高三物理理論聯(lián)系實(shí)際的問(wèn)題

高考《考試說(shuō)明》明確說(shuō)明考查“物理科學(xué)技術(shù)進(jìn)展，體現(xiàn)物理學(xué)與社會(huì)生產(chǎn)和生活實(shí)際的緊密聯(lián)系”，因此我們思想上要引起足夠的重視?？v觀近年高考物理聯(lián)系實(shí)際的試題，大概可以歸為以下的5個(gè)方面：宇宙航天和天文地理，體育和運(yùn)動(dòng)，交通運(yùn)輸，人體和人類日常生活，現(xiàn)代科學(xué)理論和技術(shù)。下面我們就分類看看這五類問(wèn)題，并舉例分析。

1 高考物理與宇宙航天和天文地理聯(lián)系

這類問(wèn)題一直都是高考的熱點(diǎn)問(wèn)題，在物理高考中幾乎年年出現(xiàn)，因題目較多，這里僅舉一例。

例1 日前歐洲航天局由衛(wèi)星觀測(cè)到位于銀河系的中心存在一個(gè)超大型黑洞，命名為MCG6-30-15。根據(jù)天文學(xué)理論，恒星晚期核燃料耗盡時(shí)，其質(zhì)量大過(guò)奧本海默極限(約2-3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量)，沒(méi)有任何力量能夠抵擋住強(qiáng)大的引力，恒星的收縮將猛烈地進(jìn)行，形成“坍縮”，其全部質(zhì)量被壓縮到一個(gè)臨界半徑以內(nèi)，引力將大到使它本身發(fā)出的光子也擺脫不了其引力的束縛，發(fā)射不出來(lái)，同樣，到達(dá)其周圍的其它物質(zhì)將在巨大的引力作用下掉進(jìn)其引力場(chǎng)內(nèi)而消失掉。若MCG6-30-15星體可視為一均勻球體，它的質(zhì)量為3×1036kg，則它演變成黑洞時(shí)的臨界半徑約為多少？(萬(wàn)有引力恒量G=6.67×10-11N·m2/kg2)

解析 黑洞是指光子無(wú)法脫離其引力，因而在地球上不能接收到它發(fā)射的光子。設(shè)黑洞質(zhì)量為M，光子的質(zhì)量m=hν /c2，質(zhì)量為m的光子在黑洞表面的引力為F引 =GMm/R2。光子以光速c作半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度a=c2/R。當(dāng)萬(wàn)有引力大于向心力時(shí)光子不會(huì)外溢，即F引 >ma 。解上述各式得R

2 高考物理與體育和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系

這類問(wèn)題關(guān)鍵要求考生結(jié)合實(shí)際，建立物理模型，然后運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)解答。

例2 一跳水運(yùn)動(dòng)員從離水面10m高的平臺(tái)上向上躍起，舉雙臂直體離開臺(tái)面，此時(shí)其重心位于從手到腳全長(zhǎng)的中點(diǎn)。躍起后重心升高0.45m達(dá)到最高點(diǎn)。落水時(shí)身體豎直，手先入水(在此過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員水平方向的運(yùn)動(dòng)忽略不計(jì))。從離開跳臺(tái)到手觸水面，他可用于完成空中動(dòng)作的時(shí)間是多少？(計(jì)算時(shí)，可以把運(yùn)動(dòng)員看作全部質(zhì)量集中在重心的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。g為10m/s2，結(jié)果保留二位有效數(shù)字)

分析 本題就是以跳水運(yùn)動(dòng)員高臺(tái)跳水為背景的試題。運(yùn)動(dòng)員的高臺(tái)跳水動(dòng)作極其復(fù)雜，既有身體的彎曲與伸直、雙臂的張開與收攏、身體前后的翻轉(zhuǎn)以及以身體為軸線的轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)等。也就是說(shuō)，要精確地研究運(yùn)動(dòng)員的高臺(tái)跳水動(dòng)作，就不能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)處理。但本題為了簡(jiǎn)化，明確告訴我們“計(jì)算時(shí)，可以把運(yùn)動(dòng)員看作全部質(zhì)量集中在重心的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)”，并且在題目中還有這樣的敘述：“舉雙臂直體離開臺(tái)面，此時(shí)其重心位于從手到腳全長(zhǎng)的中點(diǎn)”，“躍起后重心升高0.45m達(dá)到最高點(diǎn)”，“落水時(shí)身體豎直，手先入水”，“在此過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員水平方向的運(yùn)動(dòng)忽略不計(jì)”，這就完全把問(wèn)題簡(jiǎn)化了。我們可以把這位運(yùn)動(dòng)員看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，起跳時(shí)位于跳臺(tái)上方 h0處(h0等于運(yùn)動(dòng)員伸直手臂后從手到腳長(zhǎng)度的一半)，而手觸水面時(shí)，其重心離水面的距離也是h0，這樣h0的大小就與本題無(wú)關(guān)．運(yùn)動(dòng)員的重心的運(yùn)動(dòng)軌跡(只看豎直方向運(yùn)動(dòng))就是先向上移動(dòng)0.45m，再向下移動(dòng)共10.45m，這個(gè)運(yùn)動(dòng)是豎直上拋運(yùn)動(dòng)，即先向上做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，再向下做自由落體運(yùn)動(dòng)，加速度都是g)。

解析 運(yùn)動(dòng)員跳起達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間

人從最高點(diǎn)至水面的高度是10+0.45＝10.45m，下落可看成是自由落體運(yùn)動(dòng)，時(shí)間為t2

3 高考物理與交通運(yùn)輸聯(lián)系

近年來(lái)物理高考也常常聯(lián)系交通知識(shí)和運(yùn)輸工具，對(duì)于這類問(wèn)題，首先也要求讀懂題目的信息，從而能建立好物理模型，運(yùn)用物理知識(shí)解決。

例3 如圖所示，一風(fēng)景區(qū)的峭壁上安裝了一套小型索道車系統(tǒng)，可將乘客送上和送下80m長(zhǎng)的山坡，峭壁頂離地面車站的垂直高度為40m，整個(gè)系統(tǒng)由一上一下兩個(gè)車廂組成，每個(gè)車廂質(zhì)量為9 000kg，它們通過(guò)山頂上一個(gè)巨大的滑輪由鋼索相連，滑輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)車廂受到的摩擦阻力恒為6000N。

(1)某次行程中有20位乘客在車廂x中下坡，另有8位乘客在車廂y中上坡，每位乘客的平均質(zhì)量為70kg，電動(dòng)機(jī)必須在整個(gè)行程中運(yùn)行。

①空載情況下為什么車廂x失去的勢(shì)能不足以將車廂y提升到山頂？

②整個(gè)車廂系統(tǒng)在這次行程中的勢(shì)能變化多少？

③克服摩擦阻力做的功是多少？

④如果整個(gè)行程用了30s時(shí)間，試計(jì)算電動(dòng)機(jī)的平均輸出功率。

(2)與上升車廂相連的鋼索中的拉力，在車廂由坡底至坡頂過(guò)程中是如何變化的？為什么？

解析 (1)①因?yàn)橛心Σ亮ψ龉Γ瑱C(jī)械能有損失。

(2)不變；因?yàn)檐噹鰟蛩龠\(yùn)動(dòng)。

例4 新型轎車前排都安有安全氣囊。氣囊內(nèi)儲(chǔ)有某種物質(zhì)，一受到?jīng)_擊就立即分解成大量氣體，使氣囊迅速膨脹，填補(bǔ)在乘員與擋風(fēng)玻璃、方向盤之間，防止乘員受傷。某次實(shí)驗(yàn)中汽車速度為144km/h，駕駛員沖向氣囊后經(jīng)0.2s停止運(yùn)動(dòng)。人沖向氣囊部分的質(zhì)量為40kg，頭部和胸部作用在氣囊上的面積為700cm2，在這種情況下，人的頭部和胸部受到的平均壓強(qiáng)是多大？

解析 v=144km/h=40m/s，由Ft=mv和P=F/S得：P=1.1×105Pa。大約相當(dāng)于一個(gè)大氣壓，所以不會(huì)對(duì)人造成傷害。

4 高考物理聯(lián)系人體和人類日常生活

物理是與人類生活息息相關(guān)的學(xué)科。近幾年高考物理也出現(xiàn)了與人體和人類生活常識(shí)的聯(lián)系。

例5 神經(jīng)系統(tǒng)中，把神經(jīng)纖維分為有髓鞘與無(wú)髓鞘兩大類?，F(xiàn)代生物學(xué)認(rèn)為，髓鞘是由多層(幾層到幾百層不等)類脂物質(zhì)——髓質(zhì)積累而成的，具有很大的電阻。

⑴已知蛙的有髓鞘神經(jīng)，髓鞘的厚度只有2μm，而它在每平方厘米的面積上產(chǎn)生的電阻卻高達(dá)1.6×105Ω。若不計(jì)髓質(zhì)片層間的接觸電阻，計(jì)算髓質(zhì)的電阻率ρ。

⑵某生物體可看作高20cm，半徑為4cm的圓柱體，視作由髓質(zhì)組成，在其兩端加上電壓，當(dāng)電壓增加到100V時(shí)，該有機(jī)體發(fā)生蠕動(dòng)。問(wèn)：引起神經(jīng)纖維產(chǎn)生感覺(jué)的最小電流I是多少？

例6 如圖所示為一種調(diào)溫型電熱毯的電路圖，其額定電壓為220V。這種電熱毯是利用兩組相同的電熱絲，采用平行相隔的布線方式縫置在底布上，通過(guò)開關(guān)改變電熱絲的連接方式，從而改變功率達(dá)到調(diào)溫的目的。圖中虛線框內(nèi)是三刀五位滑動(dòng)式功率轉(zhuǎn)換開關(guān)，三個(gè)滑片只能同時(shí)位于圖中“1”、“2”、“3”、“4”、“5”中的某一位置。求：

