物理考试与科技

一、内容概述

物理学是一门历史悠久的自然学科，不仅对物质文明的进步和人类对自然界认识的深化起到重要的推动作用，而且对人类的思维发展也产生了不可或缺的影响.物理学作为自然科学的重要分支，已渗透到工农业生产、医疗卫生、国防建设、能源开发、环境保护、前沿科技及人类生活的各个领域.

（1）物理学与工农业生产科技

物理学是工业、农业的基础科学，反过来工业、农业的发展又能促进物理学理论的发展和创新.物理学研究力、热、光、电、磁等，而工业离不开电、热，电又离不开磁，热又能靠光来转化等.同学们熟悉的小汽车，光学知识的应用就有很多：驾驶室外面的观后镜是一个凸面镜，可以观察较大范围内车辆行驶情况；汽车头灯里的反射镜是一个凹面镜，能有效地将灯光向前反射，照亮路面和远方；汽车头灯装有横竖条纹的玻璃灯罩，既能照亮路面又不影响对面司机看清道路；小轿车装上茶色玻璃后，行人很难看清车内情况；除大型客车外，绝大多数汽车的前挡风玻璃都是倾斜安装的.

物理学研究农业应用技术，测量并根据要求改变农作物生长的外部条件.随着新技术的推广应用，物理学将主导农业的发展，利用具有生物效应的电、热、声、光、磁、核等物理因子控制动植物的生长环境，促使传统农业逐步摆脱对化肥、农药、抗生素等化学药品的依赖以及自然环境的束缚，最终获取优质、高产、无毒副作用农产品的新型农业.

（2）物理学与医疗卫生科技

物理学在医学上的应用，极大地促进了医学的发展.同学们熟悉的显微镜、摄谱仪、X光机、CT、同位素和核磁共振仪等都是物理测量技术在医学上的应用.

（3）物理学与国防科技

大家知道，声波是机械纵波，可以在固体、液体和气体中传播，人耳能听到的声音频率范围是20～0000Hz.与可闻声波相比，次声波在介质中传播时，能量衰减缓慢，隐蔽性能好，不易被敌方察觉，军事上常用次声波来侦察敌情.另外，次声武器还可直接消灭敌方的有生力量，它利用和人体器官固有频率相近的次声波与人体器官发生共振，导致器官变形、移位、破裂，达到杀伤敌人的目的.次声武器的优点在于：

①突袭性能好.次声波在空气中的传播速度约为300m／s，在水中传播速度约为1500m／s，除传播速度快外，次声波是人听不到、看不见的，具有良好的隐蔽性.

②作用距离远.声波的频率越低，传播时介质对它的吸收就越小，传播距离也越远.

③穿透能力强.由于传播介质对低频率的声波吸收较小，故次声波具有很强的穿透能力.

④环境污染小.次声波在杀伤敌人的同时，不会造成环境污染，不破坏对方的武器装备，可作为战利品使用.

（4）物理学与前沿科技

当今科学研究的主要问题是：能源、信息、材料、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等，这些前沿科技与现代物理学的发展密切相关.以基因工程、细胞工程为标志的生物技术将成为21世纪技术的核心；以光电子技术、人工智能为标志的信息技术将成为21世纪技术的前导；以超导材料、人工定向设计材料为标志的新材料技术将成为21世纪技术的基础；以聚变核能、太阳能为标志的新能源技术将成为21世纪技术的支柱；以航天飞机、永久太空站为标志的空间技术将成为21世纪技术的外向延伸；以深海采掘、海水利用为标志的海洋技术将成为21世纪技术的内向拓展.所有这些学科门类的发展与创新都离不开物理学的支撑.

①物理学与材料科学.现代高科技中的新材料主要分为超导材料、纳米材料、硅材料、无机稀有非金属材料和网络硬件材料等.在材料科学技术的发展中，物理学起着至关重要的作用，材料研究的一个重要方面是从物理角度出发，研究材料的物理性质，说明材料的结构和性能的关系.如X光技术、电子探针、核磁共振、电子显微镜、粒子加速器、激光的研究与超导的应用等.

②物理学与信息科学.21世纪信息科学技术将人类社会带入信息时代，物理学在信息科学技术的发展中起着决定性的作用.电磁学的诞生、电磁理论的建立，引起了电报、电话、广播、电视等信息传播手段的出现，计算机的出现更促进了信息处理技术的进步，可以说信息技术的每一次重大更新都与物理学密切相关.

