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2009年各地高考题中有不少的STS试题.何谓STS试题?STS分别是科学(Science)、技术(Technology)、社会(Society)的简称,它探讨和揭示科学、技术和社会三者之间的关系,研究科学、技术对社会产生的正负效应,其目的是要改变科学和技术分离,科学、技术和社会脱节的状态,使科学、技术更好地为社会,为人类服务.
这正是新教材的目的,新教材就是要培养学生的创新精神,解决问题的能力.高考题紧扣新考纲,考查学生的这种能力.这将是今后高考命题的走向之一.
这类题的特点:题目长,材料复杂,背景大,但落脚点一定是课本内知识.解决此类题的一般方法:快速看清题目,但最后几句话要细看深思.对于出现的新名词、新概念不要追究,主要看题目想考查什么知识点,然后把复杂问题简单化,即抓主要因素,忽略次要因素.有一部分题目还需先建立模型,再求解.下面就以2009年高考题为例作些分析,供参考.
一、以日常生活为背景(关注技术)
【例1】 (2009年北京卷第24题)单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量(以下简称流量).由一种利用电磁原理测量非磁性导电液体(如自来水、啤酒等)流量的装置,称为电磁流量计.它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成.
传感器的结构如图所示,圆筒形测量管内壁绝缘,其上装有一对电极a和c,a、c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、c的连接方向以及通电线圈产生的磁场方向三者相互垂直.当导电液体流过测量管时,在电极a、c间出现感应电动势E,并通过与电极连接的仪表显示出液体流量Q.设磁场均匀恒定,磁感应强度为B.
(1)已知D=0.40m,B=2.5×10-3T,Q=0.12m3/s,设液体在测量管内各处流速相同,试求E的大小;(π取3.0)
(2)一新建供水站安装了电磁流量计,在向外供水时流量本应显示为正值,但实际显示却为负值.经检查,原因是误将测量管接反了,即液体由测量管出水口流入,从入水口流出.因为已加压充满管道.不便再将测量管拆下重装,请你提出使显示仪表的流量指示变为正直的简便方法;
(3)显示仪表相当于传感器的负载电阻,其阻值记为R.a、c间导电液体的电阻r随液体电阻率的变化而变化,从而会影响显示仪表的示数.试以E、R、r为参量,给出电极a、c间输出电压U的表达式,并说明怎样可以降低液体电阻率变化对显示仪表示数的影响.
解析:(1)导电液体通过测量管时,相当于导线做切割磁感线的运动,在电极a、c间切割感应线的液柱长度为D,设液体的流速为v,则产生的感应电动势为
E=BDv①
由流量的定义,有Q=Sv=πD24v②
式联立解得E=BD4QπD2=4BQπD;
代入数据得E=4×2.5×10-3×0.123×0.4V=1.0×10-3V.
(2)使仪表显示的流量变为正值的方法简便、合理即可,如:
改变通电线圈中电流的方向,使磁场B反向,或将传感器输出端对调接入显示仪表.
(3)传感器的显示仪表构成闭合电路,由闭合电路欧姆定律得:
I=ER+r
U=IR=RER+r=EI+(r/R)③
输入显示仪表的是a、c间的电压U,流量示数和U一一对应,E与液体电阻率无关,而r随电阻率的变化而变化,由③式可看出,r变化时,U也随之变化.在实际流量不变的情况下,仪表显示的流量示数会随a、c间的电压U的变化而变化,增大R,使R>r,则U≈E,这样就可以降低液体电阻率的变化对显示仪表流量示数的影响.
同类训练:
用一根长1m的轻质细绳将一副质量为1kg的画框对称悬挂在墙壁上,已知绳能承受的最大张力为10N,为使绳不断裂,画框上两个挂钉的间距最大为(g取10m/s2)().
