热点、联系实际问题背景材料与例题分析.docx

热点、联系实际问题背景材料及例题分析 近年高考物理试卷上出现了许多结合社会实际和科技前沿的好题，如：神舟飞船、航天科技、磁悬浮列车，磁流体发电、高能加速器、超导、夸克等，这些试题以社会热点和最新科技（特别是近年来国际国内科技新进展的相关材料）立意命题, 力求比较真实和全面的模拟现实, 试题注重基础, 突出能力。复习中要关注这些社会热点，关注科技前沿的发展及其应用，并注意这些命题背景与考试大纲的知识结构、能力要求的联系。以下材料可作为今后高考物理命题的重要背景。1. 嫦娥一号卫星 例1 新华社北京10月24日电, 24日18时29分，星箭成功分离之后，嫦娥一号卫星进入半径为205公里的圆轨道上绕地球做圆周运动, 卫星在这个轨道上“奔跑”一圈半后，于25日下午进行第一次变轨, 变轨后，卫星轨道半径将抬高到离地球约600公里的地方. 已知地球半径为R ，表面重力加速度为g ，质量为m的嫦娥一号卫星在地球上空的万有引力势能为,（以无穷远处引力势能为零），r表示物体到地心的距离. （1）质量为m的嫦娥一号卫星以速率v在某一圆轨道上绕地球做圆周运动, 求此时卫星距地球地面高度h1 ； （2）要使嫦娥一号卫星上升, 从离地高度h1再增加h的轨道上做匀速圆周运动，卫星发动机至少要做多少功？解析:（1）设地球质量为M ，万有引力恒量为G ，卫星距地面高度为h1 时速度为v , 对卫星有 , 对地面上物体有 , 解以上两式得 .（2）卫星在距地面高度h1的轨道做匀速圆周运动有 , 得 , 此时卫星的动能 , 万有引力势能,卫星在距地面高度h1时的总机械能 .同理, 卫星在距地面高度（h1+h）时的总机械能 .由功能关系, 卫星发动机至少要做功 W = E2 E1 = .2. 关注北京奥运和体育竞技 奥运比赛与物理知识密切相关, 以此为背景进行命题,可考查同学们运用所学知识解决奥运比赛相关问题的能力. 各项奥运比赛涉及的知识点主要有:水上运动中的跳水可分为竖直上抛运动、自由落体运动两个过程, 涉及速度、位移、时间、动量、能量等物理量, 帆船、赛艇、滑水板比赛等项目涉及到受力平衡、动力学原理、功能关系等物理规律. 举重比赛中涉及重力势能增加和做功、功率等计算, 射箭比赛中涉及弹性势能和拉力做功、平抛运动等物理规律的应用. 球类比赛中涉及平抛运动、斜抛运动、运动分解等物理规律, 还涉及抛球最佳速度和最佳角度、反应时间、动量、冲量、能量等计算. 径赛项目涉及直线运动、曲线运动中速度、位移与时间的关系,以及加速度、瞬时速度和平均速度等知识。田赛项目中的跳高、跳远涉及起跳初速度和起跳最佳角度选择, 以及动量、冲量、能量和做功等计算,体操比赛中涉及起跳速度和旋转角速度,以这些奥赛项目为背景,配以图象、图示等提供新情景, 综合物理学科内各章节知识组成学科内综合题, 可有效考查学生综合分析问题的能力. 例2 中国女排在雅典奥运会上战胜俄罗斯队获得金牌，已知排球场总长18m，网高为2.25m，如图所示，设俄罗斯队飞来一球，刚好在3m线正上方被女排队员杨昊强攻击回。（假设排球被击回的速度方向是水平的，球在飞行过程中所受空气阻力不计，g =10m / s2 ）。（1）若杨昊击球的高度h = 2.5m ，球击回的水平速度与球网垂直，球既不能触网又不出底线，则球被击回的水平速度在什么范围内？（2）若俄罗斯运动员仍从3m线处起跳，起跳高度h满足一定条件时，会出现无论球的水平速度多大都会触网或越界，试求h满足的条件。答案：（1）13.4m/sv17m/s （2）h2.4m时，无论击球速度为多大，球总是触网或出界.3. 中国“环流器二号”我国聚变界“巨无霸”的核聚变装置中国“环流器二号”装置在成都正式建成, 这是我国第一个具有先进偏滤器位形的大型托卡马克装置，将大大加快我国受控核聚变能源开发事业进程. 近年高考注重理论联系实际, 特别注重联系高新科技, 中国“环流器二号”将是高考命题的热点, 以此为背景命题可涉及物理学众多知识点,轻核聚变、重核裂变, 核聚变反应方程、核能计算、 微观粒子探究等; 带电粒子之间的电势能、磁场对带电粒子运动的约束、通电线圈产生的磁场等; 带电粒子在磁场中的受力分析、运动分析、动量和能量分析, 涉及牛顿定律、圆周运动、洛仑兹力、动量守恒与能量守恒定律等综合应用. 