吕未寒

(浙江师范大学数理学院2010级教育硕士,浙江金华 321004;浙江永康市第二中学,浙江永康 321300)

2010高考物理“STSE”试题赏析

吕未寒

(浙江师范大学数理学院2010级教育硕士,浙江金华 321004;浙江永康市第二中学,浙江永康 321300)

STSE是科学、技术、社会、环境的英文缩写.STSE教育思想是对STS教育的延伸.它强调科学、技术、社会、环境的相互作用.其显著特征是把当今时代与科技相关的重大社会问题纳入教育之中,包括科技的应用问题、科技发展动向问题和科技的社会伦理问题等.2010年的高考物理卷中,涉及这方面有多道题目.

STSE;新能源;物理建模;体育运动

STSE是科学,技术、社会、环境的英文缩写.STSE教育思想是对STS教育的延伸.它强调科学、技术、社会、环境的相互作用,重视科学技术在社会生产、人民生活及社会发展中的应用,关注社会发展、人民生活水平提高与环境的友好协调.其显著特征是把当今时代与科技相关的重大社会问题纳入教育之中,包括科技的应用问题、科技发展动向问题和科技的社会伦理问题等.众所周知,科学技术的迅速发展在为人类创造高度物质文明的同时,也带来了能源,资源,材料,环境,健康等问题,并严重威胁着人类的生存和发展.高考在当代高中教育中还是起着指挥棒的作用.2010年的高考物理卷中,涉及新能源的有4道题目,涉及体育运动的有3道题目.而解决这些问题的关键在于建立物理模型.通过对实际问题的分析,抽象出理想化的物理模型,根据物体的运动过程,选择相应的物理规律,求解答案.

下面就2010年高考物理中新能源类题目(安徽第21题太阳能,山东第36题太阳能、空气集热器,浙江第23题光电池板),体育运动类题目(江苏省第14题游乐项目,湖南陕西辽宁第24题北京奥运会博尔特跑步,浙江省22题城市运动会)进行剖析.

新能源类题目

图1

例1.(安徽)21.Ⅱ.太阳能是一种清洁、“绿色”能源.在我国上海举办的2010年世博会上,大量利用了太阳能电池.太阳能电池在有光照时,可以将光能转化为电能,在没有光照时,可以视为一个电学器件.某实验小组根据测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法,探究一个太阳能电池在没有光照时(没有储存电能)的I-U特性.所用的器材包括:太阳能电池,电源E,电流表A,电压表V,滑动变阻器R,开关S及导线若干.

(1)为了达到上述目的,请将图1连成一个完整的实验电路图.

(2)该实验小组根据实验得到的数据,描点绘出了如图2的I-U图像.由图可知,当电压小于2.00 V时,太阳能电池的电阻__________(填“很大”或“很小”);当电压为2.8 0 V时,太阳能电池的电阻约为_________.

答案:(1)如图3;很大;1.0×103Ω(965～1 040Ω)

图2

解析:(1)根据测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法,电路连接如图3.

图3

方法拓展:此题虽然提到太阳能电池,但是由于只是考虑太阳能电池在没有光照时,可以视为一个电学器件的情况.所以看似新题,实际上考查的还是传统的测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法.这也提醒学生,应掌握基本的实验方法、掌握不变的教材中知识应对变化莫测的考试.

例2.(山东)36.(物理—物理3-3)一太阳能空气集热器(如图4),底面及侧面为隔热材料,顶面为透明玻璃板,集热器容积为V0,开始时内部封闭气体的压强为p0.经过太阳曝晒,气体温度由T0=300 K升至T1=350 K.

(1)求此时气体的压强.

(2)保持T1=350 k不变,缓慢抽出部分气体,使气体压强再变回到p0.求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值.判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热,并简述原因.

抽气过程气体体积变大,对外做功,而温度不变内能不变,由热力学第一定律知气体应吸热.

方法拓展:热学部分知识主要集中在人工转换和气体性质两部分.基本解题思路在于①选定研究对象,②确定状态参量,③认识变化过程,④列出相关方程.其中研究对象可以是由两个或几个物体组成的系统或全部气体和某一部分气体(状态变化时质量须一定).对于功热转换问题,确定状态参量就是找出相应作用前后的状态量;对于气体,即找出状态变化前后的P、V、T数值或表达式.除题设条件已经指明的变化过程外,常需要通过研究对象与外界周围环境的相互关系确定变化过程.

图5

例3.(浙江)23.如图5所示,一矩形轻质柔软反射膜可绕过O点垂直纸面的水平轴转动.其在纸面上的长度OA为L1,垂直纸面的宽度为L2.在膜的下端(图中A处)挂有一平行于转轴,质量为m、长为L2的导体棒使膜绷成平面.在膜下方水平放置一足够大的太阳能光电池板,能接收到经反射膜反射到光电池板上的所有光能,并将光能转化成电能.光电池板可等效为一个电池,输出电压恒定为U;输出电流正比于光电池板接收到的光能(设垂直于入射光单位面积上的光功率保持恒定).导体棒处在方向竖直向上的匀强磁场B中,并与光电池构成回路,流经导体棒的电流垂直纸面向外(注:光电池与导体棒直接相连,连接导线未画出).