③物理学与生命科学.物理学是生命科学的基础.物理新技术给生命科学提供有力的观测研究工具，显微镜的发明和应用对生命科学的影响便是一例，血压计和体温计的发明也是用物理原理解释生命规律的必然结果.生命科学中蕴藏着丰富的物理知识，人体的每个系统里都有可用物理解释的现象，生命运动中渗透着许许多多的物理原理.

④物理学与环境科学.人类目前面临的环境问题涉及到多个不同的学科，与物理学科关系紧密的环境问题主要有大气污染、噪声污染、电磁污染、放射性污染、光污染和太空垃圾等.物理学技术的发展，使人类进一步认识自然，掌握自然规律，合理开发利用资源，控制污染，治理环境.

⑤物理学与空间技术.物理学与人类探索宇宙、奔向太空紧密相关.人造卫星的上天、载人航天器的发射、人类成功登月，把人类的航天活动不断推向新的高潮.

科学技术在社会发展的各个领域发挥着重大作用，科学技术离不开物理学的基础.纵观近几年的中考物理试题，相继出现了较多贴近前沿科技的新题型.这类试题一般以人类正在进行或准备进行的探索、科学上的重大发明或发现、新材料的发现及其应用等为命题材料，重点考查同学们收集信息、分析信息和处理信息、解决实际问题的能力.解答这类问题，需要明确材料中主要告诉我们什么，结合物理知识需要我们提炼出知识要点，再把题中需要解答的问题与物理知识进行有机结合，最后解决问题.

二、典型试题

1.科技新发现

例1　法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔由于发现巨磁电阻（GMR）效应，共同荣获2007年诺贝尔物理学奖.小明同学设计如图1所示电路，来研究巨磁电阻大小与有无磁场的关系.请分析回答：

（1）断开S1，闭合S2，移动滑动变阻器R2的滑片，测得两电表的四组数据如下表所示，由此可知，无磁场时GMR的电阻大小为　　　　Ω；

同时闭合S1和S2，保持R1滑片位置不变，移动滑动变阻器的R2滑片，测得两电表的四组数据如下表所示，可计算出有磁场时GMR的电阻大小；

（2）通过上述实验，得出的结论是

；

（3）利用小明同学设计的电路并保持原有器材不变，你还可以进一步研究与巨磁电阻大小有关的问题是　　　　.

解析　巨磁电阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时与无外磁场作用时相比发生巨大变化的现象.当断开S1闭合S2时，移动滑动变阻器R2的滑片，根据两电表的示数可求得GMR的电阻，当同时闭合S1和S2时，GMR即处在左边通电螺线管磁场中，根据两电表的示数可再一次求得GMR的电阻，两次电阻相比不难发现：有磁场时GMR的阻值与无磁场时的阻值发生明显变化.

说明　早在1988年，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象，两位科学家因此共同获得2007年度诺贝尔物理学奖.巨磁电阻自从被发现就被用于开发研制体积小而灵敏的硬磁盘的数据，目前，巨磁电阻技术已成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术.题目以诺贝尔物理学奖为命题素材，让同学们认识到神圣的自然科学最高奖与我们现实生活并不遥远，这类题目拉近了科学与物理的距离，能激发同学们学习物理的兴趣.本题同时重点考查了欧姆定律的应用和电流周围存在磁场等知识，利用公式Ｒ＝■可求得：无磁场时GMR电阻是500Ω，有磁场时GMR电阻是1500Ω.利用上述器材还可以探究巨磁电阻与磁场强弱变化是否有关等.

答案　（1）500Ω　（2）有磁场时巨磁电阻的阻值明显变大　（3）研究巨磁电阻与磁场强弱的关系（或研究巨磁电阻与磁场方向的关系）

2.城市新灯源

例2　阅读短文，回答问题.

夜幕下，扬州“第一大道”文昌路边LED灯将道路照得犹如白昼，这种LED灯是通过光电转换来供电的.图2是扬州某小区利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的原理示意图.其中，R是光敏电阻，此光敏电阻的阻值R、流过线圈电流I与光照度E（单位勒克斯，符号lx）之间的几次实验数据如下表所示.

当线圈A中的电流I≥30.0mA时，动触点D与静触点G、H接触.

（1）由表格中数据可知，光敏电阻的阻值R随光照度E的增强而　　　　.

（2）白天，太阳能电池板将　　　　能转化为　　　　能，这种能量通过再次转化储存在大容量蓄电池内.傍晚，当光照度小于　　　lx（勒克斯）时，路灯开始工作.

（3）用笔画线将电路原理图连接完整，使工作电路能正常工作.（与触点的接线只能接在静触点上，图中已给出静触点E、F、G、H的四根引线；连线不能交叉）

（4）一只功率为6W的LED灯，通电后其发光亮度相当于30W的日光灯.某教室有24盏30W的日光灯，每天平均使用2h，如果用6WLED灯照明，一个月（按30天计算）可节约电能　　　　kW·h.