以“环流器二号”为背景命题的主要考点如下：例3 在中国“环流器二号”装置内, 实现两个氘核聚变反应，必须使它们之间距离接近到r0 ，也就是接近到核力能够发生作用的范围物质温度很高时，氘原子将变为等离子体，等离子的分子平均动能为，式中的k1叫玻耳兹曼常量，T为热力学温度，两个氘核之间的电势能，k为静电力常量, r为电荷之间的距离，则氘核发生聚变的温度至少为 A. B. C. D. 解析：据能量守恒定律, 两个氘核等离子的分子动能之和至少等于两个氘核之间的电势能, 即 得 , 选项C正确.点评：本题是一条新信息题, 题中提供一些新信息，如：等离子的平均动能公式，氘核之间的电势能，考生必须通过阅读分析, 筛选相关信息，建立物理模型，然后利用所学知识结合题中信息求解.考试大纲针对能力测试目标明确提出：要求考生“了解自然科学发展的最新成就和成果及其对社会发展的影响”；“能读懂一般性的科普类文章，理解有关文字、图表的主要内容及特征，并能与已学的知识结合起来解决问题”, 近年高考试卷中的许多信息题也体现了这一精神, 后阶段复习中应引起足够的关注.例4 中国“环流器二号”装置（设计指标：大半径1.65m、小半径0.4m、环向场2.8T、等离子体电流480 kA）是我国己建成的第一个托卡马克型磁约束装置, 托卡马克 (To Karnak)是研究受控核聚变的一种装置, 这个词是由Tomidal (环形的)、Kam-era (真空室)、magnet (磁)的头两个字母以及Kamshka (线圈)的第一个字母组成的缩写词下述判断中正确的是 A超导线中通过强电流后，会产生极强的磁场 B超导通电线圈的磁场使氘核等带电粒子在磁场中旋转而不飞出 C这种装置同我国广东大亚湾核电站核装置的核反应原理相同 D这种装置可以控制热核反应速度，使聚变缓慢而稳定地释放核能解析：核聚变的发生条件是温度必须极高, 对高温状态下的氘核等带电粒子的约束, 只能用通电线圈产生的强磁场来约束它，选项A、B正确氘核等带电粒子在磁场约束下, 可以控制聚变反应缓慢进行, 稳定地释放核能, 选项D正确广东大亚湾核电站的核反应原理是核裂变, 选项C错误答案：A、B、D点评：本题是一条学科内综合题, 涉及原子物理中轻核聚变、重核裂变、磁场中带电粒子的运动、通电线圈中的磁场分布等知识. 近年高考命题突出物理学科内的综合，不论是选择题还是计算题，都出现了突出学科内综合的特点. 以中国“环流器二号”中核聚变为背景命题, 还可以与以下几个方面综合：利用牛顿定律、圆周运动、洛仑兹力等知识，分析带电粒子在磁场中的运动问题; 利用动量守恒定律、能量守恒与转化定律, 分析带电粒子相互作用过程中的动量守恒、能量转化; 讨沦通电线圈产生的磁场如何来约束氘核等带电粒子的运动, 使聚变缓慢进行.年份获奖成果1996发现氦3（3He）的超流动性1997激光冷却和陷俘原子的方法1998发现分数量子霍尔效应及与之相关的具有分数电荷激发状态的新型量子流体1999解释了弱电相互作用的量子结构2000研制用于高速光子学的半导体异质结构, 发明集成电路2001根据玻色爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态:碱金属原子稀薄气体的玻色爱因斯坦凝集2002宇宙中微子的探测; 发现宇宙X射线源2003对超导电性、超流性作用解释2004发现粒子物理的强相互作用理论中的“渐近自由”现象2005激光的精密光谱学，光学相干的量子理论2006发现了黑体结构以及宇宙背景辐射的微波各向异性2007发现了“巨磁电阻”效应. 4. 关注近年诺贝尔物理奖 近10年诺贝尔奖的获奖成果如下：从表上我们可以看到，获奖的项目都是在现代科技的前沿领域（对微观世界的探索、对宇宙的探索、对光电子、集成电路、超低温状态下的物理现象的研究）作出开拓性或突破性进展的成果, 这些成果使人们对自然界的认识更加深刻，使科技在某一方向跨上一个新台阶，对人类的生活、生产会产生巨大的影响。