高考物理应用型、创新型试题赏析1 7页

高考物理应用型、创新型试题赏析 2004 年高考全国卷和各省市物理卷中出现了很多以考查学生应用所学物理知识和物理 方法去分析解决新问题的能力来立意的好题，现分析如下。 一、以原子的能级跃迁立意 例 1（全国理综湖南卷 14）：现有 1200 个氢原子被激发到量子数为 4 的能级上，若这 些受激氢原子最后都回到基态， 则在此过程中发出的光子总 数是多少？假定处在量子数 为 n 的激发态的氢原子跃迁 到各较低能级的原子数都是 处在该激发态能级上的原子 总数的 1 1 n 。 A．2200 B．2000 C．1200 D．24 00 解析：1200 个氢原子按题设进 行跃迁发出光子的情况如图 1 所示，即发出光子的总数为 N=2200 个，故选项 A 正确。 例 2（2004 江苏物理 10）若原子的某内层电子被电离形成空位，其它层的电子跃迁到 该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原子的特征 X 射线．内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃 迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被电 离的 电子称为 内转换电 子)． 214Po 的原 子核从某 一激发态 回到基态 时，可 将能量 E0=1.416MeV 交给内层电子(如 K、L、M 层电子，K、L、M 标记原子中最靠近核的三个电 子层)使其电离．实验测得从 214Po 原子的 K、L、M 层电离出的电子的动能分别为 EK=1.323MeV、EL=1.399MeV、EM=1.412MeV．则可能发射的特征 X 射线的能量为（ ） A. 0.013MeV B. 0.017MeV C. 0.076MeV D. 0.093MeV 解析：214Po 的原子核从某一激发态回到基态时，若将能量 E0=1.416MeV 交给 K 层电子 时，使 K 层电子电离后形成空位，L 层或 M 电子层跃迁到 K 层时发出 X 射线的能量分别为 MeV076.0MeV323.1MeV399.1X  KLKL EE MeV089.0MeV323..1MeV412.1X  KMKM EE 若将能量 E0=1.416MeV 交给 L 层电子时，使 L 层电子电离后形成空位，M 电子层跃迁 到 L 层时发出 X 射线的能量为 MeV013.0MeV399.1MeV412.1X  LMLM EE 故正确选项为 A、C 。 二、以地磁场立意 n=1 n=3 n=4 n=2 400 个 400 个 400 个 200 个 200 个 200 个 400 个 图 1 例 3（全国理综湖南卷 19）：一直升飞机停在南半球的地磁极上空。该处地磁场的方向 竖直向上，磁感应强度为 B。直升飞机螺旋桨叶片的长度为 l，螺旋桨转动的频率为 f，顺着 地磁场的方向看螺旋桨，螺旋桨按顺时针方向转动。螺旋桨叶片的近轴端为 a，远轴端为 b， 如图 2 所示。如果忽略 a 到转轴中心线的距离，用 E 表示每个叶片中的感应电动势，则（ ） A．E＝πfl2B，且 a 点电势低于 b 点电势 B．E＝2πfl2B，且 a 点电势低于 b 点电势 C．E＝πfl2B，且 a 点电势高于 b 点电势 D．E＝2πfl2B，且 a 点电势高于 b 点电势 解析：螺旋桨叶片旋转切割磁感线产生感应 电动势相当于电源，由右手定则可知，a 相当电 源的负极，b 相当于电源的正极，即 a 点电势低 于 b 点电势。由于从 ba  叶片上各点的速度大小按 rv   的规律呈线性变化，由 BflflBlrBlBlvE 222 1 2 1   。 综上分析可知，选项 B 正确。 三、以中微子立意 例 4（2004 江苏物理 7）：雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(v e)而获得了 2002 年度诺贝尔物理学奖．他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满 615 t 四氯乙烯 (C2Cl4)溶液的巨桶．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为 eArClve 0 1 37 18 37 17  已知 Cl37 17 核的质量为 36.95658u， Ar37 18 核的质量为 36.95691u， e0 1 的 质量为 0.00055u，1u 质量对应的能量为 931.5 MeV．根据以上数据，可以判断参与上述反 应的电子中微子的最小能量（ ） A. 0.82 MeV B. 0.31MeV C. 1.33 MeV D. 0.51 MeV 解析：核反应 eArClve 0 1 37 18 37 17  是一个质量增加的反应，反应中增加的质量 是由中微子的能量转化而来的，则上述反应中电子中微子的最小能量为 MevMevuuumcE 82.05.931]95658.36)00055.095691.36[(2  ，故 A 选 项正确。 四、以历史上的重要物理实验立意 例 5（2004 江苏物理 17）：汤姆生用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实 验装置如图 3 所示，真空管内的阴极 K 发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用) 经加速电压加速后，穿过 A'中心的小孔沿中心轴 O1O 的方向进入到两块水平正对放置的平 B 图 2 行 极 板 P 和 P' 间 的 区 域．当极板间不加偏转电 压时，电子束打在荧光屏 的中心 O 点处，形成了一 个亮点；加上偏转电压 U 后，亮点偏离到 O'点，(O' 与 O 点的竖直间距为 d， 水平间距可忽略不计．此 时，在 P 和 P'间的区域， 再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场．调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为 B 时，亮点重新回到 O 点．已知极板水平方向的长度为 L1，极板间距为 b，极板右端到荧光 屏的距离为 L2(如图所示)． (1)求打在荧光屏 O 点的电子速度的大小。 (2)推导出电子的比荷的表达式 解析：（1）当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新 回复到中心 O 点，设电子的速度为 v ，则 eEevB  ……① 得 B Ev  ……② 即 Bb Uv  ……③ （2）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度 v 进入后，竖直方向作匀加速运动，加速度为 mb eUa  ……④ 电子在水平方向作匀速运动，在电场内的运动时间为 v Lt 1 1  ……⑤ 这样，电子在电场中，竖直向上偏转的距离为 bmv UeLatd 2 2 12 11 22 1  ……⑥ 离开电场时竖直向上的分速度为 mvb UeLatv 1 11  ……⑦ 电子离开电场后做匀速直线运动，经 t2 时间到达荧光屏 v Lt 2 2  ……⑧ t2 时间内向上运动的距离为 bmv LeULtvd 2 21 22   ……⑨ 这样，电子向上的总偏转距离为 )2( 1 21221 LLL bmv eUddd  ……⑩ 图 3 可解得 )2/( 121 2 LLbLB Ud m e   ……○11 五、以原子的夸克模型立意 例 6（04 年天津理综 17）：中子内有一个电荷量为 e3 2 的上夸克和两个电荷量为 e3 1 的下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为 r 的同一圆周上，如图 4 所示。图 5 给出的四 幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是（ ） 图 4 解析：由库仑定律和力的合成知识可知，D 选项正确 例 7（04 年广西理综 13）：已经证实，质子、中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组 成的，上夸克带电为 2 3 e ，下夸克带电为 1 3 e ，e 为电子所带电量的大小，如果质子是由三 个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l , 151.5 10l m  , 试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力） 解析：质子带电为+e，所以它是由 2 个上夸克和 1 个下夸 克组成的，按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处， 如图 6 所示。 上夸克与上夸克之间的静电力应为 · · ·2e/3 2e/3 -1e/3 图 6 图 5 2 2 2 9 43 2 3 2 l ek l ee kFm    ……① 代入数值，得 mF =46N，为斥力。 上夸克与下夸克之间的静电力为 2 2 2 9 23 2 3 1 l ek l ee kFnd    ……② 代入数值，得 ndF =23N，为引力。 六、以科技中的新技术成果立意 例 8（2004 上海物理 11）：利用扫描隧道显微镜（STM）可以得到物质表面原子排列的 图象，从而可以研究物质的构成规律，下面图 7 的照片是一些晶体材料表面的 STM 图象， 通过观察、比较，可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成的，具有一定的结构特 征，则构成这些材料的原子在物质表面排列的共同特点是 （1） ； （2） ； （3） ； 解析：仔细观察，不发现构成这些材料的原子在物质表面排列有如下共同特点：在确 定方向上原子有规律地排列；在不同方向上原子的排列规律一般不同； 原子排列具有一定对称性等 例 9（04 年天津理综 19）：激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原 理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度 v 与二次曝光时间间隔 t 的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔 t 、双缝到 屏之距离l 以及相邻两条亮纹间距 x 。若所用激光波长为  ，则该实验确定物体运动速度 的表达式是（ ） 图 7 A． tl xv    B． tx lv   C． t xlv    D． x tlv    解析：设双缝的距离为 d，则由题设有 tvd  ……① 双缝到屏之距离l 以及相邻两条亮纹间距 x 、双缝距离 d、光波长为  满足  d lx  ……② 由①、②可解得 tx lv   ，故选项 B 正确。 例 10：（04 年天津理综 25）磁流体发电是一种新型发电方式，图 8 和图 9 是其工作原 理示意图。图 8 中的长方体是发电导管，其中空部分的长、高、宽分别为l 、 a 、b ，前后 两个侧面是绝缘体，上下两个侧面是电阻可略的导体电极，这两个电极与负载电阻 1R 相连。 整个发电导管处于图 9 中磁场线圈产生的匀强磁场里，磁感应强度为 B，方向如图所示。发 电导管内有电阻率为  的高温、高速电离气体沿导管向右流动，并通过专用管道导出。由 于运动的电离气体受到磁场作用，产生了电动势。发电导管内电离气体流速随磁场有无而 不同。设发电导管内电离气体流速处处相同，且不存在磁场时电离气体流速为 0v ，电离气 体所受摩擦阻力总与流速成正比，发电导管两端的电离气体压强差 p 维持恒定，求： （1）不存在磁场时电离气体所受的摩擦阻力 F 多大； （2）磁流体发电机的电动势 E 的大小； （3）磁流体发电机发电导管的输入功率 P。 解析：（1）不存在磁场时，由力的平衡得 pabF  ……① （2）设磁场存在时的气体流速为 v ，则磁流体发电机的电动势 BavE  ……② 图 8 图 9 回路中的电流 bl aR BavI L   ……③ ，电流 I 受到的安培力 bl aR vaBF L   22 安 ……④ 设 F 为存在磁场时的摩擦阻力，依题意 0v v F F  ……⑦ 存在磁场时，由力的平衡得 FFpab  安 ……⑧ 根据上述各式解得 )( 1 0 2 0 bl aRpb avB BavE L    ……⑨ （3）磁流体发电机发电导管的输入功率 pabvP  ……⑩ 由能量守恒定律得 vFEIP  ……○11 故 )( 1 0 2 0 bl aRpb avB pabvP L    ……○12