三、物理学与现代科技
科学技术是第一生产力，20世纪以来，科学技术的发展与进步对人类的生活和生产劳动产生了巨大影响，特别是第二次世界大战之后，像原子核能的开发与利用、半导体技术与计算机技术的发展、人造卫星的发展、光纤通讯技术、超导的研究等高新科学技术的发展，大大推动了社会的发展，不断地改变着人们传统的生活、生活方式和观念。
高新科技，虽然“高且新”，然而同样是依赖于我们熟悉的基础知识，命题往往以我国及世界上重大科技成果为素材，一般具有“起点高，落点低”的特点，这需要老师们平时注意对学生心理素质的培养，提醒学生在处理这类问题时应做到“不要紧张，仔细分析，逐步解决。”
[例1]1992年7月，航天飞机“阿特兰蒂斯号”进行了一项卫星悬绳发电实验。航天飞机在赤道上空飞行，速度约6.5km/s，方向由西向东，地磁场在该处的磁感强度为0.40×10-4T，从航天飞机上向着地球发了一颗卫星，携带一根长为20km的金属悬绳离开航天飞机，航天飞机和卫星间的悬绳指向地心，预计这根金属悬绳所产生的感应电动势为________；航天飞机的电势________（填“高于”、“等于”或“低于”）卫星的电势；通过电离层可形成回路，电流强度约为3A，悬绳电阻为800Ω，则航天飞机可获得电功率________kw（实验因机械故障未能全部放出悬绳，但放出的部分悬绳证明原理完全正确）。
[答案]5.2×103V，高于，8.4
[例2]来自质子源的质子（初速度为零），经一加速电压为U=800kV的直线加速器，形成电流强度为I=1mA的细柱形质子流。已知质子电荷e=1.60×10-19C，这束质子流每秒打到靶上的质子数为________，假定分布在质子源到靶之间的加速电场是均匀的，在质子束中与质子源相l和4l的两处，各取一段极短的相等长度的质子流，其中的质子数分别为n1和n2，则n1/n2=________。
[答案]6.25×1015
，2
[评注]本题是与高科技有关的一道好题，它考查了电流强度、动能定理等知识，其关键是如何建立物理模型。
[例3]静止在太空中的飞行器上有一种装置，它利用电场加速带电粒子，形成向外发射的粒子流，从而对飞行器产生反冲力，使其获得加速。已知飞行器的质量为M，发射的是2价氧离子，发射功率为P，加速电压为U，每个氧离子的质量为m，单位电荷的电量为e，不计发射氧离子后飞行器质量的变化，求：
（1）射出的氧离子速度；（2）每秒钟射出的氧离子数；（3）射出氧离子后飞行器开始运动的加速度。
[答案]（1）
[评注]本题考查了动能定理、功率、动量守恒定律、加速度等基本知识，引导学生分析高科技成果中物理学的基本原理。
[例4]超导是当今高科技的热点，当一块磁体靠近超导体，超导体会产生强大的电流，对磁体有排斥作用，这种排斥力可使磁体悬浮空中，磁悬浮列车采用了这种技术。
（1）
超导体产生强大的电流，是由于
A、超导体中磁通量很大
B、超导体中磁通量变化率很大
C、超导体电阻极小 D、超导体电阻变大
（2）磁悬浮的原理是
A、超导体电流的磁场方向与磁体相同
B、超导体电流的磁场方向与磁体相反
C、超导体使磁体处于失重状态
D、超导体产生磁力与磁体重力平衡
[答案]（1）C
（2）B、D
[例5]目前世界上正在研究的一种新型发电机叫做磁流体发电机，它可以把气体的内能直接转化为电能，如图表示出了它的发电原理：将一束等离子体
（1）说明金属板上为什么会聚集电荷。
（2）该磁场为匀强磁场，方向如图，磁感强度为B，等离子体喷射入磁场的速度为V，方向与磁场方向垂直，极板间距离为d，试求极板间最大电压Um。
[答案]
（1）略
（2）Bvd
（3）①I=Bdvs/(sR+rd)
E=BvsR/(sr+rd)
②Emax=Bv
[评注]磁流体发电机尚处在研制阶段，许多细节问题有待解决，但其基本原理其实与带电粒子在电、磁场中的运动密切相关，求解过程中还发现涉及课本中介绍的速度选择器的原理。此题和现代科技紧密相联，考查学生的综合应用能力。考查的内容、知识点较多，如二力平衡、电场力、洛仑兹力公式、匀强电场的场强公式、闭合电路的欧姆定律、闭合电路的路端电压等。
[例6]1988年10月16日，我国北京正负电子对撞机首次对撞成功，若正负电子对撞后消失而转化成一对光子，写出这一过程的反应方程式。若正负电子的能量全部转化为光子的能量，且这对光子频率相同，则光子的频率为多少？（设电子质量为m，对撞的每个电子动能为EK）.
