2017年高考物理中的STS試題賞析

(四川省資中縣球溪高級中學,四川 內江 641208)

1 引言

STS是科學(Science)、技術(Technology)、社會(Society)的英文縮寫,近年來全國高考物理試題富有濃厚的STS氣息,試題強調科學、技術、社會的相互作用,引導廣大考生重視科學技術在生產、生活及社會發展中的應用,以提高他們的核心素養。

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Ⅰ卷)：掃描隧道顯微鏡(STM)可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌。為了有效隔離外界振動對STM的擾動,在圓底盤周邊沿其徑向對稱地安裝若干對紫銅薄板,并施加磁場來快速衰減其微小振動,如圖1所示。無擾動時,按下列四種方案對紫銅薄板施加恒磁場;出現擾動后,對于紫銅薄板上下及左右振動的衰減最有效的方案是( )。

解析：由題意可知,磁場的作用是衰減紫銅薄片的振動,因此需要薄片在磁場中振動時,穿過薄片的磁通量發生變化,產生感應電流(渦電流),由楞次定律可知,此時薄片才會受到阻礙其運動的安培力,而選項B、C、D中薄片上下振動時不會產生磁通量變化,故選項A正確。

點評：本題以掃描隧道顯微鏡為背景,考查了電磁感應現象中的電磁阻尼現象，考查的知識點是產生感應電流的條件,有感應電流才會產生阻尼，阻礙紫銅薄片的振動。與高新科技相關聯系的實際問題,還有新型火箭與人造衛星(全國Ⅰ卷第24題、全國Ⅲ卷第14題、天津卷第9題)、飛機降落(北京卷第20題)、質譜儀與加速器(江蘇卷第15題)等，這些素材可以將運動與力、萬有引力定律的應用、反沖現象、動量與能量、帶電粒子在磁場中的運動、電磁感應等物理知識聯系起來進行考查。

2.2 家用電器中的物理

例2(2017年江蘇卷)：某音響電路的簡化電路圖如圖2所示,輸入信號既有高頻成分,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. 揚聲器甲用于輸出高頻成分

D. 揚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A錯誤,選項B正確。揚聲器甲輸出低頻成分,揚聲器乙輸出高頻成分,故選項C錯誤,選項D正確。

點評：本題是以生活中常見的音響電路圖為背景,考查電感、電容對交流電的阻礙作用,即感抗、容抗的大小與哪些因素有關,平時要加強學生對于這些非主干知識的掌握。在人教版和教科版教材中多次出現這類素材,如磁帶錄音機的錄(放)音原理、動圈式揚聲器的結構和原理、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，都需要在平時的學習過程中加以理解和積累。此類問題容易和電路動態分析、電磁感應、交流電的產生和描述、“電阻、電感、電容對交流電的阻礙作用”、電磁波的發射和接收等知識聯系起來考查。

2.3 生活中的物理

例3(2017年天津卷)：如圖3所示,輕質不可伸長的晾衣繩兩端分別固定在豎直桿M、N上的a、b兩點,懸掛衣服的衣架鉤是光滑的,掛于繩上處于靜止狀態。如果只人為改變一個條件,當衣架靜止時,下列說法正確的是( )。

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. 若換掛質量更大的衣服,則衣服架懸掛點右移

解析：繩的右端上下移動及改變繩子兩端高度差都不會改變兩部分繩間的夾角,選項A正確、選項C錯誤;兩繩間的夾角與衣服的質量大小無關,選項D錯誤;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B正確。

點評：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力的平衡,該題屬于力學中動態平衡的典型模型,學生對此并不陌生，關鍵要判斷出繩子和豎直方向的夾角只與繩長和兩桿間的距離有關。與生活和生產相關聯的物理問題很多,如“用怎樣的斧子才能更容易劈開樹樁”“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來固定排球網架”“拉桿箱”等,這類問題容易和受力分析、力的分解、共點力的平衡，并結合數學的最值、幾何關系來進行考查。

2.4 體育中的物理

圖4

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

點評：本題以教練員訓練冰球運動員的加速能力為背景,主要考查勻變速直線運動的基本規律的應用;需分析物理過程,找到運動員和冰球之間的關聯,并能靈活選取運動學公式。與體育相關聯的物理問題很多,如100米賽跑、跳高、跳遠、跳水、舉重、體操(浙江卷第10題)、滑雪、飛鏢及球類的平拋運動(全國Ⅰ卷第15題)等,此類素材容易和力學三大運動、牛頓運動定律、功能關系、動量及動量守恒定律等知識點聯系起來考查。

2.5 交通運輸中的物理

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=12m,有一直道與兩彎道圓弧相切。質量m=1200kg的汽車通過彎道時做勻速圓周運動,路面對輪胎的最大徑向靜摩擦力是車重的1.25倍,行駛時要求汽車不打滑(sin37°=0.6，sin53°=0.8)。

(1) 求汽車沿彎道1中心線行駛時的最大速度v1;

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

(3) 汽車從彎道1的A點進入,從同一直徑上的B點駛離,有經驗的司機會利用路面寬度,用最短時間勻速安全通過彎道。設路寬d=10m,求此最短時間(A、B兩點都在軌道的中心線上,計算時視汽車為質點)。

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的作用使炮彈獲得超高速度,其原理可用來研制新武器和航天運載器。電磁軌道炮示意如圖7,圖中直流電源電動勢為E,電容器的電容為C。兩根固定于水平面內的光滑平行金屬導軌間距為l,電阻不計。炮彈可視為一質量為m、電阻為R的金屬棒MN,垂直放在兩導軌間處于靜止狀態,并與導軌良好接觸。首先開關S接1,使電容器完全充電。然后將S接至2,導軌間存在垂直于導軌平面、磁感應強度大小為B的勻強磁場(圖中未畫出),MN開始向右加速運動。當MN上的感應電動勢與電容器兩極板間的電壓相等時,回路中電流為零,MN達到最大速度,之后離開導軌。問:

圖7

(1) 磁場的方向;

(2)MN剛開始運動時加速度a的大小;

(3)MN離開導軌后電容器上剩余的電荷量Q是多少。

解析：(1) 垂直于導軌平面向下。

點評：本題以電磁軌道炮利用電流和磁場的作用使炮彈獲得超高速度為背景,考查電磁感應現象、電容器、動量定理等知識,難度較大,特別是第(3)問不容易和動量定理聯系起來,導致學生無從下手。與軍事相關聯的實際問題,如建軍90周年沙場閱兵中各種先進武器(殲-20戰機、PHL03遠程火箭炮、反輻射無人機、地空導彈)、電磁推動火箭發射裝置、量子通信、電磁炮、隱形戰機、新型武器中的渦流制動等,此類素材容易與主干知識中的安培力、法拉第電磁感應定律、閉合電路的歐姆定律、牛頓運動定律、拋體運動、功能關系、動量及動量守恒定律，以及非主干知識中的電磁波的特點、電磁波的發射與接收、光的反射、原子物理等聯合起來設置大綜合、高難度的試題。

3 結語

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