（5）据有关部门发布消息，5年内全市小区将全面覆盖LED路灯.但目前有部分市民反映LED路灯亮度不够，请你提出一条能提高亮度的合理化建议：

.

解析　本题是一道综合分析计算题，考查了电磁继电器的自动控制作用、光敏电阻的特性、蓄电池的充电与放电、电功的计算及能量的转化等知识，同时又考查同学们的实际操作能力.要求同学们有较好的阅读理解能力和动手能力，通过仔细读题和对题中的图、表数据的分析，考查同学们阅读审题获取信息、分析判断推理的能力和计算能力.

说明　本题意在告诉考生，政府在节能环保方面采取的新举措.题目以LED光源为素材，告诉同学们科学技术对我们的生活产生很大影响，在节能环保、开发绿色能源方面，已经取得巨大进展.设计的几个问题循序渐进，环环相扣，第三问设计有明显的区分度，第五问设计比较新颖、开放，该题能够很好地考查同学们的能力，考查同学们的物理素养.由于同学们实际动手能力的局限，对解题会有较大的影响.

答案　（1）减小　（2）光（太阳）　电　15　（3）（下图）

（4）W=Pt=（30-6）×10-3kW×2h×24×30=34.56kW·h.

（5）多布一些路灯、使用功率更大的LED灯等.（建议合理均可以）

3.发明新创造

例3　小明利用磁敏电阻为他的自行车设计了一个速度计，磁铁固定在自行车的辐条上，磁敏电阻固定在自行车的后车架上，安装示意图如图4甲，工作电路如图4乙，已知电源电压为6V恒定不变.当磁铁与磁敏电阻R1靠得最近时阻值为200Ω，磁铁与磁敏电阻R1离得最远时阻值为400Ω，靠近或远离时的实际电阻在这二者之间变化；当R0两端电压不低于4.5V时电子计数器就能有效计数，低于4.5V就不能产生计数，车轮每转动一圈就计数一次.为保证电子计数器有效工作，电阻R0最小阻值为　　　　Ω.某次行驶中，小明发现5min恰好完整计数了300次，车轮的周长为3m，则这段时间内自行车行驶的平均速度为　　　　km／h.

解析　本题借助半导体材料特性，实现自动计数，考查同学们串联电路特点、欧姆定律应用以及路程和速度的计算等知识，当磁敏电阻R1为200Ω时，电子计数器R0阻值最小，根据串联分压原理可求得电子计数器最小电阻，再根据车轮周长和转过圈数可求得车的行驶速度.当然，根据题设条件还可以求得计数器的最大电阻.

说明　题目以考生生活中最普遍的代步工具——自行车为素材，添加自动计数装置后，就能实现自动测速和测量距离，考察的物理知识并不复杂，但有利于激发同学们的发明意识，有利于激发同学们学习科学的热情，拉近科学与生活的距离，对同学们情感、态度和价值观的培养有一定的积极作用.

答案　（1）R0=■R1

答案　=■×200Ω=600Ω；

（2）v=■=■=3m／s=10.8km／h.

4.科技新成就

例4　阅读短文，回答问题.

无砟（zhǎ）轨道的高速列车

无砟轨道（图5甲）的路基不用碎石，铁轨和轨枕直接铺在混凝土上，这可以减少维护、降低粉尘等.沪宁城际高速铁路建成投入运营，标志着我省进入了高速铁路时代.高速列车在无砟轨道上运行时如子弹头般穿梭而过，时速可达350km／h（图5乙）.传统铁路的钢轨是固定在枕木上，之下为小碎石铺成的路砟（图5丙）.

（1）列车设计为子弹头型，目的是：

.

（2）列车匀速行驶过程中，列车的动力

阻力（选填“＞”“＜”或“=”）.快到站点时，列车鸣笛声是通过　　　　传入人耳的.

（3）传统的铁路轨道路砟和枕木的作用是　　　　.

①增大受力面，防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里

②可以减少噪声和列车振动

③可以减少维护，降低粉尘

④可以吸热、增加透水性

A.①②③　　　B.①②④

C.①③④　　　D.②③④

（4）沪宁高铁路线全长是297km，列车从上海到南京需用时54min，列车行驶的平均速度是　　　　km／h.

（5）乘客在站台边候车时，为什么要站在离轨道一定距离的地方才能确保人身安全？

答：　　　　.