[答案]（1）略 （2）(Ek+mc2)/h
[例7]空间站是人们认识宇宙、探测宇宙的航天器。下面是一个关于空间站的问题。
一个空间站位于地球上空好几千米的轨道上，它是一个圆环形的，绕着通过在O点垂直于纸平面的轴自转，这样它便可以提供人造“重力”，如图是一个半圆形的半个空间站，其中正方形的房间ABCD是可以住人，E点为房间的中心。
（1）房间ABCD的地板（即人站立的地方）在哪里？
（2）当空间站稳定地转动时，若在E处释放一个物体（对空间站房间中的人来说）会出现什么情况？
（3）若它的半径OE长40m，且E处的转速刚能提供和地球表面的实际加速度g效果相同的人造“重力”的话，那么当它绕O轴转动时，E点的切向速度是多大？
（4）如果空间站不自转，空间站中的人能否测出一个物体的质量？用什么工具与什么方法？
（5）宇航员要从地球进入空间站，可以由航天飞机来完成这一任务，航天飞机在发射的过程中，会产生相当大的加速度，最大加速度可以达到8g（g为地球表面的重力加速度），高重力加速度在人的身体中会产生不良作用，甚至可能会产生危险，譬如，从人的身体某些部位抽吸血液，引起身体的其他部位充血，如果大脑抽掉了血，便会失去视觉和知觉。类似实验表明，当人的身体和加速度方向垂直的，人可以经受15g的加速度达几分钟之久，而当人的身体顺着加速度方向时，最多只能经受6g的加速度，据此判断：当航天飞机在起飞与重新返回大气层时，宇航员的身体与航天飞机的飞行方向应该是什么关系？
[答案]（1）AD，
（2）垂直落向AD
（3）VE
=20m/s （4）略
（5）身体方向应与发射方向垂直
[例8]一空间探测器从某一星体表面垂直升空，假设探测器质量恒为1500kg，发动机推动力为恒力，探测器升空中发动机突然关闭，如图表示其速度随时间的变化情况。
（1）升空后9s、25s、45s，即在图线上A、B、C三点探测器运动情况如何？
（2）
（3）计算该行星表面的重力加速度。
（4）假设行星表面没有空气，计算发动机的推进力。
（5）事实上尽管发动机推动力不变，但由于燃料的消耗，探测器质量是变化的，在原坐标纸上再画一根图线（草图），说明在此情况下速度是如何随时间变化的，在草图上标出与前面A、B、C三点相应的点的位置。
[答案]（1）略
（2）800m
（3）4m/s2
（4）16666.7N
（5）略
(1)如图所示的是“弹弓效应”示意图：质量为m的空间探测器以相对于太阳的速度V0飞向质量为M的行星，此时行星相对于太阳的速度为u0，绕过行星后探测器相对于太阳的速度为V，此时行星相对于太阳的速度为u，由于m«M，V0，V，u0，u的方向均可视为相互平行，试写出探测器与行星构成的系统在上述过程中“动量守恒”及“始末状态总动能相等”的方程，并在m«M的条件下，用V0和u0来表示V。
(2)若上述行星是质量为M=5.67×1026kg的土星，其相对于太阳的轨道速率u0=9.6km/s，而空间探测器的质量m=150kg，相对于太阳迎向土星的速率V0=10.4km/s，则由于“弹弓效应”，该探测器绕过土星后相对于太阳的速率将增为多大？
(3)若探测器飞向行星时其速度V0与行星的速度u0同方向，则是否仍能产生使探测器速率增大的“弹弓效应”，简要说明理由。
[答案]（1）V=V0＋2u0
（2）V=29.6km/s
（3）不能
