融入前沿科学研究背景组织物理科研性问题专题复习，本文主要内容关键词为：科学研究论文,性问题论文,科研论文,物理论文,背景论文，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。
以前沿科学研究为背景编制试题是近几年物理高考命题的一个方向。例如，2000年全国高考物理试题中出现了原子核物理中“双电荷交换反应”为背景的问题，2001年全国高考理科综合试题（江浙卷）中出现以研究“太阳主序星演化阶段”为背景的问题。以前沿科学研究为背景的科研性问题的特点是：以新信息的形式介绍最近科学研究中出现的新现象、新事实，问题中隐性地渗透了高中物理中一些重要的知识和研究问题的方法，显性地提供了有关的新知识以及物理学的一些研究方法和思维方法，要求学生运用高中物理知识和有关方法以及问题中提供的新知识、新方法来分析解答问题。在组织以前沿科学研究为背景的科研性问题专题时，通过融入一些前沿科学研究背景材料，能培养学生追逐前沿科学的科研意识和科学精神，同时培养学生知识和方法的迁移应用能力及对新信息的分析处理能力，教师应注意“高起点”和“低落点”。本文通过结合具体教学实例，就如何融入前沿科学研究背景材料来组织实施科研性问题专题复习淡谈笔者的几点具体做法。
一、以研究物质结构为背景
研究物质的结构是前沿科学研究的一个分支。在高考物理复习中，教师可以选择一些以研究物质结构为背景的前沿科学材料组织科研性问题专题复习，这些材料应与中学物理关系密切且能考查学生处理新信息的能力及运用科学方法解答问题的能力。笔者认为这些材料可以包括：（1）正负顶夸克模型；（2）电子偶素模型；（3）原子核俘获u[-]介子形成u原子模型；（4）反物质（粒子）。以上述材料为背景的问题中渗透了向心力、牛顿运动定律、电场力、能量等知识，问题所属模型为圆周运动模型、双体运动模型、玻尔原子模型。解答这些问题常运用类比方法。
例1 1995年，美国费米国家实验室CDF实验组和DO实验组在质子反质子对撞机TEVATRON的实验中，观察到了顶夸克，测得它的静止质量为m[，t]=1.75×10[11]eV/c[2]=3.1×10[-25]kg，寿命τ=0.4×10[-24]s，这是近十几年来粒子物理研究最重要的实验进展之一。已知两个相距为r的点电荷Q[，1]、Q[，2]之间的电势能为E=KQ[，1]Q[，2]/r。正反顶夸克之间的强相互作用势能可写为V（r）=-k4a[，s]/3r，式中r是正反顶夸克之间的距离，a[，s]=0.12是强相互作用耦合常数，k是与单位制有关的常数，在国际单位制中k=0.319×10[-25]J.m。为估算正反顶夸克能否构成一个处在束缚状态的系统，可把束缚状态设想为正反顶夸克在彼此的吸引力作用下绕它们的中点做匀速圆周运动。如能构成束缚状态，试用玻尔理论确定系统处于基态时正反顶夸克之间的距离r[，0]。已知处于束缚状态的正反顶夸克粒子满足量子化条件：2mv（r[，0]/2）=nh/2π，n二1，2，3，…，试求正反顶夸克系统从第一激发态跃迁到基态发出光子的波长。
简析 这个问题以顶夸克这一前沿科学研究为背景，创设了一个科学方法运用的研究情境，要求学生运用类比方法解答这个问题。其一是把顶夸克模型与氢原子模型进行类比，把玻尔理论迁移应用到顶夸克模型中，从而培养学生迁移应用创新能力；其二是通过与点电荷模型间的电场力、电势能关系的数学模型的类比，由正反顶夸克模型间的强相互作用势能V（r）=-k4a[，s]/3r可推得正反顶夸克模型间的相互作用力为F（r）=k4a[，s]/3r[2]，再运用圆周运动和牛顿运动定律结合量子化条件求出结果，从而培养学生的运用类比推理解答新问题的能力。
二、以天体和宇宙研究为背景
对天体和宇宙的探索是当今科学研究的一个热点，在高考物理复习中教师可以选择以天体和宇宙研究为问题背景，组织科研性问题专题复习。天体和宇宙研究背景主要包括：宇宙形成、宇宙爆炸、宇宙膨胀、中子星等。以天体和宇宙为背景的问题中渗透了万有引力定律、圆周运动、牛顿运动定律、质能方程等知识，问题所属的物理模型为圆周运动模型，主要训练学生在复杂问题背景下检索、筛选有用信息的能力和构建物理模型的能力。
例2 科学家发现太空中γ射线一般都是从很远的星体放射出来的，当γ射线爆发时，在数秒钟所产生的能量相当于太阳在过去100年所发出的能量总和的1000倍左右，大致上等于太阳全部静质量所对应的能量的总和。科学家利用超级计算机对γ射线爆发的状态进行模拟，经过模拟发现γ射线起源于一个垂死的星球的“坍塌”过程，只有星球“坍塌”时，才可以发出这么巨大的能量。已知太阳照射到地球上大约需要8min时间，由此来估算：宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量为多大？（已知G=6.67×10[-11]N.m[2].kg[-2]，结果保留两位有效数字）
