2017年高考物理中的STS試題賞析

(四川省資中縣球溪高級(jí)中學(xué),四川 內(nèi)江 641208)

1 引言

STS是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、社會(huì)(Society)的英文縮寫,近年來(lái)全國(guó)高考物理試題富有濃厚的STS氣息,試題強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的相互作用,引導(dǎo)廣大考生重視科學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)、生活及社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用,以提高他們的核心素養(yǎng)。

2 2017年高考STS試題分類賞析

2.1 高新科技中的物理

圖1

例1(2017年全國(guó)Ⅰ卷)：掃描隧道顯微鏡(STM)可用來(lái)探測(cè)樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動(dòng)對(duì)STM的擾動(dòng),在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對(duì)紫銅薄板,并施加磁場(chǎng)來(lái)快速衰減其微小振動(dòng),如圖1所示。無(wú)擾動(dòng)時(shí),按下列四種方案對(duì)紫銅薄板施加恒磁場(chǎng);出現(xiàn)擾動(dòng)后,對(duì)于紫銅薄板上下及左右振動(dòng)的衰減最有效的方案是( )。

解析：由題意可知,磁場(chǎng)的作用是衰減紫銅薄片的振動(dòng),因此需要薄片在磁場(chǎng)中振動(dòng)時(shí),穿過(guò)薄片的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦電流),由楞次定律可知,此時(shí)薄片才會(huì)受到阻礙其運(yùn)動(dòng)的安培力,而選項(xiàng)B、C、D中薄片上下振動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生磁通量變化,故選項(xiàng)A正確。

點(diǎn)評(píng)：本題以掃描隧道顯微鏡為背景,考查了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的電磁阻尼現(xiàn)象，考查的知識(shí)點(diǎn)是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,有感應(yīng)電流才會(huì)產(chǎn)生阻尼，阻礙紫銅薄片的振動(dòng)。與高新科技相關(guān)聯(lián)系的實(shí)際問(wèn)題,還有新型火箭與人造衛(wèi)星(全國(guó)Ⅰ卷第24題、全國(guó)Ⅲ卷第14題、天津卷第9題)、飛機(jī)降落(北京卷第20題)、質(zhì)譜儀與加速器(江蘇卷第15題)等，這些素材可以將運(yùn)動(dòng)與力、萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用、反沖現(xiàn)象、動(dòng)量與能量、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、電磁感應(yīng)等物理知識(shí)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行考查。

2.2 家用電器中的物理

例2(2017年江蘇卷)：某音響電路的簡(jiǎn)化電路圖如圖2所示,輸入信號(hào)既有高頻成分,也有低頻成分,則( )。

圖2

A. 電感L1的作用是通高頻

B. 電容C2的作用是通高頻

C. 揚(yáng)聲器甲用于輸出高頻成分

D. 揚(yáng)聲器乙用于輸出高頻成分

解析：在電路中電感線圈的作用是“通直流、阻交流,通低頻、阻高頻”,在電路中電容器的作用是“通交流、隔直流,通高頻、阻低頻”,所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確。揚(yáng)聲器甲輸出低頻成分,揚(yáng)聲器乙輸出高頻成分,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,選項(xiàng)D正確。

點(diǎn)評(píng)：本題是以生活中常見(jiàn)的音響電路圖為背景,考查電感、電容對(duì)交流電的阻礙作用,即感抗、容抗的大小與哪些因素有關(guān),平時(shí)要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于這些非主干知識(shí)的掌握。在人教版和教科版教材中多次出現(xiàn)這類素材,如磁帶錄音機(jī)的錄(放)音原理、動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)和原理、耦合電容與高頻旁路電容器的電路和原理、電視圖像放大電路圖等，都需要在平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中加以理解和積累。此類問(wèn)題容易和電路動(dòng)態(tài)分析、電磁感應(yīng)、交流電的產(chǎn)生和描述、“電阻、電感、電容對(duì)交流電的阻礙作用”、電磁波的發(fā)射和接收等知識(shí)聯(lián)系起來(lái)考查。

2.3 生活中的物理

例3(2017年天津卷)：如圖3所示,輕質(zhì)不可伸長(zhǎng)的晾衣繩兩端分別固定在豎直桿M、N上的a、b兩點(diǎn),懸掛衣服的衣架鉤是光滑的,掛于繩上處于靜止?fàn)顟B(tài)。如果只人為改變一個(gè)條件,當(dāng)衣架靜止時(shí),下列說(shuō)法正確的是( )。

圖3

A. 繩的右端上移到b′,繩子拉力不變

B. 將桿N向右移一些,繩子拉力變大

C. 繩的兩端高度差越小,繩子拉力越小

D. 若換掛質(zhì)量更大的衣服,則衣服架懸掛點(diǎn)右移

解析：繩的右端上下移動(dòng)及改變繩子兩端高度差都不會(huì)改變兩部分繩間的夾角,選項(xiàng)A正確、選項(xiàng)C錯(cuò)誤;兩繩間的夾角與衣服的質(zhì)量大小無(wú)關(guān),選項(xiàng)D錯(cuò)誤;將桿N向右移一些,兩部分繩間的夾角變大,繩子拉力變大,選項(xiàng)B正確。

點(diǎn)評(píng)：本題借助生活中晾衣繩固定在不同位置為背景,綜合考查受力分析和共點(diǎn)力的平衡,該題屬于力學(xué)中動(dòng)態(tài)平衡的典型模型,學(xué)生對(duì)此并不陌生，關(guān)鍵要判斷出繩子和豎直方向的夾角只與繩長(zhǎng)和兩桿間的距離有關(guān)。與生活和生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)的物理問(wèn)題很多,如“用怎樣的斧子才能更容易劈開(kāi)樹樁”“怎樣用較小的力拉起陷入泥路中的汽車”“如何選擇繩子的粗細(xì)來(lái)固定排球網(wǎng)架”“拉桿箱”等,這類問(wèn)題容易和受力分析、力的分解、共點(diǎn)力的平衡，并結(jié)合數(shù)學(xué)的最值、幾何關(guān)系來(lái)進(jìn)行考查。

