２００８年高考物理ＳＴＳＥ試題賞析

黎國勝

STSE是科學（Science）、技術(shù)（Technology）、社會（Society）、環(huán)境（Environment）的簡稱，STSE教育是當代科學教育的重要理念，是公民科學素養(yǎng)教育的一個重要組成方面，也是我國高中理科課程改革的一個基本方向。它強調(diào)科學、技術(shù)、社會、環(huán)境的相互作用，重視科學技術(shù)在社會生產(chǎn)、人民生活及社會發(fā)展中的應(yīng)用，關(guān)注社會發(fā)展、人民生活水平提高與環(huán)境的友好協(xié)調(diào)。其顯著特征是把當今時代與科技相關(guān)的重大社會問題納入教育之中，包括科技的應(yīng)用問題、科技發(fā)展動向問題和科技的社會倫理問題等。近年來有關(guān)STSE的物理試題越來越受到重視，據(jù)筆者粗略統(tǒng)計，僅2008年全國高考物理試題中就有18道之多。

物理知識與日常生活、科學技術(shù)、社會發(fā)展、環(huán)境改善密切相關(guān)，在交通運輸、體育運動、醫(yī)療技術(shù)、家用電器、航空航天、光電通訊、抗震救災(zāi)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。解決STSE物理試題的關(guān)鍵在于：通過對實際問題的分析，抽象出理想化的物理模型，根據(jù)物體的運動過程，選擇相應(yīng)的物理規(guī)律，求解答案。

一、與體育運動相關(guān)的STSE試題

健康是人生的最大財富，沒有健康就沒有一切。體育運動不僅具有使人類更加健康的實用性，更具有極強的觀賞性和娛樂性。體育運動特別是競技體育運用了大量的物理知識，再加上2008年奧林匹克運動會又在北京舉行，奧林匹克的團結(jié)、友誼、進步、和諧、參與和夢想精神代表了人類的普遍價值觀和人類追求美好未來的共同愿望。因此與體育運動相關(guān)的STSE試題無疑會受到2008年高考命題專家的青睞。

例1（廣東卷第3題）運動員跳傘將經(jīng)歷加速下降和減速下降兩個過程。將人和傘看成一個系統(tǒng)，在這兩個過程中，下列說法正確的是（）

A． 阻力對系統(tǒng)始終做負功

B． 系統(tǒng)受到的合外力始終向下

C． 重力做功使系統(tǒng)的重力勢能增加

D． 任意相等的時間內(nèi)重力做的功相等

點評本題中運動員和傘即為研究對象，題中給出了運動過程，只需對各過程進行受力分析。由功的公式可知A選項正確，再由牛頓第二定律可知B選項錯誤，根據(jù)重力做功與重力勢能的關(guān)系可知C選項錯誤，由于運動員先加速后減速故相同時間位移不同，由功的公式可知D選項錯誤。答案A。

本題的物理模型和物理過程非常清楚，考查的知識點多但難度不大，只要稍加分析不難找出正確答案。

例2（廣東卷第10題）某人騎自行車在平直道路上行進，圖1的實線記錄了自行車開始一段時間內(nèi)的v-t圖象。某同學為了簡化計算，用虛線作近似處理，下列說法正確的是（）

點評本題主要考查學生對速度-時間圖象（包括對斜率、面積）的理解及平均速度概念的理解。答案：BD。

例3（廣東卷第17題）有一種叫“飛椅”的游樂項目，如圖2所示，長為L的鋼繩一端系著座椅，另一端固定在半徑為r的水平轉(zhuǎn)盤邊緣。轉(zhuǎn)盤可繞穿過其中心的豎直軸轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)盤以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動時，鋼繩與轉(zhuǎn)軸在同一豎直平面內(nèi)，與豎直方向的夾角為θ。不計鋼繩的重力，求轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的角速度ω與夾角θ的關(guān)系。

點評本題考查圓周運動的相關(guān)知識，正確進行受力分析，根據(jù)向心力公式可求解，試題難度不大。

練習1（廣東卷第11題）某同學對著墻壁練習打網(wǎng)球，假定球在墻面以25 m/s的速度沿水平方向反彈，落地點到墻面的距離在10 m至15 m之間。忽略空氣阻力，取g=10 m/s2。球在墻面上反彈點的高度范圍是（）

A． 0.8 m至1.8 mB． 0.8 m至1.6 m

C． 1.0 m至1.6 m D． 1.0 m至1.8 m

練習2（重慶卷第23題）滑板運動是一項非常刺激的水上運動，研究表明，在進行滑板運動時，水對滑板的作用力Fx垂直于板面，大小為kv2，其中v為滑板速率（水可視為靜止）。某次運動中，在水平牽引力作用下，當滑板和水面的夾角θ=37°時（圖3所示），滑板做勻速直線運動，相應(yīng)的k=54 kg/m，人和滑板的總質(zhì)量為108 kg。試求：（重力加速度g取10 m/s2，sin37°=0.6，忽略空氣阻力）