(1)现有一束平行光水平入射,当反射膜与竖直方向成θ=60°时,导体棒处于受力平衡状态,求此时电流强度的大小和光电池的输出功率.

(2)当θ变为45°时,通过调整电路使导体棒保持平衡,光电池除维持导体棒力学平衡外,还能输出多少额外电功率?

解析:(1)导体棒所受安培力

导体棒有静力平衡关系(见图6)

图6

图7

方法拓展:通电导线在磁场中受到安培力作用,安培力方向应用左手定则.安培力大小F=BILsinα,高中阶段只要求会计算α=0(不受安培力)和α=90°(F=BIL)的两种情况下的安培力大小.高考考查的重点力的合成和分解、共点力平衡等问题往往和动力学、电磁学等内容相联系.并且往往出现在综合题里面.而与实际相结合的应用性问题更是近几年高考的热点.

体育运动类题目

图8

例4.(江苏)14.在游乐节目中,选手需借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小明和小阳观看后对此进行了讨论.如图8所示,他们将选手简化为质量m=60 kg的质点,选手抓住绳由静止开始摆动,此时绳与竖直方向夹角α=53°,绳的悬挂点O距水面的高度为H=3m.不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深.取g=10 m/s2.

(1)求选手摆到最低点时对绳拉力的大小F;

(2)若绳长l=2m,选手摆到最高点时松手落入水中.设水对选手的平均浮力f1=800N,平均阻力f2=700 N,求选手落入水中的深度d;

(3)若选手摆到最低点时松手,小明认为绳越长,在浮台上的落点距岸边越远;小阳却认为绳越短,落点距岸边越远.请通过推算说出你的观点.

解析:(1)机械能守恒

解得d=1.2 m.

因此,两人的看法均不正确.当绳长越接近1.5 m时,落点距岸边越远.

方法拓展:近几年高考中经常出现“竖直平面内圆周运动与平抛运动结合”这样的综合题.对于圆周运动要求学生熟练应用牛顿运动定律分析和解决圆周运动中的动力学问题.在应用牛顿第二运动定律解决圆周运动问题时,应注意分析性质力,不分析效果力,因为向心力是效果力.而平抛运动可以分解成水平的匀速运动和竖直的自由落体运动运动.而动能定理建立起过程量(功)和状态量(动能)间的联系.

例5.(湖南陕西辽宁)24.短跑名将博尔特在北京奥运会上创造了100m和200m短跑项目的新世界纪录,他的成绩分别是9.69 s和19.30 s.假定他在100m比赛时从发令到起跑的反应时间是0.15 s,起跑后做匀加速运动,达到最大速率后做匀速运动.200m比赛时,反应时间及起跑后加速阶段的加速度和加速时间与100 m比赛时相同,但由于弯道和体力等因素的影响,以后的平均速率只有跑100 m时最大速率的96%.求:(结果保留两位小数)

(1)加速所用时间和达到的最大速率:

(2)起跑后做匀加速运动的加速度.

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

解析:(1)设加速所用时间为t(以s为单位),匀速运动的速度v(以m/s为单位),则有

由(1)、(2)式得t=1.29 s,v=11.24m/s.

方法拓展:同一条直线上的运动,要正确区分运动性质.常见的有匀速直线运动,匀加速直线运动和匀减速直线运动.规定运动正方向,化矢量运算为代数运算.熟悉运用匀变速直线运动的速度公式、位移公式是解题的关键.注意前一运动的末速度是后一速度的初速度.

图9

例6.(浙江)22.在一次国际城市运动会中,如图9所示,要求运动员从高为H的平台上的A点由静止出发,沿着动摩擦因数为μ的滑道向下运动到B点后水平滑出,最后落在水池中.设滑道的水平距离为L,B点的高度h可由运动员自由调节(取g=10 m/s2).求:

(1)运动员到达B点的速度与高度h的关系.

(2)运动员要达到最大水平运动距离,B点的高度h应调为多大?对应的最大水平距离smax为多少?

(3)若图9中H=4 m,L=5 m,动摩擦因素μ=0.2,则水平运动距离要达到7m,h值应为多少?

解析:(1)设斜面长度为L1,斜面倾角为α,根据动能定理得

(2)根据平抛运动公式

方法拓展:物理知识与日常生活息息相关.此题以国际城市运动会为背景,十分精彩.解决STSE物理试题的关键在于:通过对实际问题的分析,抽象出理想化的物理模型,根据物体的运动过程,选择相应的物理规律,求解答案.今年浙江卷在这方面做了很大的尝试.而“水平运动距离要达到7m”,往往使人错误地理解为“平抛运动的水平位移”.如果出现上述错误,就会得到无解的结论,所以应该提醒学生注意审题.

总之,STSE物理试题的特点就是题目背景联系科技、技术、生活、环境.这类试题可以引导学生关注自然、关注社会、关注人类共同命运,培养学生的社会责任感,很好地体现了新课改的理念.这是高考命题的新趋势,也是今后物理教学应该引起足够重视的地方.

2010-06-22)