瑞典皇家科学院10月9日宣布，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖, 这两名科学家先后独立发现了巨磁电阻效应. 所谓巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象. 诺贝尔物理学奖是高新科技的热点, 热点问题可激发学生的学习兴趣，增进其科学素养.例6 2006年诺贝尔物理学奖的研究成果之一是发现了黑体结构. 具有一定温度的物体能向外辐射电磁能量，同时也要吸收由其他物体辐射的电磁能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变. 若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能100地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体, 单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即，其中常量5.6710-8wm2·K4 在下面的问题中，把研究对象都简单地看作黑体(1)在上世纪年代人们就已知道宇宙微波背景辐射的存在，但针对这种宇宙大爆炸“余烬”的测量工作进展十分缓慢, 大爆炸理论曾预测，微波背景辐射应该具有黑体辐射特性，现今观测的结果确认, 宇宙微波背景辐射的波长约为1.0×10-3 m, 求宇宙微波相应的频率为多少？(2)根据热辐射理论, 黑体辐射微波的波长的最大值与黑体绝对温度T 的关系近似如下：m·K , 则发出宇宙微波的空间的绝对温度约为多少K ？ (3) 约翰马瑟和乔治斯穆特领导的1000多人研究团队首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测研究, 天文学家利用遥感技术测得某一天体XM的半径R =2107 m, 表面温度T =100K, 试计算天体XM表面每秒辐射的总能量为多少 ?(4) 天文学家对XM测量结果进行分析计算后发现，宇宙微波背景辐射与黑体辐射非常吻合，从而为大爆炸理论提供了进一步支持, 他们用镜口内半径r =10m的天文望远镜测得天体XM与地球的距离d =21017 m ,求：该天文望远镜每秒可接收来自天体XM辐射微波的光子数.(普朗克常量 h =6.63×10-34 J·s )解析：(1)据波速公式, 宇宙微波的频率 Hz = 31011 Hz.(2) 据 m·K, 宇宙空间的绝对温度 K = 2.9 K. (3) 单位时间内从天体XM表面单位面积辐射的总能量，则天体XM表面每秒辐射的总能量，其中S为太阳的表面积，又t =1s, 代人数据可求得：5.6710-81004 (2107)21 J = 2.9016 J (4) 该天文望远镜每秒可接收来自天体XM辐射微波的能量 J, 每个微波光子的能量J, 该天文望远镜每秒可接收来自天体XM辐射微波的光子数 个.答案：(1)31011 Hz (2)2.9 K (3)2.9016 J (4)个点评：本题是一道新情景探究题，题目内容是教材上没有的，需要根据题供的信息从中抽象出物理模型，再进行计算或讨论, 本题考查学生应用已学知识解决陌生问题的探究能力物理考试大纲要求：“重视对考生科学素养的考查，要关注科学技术和社会经济的发展. 注重考查考生收集、处理信息和获取新知识的能力”, 近年高考中以高新科技为背景的试题频频出现, 这些新情景题通过文字叙述或利用图表、图象和图示提供信息，向考生提供较新的概念和相关公式，但解题方法仍是中学常见的基本方法.近年高考中已出现许多诺贝尔奖为背景的物理试题。如：2004年上海卷第11题中的扫描隧道显微镜是1986年诺贝尔物理学奖成果。2004年广东卷中第13题以夸克为背景计算相邻两个夸克之间的静电力，其中夸克模型是盖尔曼在1964年提出的，因此他们获得了1969年诺贝尔物理奖。2004年江苏卷第7题中的电子中微子，江苏卷第17题推导电子的比荷, 这些试题涉及到爱因斯坦、汤姆生获得诺贝尔物理学奖的科研成果。对近年的诺贝尔奖应引起足够关注，并注意与所学基本知识相联系。