A.32m B.22m
C.12m D.34m
答案:A
二、以最新科研成果为背景(关注科学)
【例2】 (2009年全国I卷第24题)材料的电阻率ρ随温度变化的规律为ρ=ρ0(1+αt),其中α称为电阻温度系数,ρ0是材料在t=0℃时的电阻率.在一定的温度范围内α是与温度无关的常数.金属的电阻一般随温度的增加而增加,具有正温度系数;而某些非金属如碳等则相反,具有负温数系数.利用具有正负温度系数的两种材料的互补特性,可制成阻值在一定温度范围内不随温度变化的电阻.已知:在0℃时,铜的电阻率为1.7×10-8Ω•m-1,碳的电阻率为3.5×10-5Ω•m-1附近,在0℃时,铜的电阻温度系数为3.9×10-3℃-1,碳的电阻温度系数为-5.0×10-4℃-1.将横截面积相同的碳棒与铜棒串接成长1.0m的导体,要求其电阻在0℃附近不随温度变化,求所需碳棒的长度(忽略碳棒和铜棒的尺寸随温度的变化).
解析:设碳棒的长度为x,则铜棒的电阻为R1=ρ1(1-x)S=ρ01(1+α1t)(1-x)S,碳棒的电阻R2=ρ2xS=ρ02(1+α2t)xS,要使得在0℃附近总电阻不随温度变化,则有R1+R2=定值,则有式中t的系数必须为零,即有x≈0.0038m.
【例3】 (2009天津卷第12题)2008年12月,天文学家们通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座A*”的质量与太阳质量的倍数关系.研究发现,有一星体S2绕人马座A*做椭圆运动,其轨道半长轴为9.50×102天文单位(地球公转轨道的半径为一个天文单位),人马座A*就处在该椭圆的一个焦点上.观测得到S2星的运行周期为15.2年.
(1)若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102天文单位的圆轨道,试估算人马座A*的质量MA是太阳质量MS的多少倍(结果保留一位有效数字);
(2)黑洞的第二宇宙速度极大,处于黑洞表面的粒子即使以光速运动,其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚.由于引力的作用,黑洞表面处质量为m的粒子具有势能为EP=-GMmR(设粒子在离黑洞无限远处的势能为零),式中M、R分别表示黑洞的质量和半径.
已知引力常量G=6.7×10-11N•m2/kg2,光速c=3.0×108m/s,太阳质量MS=2.0×1030kg,太阳半径RS=7.0×108m,不考虑相对论效应,利用上问结果,在经典力学范围内求人马座A*的半径RA与太阳半径Rg之比应小于多少(结果按四舍五入保留整数).
解析:本题考查天体运动的知识.其中第2小题为信息题,如“黑洞”“引力势能”等陌生的知识都在题目中给出,考查学生提取信息,处理信息的能力,体现了能力立意.
(1)S2星绕人马座A*做圆周运动的向心力由人马座A*对S2星的万有引力提供,设S2星的质量为mS2,角速度为ω,周期为T,则
GMAmS2r2=mS2ω2r①
ω=2πT②
设地球质量为mE,公转轨道半径为rE,周期为TE,则GMSmEr2E=mEω2rE③
综合上述三式得MAMS=(rrE)3(TET)2
式中TE=1年④
rE=1天文单位⑤
代入数据可得MAMS=4×106⑥
(2)引力对粒子作用不到的地方即为无限远,此时粒子的势能为零.“处于黑洞表面的粒子即使以光速运动,其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚”,说明了黑洞表面处以光速运动的粒子在远离黑洞的过程中克服引力做功,粒子在到达无限远之前,其动能便减小为零,此时势能仍为负值,则其能量总和小于零,则有
12mc2-GMmR<0⑦
依题意可知R=RA,M=MA
可得RA<2GMAc2⑧
代入数据得RA<1.2×1010m⑨
RARS<17⑩
同类训练:
英国《新科学家(NewScientist)》杂志评选出了2008年度世界8项科学之最,在XTEJ1650-500双星系统中发现的最小黑洞位列其中,若某黑洞的半径R约45km,质量M和半径R的关系满足MR=c22G(其中c为光速,G为引力常量),则该黑洞表面重力加速度的数量级为().
