高考物理與科技前沿相結合的試題新編

新課程的課程理念要求，物理教學要“關心學科發展，關注科技前沿…”；新課程的課程目標要求培養學生的“情感、態度、價值觀”。作為對中學物理教學具有“指揮棒”功能的高考，近年已經開始命制一些物理與STS相結合的試題。2007年的考試大綱也明確地指出了與生活、科技生產等實際相結合的命題思想要有所體現。對于高考命題的這種改革，我們無論從物理教學改革還是從引導學生科學備考的角度都應該對此有所關注。尤其對于指導學生備考的一線教師更不能報著“讓學生去碰”的思想被動地跟著資料走。應該具有超前意識。我們結合其他同行的現有成果以及收集而來的有關信息，進行了這方面的探討。

1 冥王星問題——科技前沿材料信息題、學科內綜合試題的命制

例1 （作者編）2006 年8月24日，在布拉格的國際天文學聯合會大會上，天文學家們通過表決做出了一項決議，將冥王星從太陽系原九大行星中除名，降級為“矮行星”。關于冥王星還有其它信息：它現在正處于溫度較高的夏季，只有零下200攝氏度左右，號稱“嚴寒地獄”，它的夏季時間相當于地球上的20年，除了夏季之外的其它季節，相當于地球上的228年，這顆星上的空氣全被凍結，覆蓋在其表面上，可認為是真空，但有一定的重力加速度。假設其繞太陽的運動也可以按圓周運動處理。 依據這些信息判斷下列問題中正確的是（ ）

A.冥王星上的公轉半徑一定比地球的公轉半徑大

B.冥王星的公轉線速度一定比地球的公轉線速度大

C.在冥王星上，如果從相同高度處同時釋放氫氣球（輕質絕熱材料制成，里面氣體是氣態的）和等大的石塊都將豎直向下運動，且同時到達其表面

D.冥王星上的冬季溫度有可能達到-280攝氏度

2.答案：AC

點評 本題綜合2006年國際天文學界的重要事件和社會熱點，從STS方面選取命題情景，考查了萬有引力定律、牛頓運動定律、由熱力學第三定律、運動學公式等物理學重要知識，考查了學生獲取信息和處理信息的能力，用所學物理知識解決實際問題的能力，屬于學科內的綜合，體現了新課標關于“關注科技前沿，關注學科發展”的課程理念，體現了高考命題改革的發展趨勢——發揮對基礎教育課程改革的導向功能。

1 “智能一號”撞擊月球（太陽能離子發動機問題）——曲經通幽，科技前沿試題的編制

例2 （作者編）.歐盟研制的“智能一號”（SMART－1）月球探測器，在圍繞月球運行了近3年以后，于2006年9月3日完成了對月球的“輕柔一擊”。測試太陽能離子發動機的性能，其實是“智能１號”探月之旅最主要的任務。太陽能離子發動機（即通常所說的“電火箭”推進技術）為探測器的軌道糾偏或調整姿態等提供動力。工作原理是：將太陽能轉化為電能，再通過電能電離惰性氣體原子（如氙），將產生的氙離子經過加速電場加速后，從尾噴管高速噴出，提供反沖力。它利用燃料的效率比普通化學燃料發動機高10倍，主要利用太陽能，因此在宇宙無重力狀況下能夠連續運轉幾年，而普通火箭發動機運轉時，數以噸計的燃料幾分鐘即可用完。因此，歐空局把“電火箭”推進技術列為十大尖端技術之一。假如探測器連同離子發動機和氙氣的總質量為M，每個氙離子的質量為m，電量為q，加速電壓為U，離子加速后形成的電流強度為I，假如開始飛行器的速度為零，求：

（1）則發動機單位時間內應噴出多少個氙離子？

（2）在離子發動機工作的初始階段由離子發動機給探測器產生的加速度的大小為多少？

解析 （1）設單位時間內應噴出n個離子，根據電流強度的定義可以知道，

n=I/q

（2）設離子被噴出尾管時的速度為v，則t時間內噴出離子個數為nt。由動量定理得：

F=P/t=ntmv/t=nmv=mvI/q

在發射離子的過程中，與發射出的離子組成的系統動量守恒，設噴射出的離子的總質量為，發射離子后，離子的速度為，則有：

mv=(M-m)v₁

因為Mm，所以vv₁。故在離子發動機工作的初始階段探測器的速度可以忽略不計

在離子加速階段，由動能定理得：

點評 本題以物理知識在科技前沿問題中的應用為線索，緊密結合科技時事，考查了帶電粒子在電場中的加速、動量定理、動量守恒、動能定理、功率等知識，考查學生收集有效信息，建立物理模型的能力。

