与物理科技前沿相关的综合题例析，本文主要内容关键词为：物理论文,综合题论文,科技前沿论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
近几年来，高考试题中STS（科学·技术·社会）问题占有较大的比例，这是当前高考命题的一种趋势。这类试题不仅体现了学科与STS的广泛联系，而且更重要的是有利于培养学生的创新意识和实践能力，有利于引导学生关注科学的进步、新技术的应用和社会的发展，培养其科学素养，有利于提高学生分析问题、解决问题的能力。因此，在学习过程中，学生应加强这方面的训练，以提高自己的综合运用能力。
解决这类问题的基本步骤是：仔细阅读题目，理解题意，捕获有效信息，通过联想、类比等思维方法建立相应的物理模型，综合运用所学知识进行推理、计算，必要时，进行相关的讨论。
下面对一组与科技前沿问题有关的信息题进行解析，具体分析说明如下：
1.同步辐射光
【例1】 20世纪40年代，我国物理学家朱洪元先生提出，电子在匀强磁场中做匀速圆周运动时会发出“同步辐射光”，辐射光的频率是电子做匀速圆周运动的频率的k倍。大量实验证明朱洪元先生的上述理论是正确的，并准确测定了k的数值，近年来同步辐射光已被应用于大规模集成电路的光刻工艺中。若电子在某匀强磁场中做匀速圆周运动时产生的同步辐射光的频率为f，电子质量为m、电量为e。不计电子发出同步辐射光时所损失的能量及对其运动频率和轨道的影响。
（1）写出电子做匀速圆周运动的周期T与同步辐射光的频率f之间的关系式：__________。
（2）求此匀强磁场的磁感应强度B的大小。
（3）若电子做匀速圆周运动的半径为R，求电子运动的速率。
分析与解：（1）设电子做匀速圆周运动的频率为f[，1]，由题给信息可知，f=kf[，1]，则T=1/f[，1]=k/f，或f=k/T。
（2）设匀强磁场的磁感应强度为B，电子在匀强磁场中作匀速圆周运动的速度为v，半径为R。电子在匀强磁场中作匀速圆周运动所需的向心力由洛仑兹力来提供。则Bev=mv[2]/R
根据匀速圆周运动的规律有v=2πR/T
由（1）的结论有T=k/f
联立上述三式可解得B=2πmf/（ke）
（3）因为电子做匀速圆周运动的速率为v=2πR/T，且T=k/f，所以v=2πRf/k。
2.电子偶数
【例2】 1951年，物理学家发现了“电子偶数”，所谓“电子偶数”，就是由一个负电子和一个正电子绕它们的质量中心旋转形成的相对稳定的系统。已知正、负电子的质量均为m[，e]，普朗克常量为h，静电力常量为k。
（1）若正、负电子是由一个光子和核场相互作用产生的，且相互作用过程中核场不提供能量，则此光子的频率必须大于某个临界值，此临界值为多大？
（2）假设“电子偶数”中正、负电子绕它们质量中心做匀速圆周运动的轨道半径r、运动速度v及电子的质量满足玻尔的轨道量子化理论：2m[，e]vr=nh/（2π），n=1，2，…，“电子偶数”的能量为正负电子运动的动能和系统的电势能之和，已知两正负电子相距为L时系统的电势能为E=-ke[2]/L，试求n=1时“电子偶数”的能量；
（3）“电子偶数”由第一激发态跃迁到基态发出光子的波长为多大？
分析与解：（1）设光子频率的临界值为v[，0]，则有
（2）由于正、负电子质量相等，故两电子的轨道半径相等，设为r，则正负电子之间相距为2r，速率均为v，则有
3.中子星的电磁辐射
【例3】 当质量为m的质点距离一个质量为M、半径为R的质量均匀分布的致密天体中心的距离为r（r≥R）时，其引力势能为E[，P]=-GMm/r，其中G=6.67×10[-11]N·m[2]·kg[-2]为万有引力常量。设致密天体是中子星，其半径为R=10km，质量为M=1.5M[，0]，其中M[，0]=2.0×10[30]kg，为太阳的质量。
（1）1kg的物质从无限远处被吸引到中子星的表面时所释放的引力势能为多少？
（2）在氢核聚变反应中，若参加核反应的原料的质量为m，则反应中的质量亏损为0.0072m，问1kg的原料通过核聚变提供的能量与第一问中所释放的引力势能之比是多少？
（3）天文学家认为：脉冲星是旋转的中子星，中子星的电磁辐射是连续的，沿其磁轴方向最强，磁轴与中子星的自转轴方向有一夹角，如图所示，在地球上的接收器所接收到的一连串周期出现的脉冲是脉冲星的电磁辐射。试由上述看法估算地球上接收到的两个脉冲之间的时间间隔的下限。
分析与解：（1）根据能量守恒定律，质量为m的物质从无限远被吸引到中子星表面时所释放的引力势能ΔEp应等于对应始末位置的引力势能的改变，于是，
（2）在氢核聚变反应中，每千克质量的核反应原料提供的能量为：
（3）根据题意，可知接收到的两个脉冲之间的时间间隔即为中子星的自转周期，中子星做高速旋转时，位于赤道处质量为ΔM的中子星质元所需的向心力不能超过对应的万有引力，否则将因不能保持匀速圆周运动而使中子星破裂，因此有
4.超导材料的电阻率
【例4】 用直径为1mm的超导材料制成的导线做成一个半径为5cm的圆环。圆环处于超导状态，环内电流为100A。经过一年，经检测发现，圆环内电流的变化量小于10[-6]A。设半径为r的圆环中通以电流I后，圆环中心的磁感应强度为B=μ[，0]I/（2r），试估算该超导材料电阻率数量级的上限。
分析与解：根据题意，半径为r的圆环中通以电流I后，圆环中心的磁感应强度为B=μ[，0]I/（2r）。所以穿过圆环的磁通量可近似为
根据法拉第电磁感应定律可得，电流变化产生的感应电动势的大小为
从以上例题分析可以发现，求解与科技前沿知识相联系的实际问题的关键在于，突破新情景，运用联想、类比等思维方法建立与新情景相对应的物理模型，并在物理知识与物理模型之间架设桥梁，然后将所学的知识迁移并运用到新情景中去，从而求解。