A.108m/s2____ B.1010m/s2
C.1012m/s2____ D.1014m/s2
答案:C
(责任编辑 易志毅)
这正是新教材的目的,新教材就是要培养学生的创新精神,解决问题的能力.高考题紧扣新考纲,考查学生的这种能力.这将是今后高考命题的走向之一.
这类题的特点:题目长,材料复杂,背景大,但落脚点一定是课本内知识.解决此类题的一般方法:快速看清题目,但最后几句话要细看深思.对于出现的新名词、新概念不要追究,主要看题目想考查什么知识点,然后把复杂问题简单化,即抓主要因素,忽略次要因素.有一部分题目还需先建立模型,再求解.下面就以2009年高考题为例作些分析,供参考.
一、以日常生活为背景(关注技术)
【例1】 (2009年北京卷第24题)单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量(以下简称流量).由一种利用电磁原理测量非磁性导电液体(如自来水、啤酒等)流量的装置,称为电磁流量计.它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成.
传感器的结构如图所示,圆筒形测量管内壁绝缘,其上装有一对电极a和c,a、c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、c的连接方向以及通电线圈产生的磁场方向三者相互垂直.当导电液体流过测量管时,在电极a、c间出现感应电动势E,并通过与电极连接的仪表显示出液体流量Q.设磁场均匀恒定,磁感应强度为B.
(1)已知D=0.40m,B=2.5×10-3T,Q=0.12m3/s,设液体在测量管内各处流速相同,试求E的大小;(π取3.0)
(2)一新建供水站安装了电磁流量计,在向外供水时流量本应显示为正值,但实际显示却为负值.经检查,原因是误将测量管接反了,即液体由测量管出水口流入,从入水口流出.因为已加压充满管道.不便再将测量管拆下重装,请你提出使显示仪表的流量指示变为正直的简便方法;
(3)显示仪表相当于传感器的负载电阻,其阻值记为R.a、c间导电液体的电阻r随液体电阻率的变化而变化,从而会影响显示仪表的示数.试以E、R、r为参量,给出电极a、c间输出电压U的表达式,并说明怎样可以降低液体电阻率变化对显示仪表示数的影响.
解析:(1)导电液体通过测量管时,相当于导线做切割磁感线的运动,在电极a、c间切割感应线的液柱长度为D,设液体的流速为v,则产生的感应电动势为
E=BDv①
由流量的定义,有Q=Sv=πD24v②
式联立解得E=BD4QπD2=4BQπD;
代入数据得E=4×2.5×10-3×0.123×0.4V=1.0×10-3V.
(2)使仪表显示的流量变为正值的方法简便、合理即可,如:
改变通电线圈中电流的方向,使磁场B反向,或将传感器输出端对调接入显示仪表.
(3)传感器的显示仪表构成闭合电路,由闭合电路欧姆定律得:
I=ER+r
U=IR=RER+r=EI+(r/R)③
输入显示仪表的是a、c间的电压U,流量示数和U一一对应,E与液体电阻率无关,而r随电阻率的变化而变化,由③式可看出,r变化时,U也随之变化.在实际流量不变的情况下,仪表显示的流量示数会随a、c间的电压U的变化而变化,增大R,使R>r,则U≈E,这样就可以降低液体电阻率的变化对显示仪表流量示数的影响.
同类训练:
用一根长1m的轻质细绳将一副质量为1kg的画框对称悬挂在墙壁上,已知绳能承受的最大张力为10N,为使绳不断裂,画框上两个挂钉的间距最大为(g取10m/s2)().
