04.主情境试题常用素材归类赏析-《中学生数理化》高考理化2024年7-8月刊

主情境试题常用素材归类赏析 ■上海师范大学附属中学 王一妍 2023年上海物理合格考试卷采用的是 主情境·大综合模式,2024年上海物理等级 考试卷大概率也会改变以往由12道选择题, 5道填空题,3道综合题(包括1道实验题,2 道计算题)组成的命制模式,而改为采用6道 左右的主情境题目,每道题目都由若干选择、 填空、配对、判断、作图、计算、简答、论述等形 式组成的命制模式。那么,主情境试题中的 素材会源自哪些方面呢? 一、以社会生产为主情境 情境试题素材源自与工农医环保等密切 相关的生产设备与技术,强调物理对人们生 活的重要性,突出体现从物理走向社会并服 务于社会的特点。 例 1 氧气制备:富含氧气的空气是天 然的制氧原料。工业制氧先使空气降温液 化,再适当升温分馏出高纯度液氧。液氧在 航天、医疗等领域均有广泛应用。 (1)干燥纯净空气在制冷装置中多次循 环后,得到冷凝的液化空气。 图1 ①空气在制冷装置中 循环时会经历剧烈的膨胀 降温过程。降温前空气分 子热运动的速率分布曲线 Ⅰ如图1所示,降温后空气 分子热运动的速率分布曲 线Ⅱ可能为图2中的( )。 图2 ②达到冷凝温度前,一定质量的空气(可 视为理想气体)经某一过程,放出热量Q,外 界对空气做功 W,在这一过程中气体温度下 降,Q 与W 数值均为正值,则( )。 A.W+Q>0 B.W-Q>0 C.W+Q<0 D.W-Q<0 (2)当血氧饱和度过低时,需立即给病人 供氧。某容积为50 L的医用氧气袋,充满氧 气后内部气压约为1.1×105 Pa。若该氧气 袋输出的氧气压强保持在1.01×105 Pa,阀 门的出气流速恒为2.0 L·min-1,假设在此 过程中气体温度不变,则该袋氧气最多可供 氧 min。(保留2位有效数字) 解析:本题以氧气制备为主情境,考查了 分子热运动速率分布、热力学第一定律、气体 等温变化等知识。 (1)①一般而言,气体分子的热运动速率 各不相同,但大多数分子的速率都在某个数 值附近,偏离这个数值越远,分子数越少,故 分子速率分布曲线呈现“中间多,两头少”的 特征;温度升高,曲线的峰值会向速率大的方 向移动,速率的分布范围变大,峰值降低,整 个曲线将变得较为平坦,且对应不同温度的 曲线与横轴所围图形的面积相等。应选A。 ②温度降低,气体内能减少,根据热力学 第一定律可知,应选D。 (2)供氧过程是等温变化过程,根据玻意 耳定 律 得 V2= p1V1 p2 = 1.1×105×50 1.01×105 L= 54.5 L。因为流速v=2.0 L·min-1,所以 最多可供氧时间t= V2 v=27 min。 二、以日常生活为主情境 情境试题素材源自日常生活中的自然与 社会现象、体育健身、娱乐活动等,力求通过同 学们熟悉的生活情境,多角度地展现与物理知 识的广泛联系,突出体现物理的学以致用。 81 物理部分 高考命题新动向 高考理化 2024年7—8月 例 2 弹弓:弹弓是一种传统非遗技艺 项目的器械。如图3甲所示是一种“Y”形弹 弓,两根完全相同的皮筋一端和弹兜相连,另 一端分别固定在“Y”形支架的两个弓眼上, 弹兜和皮筋质量均可忽略不计。使用者先拉 伸皮筋,并保持弹丸静止,此时两皮筋长度相 同,如图3乙所示,然后释放弹丸,让其弹出。 图3 (1)用力F1 拉皮筋使弹丸处于静止状态 时,两侧皮筋间的夹角为θ。若仅增大弓眼 间距,再用力 F2 拉皮筋使弹丸处于静止状 态,此时两皮筋间的夹角仍为θ,则( )。 A.F1>F2 B.F1=F2 C.F1<F2 D.无法确定 (2)在t=0时刻,以初速度v0=60 m/s 竖直向上射出一质量m=10 g的弹丸,其上 升的最大高度h=40.8 m。