聯系現代技術的高考試題賞析

(江蘇省海門市三廠中學，江蘇 海門 226121)

物理教學應密切聯系科學、技術和社會(STS)，近年來高考中就有不少聯系現代科技的試題，這類題目選材靈活，立意新穎，給人以耳目一新的感覺.下面就讓我們來賞析從2013年高考試題中選出的幾道題目.

1 光電效應

例題1(北京卷第20題) 以往我們認識的光電效應是單光子光電效應，即一個電子在時間內能吸收到一個光子而從金屬表面逸出.強激光的出現豐富了人們對于光電效應的認識，用強激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在短時間內吸收多個光子成為可能，從而形成多光子光電效應，這已被實驗證實.

光電效應實驗裝置示意如圖1所示，用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒有發生光電效應，換用同樣頻率為ν的強激光照射陰極，則發生了光電效應；此時，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場，逐漸增大U，光電流會逐漸減小；當光電流恰好減小到零時，所加反向電壓U可能是下列的(其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量).

圖1

本題涉及多光子光電效應，愛因斯坦提出光量子假設時，并不排除在強光下出現多光子過程的可能性．激光出現后，多光子光電效應得以實現，對于多光子光電效應，愛因斯坦方程和光電流-光強關系應予以推廣.本題考查光電效應現象的實驗規律與對光電效應方程的應用，只有理解光電子的初動能與入射光頻率、逸出功的關系，以及加反向電壓后，電場力做功情況，才能正確解題.

2 電子能量分析器

例題2(浙江卷第24題) 電子能量分析器主要由處于真空中的電子偏轉器和探測板組成.偏轉器是由兩個相互絕緣、半徑分別為RA和RB的同心圓金屬半球面A和B構成，A、B為電勢值不等的等勢面，其過球心的截面如圖2所示.一束電荷量為e、質量為m的電子以不同的動能從偏轉器左端M的正中間小孔垂直入射，進入偏轉電場區域，最后到達偏轉器右端的探測板N，其中動能為Ek0的電子沿等勢面C做勻速圓周運動到達N板的正中間.忽略電場的邊緣效應.

圖2

(1)判斷球面A、B的電勢高低，并說明理由；

(2)求等勢面C所在處電場強度E的大小；

(3)若半球面A、B和等勢面C的電勢分別為φA、φB和φC，則到達N板左、右邊緣處的電子，經過偏轉電場前、后的動能改變量ΔEK左和ΔEK右分別為多少？

(4)比較|ΔEK左|和|ΔEK右|的大小，并說明理由.

本題解析如下：(1)電子(帶負電)做圓周運動，電場力方向指向球心，電場方向從B指向A，B板電勢高于A板.

(3)電子運動時只有電場力做功，根據動能定理，有ΔEk=qU，對到達N板左邊緣的電子，電場力做正功，動能增加，有ΔEk左=e(φB-φC).對于到達N板右邊緣的電子，電場力做負功，動能減小，有ΔEk右=e(φA-φC).

(4)根據電場線特點，等勢面B與C之間的電場強度大于C與A之間的電場強度，考慮到等勢面間距相等，有|(φB-φc)|>|(φA-φc)|，即|ΔEk左|>|ΔEk右|.

這道關于“電子能量分析器”的試題考查了帶電粒子在電場力作用下的運動，需要分析帶電粒子的受力情況，判斷平行板兩板的電勢高低，屬于中等難度的綜合題.考生要了解電場線、等勢面的知識，應用牛頓第二定律、動能定理解題.

3 霍爾效應

圖3

(1)若該半導體材料是空穴(可視為帶正電粒子)導電，電流與磁場方向如圖3所示，該同學用電壓表測量UH時，應將電壓表的“+”接線柱與(填“M”或“N”)端通過導線相連.

(2)已知薄片厚度d=0.40mm，該同學保持磁感應強度B=0.10T不變，改變電流I的大小，測量相應的UH值，記錄數據如下表所示.

根據表中數據畫出UH—I圖線，利用圖線求出該材料的霍爾系數為×10-3V·m·A-1·T-1(保留2位有效數字).

I(×10-3A)3.06.09.012.015.018.0UH(×10-3V)1.11.93.44.56.26.8

(3)該同學查閱資料發現，使半導體薄片中的電流反向再次測量，取兩個方向測量的平均值，可以減小霍爾系數的測量誤差，為此該同學設計了如圖4所示的測量電路，S1、S2均為單刀雙擲開關，虛線框內為半導體薄片(未畫出).為使電流從Q端流入，P端流出，應將S1擲向(填“a”或“b”),S2擲向(填“c”或“d”).

圖4

為了保證測量安全，該同學改進了測量電路，將一合適的定值電阻串聯在電路中.在保持其它連接不變的情況下，該定值電阻應串聯在相鄰器件和(填器件代號)之間.

本題解析如下：(1)由左手定則可知，空穴受到的洛倫茲力指向M一側.該同學用電壓表測量UH時，應將電壓表的“+”接線柱與M端通過導線相連.

圖5

(3)由電源的正負極判斷，S1擲向b,S2擲向c.定值電阻應串聯在相鄰器件S1、E或S2、E之間.

霍爾效應可理解為帶電粒子在磁場力的作用下發生偏轉，產生附加電場.當靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導體M、N兩側形成穩定的電勢差.本題考查帶電粒子在復合場的運動，同時考查相關的數學知識在物理解題中的應用.

4 超導

例題4(天津卷第12題) 超導現象是20世紀人類重大發現之一，日前我國己研制出世上界傳輸電流最大的高溫超導電纜并成功示范運行.

(1)超導體在溫度特別低時電阻可以降到幾乎為零，這種性質可以通過實驗研究．將一個閉合超導金屬圈環水平放置在勻強磁場中，磁感線垂直于圈環平面向上，逐漸降低溫度使環發生由正常態到超導態的轉變后突然撤去磁場，若此后環中的電流不隨時間變化．則表明其電阻為零.請指出自上往下看環中電流方向，并說明理由.

(2)為探究該圓環在超導狀態的電阻率上限ρ，研究人員測得撤去磁場后環中電流為I,并經一年以上的時間t未檢測出電流變化.實際上儀器只能檢測出大于ΔI的電流變化，其中ΔI<

(3)若仍使用上述測量儀器，實驗持續時間依舊為t．為使實驗獲得的該圓環在超導狀態的電阻率上限ρ的準確程度更高，請提出你的建議，并簡要說明實現方法．

本題解析如下：(1)自上往下看環中電流方向為逆時針方向.撤去磁場的瞬間，環所圍面積的磁通量突變為零，由楞次定律可知，環中電流的磁場方向應與原磁場方向相同，即向上.由右手螺旋定則可知，環中電流的方向是沿逆時針方向.

設t時間內環中電流釋放焦耳熱而損失的能量為ΔE，由焦耳定律得：E=I2Rt.

設環中單位體積內定向移動電子數為n，則I=neSv.

式中n、e、S不變，只有定向移動電子的平均速率的變化才會引起環中電流的變化.電流變化大小取ΔI=neS△v.

這題涉及超導的應用性研究，綜合性強，難度比較大.考查了楞次定律、電路問題、電流的微觀表達式，焦耳定律及能量守恒定律等.

5 結語

從以上的題目可以看出，命題專家已經打破了既定的理想化命題思路.考題追求情境的真實性，即現實中的事物.對考生來講，學習書本的基礎知識的同時，也要關注生活現象，學會思考觀察到的現象.考題的模型是新的，但原理與規律仍然不變，所以教學中要注意思想方法的指導，加強基礎題型的訓練，以提高學生的解題能力與邏輯思維水平.