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研究生課程進(jìn)修班試卷封面 姓 名： 單　　位： 鄭州市第一中學(xué) 專 業(yè)： 物理學(xué) 考試科目：高觀點(diǎn)下的中學(xué)物理教學(xué)研究考試題 考試分?jǐn)?shù)： 2012年 9 月 30 日 東北師范大學(xué)研究生課程進(jìn)修班考試試卷評(píng)分表 課程名稱 高觀點(diǎn)下的中學(xué)物理教學(xué)研究考試題 姓 名 單　　位 鄭州市第一中學(xué) 專 業(yè) 物理學(xué) 2012年　9　 月　　30 日 題 號(hào) 分 數(shù) 簽 名 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 總 分 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日 高觀點(diǎn)下的中學(xué)物理教學(xué)研究考試題 一、填空題（每題2分，共計(jì)20分） 1、 物質(zhì)存在的基本形式是（ 粒子和場(chǎng) ）。 2、 （ 麥克斯韋 ）從理論上預(yù)言了電磁波的存在，（ 赫茲 ）又用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。 3、 吉布斯在《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理》中建立了（熱力學(xué)理論 ）體系,提出了（吉布斯自由能、化學(xué)勢(shì)）等概念，闡明了（ 化學(xué)平衡、相平衡、表面吸附 ）等現(xiàn)象的本質(zhì)。 4、 （ 普朗克 ）在物理學(xué)史上第一次提出能量子的概念。 5、 規(guī)范粒子是指（傳遞相互作用的媒介粒子例如規(guī)范波色子 ）。 6、 戴維遜和湯姆遜因驗(yàn)證（晶體對(duì)電子的衍射）分享1937年的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)金。 7、 泡利提出（ 不相容原理 ），獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共計(jì)25分） 1、例舉幾個(gè)混沌現(xiàn)象。 答： 混沌現(xiàn)象是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，一個(gè)確定性理論描述的系統(tǒng)， 其行為卻表現(xiàn)為不確定性一不可重復(fù)、不可預(yù)測(cè)，這就是混沌現(xiàn)象。例如：氣候不能精確重演與長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)者無能為力之間必然存在著一種聯(lián)系，這就是非周期與不可預(yù)見性之間的聯(lián)系。在工程中某些數(shù)據(jù)也會(huì)生成混沌信號(hào)。 2、粒子物理面臨十大問題是什么？ （1）是否存在未發(fā)現(xiàn)的自然規(guī)律，如新的對(duì)稱性和新的物理規(guī)律？ 　?。?）是否存在額外維空間？　 　?。?）能否把自然界所有的力統(tