物理光學(xué)中的ＳＴＳ問題

在新課程改革的背景下，縱觀近幾年全國物理高考走向，STS問題已經(jīng)越來越成為高考的熱點。物理學(xué)科本身的特點就決定了學(xué)科內(nèi)容與科學(xué)、技術(shù)和社會是密不可分的。筆者就物理光學(xué)部分的STS問題進(jìn)行一些分析，希望能夠起到拋磚引玉的作用。

1與自然相關(guān)STS問題

例1秋高氣爽的夜里，我們仰望天空時，會覺得星光閃爍不定，這主要是因為

A.星星在運動

B.地球在繞太陽公轉(zhuǎn)

C.地球在自轉(zhuǎn)

D.大氣的密度分布不穩(wěn)定，星光經(jīng)過大氣層后，折射光方向隨大氣密度而變化

解析地球周圍分布著大氣層，各層大氣的溫度、密度都不相同，對光線的折射情況自然也不同；而且大氣在不停地運動，所以我們看星星閃爍不定的主要原因應(yīng)是答案D。

例2我國南宋程大昌的《演繁露》中記述：“凡風(fēng)雨初霽，或露之未晞，其余點綴于草木枝之末，日光入之，五色俱足，閃爍不定，是乃日之光品著色于光，而非雨露有所五色也?！边@段文字記敘的是光的何種現(xiàn)象

A.反射B.色散

C.干涉D.衍射 

解析日光經(jīng)水珠折射，各種不同單色光由于折射率不同而發(fā)生色散，與雨后彩虹的形成相似，故選答案B。

例3落日之紅如何形成？

解析接近地平線的落日的光線經(jīng)過長距離的空氣層，相對高頻率的藍(lán)紫光大部分被散射掉，到達(dá)我們眼睛里的主要是波長較大的紅黃光，所謂金色的太陽余輝正是由此而來。

例4白云為什么是白色的？

解析主要原因是由于云是由無數(shù)小水滴組成的，這種小水滴的線度一般比可見光波長要大，這樣入射光在小水滴的外表面向各個方向反射，以及折射進(jìn)入其中的光線在內(nèi)表面的反射與再次折射，這一過程并沒有哪種色光損失掉，結(jié)果我們看到的還是復(fù)色白光。

例5科學(xué)家之所以關(guān)注南極臭氧空洞，是因為

A.紫外線有較強的化學(xué)作用，可殺菌、消毒、治療皮膚病及軟骨病

B.大氣中的臭氧層能吸收太陽光中的過強的紫外線

C.強烈的紫外線照射對人及其它動物可能是有害的

D.臭氧空洞使氣候惡化

解析臭氧層就像一張巨大的網(wǎng)，反射來自太陽的過強的紫外線，出現(xiàn)臭氧空洞后到達(dá)地面上的紫外線輻射大大增強，將嚴(yán)重傷害地球表面上生存的生物，使氣候和生態(tài)環(huán)境發(fā)生變異，還會降低人體免疫功能，誘發(fā)各種疾病。故選擇答案BD。

2與生活相關(guān)STS問題

例6高層建筑外墻大量使用的幕墻玻璃，在白天時外面的人看不清室內(nèi)的物體，而室內(nèi)的人卻能看見外面的景物，你認(rèn)為原因應(yīng)該是什么？

解析現(xiàn)實生活中大量使用的幕墻玻璃是在外層涂有一層高反膜，那是一種對光的反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透射率的物質(zhì)。

例7現(xiàn)在高速公路上的標(biāo)志牌都用“回歸反光膜”制成，夜間行車時，它能把車燈光逆向反射回去，所以標(biāo)志牌上的字都特別醒目。這種膜是用球體反射元件制成的。如圖1所示，反光膜內(nèi)部均勻分布著直徑為10μm的細(xì)玻璃珠，折射率為n等于根號3，為使入射光線經(jīng)玻璃珠折射—反射—折射后恰好和入射光線平行，第一次入射時的入射角應(yīng)是多少？

例8光纖通信技術(shù)的核心部件是光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由折射率為n1的材料制成內(nèi)芯，在外層包上折射率為n2的外套，光線在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。下列說法正確的是

A.內(nèi)芯和外套的折射率應(yīng)滿足 n₁＞n₂

B.內(nèi)芯和外套的折射率應(yīng)滿足 n₁＜n₂

C.從左端面入射的光線，入射角必須大于某值，光才能被傳導(dǎo)

D.從左端面入射的光線，入射角必須小于某值，光才能被傳導(dǎo)

解析光線要在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射，表明內(nèi)芯是光密介質(zhì)，外套是光疏介質(zhì)。另外當(dāng)光在光導(dǎo)纖維的側(cè)壁上由內(nèi)芯射向外套時，只有當(dāng)入射角大于臨界角時，光線才能發(fā)生全反射，這就要求從左端面入射的光線，其入射角必須小于某值，光才能被傳導(dǎo)。故選擇答案AD。

另外，2005年廣東省高考題也是光纖通信問題，所有答案均來自教材上的表述，如光纖通信利用光作為載體來傳遞信息；目前廣泛應(yīng)用的光導(dǎo)纖維是一種非常細(xì)的特制玻璃絲等。

3與科技相關(guān)STS問題

例9（2004年天津）激光散斑測速是一種嶄新的測速技術(shù)，它應(yīng)用了光的干涉原理。用二次曝光照相所獲得的“散斑對”相當(dāng)于雙縫干涉實驗中的雙縫，待測物體的速度v與二次曝光時間間隔△t的乘積等于雙縫間距。實驗中可測得二次曝光時間間隔△t、雙縫到屏之距離l以及相鄰兩條亮條紋間距△x。若所用激光波長為λ，則該實驗確定物體運動速度的表達(dá)式是

解析雖然題目來自于高科技，但究其實質(zhì)模型，應(yīng)用雙縫干涉相鄰條紋間距公式可以容易解決，由公式Δx=lλd及d=vΔt即可導(dǎo)出

結(jié)論B。

例10如圖4所示，激光液面控制儀的原理是：固定的一束激光AO以入射角i照射液面，反射光OB射到水平光屏上，屏上用光電管將光訊號變成電訊號，電訊號輸入控制系統(tǒng)用以控制液面高度。如果發(fā)現(xiàn)光點在屏上向右移動了△S的距離射到C點，由此計算液面降低了多少？

解析根據(jù)題意可以作出如右圖5所示的光路圖，從圖上容易看出：

例11（2004年山東）太陽表面溫度約為6000K，主要發(fā)出可見光，人體溫度約為310K，主要發(fā)出紅外線，宇宙間的溫度約為3K，所發(fā)出的輻射稱為“3K背景輻射”。若要進(jìn)行“3K背景輻射”的觀測，應(yīng)該選擇下列哪一個波段A.無線電波B.可見光

C.紫外線D.x射線

解析由題目所給的信息可以看出，物體的溫度越高，所輻射電磁波的波長越小，因此可以確定“3K背景輻射”在極低溫度下，應(yīng)是比紅外線波長還大的電磁波，即可知應(yīng)該選擇答案A是正確的。

通過以上分析，我們可以看到光學(xué)知識與STS相聯(lián)系的題目的基本特點，以及解決這類問題的基本思路。有時題目給的信息量雖然很大，而解決的過程反而簡單，可能是一個或兩個基本規(guī)律就能解決。這就要求我們在解這類問題時，不要有害怕心理，首先把應(yīng)該掌握的知識掌握牢固，理解透徹；然后平時多留意身邊可見、可聞、可感的現(xiàn)象，多動腦子，盡量將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，這樣就可以促進(jìn)知識靈活遷移，讓知識產(chǎn)生更大的意義。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文