既要腳踏實地 又要仰望星空
——2018年高考全國卷中與科技前沿相關的物理試題賞析

(四川省成都市玉林中學,四川 成都 610041)

1 引言

全國高考物理考試大綱提出:注意物理知識在生產、生活等方面的廣泛應用……有利于激發考生學習科學的興趣。[1]2018年的全國卷高考物理試題,通過創設物理情景,把當代最新的科技成果展示在學生面前,從而激發其學習科學的興趣,對于提升學生的科學素養有重要意義。

通過高考這個指揮棒作用,可以有效引導中學教師在實際的教學過程中自覺關注科技前沿的發展。朱邦芬院士指出:高中物理教育的定位,其最主要的功能是為大多數高中畢業學生的終生發展奠定科學基礎,由此提高全體國民的科學素質和培養科學精神……其定位不應僅為高校選拔人才。[2]

2 引導學生關注科技前沿的發展——要有仰望星空之興趣

2.1 以探測引力波為素材編制的試題

例1(全國Ⅰ卷20題):2017年,人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波。根據科學家們復原的過程,在兩顆中子星合并前約100s時,它們相距約400km,繞二者連線上的某點每秒轉動12圈,將兩顆中子星都看作是質量均勻分布的球體,由這些數據、萬有引力常量并利用牛頓力學知識,可以估算出這一時刻兩顆中子星( )。

A. 質量之積 B. 質量之和

C. 速率之和 D. 各自的自轉角速度

本題以人類第一次直接探測到來自雙子星合并的引力波為素材,激發學生對引力波的興趣。而試題實際是一個雙星模型,這是一個學生很熟悉的模型。

從這個試題可以看出,試題本身的模型是學生比較熟悉的,難度也不大。這體現了命題者貫徹考試大綱的思路：有利于激發考生學習科學的興趣。這可以讓學生體驗到前沿科技不是高不可攀的,是可以理解的,從而拉近了前沿科技與學生的心理距離。

2.2 關于引力波試題的拓展

引力波是愛因斯坦廣義相對論的重要預言,人類直接探測到引力波是一個劃時代的科學成就。此刻是對中學生進行引力波科普的恰當時機,關于引力波還有哪些可以讓中學生了解的內容呢？

(1) 引力波是什么？

引力場本質上是時空彎曲效應,這種效應又以光速傳播,那么引力源運動、變化所造成的時空彎曲改變也一定以光速傳向遠方,這就是引力波。[3]愛因斯坦將廣義相對論引力場與麥克斯韋電磁場相類比，預言引力波的存在。[4]

(2) 直接探測引力波的情況簡介

2015年9月14日格林尼治時間9時50分45秒,美國激光干涉引力波天文臺(advanced LIGO)接收到首例雙黑洞合并引力波信號(GW150914)。該信號是從距離地球13億光年的空間,由36個太陽質量和29個太陽質量的兩個黑洞合并成一個62個太陽質量,有3個太陽質量的能量以引力波的形式輻射出去。[5]

2017年8月17日格林尼治時間12時41分04秒,LIGO和Virgo聯合合作組的激光干涉儀探測器到兩個中子星合并產生的引力波信號(GW170817)。[5]

(3) 引力波的波速是多少？引力波是橫波還是縱波？

點評：澳大利亞人認為，中國投資者與當地釀酒師的結合，可以幫助澳大利亞葡萄酒進入中國市場，對當地的葡萄酒品牌也有益處。

廣義相對論推導出引力波的傳播速度為光速,引力波是一種橫波。[3]

(4) 探測引力波的意義何在？

引力波的探測,為人類打開了一扇研究宇宙的新窗口,標志著多信使天文學時代的到來,標志著引力波天文學、引力波宇宙學時代的到來。因為引力波基本不被吸收、不被散射、不被屏蔽,所以更容易發現新天體或新的物質體系,從而更加清晰地揭示宇宙的真面目。[4-6]