2.4 體育中的物理

圖4

例4(2017年全國(guó)Ⅱ卷)：為提高冰球運(yùn)動(dòng)員的加速能力,教練員在冰面上與起跑線距離s0和s1(s1

點(diǎn)評(píng)：本題以教練員訓(xùn)練冰球運(yùn)動(dòng)員的加速能力為背景,主要考查勻變速直線運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的應(yīng)用;需分析物理過(guò)程,找到運(yùn)動(dòng)員和冰球之間的關(guān)聯(lián),并能靈活選取運(yùn)動(dòng)學(xué)公式。與體育相關(guān)聯(lián)的物理問(wèn)題很多,如100米賽跑、跳高、跳遠(yuǎn)、跳水、舉重、體操(浙江卷第10題)、滑雪、飛鏢及球類的平拋運(yùn)動(dòng)(全國(guó)Ⅰ卷第15題)等,此類素材容易和力學(xué)三大運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、功能關(guān)系、動(dòng)量及動(dòng)量守恒定律等知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)考查。

2.5 交通運(yùn)輸中的物理

例5(2017年浙江卷)：圖5中給出了一段“S”形單行盤山公路的示意圖。彎道1、彎道2可看作兩個(gè)不同水平面上的圓弧,圓心分別為O1、O2,彎道中心線半徑分別為r1=10m,r2=20m,彎道2比彎道1高h(yuǎn)=12m,有一直道與兩彎道圓弧相切。質(zhì)量m=1200kg的汽車通過(guò)彎道時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),路面對(duì)輪胎的最大徑向靜摩擦力是車重的1.25倍,行駛時(shí)要求汽車不打滑(sin37°=0.6，sin53°=0.8)。

(1) 求汽車沿彎道1中心線行駛時(shí)的最大速度v1;

(2) 汽車以v1進(jìn)入直道,以P=30kW的恒定功率直線行駛了t=8.0s進(jìn)入彎道2,此時(shí)速度恰為通過(guò)彎道2中心線的最大速度,求直道上除重力以外的阻力對(duì)汽車做的功;

(3) 汽車從彎道1的A點(diǎn)進(jìn)入,從同一直徑上的B點(diǎn)駛離,有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)會(huì)利用路面寬度,用最短時(shí)間勻速安全通過(guò)彎道。設(shè)路寬d=10m,求此最短時(shí)間(A、B兩點(diǎn)都在軌道的中心線上,計(jì)算時(shí)視汽車為質(zhì)點(diǎn))。

圖5

圖6

2.6 軍事中的物理

例6(2017年天津卷)：電磁軌道炮利用電流和磁場(chǎng)的作用使炮彈獲得超高速度,其原理可用來(lái)研制新武器和航天運(yùn)載器。電磁軌道炮示意如圖7,圖中直流電源電動(dòng)勢(shì)為E,電容器的電容為C。兩根固定于水平面內(nèi)的光滑平行金屬導(dǎo)軌間距為l,電阻不計(jì)。炮彈可視為一質(zhì)量為m、電阻為R的金屬棒MN,垂直放在兩導(dǎo)軌間處于靜止?fàn)顟B(tài),并與導(dǎo)軌良好接觸。首先開(kāi)關(guān)S接1,使電容器完全充電。然后將S接至2,導(dǎo)軌間存在垂直于導(dǎo)軌平面、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(圖中未畫出),MN開(kāi)始向右加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MN上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電容器兩極板間的電壓相等時(shí),回路中電流為零,MN達(dá)到最大速度,之后離開(kāi)導(dǎo)軌。問(wèn):

圖7

(1) 磁場(chǎng)的方向;

(2)MN剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度a的大小;

(3)MN離開(kāi)導(dǎo)軌后電容器上剩余的電荷量Q是多少。

解析：(1) 垂直于導(dǎo)軌平面向下。

點(diǎn)評(píng)：本題以電磁軌道炮利用電流和磁場(chǎng)的作用使炮彈獲得超高速度為背景,考查電磁感應(yīng)現(xiàn)象、電容器、動(dòng)量定理等知識(shí),難度較大,特別是第(3)問(wèn)不容易和動(dòng)量定理聯(lián)系起來(lái),導(dǎo)致學(xué)生無(wú)從下手。與軍事相關(guān)聯(lián)的實(shí)際問(wèn)題,如建軍90周年沙場(chǎng)閱兵中各種先進(jìn)武器(殲-20戰(zhàn)機(jī)、PHL03遠(yuǎn)程火箭炮、反輻射無(wú)人機(jī)、地空導(dǎo)彈)、電磁推動(dòng)火箭發(fā)射裝置、量子通信、電磁炮、隱形戰(zhàn)機(jī)、新型武器中的渦流制動(dòng)等,此類素材容易與主干知識(shí)中的安培力、法拉第電磁感應(yīng)定律、閉合電路的歐姆定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、拋體運(yùn)動(dòng)、功能關(guān)系、動(dòng)量及動(dòng)量守恒定律，以及非主干知識(shí)中的電磁波的特點(diǎn)、電磁波的發(fā)射與接收、光的反射、原子物理等聯(lián)合起來(lái)設(shè)置大綜合、高難度的試題。

3 結(jié)語(yǔ)

陳玉生.解決高考STS試題的困難分析及教學(xué)對(duì)策[J].物理之友，2014,(6).