如：复习X射线时，联系宇宙中的X射线源，复习物质导电性时，联系超导性和超流性.复习激光时，结合光子理论、动量守恒定律等知识，了解激光冷却和陷俘原子的方法. 5. 聚焦伊朗核问题近日，伊朗核问题成为国际社会瞩目的焦点，联合国安理会决议规定，伊朗必须停止所有与铀浓缩相关的活动，伊朗表示，伊朗拥有和平利用核能的权利，将会继续发展核项目. 美国认为伊朗“蔑视联合国的决议”，并扬言要予以制裁并称不排除对伊实施军事行动的可能性, 美国的恐吓引起伊朗的强烈反应，伊朗核问题再次成为国际社会关注的焦点. “伊朗核问题”与中学物理知识密切相关，例析如下：例7 伊朗自世纪年代后期开始其核能发展计划以来，先后建立了一个核电站，个核研究中心，个铀处理设施, 年月日，伊朗已在雅兹德地区发现铀矿并已成功提炼出铀，伊朗开采铀矿并建设铀转换和铀浓缩设施，建立了一个完整的核燃料循环系统.(1)在核燃料循环系统中,利用核反应堆在工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电，裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为 . 235.0439 1.0087 138.9178 93.9154 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量 (以原子质量单位u为单位)，已知1 u的质量对应的能量为9.3102 MeV，此裂变反应释放的能量是_J .(2) 伊朗新型核电站如图所示，它大体上可分为两部分：一部分是利用核能产生蒸气的核岛，包括核反应堆和一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统，右图是核电站大致构造，其工程容量为30万kW，假如全部都能够发生这样的裂变，释放核能的1.2可转化为电能，由此估算电站一年要消耗多少千克 ?解析：(1) 此裂变反应的质量亏损 = (235.0439 +1.0087 - 138.9178 - 93.9154 - 31.0087)u= 0.1933 u , 释放能量=0.19339.3102MeV =180MeV =2.8810-11J . (2)电站一年所产生的电能E = P t , t365243600 s3.2107s，核反应产生的总的核能 ，设需要消耗的为M (kg)，则, 电站一年要消耗的质量为1.09104 kg .点拨：高考命题一直关注社会热点, 注重理论联系实际能力的考查, 考查考生能否通过阅读和理解试题所给出的物理情境，从中获取有用的信息，建立物理模型，寻找各物理量的联系，最终解决问题. 在平时学习中，应有意识地进行这一类社会热点题的训练，学会如何筛选有用信息，摒除无效信息，学会将新信息与题目所求未知量挂起钩来，培养运用新信息解题的能力. 平时还要多关注社会热点的报道.6. 近年世界上重大科技突破 近年高考注重考查理论联系实际的能力, 特别注重联系科学技术的应用和科学发展的前沿,由科技日报社组织, 中科院部分院士、多家中央新闻单位参与评选的2006年国际十大科技新闻是一个社会热点,也是高考命题热点,以此为背景命题, 可有效考查考生运用所学知识分析实际问题的能力. 如: 国际热核聚变实验堆(ITER)选址尘埃落定. 欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国6月28日达成协议，将全球最大、代表世界未来能源科技最高水平的核聚变反应堆(ITER)的建设地点，确定为法国南部的卡达拉什. 以此为背景命题可涉及的知识点有: 氘核和氚核的核反应方程, 热核聚变实验堆释放出的能量等.如:人类创造出一种全新物质形态夸克胶子等离子体. 美国布鲁克黑文国家实验室4月18日宣布，利用相对论重离子对撞机制造出了夸克胶子等离子体, 这是一种全新的物质形态，曾广泛存在于宇宙诞生后的百万分之几秒内。该成果是物理学界一次具有历史意义的重大进展，为研究宇宙在诞生后的最初形态提供了新见解。以此为背景命题可涉及的知识点有: 夸克离子采用回旋加速器进行加速, 求加速器所需高频交流电压的频率以及夸克离子能达到的最大能量. 