既要腳踏實(shí)地 又要仰望星空
——2018年高考全國(guó)卷中與科技前沿相關(guān)的物理試題賞析

(四川省成都市玉林中學(xué),四川 成都 610041)

1 引言

全國(guó)高考物理考試大綱提出:注意物理知識(shí)在生產(chǎn)、生活等方面的廣泛應(yīng)用……有利于激發(fā)考生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。[1]2018年的全國(guó)卷高考物理試題,通過(guò)創(chuàng)設(shè)物理情景,把當(dāng)代最新的科技成果展示在學(xué)生面前,從而激發(fā)其學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣,對(duì)于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有重要意義。

通過(guò)高考這個(gè)指揮棒作用,可以有效引導(dǎo)中學(xué)教師在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中自覺(jué)關(guān)注科技前沿的發(fā)展。朱邦芬院士指出:高中物理教育的定位,其最主要的功能是為大多數(shù)高中畢業(yè)學(xué)生的終生發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ),由此提高全體國(guó)民的科學(xué)素質(zhì)和培養(yǎng)科學(xué)精神……其定位不應(yīng)僅為高校選拔人才。[2]

2 引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿的發(fā)展——要有仰望星空之興趣

2.1 以探測(cè)引力波為素材編制的試題

例1(全國(guó)Ⅰ卷20題):2017年,人類(lèi)第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波。根據(jù)科學(xué)家們復(fù)原的過(guò)程,在兩顆中子星合并前約100s時(shí),它們相距約400km,繞二者連線上的某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)動(dòng)12圈,將兩顆中子星都看作是質(zhì)量均勻分布的球體,由這些數(shù)據(jù)、萬(wàn)有引力常量并利用牛頓力學(xué)知識(shí),可以估算出這一時(shí)刻兩顆中子星( )。

A. 質(zhì)量之積 B. 質(zhì)量之和

C. 速率之和 D. 各自的自轉(zhuǎn)角速度

本題以人類(lèi)第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙子星合并的引力波為素材,激發(fā)學(xué)生對(duì)引力波的興趣。而試題實(shí)際是一個(gè)雙星模型,這是一個(gè)學(xué)生很熟悉的模型。

從這個(gè)試題可以看出,試題本身的模型是學(xué)生比較熟悉的,難度也不大。這體現(xiàn)了命題者貫徹考試大綱的思路：有利于激發(fā)考生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。這可以讓學(xué)生體驗(yàn)到前沿科技不是高不可攀的,是可以理解的,從而拉近了前沿科技與學(xué)生的心理距離。

2.2 關(guān)于引力波試題的拓展

引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的重要預(yù)言,人類(lèi)直接探測(cè)到引力波是一個(gè)劃時(shí)代的科學(xué)成就。此刻是對(duì)中學(xué)生進(jìn)行引力波科普的恰當(dāng)時(shí)機(jī),關(guān)于引力波還有哪些可以讓中學(xué)生了解的內(nèi)容呢？

(1) 引力波是什么？

引力場(chǎng)本質(zhì)上是時(shí)空彎曲效應(yīng),這種效應(yīng)又以光速傳播,那么引力源運(yùn)動(dòng)、變化所造成的時(shí)空彎曲改變也一定以光速傳向遠(yuǎn)方,這就是引力波。[3]愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論引力場(chǎng)與麥克斯韋電磁場(chǎng)相類(lèi)比，預(yù)言引力波的存在。[4]

(2) 直接探測(cè)引力波的情況簡(jiǎn)介

2015年9月14日格林尼治時(shí)間9時(shí)50分45秒,美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(advanced LIGO)接收到首例雙黑洞合并引力波信號(hào)(GW150914)。該信號(hào)是從距離地球13億光年的空間,由36個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的兩個(gè)黑洞合并成一個(gè)62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,有3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式輻射出去。[5]

2017年8月17日格林尼治時(shí)間12時(shí)41分04秒,LIGO和Virgo聯(lián)合合作組的激光干涉儀探測(cè)器到兩個(gè)中子星合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)(GW170817)。[5]

(3) 引力波的波速是多少？引力波是橫波還是縱波？

點(diǎn)評(píng)：澳大利亞人認(rèn)為，中國(guó)投資者與當(dāng)?shù)蒯劸茙煹慕Y(jié)合，可以幫助澳大利亞葡萄酒進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)氐钠咸丫破放埔灿幸嫣帯?/p>

廣義相對(duì)論推導(dǎo)出引力波的傳播速度為光速,引力波是一種橫波。[3]

(4) 探測(cè)引力波的意義何在？

引力波的探測(cè),為人類(lèi)打開(kāi)了一扇研究宇宙的新窗口,標(biāo)志著多信使天文學(xué)時(shí)代的到來(lái),標(biāo)志著引力波天文學(xué)、引力波宇宙學(xué)時(shí)代的到來(lái)。因?yàn)橐Σɑ静槐晃?、不被散射、不被屏?所以更容易發(fā)現(xiàn)新天體或新的物質(zhì)體系,從而更加清晰地揭示宇宙的真面目。[4-6]

