呂未寒

(浙江師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院2010級(jí)教育碩士,浙江金華 321004;浙江永康市第二中學(xué),浙江永康 321300)

2010高考物理“STSE”試題賞析

呂未寒

(浙江師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院2010級(jí)教育碩士,浙江金華 321004;浙江永康市第二中學(xué),浙江永康 321300)

STSE是科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的英文縮寫.STSE教育思想是對(duì)STS教育的延伸.它強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的相互作用.其顯著特征是把當(dāng)今時(shí)代與科技相關(guān)的重大社會(huì)問題納入教育之中,包括科技的應(yīng)用問題、科技發(fā)展動(dòng)向問題和科技的社會(huì)倫理問題等.2010年的高考物理卷中,涉及這方面有多道題目.

STSE;新能源;物理建模;體育運(yùn)動(dòng)

STSE是科學(xué),技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的英文縮寫.STSE教育思想是對(duì)STS教育的延伸.它強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的相互作用,重視科學(xué)技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)、人民生活及社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用,關(guān)注社會(huì)發(fā)展、人民生活水平提高與環(huán)境的友好協(xié)調(diào).其顯著特征是把當(dāng)今時(shí)代與科技相關(guān)的重大社會(huì)問題納入教育之中,包括科技的應(yīng)用問題、科技發(fā)展動(dòng)向問題和科技的社會(huì)倫理問題等.眾所周知,科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展在為人類創(chuàng)造高度物質(zhì)文明的同時(shí),也帶來了能源,資源,材料,環(huán)境,健康等問題,并嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展.高考在當(dāng)代高中教育中還是起著指揮棒的作用.2010年的高考物理卷中,涉及新能源的有4道題目,涉及體育運(yùn)動(dòng)的有3道題目.而解決這些問題的關(guān)鍵在于建立物理模型.通過對(duì)實(shí)際問題的分析,抽象出理想化的物理模型,根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)過程,選擇相應(yīng)的物理規(guī)律,求解答案.

下面就2010年高考物理中新能源類題目(安徽第21題太陽能,山東第36題太陽能、空氣集熱器,浙江第23題光電池板),體育運(yùn)動(dòng)類題目(江蘇省第14題游樂項(xiàng)目,湖南陜西遼寧第24題北京奧運(yùn)會(huì)博爾特跑步,浙江省22題城市運(yùn)動(dòng)會(huì))進(jìn)行剖析.

新能源類題目

圖1

例1.(安徽)21.Ⅱ.太陽能是一種清潔、“綠色”能源.在我國上海舉辦的2010年世博會(huì)上,大量利用了太陽能電池.太陽能電池在有光照時(shí),可以將光能轉(zhuǎn)化為電能,在沒有光照時(shí),可以視為一個(gè)電學(xué)器件.某實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)測(cè)繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)方法,探究一個(gè)太陽能電池在沒有光照時(shí)(沒有儲(chǔ)存電能)的I-U特性.所用的器材包括:太陽能電池,電源E,電流表A,電壓表V,滑動(dòng)變阻器R,開關(guān)S及導(dǎo)線若干.

(1)為了達(dá)到上述目的,請(qǐng)將圖1連成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)電路圖.

(2)該實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),描點(diǎn)繪出了如圖2的I-U圖像.由圖可知,當(dāng)電壓小于2.00 V時(shí),太陽能電池的電阻__________(填“很大”或“很小”);當(dāng)電壓為2.8 0 V時(shí),太陽能電池的電阻約為_________.

答案:(1)如圖3;很大;1.0×103Ω(965～1 040Ω)

圖2

解析:(1)根據(jù)測(cè)繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)方法,電路連接如圖3.

圖3

方法拓展:此題雖然提到太陽能電池,但是由于只是考慮太陽能電池在沒有光照時(shí),可以視為一個(gè)電學(xué)器件的情況.所以看似新題,實(shí)際上考查的還是傳統(tǒng)的測(cè)繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)方法.這也提醒學(xué)生,應(yīng)掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法、掌握不變的教材中知識(shí)應(yīng)對(duì)變化莫測(cè)的考試.

例2.(山東)36.(物理—物理3-3)一太陽能空氣集熱器(如圖4),底面及側(cè)面為隔熱材料,頂面為透明玻璃板,集熱器容積為V0,開始時(shí)內(nèi)部封閉氣體的壓強(qiáng)為p0.經(jīng)過太陽曝曬,氣體溫度由T0=300 K升至T1=350 K.

(1)求此時(shí)氣體的壓強(qiáng).

(2)保持T1=350 k不變,緩慢抽出部分氣體,使氣體壓強(qiáng)再變回到p0.求集熱器內(nèi)剩余氣體的質(zhì)量與原來總質(zhì)量的比值.判斷在抽氣過程中剩余氣體是吸熱還是放熱,并簡(jiǎn)述原因.

