聯(lián)系現(xiàn)代技術(shù)的高考試題賞析

(江蘇省海門市三廠中學(xué)，江蘇 海門 226121)

物理教學(xué)應(yīng)密切聯(lián)系科學(xué)、技術(shù)和社會(STS)，近年來高考中就有不少聯(lián)系現(xiàn)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(yīng)

例題1(北京卷第20題) 以往我們認(rèn)識的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在時(shí)間內(nèi)能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出.強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應(yīng)的認(rèn)識，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子光電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí).

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率為ν的強(qiáng)激光照射陰極，則發(fā)生了光電效應(yīng)；此時(shí)，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(fù)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(dāng)光電流恰好減小到零時(shí)，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(yīng)，愛因斯坦提出光量子假設(shè)時(shí)，并不排除在強(qiáng)光下出現(xiàn)多光子過程的可能性．激光出現(xiàn)后，多光子光電效應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)，對于多光子光電效應(yīng)，愛因斯坦方程和光電流-光強(qiáng)關(guān)系應(yīng)予以推廣.本題考查光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)規(guī)律與對光電效應(yīng)方程的應(yīng)用，只有理解光電子的初動(dòng)能與入射光頻率、逸出功的關(guān)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(zhuǎn)器和探測板組成.偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)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(gòu)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(zhì)量為m的電子以不同的動(dòng)能從偏轉(zhuǎn)器左端M的正中間小孔垂直入射，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場區(qū)域，最后到達(dá)偏轉(zhuǎn)器右端的探測板N，其中動(dòng)能為Ek0的電子沿等勢面C做勻速圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)N板的正中間.忽略電場的邊緣效應(yīng).

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(qiáng)度E的大?。?/p>

(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(dá)N板左、右邊緣處的電子，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電場前、后的動(dòng)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(fù)電)做圓周運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)時(shí)只有電場力做功，根據(jù)動(dòng)能定理，有ΔEk=qU，對到達(dá)N板左邊緣的電子，電場力做正功，動(dòng)能增加，有ΔEk左=e(φB-φC).對于到達(dá)N板右邊緣的電子，電場力做負(fù)功，動(dòng)能減小，有ΔEk右=e(φA-φC).

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

這道關(guān)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(yùn)動(dòng)，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(yīng)用牛頓第二定律、動(dòng)能定理解題.

3 霍爾效應(yīng)

圖3

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

(2)已知薄片厚度d=0.40mm，該同學(xué)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.10T不變，改變電流I的大小，測量相應(yīng)的UH值，記錄數(shù)據(jù)如下表所示.

根據(jù)表中數(shù)據(jù)畫出UH—I圖線，利用圖線求出該材料的霍爾系數(shù)為×10-3V·m·A-1·T-1(保留2位有效數(shù)字).

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

(3)該同學(xué)查閱資料發(fā)現(xiàn)，使半導(dǎo)體薄片中的電流反向再次測量，取兩個(gè)方向測量的平均值，可以減小霍爾系數(shù)的測量誤差，為此該同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖4所示的測量電路，S1、S2均為單刀雙擲開關(guān)，虛線框內(nèi)為半導(dǎo)體薄片(未畫出).為使電流從Q端流入，P端流出，應(yīng)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(xué)改進(jìn)了測量電路，將一合適的定值電阻串聯(lián)在電路中.在保持其它連接不變的情況下，該定值電阻應(yīng)串聯(lián)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(cè).該同學(xué)用電壓表測量UH時(shí)，應(yīng)將電壓表的“+”接線柱與M端通過導(dǎo)線相連.

圖5

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

霍爾效應(yīng)可理解為帶電粒子在磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生附加電場.當(dāng)靜電力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體M、N兩側(cè)形成穩(wěn)定的電勢差.本題考查帶電粒子在復(fù)合場的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考查相關(guān)的數(shù)學(xué)知識在物理解題中的應(yīng)用.

4 超導(dǎo)

例題4(天津卷第12題) 超導(dǎo)現(xiàn)象是20世紀(jì)人類重大發(fā)現(xiàn)之一，日前我國己研制出世上界傳輸電流最大的高溫超導(dǎo)電纜并成功示范運(yùn)行.

(1)超導(dǎo)體在溫度特別低時(shí)電阻可以降到幾乎為零，這種性質(zhì)可以通過實(shí)驗(yàn)研究．將一個(gè)閉合超導(dǎo)金屬圈環(huán)水平放置在勻強(qiáng)磁場中，磁感線垂直于圈環(huán)平面向上，逐漸降低溫度使環(huán)發(fā)生由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變后突然撤去磁場，若此后環(huán)中的電流不隨時(shí)間變化．則表明其電阻為零.請指出自上往下看環(huán)中電流方向，并說明理由.

(2)為探究該圓環(huán)在超導(dǎo)狀態(tài)的電阻率上限ρ，研究人員測得撤去磁場后環(huán)中電流為I,并經(jīng)一年以上的時(shí)間t未檢測出電流變化.實(shí)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(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間依舊為t．為使實(shí)驗(yàn)獲得的該圓環(huán)在超導(dǎo)狀態(tài)的電阻率上限ρ的準(zhǔn)確程度更高，請?zhí)岢瞿愕慕ㄗh，并簡要說明實(shí)現(xiàn)方法．

本題解析如下：(1)自上往下看環(huán)中電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向.撤去磁場的瞬間，環(huán)所圍面積的磁通量突變?yōu)榱?，由楞次定律可知，環(huán)中電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相同，即向上.由右手螺旋定則可知，環(huán)中電流的方向是沿逆時(shí)針方向.

設(shè)t時(shí)間內(nèi)環(huán)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(shè)環(huán)中單位體積內(nèi)定向移動(dòng)電子數(shù)為n，則I=neSv.

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

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

5 結(jié)語

從以上的題目可以看出，命題專家已經(jīng)打破了既定的理想化命題思路.考題追求情境的真實(shí)性，即現(xiàn)實(shí)中的事物.對考生來講，學(xué)習(xí)書本的基礎(chǔ)知識的同時(shí)，也要關(guān)注生活現(xiàn)象，學(xué)會思考觀察到的現(xiàn)象.考題的模型是新的，但原理與規(guī)律仍然不變，所以教學(xué)中要注意思想方法的指導(dǎo)，加強(qiáng)基礎(chǔ)題型的訓(xùn)練，以提高學(xué)生的解題能力與邏輯思維水平.