解析　本题是一道综合分析题，考查知识面广，涉及力、热、声多个层面知识，但又侧重于考查力学知识，要求同学们有较好的阅读、分析、理解和基本的计算能力，第三问设计有一定难度，考生要通过阅读审题获取信息，因此具有明显的区分度.

说明　本题以高速列车轨道技术为背景，向考生介绍传统轨道路基和新型无砟轨道特点，新型无砟轨道技术大大提高列车运行速度，便捷的交通，缩短了时空距离，给人们的出行带来方便.本题在考查同学们物理基本知识的同时又让他们真实感受到科学技术给人们的生活带来的巨大便利，不仅考查同学们理解应用物理知识能力，更注重渗透爱国主义思想教育，激发同学们学习科学技术的热情.

答案　（1）减小阻力　（2）=　空气　（3）B　（4）330　（5）高速列车驶过时，列车附近的空气流速变大，压强变小，人外侧的大气压会把人推向火车

5.减排新举措

例5　风能够发电，风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等.风力发电时，风轮机叶片受到风力的推动而转动，从而带动发电机发电.某地的一台风力发电机，其风轮正面迎风，当风速为8m／s时，每秒钟流向叶片旋转面积的空气质量是7200kg，该地的空气密度是1.2kg／m3，已知空气动能与空气质量成正比，且1kg空气在不同速度（v）时的动能（E）如表所示.

（1）当风速为8m／s时，每秒钟通过叶片旋转面积的空气体积是多少立方米？若煤的热值为3.2×107J／kg，这样的一台风力发电机1h内获得的风能与完全燃烧多少千克的煤所产生的内能相当？

（2）当风速为10m／s时，1s钟流向叶片旋转面积的空气质量是多少千克？若这种情况下，风力发电机能对外提供5.4×104J的电能，那么这台风力发电机的风能转化为电能的效率是多少？

（3）理想的空气发电厂应建在海拔4600m到10000m的高空，原因是什么？

解析　本题是一道综合应用题，要求考生要有很强的分析理解能力、综合运用知识能力和良好的计算能力.每秒流过风叶圆面的空气质量与流速成正比，空气动能与空气质量和流速有关，本题涉及密度、动能、热量、效率等公式的应用，且计算过程比较复杂，有明显的区分度.

说明　所谓“节能减排”就是节约能源，减少污染物的排放.开发新能源，提倡使用绿色能源，关系经济社会可持续发展，关系人民群众的切身利益，本题中风车发电不仅减少了污染物排放，而且节约化石能源，是一举两得的好事.相信随着科技的发展进步，人类将会开发更多绿色环保能源.

答案　（1）V=■=■=6×103m3，

1h内空气动能

E1=32×7200×3600J=8.2944×108J，

相当于燃煤质量

m0=■=■=25.92kg.

（2）风速为10m／s时，1s流向旋转面空气质量m2=■=■=9000kg，

此时空气动能E2=50J×9000=4.5×105J.

风电转换效率

η=■×100%=■×100%=12%.

（3）在海拔4600m至10000m高空，风力大而稳定.（答案合理即可）

从上面几例可以看出，贴近前沿科技的中考试题都有鲜明的特点：

1.材料新颖.试题注重创设物理情景，该情景往往是同学们尚未接触过且不熟悉的知识和方法，这样能真正考查同学们生能力.

2.表现形式多样.借助文字、图片、表格等多种形式提供信息，考查同学们多方面获取信息的能力.

3.起点高，落点低.粗看反映的内容高不可测，与同学们距离遥远，但设计的问题同学们用所具有的知识完全可以解决.

4.注重情感、态度、价值观的培养.通过试题不仅考查同学们理解和应用物理知识的能力，更注重同学们学习兴趣、学习态度的培养；注重渗透爱国教育、为国争光的意识；注重渗透环保、节能、社会责任感意识等.

5.回答并不复杂.试题虽然涉及新的东西，但是用我们已有的知识就可以解决.要学会对所学知识或方法的迁移，透过现象看本质，筛选提取有价值的信息，概括出其中所蕴含的物理问题或规律.若试题主要是文字，考生要通过阅读，抓住关键的文字分析，从中准确把握与物理知识有关的信息.若试题中有图片，应结合所学知识，运用简炼的语言对图片中的物理现象进行说明或分析.若有表格，要能从表格中读取对解答问题有用的信息，一般解决方法就是带着问题对表格所提供的数据进行综合分析.

针对性练习

1.2011年3月14日，日本福岛第一核电站因冷却系统故障，导致严重的核泄漏事故，引起了全世界的关注.

（1）核电站是利用原子核发生

（选填“裂变”或“聚变”）释放能量来发电的.

