高考物理新题型

高考物理新题型近年来，各地的高考物理试题中出现了不少物理STS试题，也涌现了一批新题型．本讲座将就物理STS暨高考物理新题型做一简要介绍．物理STS纵览近年各地的高考物理试题，浓重的STS气息扑面而来，出现了不少联系生活、生产实际的试题．这类试题选材灵活，立意新颖，要求考生对试题所展示的实际情景进行分析、判断，弄清楚物理情景，抽象出物理模型，然后运用相应的物理知识解答．1．物理学与现代生活在物理学习中，广泛地联系社会生活实际，将大大地扩充自己的知识面，开拓自己的眼界，从而感到物理学就在身边，是一门活生生的学问．【例1】（2003年全国理科综合卷）曾经流行过一种向自行车车头灯供电的小型交流发电机，图1为其结构示意图．图中N、S是一对固定的磁极，abcd为固定在转轴上的矩形线框，转轴过bc边中点、与ab边平行，它的一端有一半径r0＝1.0cm的摩擦小轮，小轮与自行车车轮的边缘相接触，如图2所示．当车轮转动时，因摩擦而带动小轮转动，从而使线框在磁极间转动．设线框由N＝800匝导线圈组成，每匝线圈的面积S＝20cm2，磁极间的磁场可视作匀强磁场，磁感强度B＝0.010T，自行车车轮的半径R1＝35cm，小齿轮的半径R2＝4.0cm，大齿轮的半径R3＝10.0cm（见图2）．现从静止开始使大齿轮加速转动，问大齿轮的角速度为多大才能使发电机输出电压的有效值U＝3.2V？（假定摩擦小轮与自行车轮之间无相对滑动）[答案]ω＝3.2 rad/s【例2】电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成．起加热作用的是安装在锅底的一系列半径不同的同心导电环（导电环的分布如图所示）．导电环所用材料每米的电阻为π125.0Ω，从中心向外第n 个同心圆环的半径为1)12(r n r n -=（n ＝1，2，3，…，），已知0.11=r cm ．当电磁炉开启后，能产生垂直于锅底方向的变化磁场，该磁场的磁感应强度B 随时间的变化率为t ωπsin 2100，求：（1）半径为r 1的导电圆环中感应电流的最大值是多少?（2）假设导电圆环产生的热全部以波长为6100.1-⨯m 的红外线光子辐射出来，那么半径为r 1的导电圆环上每分钟辐射出的光于数是多少?（3）若不计其他损失，所有（共7个）导电圆环释放的总功率P 是多大?（以上计算中可取102=π，34106.6-⨯=h J ·s ）[答案] A ，20102.1⨯，3109.1⨯W【例3】家用微波炉是一种利用微波的电磁能加热食物的新灶具，主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成，如图为磁控管的示意图，一群电子在垂直于管的某截面内做匀速圆周运动，在管内有平行于管轴线方向的匀强磁场，磁感应强度为B ，在运动中这群电子时而接近电极1，时而接近电极2，从而使电极附近的电场强度发生周期性变化，由于这一群电子散布的范围很小，可以看作集中在一点，共有N 个电子，每个电子的电量为e ，质量为m ，设这群电子圆形轨道的直径为D ，电子群离电极1端点P 的最短距离为r ．（1）这群电子做圆周运动的速率、频率各是多少?（2）在电极1的端点P 处，电场强度变化的频率是多少?（3）在电极1的端点P 处，运动的电子群产生的电场强度最大值、最小值各是多少? [答案] （1）m eBD v 2=，m eB f π2= （2）m eB f π2= （3）2max rkNe E =，2min )(D r kNe E += 【例4】如图所示是家用电冰箱的压缩启动装置的电路，其中，运行绕组是电冰箱在工作时的电动机定子，由于它是两向的，启动时必须依靠启动绕组的帮助才能产生旋转磁场。

在启动绕组的分路中串联有一个PTC 元件，这是一种以钛酸钡为主要材料的热敏电阻器。

电流流过PTC 元件，元件发热，它的电阻率随温度先减小后增大发生显著变化，当电动机转起来正常工作以后，PTC 元件温度较高，启动绕组电流很小，以下判断正确的是A ．电冰箱的电动机启动时比正常工作时耗电少B ．电冰箱的电动机正常工作时比启动时耗电少C ．电冰箱启动后，启动绕组功率不变，运行绕组功率是变化的D ．电冰箱启动后，启动绕组功率是变化的，运行绕组功率不变[答案]BD【例5】家庭电路的线路均有一定的电阻，所以当家中大功率的家电（如空调、电热器等）启动时，其余电灯都会突然变暗，通过下面的实验可以估测线路的电阻。

如图所示，r 表示线路上的总电阻，L 为一个功率为P 1的普通灯泡，为交流电压表，R 是一个功率为P 2的大功率电热器（P 2P 1）。

实验时断开K ，测得电压为U 1，合上K 测得电压为U 2，如何估算线路上的电阻？写出估算的计算式。

【答案】r ＝(U 1－U 2)U 2/P 2【例6】自然界中的物体由于具有一定的温度，会不断向外辐射电磁波，这种辐射团与温度有关，称为热辐射。

处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其他物体辐射的电磁能量，如果它处于平衡状态，则能量保持不变。

若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能100％地吸收射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。

单位时间内从黑体表面的单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比。

即P 0＝σT 4，其中常数σ＝5.67×10－8（W ·m －2·K －4）。

如果把白炽灯简单看作黑体，计算每小时从灯丝表面辐射的总能量为多少？（设白炽灯灯丝温度可以达到2500℃，灯丝长度为1m ，直径0.03mm ）【答案】 1138kJ【例7】 照明电路中，为了安全，一般在电能表后面电路上按接一个漏电保护器，如图所示，当漏电保护器的ef 两端未有电压时，脱扣开关K 能始终保持接通。