A.32m B.22m
C.12m D.34m
答案:A
二、以最新科研成果为背景(关注科学)
【例2】 (2009年全国I卷第24题)材料的电阻率ρ随温度变化的规律为ρ=ρ0(1+αt),其中α称为电阻温度系数,ρ0是材料在t=0℃时的电阻率.在一定的温度范围内α是与温度无关的常数.金属的电阻一般随温度的增加而增加,具有正温度系数;而某些非金属如碳等则相反,具有负温数系数.利用具有正负温度系数的两种材料的互补特性,可制成阻值在一定温度范围内不随温度变化的电阻.已知:在0℃时,铜的电阻率为1.7×10-8Ω•m-1,碳的电阻率为3.5×10-5Ω•m-1附近,在0℃时,铜的电阻温度系数为3.9×10-3℃-1,碳的电阻温度系数为-5.0×10-4℃-1.将横截面积相同的碳棒与铜棒串接成长1.0m的导体,要求其电阻在0℃附近不随温度变化,求所需碳棒的长度(忽略碳棒和铜棒的尺寸随温度的变化).
解析:设碳棒的长度为x,则铜棒的电阻为R1=ρ1(1-x)S=ρ01(1+α1t)(1-x)S,碳棒的电阻R2=ρ2xS=ρ02(1+α2t)xS,要使得在0℃附近总电阻不随温度变化,则有R1+R2=定值,则有式中t的系数必须为零,即有x≈0.0038m.
【例3】 (2009天津卷第12题)2008年12月,天文学家们通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座A*”的质量与太阳质量的倍数关系.研究发现,有一星体S2绕人马座A*做椭圆运动,其轨道半长轴为9.50×102天文单位(地球公转轨道的半径为一个天文单位),人马座A*就处在该椭圆的一个焦点上.观测得到S2星的运行周期为15.2年.
(1)若将S2星的运行轨道视为半径r=9.50×102天文单位的圆轨道,试估算人马座A*的质量MA是太阳质量MS的多少倍(结果保留一位有效数字);
(2)黑洞的第二宇宙速度极大,处于黑洞表面的粒子即使以光速运动,其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚.由于引力的作用,黑洞表面处质量为m的粒子具有势能为EP=-GMmR(设粒子在离黑洞无限远处的势能为零),式中M、R分别表示黑洞的质量和半径.
已知引力常量G=6.7×10-11N•m2/kg2,光速c=3.0×108m/s,太阳质量MS=2.0×1030kg,太阳半径RS=7.0×108m,不考虑相对论效应,利用上问结果,在经典力学范围内求人马座A*的半径RA与太阳半径Rg之比应小于多少(结果按四舍五入保留整数).
解析:本题考查天体运动的知识.其中第2小题为信息题,如“黑洞”“引力势能”等陌生的知识都在题目中给出,考查学生提取信息,处理信息的能力,体现了能力立意.
(1)S2星绕人马座A*做圆周运动的向心力由人马座A*对S2星的万有引力提供,设S2星的质量为mS2,角速度为ω,周期为T,则
GMAmS2r2=mS2ω2r①
ω=2πT②
设地球质量为mE,公转轨道半径为rE,周期为TE,则GMSmEr2E=mEω2rE③
综合上述三式得MAMS=(rrE)3(TET)2
式中TE=1年④
rE=1天文单位⑤
代入数据可得MAMS=4×106⑥
(2)引力对粒子作用不到的地方即为无限远,此时粒子的势能为零.“处于黑洞表面的粒子即使以光速运动,其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚”,说明了黑洞表面处以光速运动的粒子在远离黑洞的过程中克服引力做功,粒子在到达无限远之前,其动能便减小为零,此时势能仍为负值,则其能量总和小于零,则有
12mc2-GMmR<0⑦
依题意可知R=RA,M=MA
可得RA<2GMAc2⑧
代入数据得RA<1.2×1010m⑨
RARS<17⑩
同类训练:
英国《新科学家(NewScientist)》杂志评选出了2008年度世界8项科学之最,在XTEJ1650-500双星系统中发现的最小黑洞位列其中,若某黑洞的半径R约45km,质量M和半径R的关系满足MR=c22G(其中c为光速,G为引力常量),则该黑洞表面重力加速度的数量级为().
A.108m/s2____ B.1010m/s2
C.1012m/s2____ D.1014m/s2
答案:C
(责任编辑 易志毅)