（2）下面是核能发电中能量转化的过程，请将其补充完整.

（3）“福岛核泄漏”事件引发了广泛争议，请你对发展核电简述自己的观点：

.

2.阅读短文，回答问题.

超声波及其应用

人能够听到声音的频率范围从20Hz到20000Hz.低于20Hz的声波叫次声波，高于20000Hz的声波叫超声波.

超声波具有许多奇异特性：空化效应——超声波能在水中产生气泡，气泡爆破时释放出高能量，产生强冲击力的微小水柱，它不断冲击物件的表面，使物件表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到净化物件表面的目的.传播特性——它的波长短，在均匀介质中能够定向直线传播，根据这一特性可以进行超声探伤、测厚、测距、医学诊断等.

（1）超声波的频率范围是　　　　.

（2）超声波能够清洗物件是因为　　　.

（3）宇航员在月球上不能利用超声波测定两山之间的距离，是由于　　　　.

（4）若声音在海水中的传播速度为1.5km／s，利用回声定位原理从海面竖直向海底发射超声波，到接收回声所用时间为4s，那么该处海洋的深度为　　　　m.

3.石墨烯又称单层墨，它仅由一层碳原子组成，具有许多奇特的属性，包括极强的拉力，优良的导电性和导热性，硬度很大，熔点超过3000℃等，这种高新材料有可能代替硅成为新的半导体材料.发现石墨烯的两位俄裔科学家因此获2010年诺贝尔物理学奖.根据石墨烯的特性，你认为石墨烯不能用来制成（　）.

A.高压输电线

B.坚韧的防弹衣

C.发光二极管

D.保温隔热材料

4.我国自主开发的“隐形飞机”歼20，主要改进了形状与材料方面的技术，能有效避开雷达的探测.下列关于歼20隐身的原因解释，正确的是（　）.

A.由于歼20飞行太快，电磁波追不上

B.由于歼20是超音速飞机，声波追不上

C.通过改用新材料，减弱对电磁波的吸收能力

D.通过改变飞机形状，减少对雷达探测设备方向反射的电磁波

5.酒精测试仪可检测驾驶员是否酒后驾车，如图8所示是它的原理图，酒精气体传感器的电阻随酒精气体浓度增大而减小.如果测试到的酒精气体浓度越大，那么（　）.

A.传感器的电阻越大

B.通过传感器的电流越小

C.电压表的示数越大

D.传感器两端的电压越大

6.阅读短文，回答问题.

巨磁电阻效应

1988年阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔发现，在铁、铬相间的三层复合膜电阻中，微弱的磁场可以导致电阻大小的急剧变化，这种现象被命名为“巨磁电阻效应”.更多的实验发现，并非任意两种不同种金属相间的三层膜都具有“巨磁电阻效应”，组成三层膜的两种金属中，有一种是铁、钴、镍这三种容易被磁化的金属中的一种，另一种是不易被磁化的其他金属，才有可能产生“巨磁电阻效应”.

进一步研究表明，“巨磁电阻效应”只能发生在膜层的厚度为特定值时.用R0表示未加磁场时的电阻，R表示加入磁场后的电阻，科学家测得铁、铬组成的复合膜R与R0之比与膜层厚度d（三层膜厚度均相同）的关系如图9乙所示.

1994年IBM公司根据“巨磁电阻效应”原理，研制出“新型读出磁头”，将磁场对复合膜阻值的影响转换成电流的变化来读取信息.

（1）以下两种金属组成的三层复合膜可能发生“巨磁电阻效应”的是（　）.

A.铜、银　　　　B.铁、铜

C.铜、铝　　　　D.铁、镍

（2）对铁、铬组成的复合膜，当膜层厚度是1.7nm时，这种复合膜电阻

（选填“具有”或“不具有”）“巨磁电阻效应”.

（3）“新型读出磁头”可将微弱的

信息转化为电信息.

（4）铁、铬组成的复合膜，发生“巨磁电阻效应”时其电阻R比未加磁场时的电阻R0　　　　（选填“大”或“小”）得多.

（5）丙图是硬盘某区域磁记录的分布情况，其中1表示有磁区域，0表示无磁区域.将“新型读出磁头”组成如图所示电路，当磁头从左向右匀速经过该区域过程中，电流表读数变化情况应是丁图中的（　）.

参考答案

1.（1）裂变　（2）内能　（3）说明：从开发新能源、节约化石能源以及存在的安全隐患、核废料处理等方面说明即可　2.（1）高于20000Hz　（2）能量　（3）真空不能传声　（4）3000　3.D　4.D　5.C　6.（1）B　（2）具有　（3）磁　（4）小　（5）B

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