（1）水平牽引力的大??；

（2）滑板的速率；

（3）水平牽引力的功率。

二、與抗震救災(zāi)有關(guān)的STSE試題

2008年四川汶川遭遇了建國以來最大的地震災(zāi)難，數(shù)萬同胞遇難，黨和國家領(lǐng)導人多次親自到災(zāi)區(qū)看望災(zāi)民，指揮抗震救災(zāi)工作，十多萬中國人民解放軍奮戰(zhàn)在抗震救災(zāi)的最前沿，全國人民積極行動支持災(zāi)區(qū)?？拐鹁葹?zāi)過程中出現(xiàn)了許多可歌可泣的事跡，充分體現(xiàn)了中國人民的團結(jié)互助和不畏艱難的民族精神。這是2008年我國的一件大事，理應(yīng)受到高考命題專家的重視，在今年的高考物理中有兩道抗震救災(zāi)STSE物理試題。通過抗震救災(zāi)的試題，可以引導學生關(guān)注時事、關(guān)注民生，樹立以人為本的觀念。

例4（重慶卷第20題）某地區(qū)地震波中的橫波和縱波傳播速率分別約為4 km/s和9 km/s。一種簡易地震儀由豎直彈簧振子P和水平彈簧振子H組成（如圖4所示）。在一次地震中，震源在地震儀下方，觀察到兩振子相差5 s開始振動，則（）

A.P先開始振動，震源距地震儀約36 km

B.P先開始振動，震源距地震儀約25 km

C.H先開始振動，震源距地震儀約36 km

D.H先開始振動，震源距地震儀約25 km

點評本題構(gòu)思非常巧妙。橫波的波源振動方向與傳播方向垂直，縱波的振動方向與傳播方向共線。顯然P只能上下振動，而波沿豎直方向傳播，故P監(jiān)測地震波中的縱波，而H只能監(jiān)測地振波中的橫波，再根據(jù)波勻速傳播的公式即可求解。答案：A。

練習3（山東卷第19題）有一直升機懸停在空中向地面投放裝有救災(zāi)物資的箱子，如圖5所示。設(shè)投放初速度為零，箱子所受的空氣阻力與箱子下落速度的平方成正比，且運動過程中箱子始終保持圖示姿態(tài)。在箱子下落過程中，下列說法正確的是（）

A． 箱內(nèi)物體對箱子底部始終沒有壓力

B． 箱子剛從飛機上投下時，箱內(nèi)物體受到的支持力最大

C． 箱子接近地面時，箱內(nèi)物體受到的支持力比剛投下時大

D． 若下落距離足夠長，箱內(nèi)物體有可能不受底部支持力而“飄起來”

三、與節(jié)能環(huán)保、新型能源相關(guān)的STSE試題

環(huán)境與能源問題是人類共同關(guān)注的問題，它關(guān)系到人類是否能夠可持續(xù)發(fā)展。通過這類試題，能夠引導學生關(guān)注環(huán)境，養(yǎng)成節(jié)能的良好習慣，增強節(jié)能環(huán)保的意識。

例5（北京卷第23題）風能將成為21世紀大規(guī)模開發(fā)的一種可再生清潔能源。風力發(fā)電機是將風能（氣流的動能）轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其主要部件包括風輪機、齒輪箱、發(fā)電機等。如圖6所示。

（2）風輪機葉片旋轉(zhuǎn)所掃過的面積為風力發(fā)電機可接受風能的面積。設(shè)空氣密度為ρ，氣流速度為v，風輪機葉片長度為r。求單位時間內(nèi)流向風輪機的最大風能Pm。

在風速和葉片數(shù)確定的情況下，要提高風輪機單位時間接受的風能，簡述可采取的措施。

（3）已知風力發(fā)電機的輸出電功率P與Pm成正比。某風力發(fā)電機的風速v1 =9 m/s時能夠輸出電功率P1=540 kW。我國某地區(qū)風速不低于v2=6 m/s的時間每年約為5 000 h，試估算這臺風力發(fā)電機在該地區(qū)的最小年發(fā)電量是多少千瓦時。

解析：（1）0.03

（2）風垂直流向風輪機時，提供的風能功率最大。

單位時間內(nèi)垂直流向葉片旋轉(zhuǎn)面積的氣體質(zhì)量為ρvS，S=πr2

風能的最大功率可表示為

點評本題考查的知識點多，有電能的輸送、能量轉(zhuǎn)化，難度大的是流體的研究方法。對流體關(guān)鍵是要建立起模型，通常是要建立一個圓柱體模型。

練習4（廣東卷第17題）為了響應(yīng)國家的“節(jié)能減排”號召，某同學采用了一個家用汽車的節(jié)能方法。在符合安全行駛要求的情況下，通過減少汽車后備箱中放置的不常用物品和控制加油量等措施，使汽車負載減少。假設(shè)汽車以72 km/h的速度行駛時，負載改變前、后汽車受到的阻力分別為2000 N和1950 N。請計算該方法使發(fā)動機輸出功率減少了多少？