简析 这个问题以宇宙爆炸为背景，“起点高”，但“落点低”，即只要求学生把地球绕太阳运动近似地抽象为匀速圆周运动，运用GM[，太]m/r[2]=mω[2]r、r=ct、ω=2π/T，得出太阳质量M[，太]=4π[2]c[3]t[3]/GT[2]，再结合质能方程E=M[，太]c[2]解答γ射线一次爆发所放出能量为E=1.6×10[43]J。
例3 [2001年全国高考理科综合试题（江浙卷）第31题]（略）
简析 试题以“太阳演化进程”为问题背景，问题中显性地提供了有关恒星演化知识及研究太阳演化的方法，隐性地渗透了高中物理中万有引力、牛顿定律、质能方程等知识及圆周运动模型、太阳辐射球面模型，要求学生通过阅读理解、检索、筛选问题中提供的新信息，运用高中物理知识以及抽象物理模型来综合解答问题，它能考查学生对新信息的分析处理能力、构建物理模型能力和综合能力。
三、以黑洞现象研究为背景
“黑洞”现象是20世纪一大研究热点，以“黑洞”现象为背景的科研性问题的特点是：以研究天体对光的引力作用为背景，渗透了高中物理万有引力、圆周运动、牛顿运动定律等知识，提供万有引力势能、黑洞模型信息，要求运用第二宇宙速度模型解答问题。
例4 1997年8月26日在日本举行的国际天文学大会上，德国Max Planck学会的一个研究组宣布了他们的研究成果：银河系的中心可能存在一个大黑洞，他们的根据是用口径为35m的天文望远镜对猎户座中心附近的星体进行近5年的观察所得到的数据。他们发现，距离银河系中心约6×10[10]km的星体正以2×10[3]km/s的速度围绕银河系中心旋转。根据上面数据，试在经典力学的范围内（见提示），通过计算确认，如果银河系中心确实存在黑洞的话，其最大半径为多大？（万有引力常量为G=6.67×10[-11]m[3].kg[-1].s[-2]）。提示：（1）黑洞是一种密度极大的天体，其表面的引力是如此之强，以至于包括光在内的所有物质都逃脱不了其引力作用；（2）计算中可以运用经典模型，在这种模型中，在黑洞表面上的所有物质，即使是初速度等于光速c也逃脱不了其引力作用；（3）两质点之间的万有引力势能为E[，p]=-Gm[，1]m[，2]/r。
简析 这个问题是以前沿科学研究热点——黑洞作为问题背景，问题中提供了三个信息，第一个是关于黑洞的背景材料，第二个是关于处理黑洞问题的经典方法，第三个是求解黑洞半径所用的引力势能公式。解答这个问题需运用高中物理力学部分重要知识（万有引力定律，圆周运动，牛顿第二定律，机械能守恒定律）求出黑洞的质量，另外，在计算黑洞最大半径时，需构建物体逃离黑洞的物理模型，与第二宇宙速度模型类比得出黑洞的最大半径及R[，m]。通过解答这个问题，使学生明确了科学家研究黑洞的方法（观察实验、提出模型假设以及理论分析）及过程，培养学生的科研意识。
四、以引力红移研究为背景
引力红移也是20世纪科学研究的热点，以引力红移为背景的科研性问题的特点是：以研究光子频率与高度关系为问题背景，渗透能量守恒及光量子能量公式、质能方程等知识，要求学生结合光子模型揭示光子在引力场中运动时频率随高度变化的规律。
例5 频率为v[，0]的光子由地球表面竖直向上运动，当它上升
H=22.5m高度时，由于地球的引力作用，它的波长会变长一些，我们称这种现象为引力红移。试分析下列问题：（1）光子能量的表达式是什么？（2）爱因斯坦的质能联系方程是什么？（3）由以上两式，试写出光子质量m的表达式。（4）用能量守恒的观点求光子上升H=22.5m时，该光子频率的红移量v跟原有频率v[，0]的比值。
简析 这是一个以引力红移为背景的科研性问题，问题中以新信息的形式给出了引力红移的含义，要求学生运用光量子理论ε=hv和近代物理质能方程ε=mc[2]，求出运动光子的质量m=hv/c[2]，再运用光子和地球组成系统的能量（光子能量和重力势能之和）守恒求出光子在地球表面上升过程中频率的红移量v跟原有频率v[，0]的比值。通过解答这个问题，学生把所学的光量子知识与引力红移前沿科学研究联系起来，培养了学生追逐前沿科学的意识。
五、以黑体辐射为背景
以黑体辐射为背景的科研性问题的特点：以研究物体表面温度为背景，渗透热平衡知识，提供黑体辐射功率信息，要求构建黑体吸收能量和辐射能量物理模型以及太阳辐射能量球面模型，综合运用热平衡、黑体辐射公式等知识解答问题。
例6 [2000年上海高考物理试题第24题]（试题略）
简析 本题中提供了全新的新信息：（1）新情境——以太阳电磁辐射和估测火星表面温度为背景；（2）新知识——黑体辐射定量公式P[，0]=σT[4]和黑体模型；（3）新方法——模型方法、等效方法及动态平衡思想。问题中提供的新信息量较大，要求学生通过阅读问题提供的信息，进行检索、筛选、转换，抽象出太阳辐射时能量分布球面模型，火星吸收太阳辐射时圆盘模型、火星辐射能量时球面模型，正确运用黑体模型、辐射公式、火星吸收及辐射动态平衡规律估测出火星表面的温度，培养学生处理新信息的能力。
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