1、聚焦科技前沿 培养理解能力近几年来，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但体现了学科与STS的广泛联系，而且更重要的是有利于培养学生的创新精神和实践能力，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，在教学过程中，教师应加强对这方面的训练，提高学生的综合运用能力。 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，综合运用所学的知识进行推理、计算，必要时，还要进行相关的讨论 下面对一组与科技前沿问题有关的信息题进行解
2、析，具体分析说明如下： 1同步辐射光 例l 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)试求此时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
3、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f1，由题给信息可知，f=kf1，则T=1f1，或f1=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=mv2R 根据匀速圆周运动的规律有v=2RT，由(1)的结论有 T=Kf联立上述三式可解得B=2mfke (3)因为电子做匀速圆周运动的速率为v=2RT，且T=k/f，所以v=2Rfk 点评 本题以同步辐射为背景立意命题，旨在考查学生阅读理解、获取信息的能力，只要认真阅读题目，理解题意，利用题给信息“辐射光的
4、频率是电子做匀速圆周运动的频率的k倍”，并结合洛仑兹力公式和圆周运动的知识就不难求解，这是一道典型的“起点高、落点低”的问题， 2，光压 例2 根据量子理论，光子具有动量，光子的动量等于光子的能量除以光速，即P=E/c，光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”，用I表示光压是光的粒子性的典型表现，光压的产生机理如同气体压强：由大量气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强 (1)激光器发出的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S当该激光束垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量， (2)若该激光束被物体表面
5、完全反射，证明其在物体表面引起的光压为I=2P/(cS) (3)设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然这只有当太阳光对物体的光压力超过了太阳对物体的引力才行现如果用一种密度为P=10103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系，试估算这种平板的厚度d应小于多少?设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内各行星对平板的影响，已知地球公转轨道上的太阳常量为J=1.4103Jm2s(即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量)，地球绕太阳公转的加速度为a=5.9103m/s2， 分析
6、与解 (1)设单位时间内激光器发出的光子数为n，每个光子的能量和动量分别为E和P，则激光器的功率为 P=nE. 所以，单位时间内到达物体表面的光子的总动量为 p 总=np=nE/c=P/c (2)激光束被物体表面完全反射时，其单位时间内的动量改变量为 p=2p 总=2P/c， 根据动量定理，激光束对物体表面的作用力为 Fm=2P/c， 因此，激光束在物体表面引起的光压为 I=2P/(cs) (3)设平板的质量、密度、厚度和面积分别为m、d和Sl，太阳常量为J，地球绕太阳公转的加速度为a.根据题给信息可知，在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量为J，由(2)的结论可知，所产生的光压为I=2
7、J/c，则对面积为Sl的平板产生的光压力IS1=2JSl/c太阳对地球的引力为ma 要利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，则必须满足以下条件：太阳光对平板的压力大于太阳对其的引力，即 2JSl/cna， 而平板的质量m=ds，所以 d2J/(ca)=2l.4103/(31081.01035.910-3)m=1.6106m 因此，平板的厚度应小于1.6106m， 点评 本题以光压为背景立意命题，以考查学生获取知识的能力、分析和推理的能力第(1)、(2)问只要仔细阅读题目，理解题意，从题给信息中获得光子的动量、光压的概念，并结合动量定理、压强的定义等知识就可求解第(3)问在于从题给信息中找
8、到，利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去所满足的条件(太阳光对平板的压力大于太阳对其的引力)，并结合(2)的结论就可求解 3夸克 例3 1995年，美国费米国家实验室CDF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ml=1.751011eV/c2=3.11025kg，寿命=041014s，这是近十几年来粒子物理研究最重要的实验进展之一 (1)在电磁相互作用中，相距为r的电量为Q1、Q2的两点电荷之间的电势能UQ可写为UQ=k 1Q1Q2/r，式中k1为静电力常量，而在强相互作用中，正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为U(r)=k24as
9、/3r，式中r是正、反顶夸克之间的距离，as=0.12是强相互作用耦合系数，k2是与单位制有关的常数，在国际单位制中k2=0.3191025jm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、反顶夸克在彼此之间的吸引力作用下绕它们连线的中点做匀速圆周运动如能构成束缚态，试用玻尔理论确定系统处于基态中正、反顶夸克之间的距离r0.已知处于束缚态的正、反顶夸克粒子满足量子化条件，即 2mv(r0/2)=nh/2， n=l，2，3，式中2mv(r0/2)为一个粒子的动量mv与其轨道半径(r0/2)的乘积，n为量子数，h=6.631034Js为普朗克常量 (2)试求正、反顶夸克在
10、上述设想的基态中做匀速圆周运动的周期T你认为正、反顶夸克的这种束缚态能存在吗? 分析与解 (1)由题给信息并结合库仑定律可知，相距为r的电量为Q1、Q2的两点电荷之间的库仑力FQ与电势能uQ公式为 FQ= k 1Q1Q2/r2， UQ=k 1Q1Q2/r (1)现在已知正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为 U(r)= k24as /3r，根据直接类比可知，正、反顶夸克之间的强相互作用力为 F(r)= k24as /3r2 (2) 设正反顶夸克绕它们连线的中点做匀速圆周运动的速度为v，因两者相距r0，两者所受的向心力均为F(r0)，两者的运动方程均为 mlv2/(r0/2)= k24as /3
11、r2 0， (3)由题给的量子化条件，粒子处于基态时，取量子数n=1，可得 2mlv(r0/2)=h/2； (4)由(3)、(4)可解得r0=3h2/(82m1ask2) (5)代人数据得：r0=1.41017m (2)由(3)、(4)式可得 v=(/h)(k4as/3) (6) 由v和r0可算出正、反顶夸克在上述设想的基态中做匀速圆周运动的周期T为 T=2(r0/2)/v=h3/22m1(k24as/3)2 (7) 代人数据得：T=I.81024s， 由此可知：T=0.22 点评 本题以物理学前沿问题中的正、反顶夸克为背景立意命题，情景新颖、别致文字叙述长，新概念、新公式多，学生感到陌生，有无从下手之感但只要仔细阅读题目，捕捉有效信息，利用联想、类比等思维方法就可以找到正、反顶夸克之间的强相互作用力的表达式，再结合题给信息(量子化条件)、匀速圆周运动及牛顿运动定律等知识就可以求解 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