(5) “天琴計(jì)劃”簡(jiǎn)介

由中山大學(xué)牽頭的“天琴計(jì)劃”,目的是用人造衛(wèi)星探測(cè)目標(biāo)源引力波(RXJ0806.3+1527)的輻射。其原理是由三顆全同高軌道衛(wèi)星組成一個(gè)等邊三角形(如圖1),用高精度的激光干涉測(cè)距技術(shù)記錄引力波引起的、不同衛(wèi)星上檢測(cè)質(zhì)量之間細(xì)微距離變化,從而獲得引力波信息。[6-8]在圖1中,S代表太陽(yáng),E代表地球,S1、S2、S3代表三顆全同高軌道衛(wèi)星。

圖1

“天琴計(jì)劃”要完成四個(gè)子計(jì)劃,大約需要二十年的時(shí)間,[8]天琴計(jì)劃可以積累一大批的技術(shù),培養(yǎng)一批科研人才,使中國(guó)的引力波科研水平能躋身世界一流水平。通過(guò)“天琴計(jì)劃”的科普介紹可以激發(fā)中學(xué)生對(duì)科研的興趣和愛(ài)國(guó)熱情。

2.3 以FAST發(fā)現(xiàn)脈沖星為素材編制的試題

例2(全國(guó)Ⅱ卷16題):2018年2月,我國(guó)500m口徑射電望遠(yuǎn)鏡(天眼)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星“J0318+0253”,其自轉(zhuǎn)周期T=5.19ms,假設(shè)星體為質(zhì)量均勻分布的球體,已知萬(wàn)有引力常量為6.67×10-11N·m2/kg2。以周期T穩(wěn)定自轉(zhuǎn)的星體的密度最小值約為( )。

A. 5×109kg/m3B. 5×1012kg/m3

C. 5×1015kg/m3D. 5×1018kg/m3

本題是以FAST發(fā)現(xiàn)脈沖星為背景,實(shí)質(zhì)是求脈沖星自轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生解體所需要的最小密度,是一個(gè)比較基礎(chǔ)的試題。

2.4 關(guān)于FAST試題的拓展

(1) 我國(guó)500m口徑射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)簡(jiǎn)介

FAST為一架口徑500m、利用已有的喀斯特洼坑為臺(tái)址、反射面能主動(dòng)變形的球面射電望遠(yuǎn)鏡(如圖2)。FAST涵蓋宇宙初始混沌、暗物質(zhì)分布與大尺度結(jié)構(gòu)、星系與銀河系的演化、恒星類(lèi)天體乃至太陽(yáng)系行星與鄰近空間事件等的觀測(cè)研究。[9]

圖2

FAST的任務(wù)是：巡視宇宙中的中性氫,以探索宇宙的起源和演化；觀測(cè)脈沖星,研究極端狀態(tài)下的物理規(guī)律；探測(cè)星際分子,探索太空生命的起源；搜索星際通信信號(hào),尋找地外文明。[9]FAST探測(cè)的內(nèi)容正是當(dāng)今科學(xué)研究的前沿,這極大地激發(fā)了中學(xué)生的科學(xué)興趣。

關(guān)注FAST,不能不提到FAST工程首席科學(xué)家兼總工程師——南仁東先生,他從壯年走到暮年,把一個(gè)樸素的想法變成了國(guó)之重器,成就了中國(guó)在世界上獨(dú)一無(wú)二的項(xiàng)目。他為科學(xué)事業(yè)奮斗到生命的最后一刻,用無(wú)私奉獻(xiàn)的精神譜寫(xiě)了精彩的科學(xué)人生。

(2) 脈沖星簡(jiǎn)介

脈沖星因產(chǎn)生嚴(yán)格周期性脈沖信號(hào)而得名(如圖3),誕生于大質(zhì)量恒星耗盡其燃料后的超新星爆發(fā)。是一種極大致密的天體,密度相當(dāng)于水的密度的千萬(wàn)億倍。半徑約為10km,自旋周期約為1.4ms到8.5s,自旋周期具有高度的穩(wěn)定性。脈沖星的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球磁場(chǎng)的十萬(wàn)億倍,有的脈沖星的磁場(chǎng)可以高達(dá)幾百億特斯拉。脈沖星是宇宙中天然的極端物理實(shí)驗(yàn)室,是驗(yàn)證強(qiáng)引力場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、高密度、高能輻射等物理規(guī)律的“天然實(shí)驗(yàn)室”,它所提供的極端條件是地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在應(yīng)用研究方面,由于脈沖星有高度穩(wěn)定的自旋周期,在時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和航天器導(dǎo)航方面有非常重要的應(yīng)用前景。[9-11]

圖3

3 結(jié)語(yǔ)

在高考試題中引導(dǎo)考生關(guān)注科技發(fā)展的前沿,創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境,考查學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)和方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力,這是高考試題發(fā)展的一個(gè)方向，有利于高校選拔人才,更有利于提高全民的科學(xué)素養(yǎng)。通過(guò)高考這個(gè)指揮棒的作用，可以引導(dǎo)中學(xué)生“關(guān)心國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)”“激發(fā)學(xué)習(xí)物理的好奇心和求知欲”，[12]同時(shí)要求中學(xué)物理教師自己更要積極主動(dòng)去跟蹤和關(guān)注科技發(fā)展的前沿,做到既腳踏實(shí)地,又仰望星空。