洞悉趨勢,融聚未來
——2023年創新仿真題多維分析選登(一)

邱 芳 孫德成 賈金偉 魏遠峰 吳 賓 王艷紅 石有山

1.電影《流浪地球Ⅱ》中的太空電梯備受關注。假設從赤道上空與地球同步的太空站豎直放下由超高強度材料做成的太空電梯,地球站固定在赤道上,這樣太空電梯隨地球一起旋轉,如圖所示。下列說法正確的是( )

A.電梯廂靜止在地球站與太空站之間的S點時所受合力為零

B.電梯廂靜止在地球站與太空站之間的S點時速度大于地球第一宇宙速度

C.配重物的向心加速度比太空站的大

D.若纜繩斷裂,太空站與配重物將落向地面

【答案】C

【解析】因為電梯廂隨地球的自轉做圓周運動,所以所受合力不為零,A錯誤;根據v=ωr,可知,電梯廂轉動的速度小于同步衛星的速度,第一宇宙速度是最大的環繞速度,則同步衛星的速度小于第一宇宙速度,則電梯廂的速度比地球第一宇宙速度小,B錯誤;根據a=ω2r,可知太空站轉動的向心加速度小于配重物的向心加速度,C正確;太空站與配重物隨地球做圓周運動的向心力由萬有引力與纜繩的拉力提供,設為F1,纜繩斷裂后只有萬有引力提供,設為F2,因為F1>F2,所以太空站與配重物做離心運動,不會落向地面,D錯誤。

【押題目標分析】高考試題通常借助于科技前沿、熱點問題,創設一定的情境來考查核心知識,學生通過提取出關鍵信息,借助已有的知識儲備來解決實際問題,實現深層次考查學生物理素養。因此押題借助科技前沿、熱點問題來創造合適的情境來考查學生的物理素養。

【創新點分析】本題借助《流浪地球Ⅱ》中的太空電梯情境考查萬有引力的相關知識,檢測考生物理學科的科學思維素養以及社會責任感。

【知識歸納】衛星繞同一中心天體運動時,線速度、角速度、向心加速度和周期只與半徑有關,半徑越大,線速度、角速度、向心加速度越小,周期越大。第一宇宙速度是衛星繞星球表面附近做勻速圓周運動的線速度,是衛星繞星球運動的最大環繞速度,也是發射衛星的最小速度。

【全能解析負責教師:邱芳 貴州省黔南州都勻市第一中學】

2.2022年6月5日10時44分許,我國在酒泉衛星發射中心成功發射“神舟十四號”載人飛船。之后“神舟十四號”載人飛船采用自主快速交會對接模式,經過6次自主變軌,于17時42分成功對接于“天和核心艙”徑向端口,整個對接過程歷時約7小時。交會對接過程包括四個階段:地面發射追蹤航天器,由地面控制,使它按比目標航天器稍微低一點的圓軌道運行,軌道半徑為R1,運行周期為T1;通過霍曼變軌,使其進入與目標航天器高度基本一致的軌道,軌道半徑為R2,并與目標航天器建立通信關系,目標航天器的運行周期為T2;追蹤航天器調整自己與目標航天器的相對距離和姿態,向目標航天器靠近;當兩個航天器的距離為零時,完成對接合攏操作,結束對接過程。已知萬有引力常量為G,地球半徑為R,地球表面的重力加速度為g,下列說法正確的是( )

圖2

B.追蹤航天器在圓軌道運行時,速度為

C.追蹤航天器在圓軌道運行過程處于超重狀態

D.霍曼變軌過程追蹤航天器與地心連線相等時間掃過的面積不一定相等

【答案】B

【押題目標分析】《2023年高考評價體系解讀》一書中提到“學科素養”承接核心價值的方向導向。近幾年的高考試卷通過設置應用性為主的試題,培養學生的物理科素養,例如2022年山東卷第 17題、2022年全國甲卷第25題、2022全國乙卷第18題等。

【創新點分析】本題以“神舟十四號”載人飛船自主變軌為載體,考查理解能力、知識遷移應用能力、模型建構能力和創新能力,考查物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任的學科素養。

【全能解析負責教師:孫德成 山東省威海市文登區教育教學研究中心】

3.2022年11月30日,“神舟十五號”載人飛船與“天和”核心艙完成對接,三位中國航天員進入空間站與“神舟十四號”航天員乘組首次在軌會師,對接過程的示意圖如圖所示。“天和”核心艙處于半徑為r3的圓軌道Ⅲ,“神舟十五號”飛船處于半徑為r1的圓軌道Ⅰ,運行周期為T1,通過變軌操作后,沿橢圓軌道Ⅱ運動到B處與“天和”核心艙對接。已知萬有引力常量為G。則下列說法正確的是( )

C.飛船沿軌道Ⅱ從A運動到對接點B過程中,速度不斷增大

D.飛船在軌道Ⅱ經過B點時受到地球的萬有引力大于在軌道Ⅲ經過B點時受到地球的萬有引力

【答案】B

圖3

【創新點分析】天體運動是高考中的高頻考點,從近年的高考趨向來看,其以一定的科技前沿的研究成果為背景,對天體運動的基礎知識進行考查。本題以“神州十五號”飛船與“天和”核心艙的空中對接為情境,綜合考查萬有引力、天體運動的相關知識,需要學生具備一定的分析、探究能力,體現了高考試題關注前言科技成果的特點,培養了考生的民族自豪感和自信心。

