物理光學中的ＳＴＳ問題
2007-12-31 00:00:00馮占余
物理教學探討 2007年10期
在新課程改革的背景下，縱觀近幾年全國物理高考走向，STS問題已經越來越成為高考的熱點。物理學科本身的特點就決定了學科內容與科學、技術和社會是密不可分的。筆者就物理光學部分的STS問題進行一些分析，希望能夠起到拋磚引玉的作用。
1與自然相關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
C.地球在自轉
D.大氣的密度分布不穩定，星光經過大氣層后，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是答案D。
例2我國南宋程大昌的《演繁露》中記述：“凡風雨初霽，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。”這段文字記敘的是光的何種現象
A.反射B.色散
C.干涉D.衍射
解析日光經水珠折射，各種不同單色光由于折射率不同而發生色散，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過長距離的空氣層，相對高頻率的藍紫光大部分被散射掉，到達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，以及折射進入其中的光線在內表面的反射與再次折射，這一過程并沒有哪種色光損失掉，結果我們看到的還是復色白光。
例5科學家之所以關注南極臭氧空洞，是因為
A.紫外線有較強的化學作用，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，反射來自太陽的過強的紫外線，出現臭氧空洞后到達地面上的紫外線輻射大大增強，將嚴重傷害地球表面上生存的生物，使氣候和生態環境發生變異，還會降低人體免疫功能，誘發各種疾病。故選擇答案BD。
2與生活相關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的物體，而室內的人卻能看見外面的景物，你認為原因應該是什么？
解析現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遠大于透射率的物質。
例7現在高速公路上的標志牌都用“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，反光膜內部均勻分布著直徑為10μm的細玻璃珠，折射率為n等于根號3，為使入射光線經玻璃珠折射—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是多少？
例8光纖通信技術的核心部件是光導纖維。光導纖維結構如圖3所示，它由折射率為n1的材料制成內芯，在外層包上折射率為n2的外套，光線在內芯與外套的界面上發生全反射。下列說法正確的是
A.內芯和外套的折射率應滿足 n1＞n2
B.內芯和外套的折射率應滿足 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
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
解析光線要在內芯與外套的界面上發生全反射，表明內芯是光密介質，外套是光疏介質。另外當光在光導纖維的側壁上由內芯射向外套時，只有當入射角大于臨界角時，光線才能發生全反射，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。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；目前廣泛應用的光導纖維是一種非常細的特制玻璃絲等。
3與科技相關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，它應用了光的干涉原理。用二次曝光照相所獲得的“散斑對”相當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式是
解析雖然題目來自于高科技，但究其實質模型，應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即可導出
結論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用以控制液面高度。如果發現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，主要發出可見光，人體溫度約為310K，主要發出紅外線，宇宙間的溫度約為3K，所發出的輻射稱為“3K背景輻射”。若要進行“3K背景輻射”的觀測，應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，應是比紅外線波長還大的電磁波，即可知應該選擇答案A是正確的。
通過以上分析，我們可以看到光學知識與STS相聯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、可感的現象，多動腦子，盡量將所學知識應用于實踐，這樣就可以促進知識靈活遷移，讓知識產生更大的意義。
注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文
