

由上述例子可知，體現(xiàn)新課程思想的物理題由于與學(xué)生的社會(huì)生活密切聯(lián)系、使得物理問(wèn)題變得有血有肉，物理習(xí)題變得富有親切感，有利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛(ài)科學(xué)的情感，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的熱情和興趣，培養(yǎng)對(duì)物理問(wèn)題的應(yīng)用意識(shí)，這些題目的命制思路和特點(diǎn)是（1）以新的科技、社會(huì)、生活信息作為命題情景（2）并不回避對(duì)以往老題的改編加工。事實(shí)上，這也體現(xiàn)了近年高考命題的改革趨勢(shì)。

另外2006年有許多科技前沿?zé)狳c(diǎn)值得我們關(guān)注，同一前沿問(wèn)題我們又可以從不同角度進(jìn)行變式考查，比如2006年普遍對(duì)于冥王星比較關(guān)注，這屬于熱點(diǎn)問(wèn)題。但是太陽(yáng)系中的“老九”（冥王星）被開(kāi)除了，但是它的發(fā)現(xiàn)過(guò)程與太陽(yáng)系中的“老八”（海王星）具有類(lèi)似的方法，如果問(wèn)：當(dāng)年亞當(dāng)斯和列維列是怎樣利用萬(wàn)有引力定律發(fā)現(xiàn)海王星的呢？我們又一味地強(qiáng)調(diào)回歸教材，那么我們結(jié)合教材怎樣引導(dǎo)學(xué)生自己編寫(xiě)相關(guān)問(wèn)題呢？對(duì)這一問(wèn)題的解決，既關(guān)注了熱點(diǎn)中的盲點(diǎn)（例如去年高考人們普遍關(guān)心“神六”，結(jié)果出的卻是“常娥”問(wèn)題。不同樣是熱點(diǎn)中的盲點(diǎn)嗎？），那么海王星問(wèn)題應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)好呢？由于篇幅所限此處不再舉例。讀者可以參考我們?cè)凇对囶}調(diào)研》第9輯中的“教育專家指導(dǎo)”板塊的提示。

參考文獻(xiàn)：

［1］《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，人民教育出版社

［2］陶成龍、于永建等：《清華考吧》，光明日?qǐng)?bào)出版社，2005.3