[例10]一个连同装备总质量为M=100kg的宇航员，在距飞船S=45m处与飞船处于相对静止状态，宇航员背着装有质量为m0=0.5kg氧气的贮气筒，筒内有个可以使氧气以V=50m/s的速度喷出的喷嘴，宇航员必须向着返回飞船的相反方向放出氧气，才能回到飞船，同时又必须保留一部分氧气供途中呼吸用，宇航员的耗氧率为Q=2.5×10-4kg/s，不考虑喷出氧气对设备及宇航员总质量的影响，则：
（1）瞬时喷出多少质量的氧气，宇航员才能安全返回飞船？
（2）为了使总耗氧量最低，应一次喷出多少质量的氧气？返回时间又是多少？
[答案]（1）0.05kg≤m≤0.45kg
（2）0.15kg，600s
[例11]已知某密封的宇航舱中，温度t1=20℃，气体压强P1=2.02×105Pa，舱容积为V1=104L，某宇航员在舱内工作一段时间后，他放出的热量使宇航舱内的温度由t1时的20℃上升到t2时的24℃，问在此过程中，宇航员大约消耗多少升O2（标准状态下）？
[答案]774升
[例12]
阅读下列信息，并结合该信息解题。
开普勒从1909年至1919年发表了著名的开普勒行星三定律：
第二定律：太阳和行星的联线在相等的时间内扫过相等的面积。
第三定律：所有的行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等。
实践证明，开普勒三定律也适用于人造地球卫星。
如果人造地球卫星沿半径为r的圆形轨道绕地球运动，当开动制动发动机后，卫星速度降低并转移到与地球相切的椭圆轨迹，如图所示，问在这之后，卫星经过多长时间着陆？空气阻力不计，地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，圆形轨道作为椭圆轨道的一特殊形式。
[答案]
p[(r+R)/2]3/2/Rg1/2
[例13]
1984年我国首次发射实验通讯卫星成功，定点于东经125度（赤道上空），若在杭州（30°10'
N，120°E），用卫星接收天线（凹面天线，俗称“大锅”）接收该卫星发出的信号，估算该天线对准的方向与水平方向所夹的角度。（可用反三角函数表示，地球半径为R=6400km，地球质量M=5.98×1024kg，G=6.67×10－11N·m2/kg2）
[答案]arctg1.4
[例14]1999年11月20日，我国成功发射载人航天飞机“神舟号”，绕地球飞行14圈后安全返回地面，这一科技成就预示我国航天技术取得最新突破，特别是小动量空间火箭技术的进展，标志我国掌握了反TMD技术。据报道，载人飞船质量在10t左右（设其质量为10t），绕地球一周的时间约90min，若规定飞船在离地心无穷远处的引力势能为零，则飞船在距地心r处的引力势能为－GMm/r，式中G为万有引力常量，数值为6.67×10－11N·m2/kg2,
M为地球的质量，数值为6×1024kg，设飞船绕地球作匀速圆周运动。由以上提供的信息，请完成以下分析。
(1)若飞船航行轨道处气体压强为10－9atm，温度约为－100℃，则每立方厘米空间中有多少气体分子？
(2)“神舟”号离地面的高度为多少千米？
(3)“神舟”号绕地球飞行的速率多大？
(4)若“神舟”号在飞行过程中，向相反方向以其速率的1/10（相对于地面）发射一支质量为10kg的小火箭，其飞行高度将变化多少？
(5)根据你学过的知识分析小动量空间火箭还有几种方法可改变飞船的飞行轨道。
(6)载人舱在将要着陆之前，由于空气阻力作用，有一段匀速下落过程，若空气阻力与速度平方成正比，比例系数为k，载人舱的质量为m，则此匀速下滑过程中载人舱的速度是多大？
[答案]（1）4×1010个
（2）264km
（3）7.75×103m/s
（4）10km
（5）2种
（6）
[例15]在彩色电视机的显像管中，从电子枪射出的电子在2万伏的高压下被加速，并且形成1mA的平均电流，电子束的强弱受图象信号控制，并按一定的规律在荧光屏扫描，形成电视画面，电视机以每秒钟显现25张画面的速率进行扫描，由于画面更换迅速和视觉暂留，我们便看到了活动的景象。
（1）电子以多大的动能轰击荧光屏？
（2）平均每幅画面有多少个电子打在屏上？
（3）如果轰击的能量全部被屏吸收并转化为光能，平均每幅画面射出多少光子？（以绿光ν=5.5×1014Hz为平均频率进行计算。）
（4）解释下面现象：有时在电视屏幕的画面上看到行进的小汽车，但其轮子却是静止不转的，甚至倒转，这是为什么？
（5）
[答案]（1）3.2×10－15
J
（2）2.5×1014个
（3）2.2×1018个
（4）略
（5）略
[例16]卢瑟福的α粒子散射实验，建立起了原子的核式模型，原子的核式模型，又叫做原子的行星模型，这是因为两者之间有极大的相似之处，带电粒子间遵循库仑定律，而星体之间遵循万有引力定律，两定律有相同的表达形式。
以无穷远处电势为零点，点电荷的电势为U=kQ/r，可推出氢原子基态动能为－13.6eV。
（1）地球的第一宇宙速度为________km/s。
（2）令距地球无穷远处为重力势能的零点，计算：质量为1吨的卫星，绕地表飞行，其总机械能为多大？再补充多少能量可使它脱离地球的引力？
（3）假若地球的自转角速度可以增大，为使大量的地表水不致因角速度太大而被甩出，地球自转周期不得小于多少？（设水只受万有引力，地球平均密度ρ=5.5×103kg/m3,
地球平均半径R=6.4×103km，G=6.67×10－11N·m2/kg2）
[答案]（1）7.9
（2）3.1×1010J
（3）5×103s
[评注]本题考查学生利用信息迁移来解决实际问题的能力。
[例17]放射性同位素614C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来断定古生物体死亡至今的年代。此项研究成果获得1960年诺贝尔化学奖。
（1）宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就会形成614C，写出它的核反应方程式。
（2）614C很不稳定，容易发生衰变，其半衰期为5730年，写出它发生衰变的方程。
（3）614C的生成和衰变通常是平衡的，即空气中生物活体的614C含量是不变的。当机体死亡后，机体内的614C含量将会不断减少。若测得一具古生物遗骸中614C含量只有活体中的12.5％，则这具遗骸死亡至今应有多少年？
[答案]（1）714N＋01n
→
614C＋11H
（2）614C
→
714N＋-10e
（3）17190年
[评注]本题是物理知识与考古学的紧密结合。解答本题的难点在于两方面，其一是能正确理解生物体活着时因新陈代谢不断进行，14C含量不变，生物体死亡后，14C要按一定的半衰期衰变，而含量减少；其二是要会运用根据半衰期的概念得出的计算半衰期的公式r＝r0/2n，求出半衰期。测定含量的方法，通常用放射计数器记录每分钟射出电子的个数，两种样品的这个数量之比往往就是14C的含量比。