抽氣過程氣體體積變大,對(duì)外做功,而溫度不變內(nèi)能不變,由熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w應(yīng)吸熱.

方法拓展:熱學(xué)部分知識(shí)主要集中在人工轉(zhuǎn)換和氣體性質(zhì)兩部分.基本解題思路在于①選定研究對(duì)象,②確定狀態(tài)參量,③認(rèn)識(shí)變化過程,④列出相關(guān)方程.其中研究對(duì)象可以是由兩個(gè)或幾個(gè)物體組成的系統(tǒng)或全部氣體和某一部分氣體(狀態(tài)變化時(shí)質(zhì)量須一定).對(duì)于功熱轉(zhuǎn)換問題,確定狀態(tài)參量就是找出相應(yīng)作用前后的狀態(tài)量;對(duì)于氣體,即找出狀態(tài)變化前后的P、V、T數(shù)值或表達(dá)式.除題設(shè)條件已經(jīng)指明的變化過程外,常需要通過研究對(duì)象與外界周圍環(huán)境的相互關(guān)系確定變化過程.

圖5

例3.(浙江)23.如圖5所示,一矩形輕質(zhì)柔軟反射膜可繞過O點(diǎn)垂直紙面的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng).其在紙面上的長度OA為L1,垂直紙面的寬度為L2.在膜的下端(圖中A處)掛有一平行于轉(zhuǎn)軸,質(zhì)量為m、長為L2的導(dǎo)體棒使膜繃成平面.在膜下方水平放置一足夠大的太陽能光電池板,能接收到經(jīng)反射膜反射到光電池板上的所有光能,并將光能轉(zhuǎn)化成電能.光電池板可等效為一個(gè)電池,輸出電壓恒定為U;輸出電流正比于光電池板接收到的光能(設(shè)垂直于入射光單位面積上的光功率保持恒定).導(dǎo)體棒處在方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中,并與光電池構(gòu)成回路,流經(jīng)導(dǎo)體棒的電流垂直紙面向外(注:光電池與導(dǎo)體棒直接相連,連接導(dǎo)線未畫出).

(1)現(xiàn)有一束平行光水平入射,當(dāng)反射膜與豎直方向成θ=60°時(shí),導(dǎo)體棒處于受力平衡狀態(tài),求此時(shí)電流強(qiáng)度的大小和光電池的輸出功率.

(2)當(dāng)θ變?yōu)?5°時(shí),通過調(diào)整電路使導(dǎo)體棒保持平衡,光電池除維持導(dǎo)體棒力學(xué)平衡外,還能輸出多少額外電功率?

解析:(1)導(dǎo)體棒所受安培力

導(dǎo)體棒有靜力平衡關(guān)系(見圖6)

圖6

圖7

方法拓展:通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到安培力作用,安培力方向應(yīng)用左手定則.安培力大小F=BILsinα,高中階段只要求會(huì)計(jì)算α=0(不受安培力)和α=90°(F=BIL)的兩種情況下的安培力大小.高考考查的重點(diǎn)力的合成和分解、共點(diǎn)力平衡等問題往往和動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)等內(nèi)容相聯(lián)系.并且往往出現(xiàn)在綜合題里面.而與實(shí)際相結(jié)合的應(yīng)用性問題更是近幾年高考的熱點(diǎn).

體育運(yùn)動(dòng)類題目

圖8

例4.(江蘇)14.在游樂節(jié)目中,選手需借助懸掛在高處的繩飛越到水面的浮臺(tái)上,小明和小陽觀看后對(duì)此進(jìn)行了討論.如圖8所示,他們將選手簡(jiǎn)化為質(zhì)量m=60 kg的質(zhì)點(diǎn),選手抓住繩由靜止開始擺動(dòng),此時(shí)繩與豎直方向夾角α=53°,繩的懸掛點(diǎn)O距水面的高度為H=3m.不考慮空氣阻力和繩的質(zhì)量,浮臺(tái)露出水面的高度不計(jì),水足夠深.取g=10 m/s2.

(1)求選手?jǐn)[到最低點(diǎn)時(shí)對(duì)繩拉力的大小F;

(2)若繩長l=2m,選手?jǐn)[到最高點(diǎn)時(shí)松手落入水中.設(shè)水對(duì)選手的平均浮力f1=800N,平均阻力f2=700 N,求選手落入水中的深度d;

(3)若選手?jǐn)[到最低點(diǎn)時(shí)松手,小明認(rèn)為繩越長,在浮臺(tái)上的落點(diǎn)距岸邊越遠(yuǎn);小陽卻認(rèn)為繩越短,落點(diǎn)距岸邊越遠(yuǎn).請(qǐng)通過推算說出你的觀點(diǎn).

解析:(1)機(jī)械能守恒

解得d=1.2 m.