(5) “天琴計劃”簡介

由中山大學牽頭的“天琴計劃”,目的是用人造衛星探測目標源引力波(RXJ0806.3+1527)的輻射。其原理是由三顆全同高軌道衛星組成一個等邊三角形(如圖1),用高精度的激光干涉測距技術記錄引力波引起的、不同衛星上檢測質量之間細微距離變化,從而獲得引力波信息。[6-8]在圖1中,S代表太陽,E代表地球,S1、S2、S3代表三顆全同高軌道衛星。

圖1

“天琴計劃”要完成四個子計劃,大約需要二十年的時間,[8]天琴計劃可以積累一大批的技術,培養一批科研人才,使中國的引力波科研水平能躋身世界一流水平。通過“天琴計劃”的科普介紹可以激發中學生對科研的興趣和愛國熱情。

2.3 以FAST發現脈沖星為素材編制的試題

例2(全國Ⅱ卷16題):2018年2月,我國500m口徑射電望遠鏡(天眼)發現毫秒脈沖星“J0318+0253”,其自轉周期T=5.19ms,假設星體為質量均勻分布的球體,已知萬有引力常量為6.67×10-11N·m2/kg2。以周期T穩定自轉的星體的密度最小值約為( )。

A. 5×109kg/m3B. 5×1012kg/m3

C. 5×1015kg/m3D. 5×1018kg/m3

本題是以FAST發現脈沖星為背景,實質是求脈沖星自轉時不發生解體所需要的最小密度,是一個比較基礎的試題。

2.4 關于FAST試題的拓展

(1) 我國500m口徑射電望遠鏡(FAST)簡介

FAST為一架口徑500m、利用已有的喀斯特洼坑為臺址、反射面能主動變形的球面射電望遠鏡(如圖2)。FAST涵蓋宇宙初始混沌、暗物質分布與大尺度結構、星系與銀河系的演化、恒星類天體乃至太陽系行星與鄰近空間事件等的觀測研究。[9]

圖2

FAST的任務是：巡視宇宙中的中性氫,以探索宇宙的起源和演化；觀測脈沖星,研究極端狀態下的物理規律；探測星際分子,探索太空生命的起源；搜索星際通信信號,尋找地外文明。[9]FAST探測的內容正是當今科學研究的前沿,這極大地激發了中學生的科學興趣。

關注FAST,不能不提到FAST工程首席科學家兼總工程師——南仁東先生,他從壯年走到暮年,把一個樸素的想法變成了國之重器,成就了中國在世界上獨一無二的項目。他為科學事業奮斗到生命的最后一刻,用無私奉獻的精神譜寫了精彩的科學人生。

(2) 脈沖星簡介

脈沖星因產生嚴格周期性脈沖信號而得名(如圖3),誕生于大質量恒星耗盡其燃料后的超新星爆發。是一種極大致密的天體,密度相當于水的密度的千萬億倍。半徑約為10km,自旋周期約為1.4ms到8.5s,自旋周期具有高度的穩定性。脈沖星的磁場強度是地球磁場的十萬億倍,有的脈沖星的磁場可以高達幾百億特斯拉。脈沖星是宇宙中天然的極端物理實驗室,是驗證強引力場、強磁場、高密度、高能輻射等物理規律的“天然實驗室”,它所提供的極端條件是地面實驗室無法實現的。在應用研究方面,由于脈沖星有高度穩定的自旋周期,在時間標準和航天器導航方面有非常重要的應用前景。[9-11]

圖3

3 結語

在高考試題中引導考生關注科技發展的前沿,創設真實的問題情境,考查學生運用物理知識和方法解決實際問題的能力,這是高考試題發展的一個方向，有利于高校選拔人才,更有利于提高全民的科學素養。通過高考這個指揮棒的作用，可以引導中學生“關心國內外科技發展的現狀和趨勢”“激發學習物理的好奇心和求知欲”，[12]同時要求中學物理教師自己更要積極主動去跟蹤和關注科技發展的前沿,做到既腳踏實地,又仰望星空。