【知識歸納】衛星從低軌道進入高軌道,需要加速,滿足“高軌低速大周期,大機大勢小引力”。

【全能解析負責教師:賈金偉 河北省滄州市鹽山中學】

4.中國人喜歡掛燈籠。如圖4所示,某戶人家用三根細線a、b、c連接燈籠1和燈籠2,細線a一端固定在天花板上,細線c水平,一端固定在豎直墻壁上。三根細線a、b、c的彈力大小分別為FTa、FTb、FTc,則( )

圖4

A.FTc

C.FTb

【答案】A

圖5

圖6

圖7

圖8

【全能解析負責教師:魏遠峰 江西省靖安縣靖安中學】

5.如圖9所示,在某次飛行表演中,飛機在豎直平面內做勻速率飛行,則飛機在某段圓弧內( )

圖9

A.線速度不變 B.角速度不變

C.加速度不變 D.向心力不變

【答案】B

【解析】飛機做勻速圓周運動,線速度大小、向心加速度大小和向心力大小都不變,但它們的方向都在不斷變化,故ACD錯誤;飛機做勻速圓周運動,角速度大小不變,故B正確。

【創新點分析】本題以飛機飛行表演為背景,考查圓周運動涉及的角速度、線速度、向心加速度等基本參數,檢測考生的必備知識、學科素養解決物理問題的能力。

【知識拓展】常見圓周運動模型參數間的關系

同軸傳動皮帶傳動齒輪傳動裝置A、B兩點在同軸的一個圓盤上兩個輪子用皮帶連接,A、B兩點分別是兩個輪子邊緣上的點兩個齒輪嚙合,A、B兩點分別是兩個齒輪邊緣上的點特點角速度、周期相同線速度大小相同線速度大小相同規律線速度與半徑成正比:vAvB=rR角速度與半徑成反比:ωAωB=rR,周期與半徑成正比:TATB=Rr角速度與半徑成反比:ωAωB=r2r1,周期與半徑成正比:TATB=r1r2

【全能解析負責教師:吳賓 山東省威海市第三中學】

6.在斜面ABCD上放有一質量為m的物塊,它與斜面間的動摩擦因數為μ,斜面傾角為θ,開始物塊靜止在斜面上,設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,重力加速度為g,下列說法正確的是( )

圖10

A.若加一平行BC且沿斜面向上的外力F,物體仍保持靜止的條件是F≤mgsinθ+μmgcosθ

B.若加一個與AB平行的外力F,物體仍保持靜止的條件是F

C.作用在物塊上的外力越大,斜面對物塊的支持力就越大

D.斜面對物體的作用力小于mg

【答案】A

圖11

圖12

【創新點分析】本題設計的目的是考查學生的空間建模能力,學生構建情景的能力需要進一步提升,從不同視角去觀察問題,并能與所學過的知識聯系起來,這是物理學科素養的深刻要求,需要學生具備一定的理解和轉換的能力。

【知識拓展】求解平衡問題的三種解法:

方法規律與特點效果分解法當物體只受三個力時,有時可以根據力的作用效果把研究對象所受的某一力沿另外兩個力的反方向分解,將三力變四力構成兩對平衡力正交分解法把力沿兩個相互垂直的坐標軸(x軸和y軸)進行分解,再在這兩個坐標軸上求合力,但在選取坐標軸時應注意:可以不考慮力的實際作用效果,少分解力,盡量不要分解未知力,此方法常用于物體受多個(三個以上)作用力的平衡問題合成法根據力的平行四邊形定則將兩個力進行合成,三力變二力,組成一對平衡力,物體受幾個共點力平衡時,其中任一力都與其他力的合力等大反向

【全能解析負責教師:王艷紅 遼寧省實驗中學東戴河分校】

圖13

(1)小球從B到A的運動時間;

(2)v0為多大。

解：(1)小球M運動的最高點恰為O點正上方的A點,在最高點只有水平速度,逆過程的運動為從A點到B點的平拋運動,設A點速度為vA,A點到B點的運動時間為t3,根據平拋運動規律有

rsin37°=vAt

解得vA=4 m/s

t3=0.3 s

由動量守恒定律有mv0=4mvC+mvN

【創新點分析】本題牽涉多物體、多過程問題,小球N和小球M碰撞過程的分析,突出分析討論能力,分析討論是新課程標準要求特別加強的能力;小球M斜拋運動的分析,應用了逆向思維,突出科學思維的學科素養。

【關鍵點撥】碰撞能否發生的三原則。

原則一:動量守恒的原則。碰撞時間極短,內力遠大于外力,動量守恒。

原則三:物理情景可行性原則。從碰撞的情景可分為追趕碰撞和相向碰撞,碰撞前后的v,P,Ek都有各自的規律,其情況比較復雜,一定要根據具體情況認真分析其過程確定物理情景是否可行。

【全能解析負責教師:石有山 山西省介休市第一中學】