当ef 两端一有电压时，脱扣开关K 立即会断开，下列说法正确的是A ．当用户家的电流超过一定值时，脱扣开关会自动断开，即有过流保护作用B ．当相线和零线间电压太高时，脱扣开关会自动断开，即有过压保护作用C ．站在地面上的人触及b 线时（单线触电），脱扣开关会自动断开，即有触电保护作用D ．当站在绝缘物上的带电工作的人两手分别触到b 线和d 线时（双线触电），脱扣开关会自动断开，即有触电保护作用【答案】C【例8】在电视节目中，我们常能看到一种精彩的水上运动──滑水板运动，如图所示，运动员在快艇的水平牵引力下，脚踏倾斜滑板在水上滑行，设滑板是光滑的，滑板的滑水面积为S ，滑板与水平方向的夹角为θ（滑板前端抬起的角度），水的密度为ρ。

理论研究表明：水对滑板的作用力大小N =ρSv 2sin 2θ，式中的v 为快艇的牵引速度。

（1） 若人的质量为m ，求快艇的水平牵引速度v 。

（2） 在上述条件下，快艇对运动员的牵引功率为多大？[答案] (1)θρθcos sin 1s mg v = (2)θρθcos cos s mg mg【例9】一个同学身高h 1=1.8m ，质量m =65kg ，站立举手摸高（指手所摸到的最大高度）h 2=2.2m.（1）该同学用力蹬地，经过时间t 1=0.45s ，竖直离地跳起，摸高为h 3=2.6m ，假定他蹬地的力F 1为恒力，求F 1的大小。

（2）另一次该同学从所跳h 4=1.0m 的高处自由下落，脚接触地面后经过时间t 2=0.25s ，身体速度降为零，紧接着他用力F 2蹬地跳起，摸高为h 5=2.7m ，假定前后两个阶段中该同学与地面的作用力分别都是恒力，求同学蹬地的作用力F 2（取g =10m/s 2）[答案] (1) F 1=1060N (2)F 2=1230N【例10】 蹦床运动是一种新兴的体育项目，运动员在下落弹起的过程中可做出各种高难的体操动作，显示人的健康美。

若某位运动员从3.2m 处下落，被弹起升到4.05m ，其历时2.2s ，运动员质量为60kg ，试分析：（1） 运动员和蹦床面之间的平均作用力是多大？（2） 忽略空气阻力及蹦床阻力时，运动员在与蹦床接触过程中做了多少功？（3） 运动员在全过程中共经历了几个运动过程，他有何感觉？[答案] （1）2640N （2）510J（3）经历5个过程，分别是感觉到完全失重、部分失重、超重、部分失重、完全失重的感觉。

【例11】如图所示，上图是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度。

下图中p 1、、p 2是测速仪发出的超声波信号，n 1、n 2是p 1、p 2由汽车反射回来的信号。

测速仪匀速扫描，p 1、p 2之间的时间间隔Δt ＝1.0 s ，超声波在空气中传播的速度是 v ＝340m/s ，若汽车是匀速行驶的，则根据下图可知，汽车在接收到p 1、p 2两个信号之间的时间内前进的距离是________m ，汽车的速度是 m/s 。

[答案] 17，17.9【例12】质量为M 的火车，以恒定的速度在水平面内沿一段半径为r 的圆弧轨道转弯，如图所示。

已知路面的倾角为α。

（1）速度v 0为多大时，车轮对铁轨的侧压力正好为零？（2）如果火车的实际速度v 时车轮将施于铁轨一个与枕木平行的侧压力P ，证明其大小为2240220g r v v v Mg P +-=。

（3）当v ＞v 0时，施加侧压力的是内轨还是外轨？【例13】阅读下列材料并提出和解决问题。

材料：据《科技日报》报道：英国伦敦大学科学家最新的测算表明，被称为地核的地球最内层的温度可达到5500℃，这一结果大大高出早先的一些估计。

地球内部是一种层状结构，由表及里划分为地壳、地幔和地核。

主要由铁元素组成的地核，又细分为液态外核和固态内核，其中外核距地球表面约为2900km ，地核距地表如此之深，直接测量其温度几乎不可能。

为此科学家们提出，如果能估算出地核主要成分铁元素的熔点，特别是固态内核和液态外核交界处铁的熔融温度。

那么就可以间接测出地核温度的高低。

地核中的铁元素处于极高压环境中，其熔点比其位于地表时的1800℃要高出许多。

伦敦大学的研究人员在研究中采用了新的方法，估算在巨大压力下铁熔点的变化情况。

研究人员最终估算认为，地核的实际温度可能在5500℃左右。

1．至少提出两个与本文有关的物理知识或方法的问题。

（不必回答问题，提问要简单明了，每一问不超过15个字）2．若地核的体积约为整个地球体积的a ％，地核的质量约为地球质量的b ％，已知地球半径R E ，地面重力加速度g ，万有引力常星为G ，试估算地核的平均密度为3．地球赤道上物体的重力加速度为g ，物体在赤道上随地球自转的向心加速度为a ，要使赤道上的物体“漂”起来，则地球的转速应为原来的A ．ag 倍 B ．a a g +倍 C ．a a g -倍 D ．a g 倍 4．由于万有引力作用，星球表面存在一个速率下限v c ＝R GM 2为脱离速度，其中M 为该星球的质量，R 为该星球的半径，G 为万有引力常量。