四、與現(xiàn)代交通有關(guān)的STSE試題

交通是國民經(jīng)濟的命脈，現(xiàn)代交通運用了大量先進的高科技知識，動車組、磁懸浮列車是現(xiàn)代交通的代表。

例6（天津卷第25題）磁懸浮列車是一種高速低耗的新型交通工具。它的驅(qū)動系統(tǒng)簡化為如圖7所示模型。固定在列車下端的動力繞組可視為一個矩形純電阻金屬框，電阻為R，金屬框置于xOy平面內(nèi)，長邊MN為l平行于y軸，寬為d的NP邊平行于x軸。列車軌道沿Ox方向，軌道區(qū)域內(nèi)存在垂直于金屬框平面的磁場，磁感應(yīng)強度B沿Ox方向按正弦規(guī)律分布，其空間周期為λ，最大值為B0，如圖8所示，金屬框同一長邊上各處的磁感應(yīng)強度相同，整個磁場以速度v0沿Ox方向勻速平移。設(shè)在短暫時間內(nèi)，MN、PQ邊所在位置的磁感應(yīng)強度隨時間的變化可以忽略，并忽略一切阻力。列車在驅(qū)動系統(tǒng)作用下沿Ox方向加速行駛，某時刻速度為v（v＜v0）。

（1）敘述列車運行中獲得驅(qū)動力的原理。

（2）列車獲得最大驅(qū)動力，寫出MN、PQ邊應(yīng)處于磁場中的什么位置及λ與d之間應(yīng)滿足的關(guān)系式。

（3）計算在滿足第（2）問的條件下列車速度為v時驅(qū)動力的大小。

解析：（1）由于列車速度與磁場平移速度不同，導致穿過金屬框的磁通量發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)，金屬框中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流受到的安培力即為驅(qū)動力。

根據(jù)左手定則，MN、PQ邊所受的安培力方向相同，此時列車驅(qū)動力的大小

點評本題以磁懸浮列車驅(qū)動為背景，綜合性強，有一定的難度。主要考查學生是否理解電磁驅(qū)動的原理，教材后面有一道電磁驅(qū)動的作業(yè)題，而且本題所用的法拉第電磁感應(yīng)定律、安培力公式等等都是學生熟悉的知識?？梢?，解決好這類試題還是要以教材為本，打牢基礎(chǔ)，再靈活應(yīng)用。

五、與航空航天有關(guān)的STSE試題

眾所周知，當今時代世界各國外太空競爭相當激烈，航空航天技術(shù)體現(xiàn)了一個國家的科技水平和綜合實力。我國在火箭發(fā)射、載人航天等領(lǐng)域取得了輝煌的成績。航空航天的有關(guān)問題也是高考命題的一個熱點，要引起大家的重視。

例7（山東卷第18題）據(jù)報道：我國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號01星”于2008年4月25日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過4次變軌控制后，于5月1日成功定點在東經(jīng)77°赤道上空的同步軌道。關(guān)于成功定點后的“天鏈一號01 星”，下列說法正確的是（）

A． 運行速度大于7.9 km/s

B． 離地面高度一定，相對地面靜止

C． 繞地球運行的角速度比月球繞地球運行的角速度大

D． 向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等

點評A選項考查了第一宇宙速度，B選項直接考查了同步衛(wèi)星的定義，C選項用周期與角速度的關(guān)系可快速判斷，D選項直接用向心加速度公式a=ω2r判斷，二者的角速度ω相同。答案：BC。

練習5（廣東卷第12題）圖9是“嫦娥一號奔月”示意圖，衛(wèi)星發(fā)射后通過自帶的小型火箭多次變軌，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終被月球引力捕獲，成為繞月衛(wèi)星，并開展對月球的探測。下列說法正確的是（）

A． 發(fā)射“嫦娥一號”的速度必須達到第三宇宙速度

B． 在繞月圓軌道上，衛(wèi)星的周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關(guān)

C．衛(wèi)星受月球的引力與它到月球中心距離的平方成反比

D． 在繞月圓軌道上，衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力

例8（全國卷Ⅱ第25題）我國發(fā)射的“嫦娥一號”探月衛(wèi)星沿近似于圓形的軌道繞月飛行。為了獲得月球表面全貌的信息，讓衛(wèi)星軌道平面緩慢變化。衛(wèi)星將獲得的信息持續(xù)用微波信號發(fā)回地球。設(shè)地球和月球的質(zhì)量分別為M和m，地球和月球的半徑分別為R和R1，月球繞地球的軌道半徑和衛(wèi)星繞月球的軌道半徑分別為r和r1，月球繞地球轉(zhuǎn)動的周期為T。假定在衛(wèi)星繞月運行的一個周期內(nèi)衛(wèi)星軌道平面與地月連心線共面，求在該周期內(nèi)衛(wèi)星發(fā)射的微波信號因月球遮擋而不能到達地球的時間。（用M、m、R、R1、r、r1和T表示，忽略月球繞地球轉(zhuǎn)動對遮擋時間的影響）

（練習題答案：1. A2. （1）F=810 N（2）v=5 m/s（3）P=4 050 W3. C 4. ΔP=1×103 W5. C）