因此,兩人的看法均不正確.當(dāng)繩長越接近1.5 m時(shí),落點(diǎn)距岸邊越遠(yuǎn).

方法拓展:近幾年高考中經(jīng)常出現(xiàn)“豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)結(jié)合”這樣的綜合題.對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)要求學(xué)生熟練應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析和解決圓周運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)問題.在應(yīng)用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律解決圓周運(yùn)動(dòng)問題時(shí),應(yīng)注意分析性質(zhì)力,不分析效果力,因?yàn)橄蛐牧κ切Ч?而平拋運(yùn)動(dòng)可以分解成水平的勻速運(yùn)動(dòng)和豎直的自由落體運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng).而動(dòng)能定理建立起過程量(功)和狀態(tài)量(動(dòng)能)間的聯(lián)系.

例5.(湖南陜西遼寧)24.短跑名將博爾特在北京奧運(yùn)會(huì)上創(chuàng)造了100m和200m短跑項(xiàng)目的新世界紀(jì)錄,他的成績分別是9.69 s和19.30 s.假定他在100m比賽時(shí)從發(fā)令到起跑的反應(yīng)時(shí)間是0.15 s,起跑后做勻加速運(yùn)動(dòng),達(dá)到最大速率后做勻速運(yùn)動(dòng).200m比賽時(shí),反應(yīng)時(shí)間及起跑后加速階段的加速度和加速時(shí)間與100 m比賽時(shí)相同,但由于彎道和體力等因素的影響,以后的平均速率只有跑100 m時(shí)最大速率的96%.求:(結(jié)果保留兩位小數(shù))

(1)加速所用時(shí)間和達(dá)到的最大速率:

(2)起跑后做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度.

答案:(1)t=1.29 s,v=11.24m/s;(2)a=8.71m/s2.

解析:(1)設(shè)加速所用時(shí)間為t(以s為單位),勻速運(yùn)動(dòng)的速度v(以m/s為單位),則有

由(1)、(2)式得t=1.29 s,v=11.24m/s.

方法拓展:同一條直線上的運(yùn)動(dòng),要正確區(qū)分運(yùn)動(dòng)性質(zhì).常見的有勻速直線運(yùn)動(dòng),勻加速直線運(yùn)動(dòng)和勻減速直線運(yùn)動(dòng).規(guī)定運(yùn)動(dòng)正方向,化矢量運(yùn)算為代數(shù)運(yùn)算.熟悉運(yùn)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度公式、位移公式是解題的關(guān)鍵.注意前一運(yùn)動(dòng)的末速度是后一速度的初速度.

圖9

例6.(浙江)22.在一次國際城市運(yùn)動(dòng)會(huì)中,如圖9所示,要求運(yùn)動(dòng)員從高為H的平臺(tái)上的A點(diǎn)由靜止出發(fā),沿著動(dòng)摩擦因數(shù)為μ的滑道向下運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)后水平滑出,最后落在水池中.設(shè)滑道的水平距離為L,B點(diǎn)的高度h可由運(yùn)動(dòng)員自由調(diào)節(jié)(取g=10 m/s2).求:

(1)運(yùn)動(dòng)員到達(dá)B點(diǎn)的速度與高度h的關(guān)系.

(2)運(yùn)動(dòng)員要達(dá)到最大水平運(yùn)動(dòng)距離,B點(diǎn)的高度h應(yīng)調(diào)為多大?對(duì)應(yīng)的最大水平距離smax為多少?

(3)若圖9中H=4 m,L=5 m,動(dòng)摩擦因素μ=0.2,則水平運(yùn)動(dòng)距離要達(dá)到7m,h值應(yīng)為多少?

解析:(1)設(shè)斜面長度為L1,斜面傾角為α,根據(jù)動(dòng)能定理得

(2)根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)公式

方法拓展:物理知識(shí)與日常生活息息相關(guān).此題以國際城市運(yùn)動(dòng)會(huì)為背景,十分精彩.解決STSE物理試題的關(guān)鍵在于:通過對(duì)實(shí)際問題的分析,抽象出理想化的物理模型,根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)過程,選擇相應(yīng)的物理規(guī)律,求解答案.今年浙江卷在這方面做了很大的嘗試.而“水平運(yùn)動(dòng)距離要達(dá)到7m”,往往使人錯(cuò)誤地理解為“平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移”.如果出現(xiàn)上述錯(cuò)誤,就會(huì)得到無解的結(jié)論,所以應(yīng)該提醒學(xué)生注意審題.

總之,STSE物理試題的特點(diǎn)就是題目背景聯(lián)系科技、技術(shù)、生活、環(huán)境.這類試題可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注自然、關(guān)注社會(huì)、關(guān)注人類共同命運(yùn),培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感,很好地體現(xiàn)了新課改的理念.這是高考命題的新趨勢(shì),也是今后物理教學(xué)應(yīng)該引起足夠重視的地方.

2010-06-22)