例8 中国“环流器二号”的建成，为我国进一步探究微观粒子，开展大规模物理实验提供了坚实的物质基础和技术条件，在核聚变过程中, 会产生大量, , 等微观粒子. 如图所示，在一次粒子碰撞实验中，观察到一个速度几乎为零的K 介子(电荷量与电子相同为 - e ) 与一个静止质子p发生相互作用, 生成一个介子(电荷量与质子相同)和一个未知的x粒子，在匀强磁场B中，介子和x粒子的轨迹如图所示, 已知B =1.5 T，测得介子轨迹半径为Rl 40cm . (已知电子电量e=1.6×10-19 C ). 则（1）x粒子轨道圆半径R2 =_ ; （2）现在实验室中测得，介子的速度为0.8 c (c为光速)，由于它的速度接近光速，根据相对论效应它高速运动时的质量m (简称动质量) 随速度增大而增大右图反映了粒子在不同速度时, 动质量m与它静止时的质量m0 (简称静质量)的关系, 试确定介子的静质量m10=_;（3）通过计算并参考下表确定x粒子为_粒子. (设x粒子的动质量近似等于它的静质量)粒子符号静质量m0 /(×10-28kg)电荷量/ e0.009081, -11.881, -14.01, -18.781, -1p16.681n16.70021.01121.06021.36-1解析：（1）由电荷守恒可知：x粒子电荷量为 e. 由动量守恒 , 由圆周运动得, 与相比较可求得x粒子的轨道圆半径 R2 =R1 =40cm . （2）由 4.0×10-28 kg , 设介子的静质量为m10 , 由题图可知v1=0.8c时，, 得 m10=0.6m1 =2.4×10-28 kg （3）根据质量守恒得 = (8.78 + 16.684.0)×10-28 kg = 21.46×10-28 kg , 根据题意, 可知 =21.46×10-28 kg , 且由电荷守恒知x粒子带一个负电荷, 故对照表可知其为粒子 7. 科技应用与科学探究“科学、技术和社会”（STS）教育是世界各国科学教育改革中形成的一股潮流，它主张教育中应该强调科学技术在社会生产、生活中的应用, 新课程改革体现了这一理念。近年高考命题加大了以STS为背景的试题比重，联系STS的试题与物理知识密切相关，可有效考查考生运用所学知识解决实际问题的能力。近年高考试卷上探究性试题频频推出，试题内容具有开放性、解题过程具有探究性，试题通过数据、图表等给考生提供新情景信息，考查考生对新信息的获取能力和处理能力。例9 在开展研究性学习的过程中，某同学设计了一个利用线圈测量转轮转速的装置, 如图所示，在轮子的边缘贴上小磁体，将小线圈靠近轮边放置，接上数据采集器和电脑(即DIS实验器材)如果小线圈的面积为S，圈数为N匝，小磁体附近的磁感应强度最大值为B，回路的总电阻为R，实验发现，轮子转过角，小线圈的磁感应强度由最大值变为零因此，他说“只要测得此时感应电流的平均值I，就可以测出转轮转速的大小”请你运用所学的知识，通过计算对该同学的结论作出评价解析：设转轮的角速度、转速分别为、n ，轮子转过角所需时间为，通过线圈的磁通量的变化量为，线圈中产生的感应电动势的平均值为E根据法拉第电磁感应定律有， 由闭合电路欧姆定律有, 感应电流的平均值 I =E/R， 又, 联立以上四式, 得 . 由此可见，该同学的结论是正确的 8. 关注工矿安全生产 国家安全生产管理总局近日发出关于近期几起特大事故的通报，要求各地认真吸取教训，坚决遏制重、特大安全事故的发生,今年以来煤矿事故时有发生，全国煤矿安全生产形势十分严峻。关注安全生产与物理相关的问题，培养同学们的社会责任感是新课程的一个基本理念，也是高考命题的热点。涉及工矿安全生产的物理能力考查主要有以下几方面:以工矿企业安全事故为背景命题,考查考生运用所学物理知识对事故产生原因的分析能力,以工矿企业安全防范、化验检测为背景命题,考查考生运用物理知识解决实际问题的迁移能力,针对安全隐患,设计一些物理实验或开展探究性活动,以此考查考生的实验设计能力和探究能力.如为了确保安全生产,必须经常测量工矿机械承受的压力,设计一个实验(如:利用力电转换器)进行测量, 说明测量步骤，探究实验中可能会出现的问题