一般人們都是將碰撞問題作為本科技事件的結合點，而且難以命題，本題轉向離子發動機問題，使得命題思路迅速柳暗花明！

3 我國的“人造太陽”實驗——推陳出新，“從物理走向社會”試題的編制

例3 （改編）繼２００６年９月２８日中國科學院等離子體所的全超導非圓截面核聚變實驗裝置（ＥＡＳＴ）首次調試成功之后， 2007年1月14日又進行再次成功放電實驗。該實驗標志著我國在全超導核聚變實驗領域（“人造太陽”）已站在世界前沿。目前國際上的“人造太陽”實驗是通過可控熱核反應可以獲得能源，要持續發生熱核反應必須把溫度高達幾百萬攝氏度以上的核材料約束在一定的空間內。約束的辦法有多種，其中技術上相對較成熟的是用磁場約束核材料，稱為托卡馬克裝置（Tokamak是研究受控核聚變的一種裝置。這個詞是由toroidal（環形的）、kamera（真空室）、magnet（磁）的頭兩個字母和 katushka（線圈）的第一個字母組成的縮寫詞），如圖所示為這種裝置的簡化模型：垂直紙面的有環形邊界的勻強磁場（b區域）圍著磁感應強度為零的圓形a區域，a區域內的離子向各個方向運動，離子的速度只要不超過某值，就不能穿過環形磁場的外邊界而逃逸，從而被約束。

設環形磁場的內半徑為R₁=0.50m，外半徑為R₂=1.0m，磁場的磁感應強度為B=1.0T，被約束的離子的比荷為q/m=4.0×10⁷C/kg。

（1）這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用的核裝置核反應是否同一類型？

（4）若a區域中沿半徑OM方向射入磁場的離子不能穿越磁場，粒子的速度不能超過多大？

（5）若要使a區域沿任何方向射入磁場的速度大小為2×10⁷m/s的離子不能穿越磁場的外邊界，則b區域的磁場的磁感應強度B′至少要有多大？

解析 （1）相同。因為秦山、大亞灣核電站所使用的核反應是原子核的裂變，本題是聚變反應，所以不相同。

點撥 本題結合我國的科技新成就考查了熱核反應、洛侖茲力、帶電粒子在磁場中的運動等知識，尤其是第一問中相關的社會問題——“秦山、大亞灣核電站的反應類型、工作原理”如果不關心社會、一味地游題海很難得分。本題有利于體現新課程關于“知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀”等課程目標，有利于督促學生關注社會、關注生活，體現了高考對基礎教育課程改革的導向功能。

4 2006諾貝爾獎和冥王星問題的綜合——陳題新用，信息材料探究題的編制

例6 （陳題改編——估測冥王星表面溫度）2006年的諾貝爾物理學獎授予了美國科學家約翰#8226;馬瑟和喬治#8226;斯穆特，以表彰他們對宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性的發現。該成果將有助于研究早期宇宙，幫助人們更多地了解恒星和星系的起源。對宇宙大爆炸學說提供了有力的支持。關于黑體輻射，有下列科學材料：自然界中的一切物體由于有一定的溫度會不斷地向外輻射電磁波，這種輻射也叫做熱輻射.處于一定溫度的物體在向外輻射電磁波的同時，也不斷吸收其它物體輻射的電磁波，如果它處于熱平衡則能量保持不變。在不考慮其它影響時，如果能夠100%地吸收入射到其表面的能量的理想物體，叫做黑體。單位時間從黑體表面單位面積所輻射的總能量與黑體絕對溫度的四次方成正比，即W₀=kT⁴，其中常量k=5.67×10^-8W/（m²K⁴），在下面的問題中，把研究對象都簡單地看成黑體，有關數據和公式：太陽半徑R=6.96×10⁵km，太陽表面溫度T=5770K，冥王星半徑為1137km，球面積S=4πR²，其中R為球半徑，求：

（1）每小時從太陽表面輻射的總能量為多少？

（2）冥王星受到太陽的輻射可以認為垂直射到面積為πr²的圓盤上（r為冥王星的半徑），已知太陽到冥王星的距離約為太陽半徑的64億千米（該距離大約是太陽半徑的9200倍），忽略其它天體與宇宙空間的輻射，試估算冥王星的平均溫度。

本題通過材料信息的提供，考查學生的即時自主學習能力、提取有效信息進行科學探究的能力。體現了新課程關于“提倡學習方式多樣化、關注探究…關注多元化的評價方式”等思想。

由上述例子可知，體現新課程思想的物理題由于與學生的社會生活密切聯系、使得物理問題變得有血有肉，物理習題變得富有親切感，有利于培養學生學科學、愛科學的情感，激發學習物理的熱情和興趣，培養對物理問題的應用意識，這些題目的命制思路和特點是（1）以新的科技、社會、生活信息作為命題情景（2）并不回避對以往老題的改編加工。事實上，這也體現了近年高考命題的改革趨勢。

另外2006年有許多科技前沿熱點值得我們關注，同一前沿問題我們又可以從不同角度進行變式考查，比如2006年普遍對于冥王星比較關注，這屬于熱點問題。但是太陽系中的“老九”（冥王星）被開除了，但是它的發現過程與太陽系中的“老八”（海王星）具有類似的方法，如果問：當年亞當斯和列維列是怎樣利用萬有引力定律發現海王星的呢？我們又一味地強調回歸教材，那么我們結合教材怎樣引導學生自己編寫相關問題呢？對這一問題的解決，既關注了熱點中的盲點（例如去年高考人們普遍關心“神六”，結果出的卻是“常娥”問題。不同樣是熱點中的盲點嗎？），那么海王星問題應該怎樣設計好呢？由于篇幅所限此處不再舉例。讀者可以參考我們在《試題調研》第9輯中的“教育專家指導”板塊的提示。

參考文獻：

［1］《物理課程標準》，人民教育出版社

［2］陶成龍、于永建等：《清華考吧》，光明日報出版社，2005.3