弹丸在运动过程 中所受空气阻力大小f 与其速率v的关系满 足f=kv,其中k=0.01 N·s/m。 ①弹丸从射出到运动至最高点的过程 中,其v-t图像可能为图4中的( )。 图4 ②分析说明弹丸在整个上升过程中所受 空气阻力的冲量大小If=kh。 ③求弹丸从射出到运动至最高点所用的 时间t。(结果保留2位有效数字) 解析:本题以弹弓为主情境,考查了力的 合成、受力分析、牛顿第二定律、v-t图像、冲 量、动量定理等知识。 (1)仅增大弓眼间距,两皮筋间的夹角θ 保持不变,则皮筋变长,弹力变大,其合力变 大,应选C。 (2)①弹丸在上升过程中受向下的重力 和空气阻力作用做减速运动,速度减小,阻力 减小,加速度减小,根据v-t图像上某点的切 线斜率表示加速度可知,应选A。 ②将上升过程的时间分为n个极小时间 段,弹丸在每个极小时间段内的运动可视为 匀速直线运动,在极小时间段内空气阻力的 冲量ΔIf=kvΔt=kΔh,对每个极小时间段 的冲 量 求 和 得 If =∑ΔIf = ∑kΔh = k∑Δh=kh。 ③弹丸从射出到运动至最高点的过程 中,以竖直向上为正方向,根据动量定理得 -mgt-If=0-mv0,解得t=2.0 s。 三、以现代科技前沿为主情境 情境试题素材源自与物理科学技术相关 的新成果、新发展、新成就,如航空航天、新型 材料、信息技术等,突出物理对社会发展的贡 献,使试题具有时代气息。 例 3 航天技术:从东方红一号到天宫 空间站,我国的航天技术经过五十多年的发 展,已达到了世界领先水平。 (1)1970年,我国发射的第一颗人造地 球卫星以某种波向太空发送《东方红》乐曲信 号,该波属于( )。 A.机械波 B.引力波 C.物质波 D.电磁波 (2)长征5号运载火箭长为L,发射初期 火箭总质量为m,平均推力为 F,估算火箭离 地上升距离L 所需的时间t。 (3)天舟二号采用自主快速交会对接模 式,成功对接天和核心舱后向端口。二者对 接前、后瞬间的总动量大小分别为p1、p2,总 动能分别为E1、E2,则( )。 A.p1>p2,E1>E2 B.p1=p2,E1>E2 C.p1>p2,E1=E2 D.p1=p2,E1=E2 (4)天宫空间站的质量为m,绕地球运行 的线速度大小为v。以无穷远处为零势能 面,求空间站的机械能E。 (5)航天员在空间站做了一系列实验。 91 物理部分 高考命题新动向 高考理化 2024年7—8月 ①地面环境下某液体可沿一竖直毛细管 爬升高度d。若在空间站中将相同毛细管插 入同种液体相同深度,管内、外液面间距为 d',则该液体对毛细管( )。 A.浸润,d'大于d B.浸润,d'小于d C.不浸润,d'大于d D.不浸润,d'小于d ②若航天员用弹簧振子做振动实验,得 到振子的振动图像如图5所示,则图中振子 速度大小不断增大的时间段是( )。 图5 A.0~0.25 s B.0.25 s~0.5 s C.0.5 s~0.75 s D.0.75 s~1.0 s 解析:本题以航天技术 为主情境,考查了电磁波、 受力分析、牛顿第二定律、匀变速直线运动规 律、动量守恒定律、能量守恒定律、机械能、毛 细现象、简谐振动图像等知识。 (1)卫星通信、雷达、手机通信、无线广 播、无线局域网等使用的无线电波都属于电 磁波,应选D。 (2)不考虑火箭上升过程中推力和质量 的变化,火箭所受空气阻力忽略不计,火箭上 升过程中的运动可视为匀加速直线运动。 火 箭在上升过程中受重力和推力作用,根据牛 顿第二定律得F-mg=ma,根据匀变速直 线运动公式得L= 1 2at 2,解得t= 2Lm F-mg 。 (3)二者对接前、后瞬间属于完全非弹性 碰撞,动量守恒,动能有损失,应选B。 (4)以无穷远处为零势能面时,空间站的 引力势能Ep=- GMm r ,动能Ek= 1 2mv 2,根 据空间站做圆周运动所需向心力由万有引力 提供得 GMm r2 = mv2 r , 即 GMm r =mv 2,因此空 间站的机械能E=Ek+Ep=- 1 2mv 2。 (5)①地面环境下液体沿竖直毛细管爬 升,这是浸润现象,空间站中液体处于完全失 重状态,液体会爬升得更高,应选A。 ②在简谐振动中,振子朝向平衡位置运 动时,位移变小,速度变大,应选BD。 四、以实验现象为主情境 情境试题素材源自实验现象及相关实验 事实,突出对实验现象的观察、实验原理的理 解、实验器材的使用、实验操作的掌握、实验 数据的处理、实验误差的分析,以及同学们在 问题解决的过程中所表现出的运用知识的水 平和各种探究能力。 例 4 光梳:光梳是一种复色光,包含 频率等间距分布的多种单色光,其中各单色 光光强I与频率ν的关系如图6所示。各单 色光的频率可以表示为νk=ν0+k·Δν(k= 图6 0,±1,±2,…),其中ν0 是中心频率,相邻两单 色光的频率差为Δν。 (1)某光梳的光强I 与频率ν 的关系如图6 所示,则光强I 与波长λ 的关系可能为图7 中的( )。 图7 (2)为了把光梳中不同频率的单色光分 开,可利用同种玻璃对不同频率光的折射率 n不同这一规律。使光束斜射入一矩形玻璃 砖,光束通过玻璃砖后各个单色光会分开并 平行地从玻璃砖射出。为测定玻璃砖对某一 单色光的折射率,将玻璃砖置于方格纸上,用 插针法得到四个大头针a、b、c、d 的位置如 图8所示。 图8 02 物理部分 高考命题新动向 高考理化 2024年7—8月 ①画出入射光线、折射光线和出射光线。 ②玻 璃 砖 对 该 单 色 光 的 折 射 率 n= 。(保留2位有效数字) (3)如图9所示,由玻璃砖出射的多束平 行单色光经单缝后垂直入射到刻有双缝的不 透明平面。双缝间距为d,双缝所在平面与 光屏之间的距离为D。 图9 ①为使光屏上干涉条纹间距变大,可 双缝平面与光屏之间的距离 D。(选填 “增大”或“减小”) ②同步地上、下移动单缝和双缝平面,分 别得到两种不同频率单色光的相邻干涉条纹 间距为x1 和x2,这两种单色光的频率差为 。 解析:本题以光梳为主情境,考查了电磁 波的波长、频率和速度的关系,图像理解,测 量玻璃的折射率,双缝干涉实验等知识。 (1)根据电磁波的波长、频率和速度的关 系得λ= c ν ,结合数学知识(或类比欧姆表读 数规律)可知,随着频率ν等间距的增大,相 邻两波长λ的间距逐渐减小,应选D。 (2)①光路图如图10所示。 图10 ②根据折射率公式n= sin θ1 sin θ2 ,通过数格 子的方式求出入射角和折射角的正弦值,可 得n=1.7。 (3)①因为干涉条纹间距与双缝到光屏 的距离成正比,所以要使条纹间距变大,就要 增大双缝与光屏之间的距离。应填“增大”。 ②因为相邻两条干涉亮条纹或暗条纹的 中心 间 距 Δx= Dλ d ,所 以 x1= Dλ1 d ,x2= Dλ2 d ,又有λ= c ν ,可得ν1= cD x1d ,ν2= cD x2d ,因 此ν1-v2= cD d 1 x1 - 1 x2 。 五、以物理学史为主情境 情境试题素材源自物理学史上人类对自 然界各种物理现象的认识,对物理世界的探 索历程及成果,突出描述物理概念、定律、理 论和研究方法的脉络,以及内容的发生、发展 的原因和规律性。 例 5 经典力学与相对论:牛顿将地面 上物体运动的规律和天体运动的规律统一了 起来,这种统一观念是物理学中普适性的经 典,为人类的宇宙探索打下了扎实的理论基 础。爱因斯坦抛弃了传统的思维方式,提出 了一个全新的理论———狭义相对论和广义相 对论。随着科学与技术的不断发展,越来越 多的事实确凿无疑地证明了狭义相对论的正 确性。 (1)某颗卫星在宇宙空间中高速飞行时 (仅考虑狭义相对论效应): ①地面上的观察者认为该卫星上的原子 钟走得比地球上的原子钟( )。 