(1)若開關(guān)位于“2”時(shí)，電熱毯的額定功率為220W，則每組電熱絲的電阻是多大？

(2)開關(guān)位于位置幾時(shí)，電熱毯通電發(fā)熱功率最?。科渲凳嵌嗌?？

(3)當(dāng)開關(guān)位于位置“3”時(shí)，電熱毯工作5分鐘產(chǎn)生的熱量是多少？

解析 (1)當(dāng)開關(guān)位于“2”時(shí)，將電路圖中未通電流部分線路去掉，可知電路中R1、R2是并聯(lián)關(guān)系，

(2)由于電路電壓不變，要使通電時(shí)發(fā)熱功率最小，只有它們通電電阻最大，故只有R1、R2串聯(lián)接在電路時(shí)，即開關(guān)位于“4”時(shí)，功率最小，此時(shí)R＝R1＋R2。P=U2R=50W。

(3)當(dāng)開關(guān)位于“3”時(shí)，只有R2通電，且P2＝100W，電流做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故

Q=W=Pt＝100×300＝3×104J

例7 如果電熨斗的溫度調(diào)節(jié)器置于“錦綸”位置，則熨斗的通電時(shí)間為t1=10s，斷電時(shí)間t2=40s。在這種情況下，熨斗表面溫度達(dá)到T1=100℃。如果溫度調(diào)節(jié)器放在“棉布”位置，則熨斗的通電時(shí)間t′1=20s，斷電時(shí)間t′2=30s。求：溫度調(diào)節(jié)器在“棉布”位置時(shí)，熨斗表面的穩(wěn)定溫度T2？如果溫度調(diào)節(jié)器損壞，通電的熨斗將加熱至多高的溫度？假設(shè)熱損耗正比于熨斗和周圍空氣的溫差。室溫T0=20℃。

解析 當(dāng)電熨斗表面溫度穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明消耗的電功與向周圍散發(fā)的熱量相等。設(shè)P為電功率，t1時(shí)間內(nèi)消耗的電能為：W1=Pt1

而在t1+t2時(shí)間內(nèi)熨斗向周圍散發(fā)的能量為W2，由題意假設(shè)熱損耗正比于熨斗和周圍空氣的溫差。設(shè)比例系數(shù)為α，則

W2=α(T1-T0)(t1+t2)

穩(wěn)定時(shí)，有 W1=W2

即 Pt1=α(T1-T0)(t1+t2)

同理，在“棉布”位置時(shí)：

Pt1＇=α(T2-T0)(t1＇+t2＇)

得T2＝180℃

若溫度調(diào)節(jié)器損壞，設(shè)通電的熨斗將升為T3，則有以下關(guān)系式：

P(t1＇+t2＇)=α(T3-T0)(t1＇+t2＇)

得T3=420℃

5 高考物理聯(lián)系現(xiàn)代科學(xué)理論和技術(shù)

物理學(xué)與科技是密切聯(lián)系的，近年來(lái)高考物理試題中，也有一類與科學(xué)技術(shù)和理論相聯(lián)系的問(wèn)題. 在這類問(wèn)題中，常常給出大量的信息，解題的關(guān)鍵是通過(guò)仔細(xì)閱讀題目信息，找到有用信息解題，但千萬(wàn)不要被大量的題目信息嚇倒。

例8 風(fēng)能是一種環(huán)保型能源。目前全球風(fēng)力發(fā)電的總功率已達(dá)7000MW，我國(guó)約為100MW。據(jù)勘測(cè)我國(guó)的風(fēng)力資源至少有2.53×105MW。所以風(fēng)力發(fā)電是很有前途的一種能源。

⑴風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。設(shè)空氣的密度為ρ，水平風(fēng)速為v，風(fēng)力發(fā)電機(jī)每個(gè)葉片長(zhǎng)為L(zhǎng)，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率為η，那么該風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率P是多大？

⑵假設(shè)江蘇如東洋口港平均風(fēng)速為v=9m/s，所用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)L=3m，空氣密度ρ=1.3kg/m3，效率為η=25%，每天平均發(fā)電20小時(shí)，每戶居民平均每天用電1.5度，那么這臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能供多少戶居民日常用電？

解析 (1)葉片旋轉(zhuǎn)所形成的圓的面積為S=πL2，t秒內(nèi)流過(guò)該面積的空氣的質(zhì)量為

m=ρSvt，

又12mv2·η=pt

得發(fā)出的電功率為

P=3.35×103W=3.35kW。每天發(fā)電E=Pt=3.35×20=67kW·h=67度?？晒?7÷1.5=45戶居民使用。

這五類問(wèn)題雖然分類沒(méi)有一定的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，但基本能包括最近幾年高考物理試題中所有聯(lián)系的實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)上面的分類和解析，我們可以發(fā)現(xiàn)解決這類問(wèn)題關(guān)鍵是要運(yùn)用題目信息，要結(jié)合實(shí)際，建立物理模型或獲取有用的實(shí)際知識(shí)，然后運(yùn)用所學(xué)的物理和數(shù)學(xué)知識(shí)解答問(wèn)題。因而學(xué)生學(xué)習(xí)要多聯(lián)系實(shí)際，多關(guān)心社會(huì)生活和科技時(shí)事，不能死學(xué)。

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