A.快 B.慢 ②该卫星探测到遥远星系发出的一束光 线的光速与地球上探测到该束光线的光速 ( )。 A.相同 B.不同 ③根据广义相对论引力场理论,该卫星 上的原子钟会变 (选填“快”或“慢”)。 (2)黑洞是爱因斯坦的广义相对论中预 言的一种特殊天体,它的密度极大,对周围的 物质有极强的吸引力。根据爱因斯坦理论, 光子是有质量的,光子到达黑洞表面时也将 被吸入,最多恰能绕黑洞表面做匀速圆周 运动。根据天文观测,银河系中心可能有 一个黑洞,距该黑洞6.0×1012 m 远的星 体正以2.0×106 m/s的 速 度 绕 它 旋 转。 12 物理部分 高考命题新动向 高考理化 2024年7—8月 据此估算可能黑洞的最大半径。(保留1 位有效数字) (3)长度测量与被测物体相对于观察者 的运动有关,物体在运动方向上的长度缩短 了。一艘宇宙飞船的船身长度L0=90 m,相 对地面以u=0.8c的速度在一观测站的上空 飞过。 ①观测站测得飞船的船身通过观测站的 时间间隔是多少? ②航天员测得飞船的船身通过观测站的 时间间隔是多少? 解析:本题以物理学史上从经典力学到 相对论的发展为主情境,考查了狭义相对论 和广义相对论的基础知识,以及圆周运动、万 有引力定律等知识。 (1)①根据狭义相对论的钟慢效应可知, 地面上的观察者认为该卫星上的原子钟变 慢,应选B。 ②狭义相对论认为,真空中的光速在所 有的惯性参考系中都是相同的,与光源和观 察者的速度无关,应选A。 ③根据广义相对论可知,卫星所处位置 引力场较地面弱,因而原子钟会变快,且计算 结果表明广义相对论效应是狭义相对论效应 的六倍。应填“快”。 (2)对围绕黑洞做圆周运动的星体应用 牛顿第二定律得 GMm r2 = mv2 r ,即GM=v2r。 根据黑洞的特点可知,光子到达黑洞表面最 多恰能绕黑洞表面做匀速圆周运动,对光子 应用牛顿第二定律得 GMmc R2 ≥ mc 2 R ,即R= GM c2 ,所以R= v2r c2 ,解得R=3×108 m,即黑 洞的最大半径为3×108 m。 (3)①观测站测得飞船的船身长度L= L0 1- u c 2 =90 1-0.64 m=54 m,船 身通 过 观 测 站 的 时 间 间 隔 Δt= L u = 54 m 0.8×3×108 m/s =2.25×10-7 s。 ②航天员测得飞船船身通过观测站的时 间间隔Δt= L0 u= 90 m 0.8×3×108 m/s =3.75× 10-7 s。 总结:随着教育改革的逐步深入,为了突 出试题的应用性,不仅是上海高考物理试卷 全部选用情境题,而且在其他高考物理试卷 中也大量选用了情境题,这就要求同学们在 复习备考过程中,要关注与物理相关的情境, 注意积累,只有这样才能在考试时快速从题 设情境中获取有用信息,运用储备知识进行 正确解答。 质谱仪:如图11所示为某质谱仪的原理 图。真空中,一质量为m、带电荷量为q的正 离子以初速度v0 沿x 轴运动,经长度为d 的 区域Ⅰ后,运动到与区域Ⅰ边界相距为 L 的 Oyz平面上。 图11 (1)若区域Ⅰ中仅存在沿y 轴正方向的 匀强磁场,磁感应强度为B。 ①该离子在刚进入磁场时所受洛伦兹力 的方向沿( )。 A.y 轴正方向 B.y 轴负方向 C.z轴正方向 D.z轴负方向 ②该离子在磁场中做半径为 的圆周 运动;离子穿出磁场时垂直于x 轴方向的速 度分量大小v⊥= 。 (2)若区域Ⅰ中仅存在沿y 轴正方向的 匀强电场,电场强度为E。求离子落在Oyz 平面上时到原点O 的距离s。 参考答案:(1)①C ② mv0 qB dqB m (2)s= dqE mv20 L+ d 2 。 (责任编辑 张 巧) 22 物理部分 高考命题新动向 高考理化 2024年7—8月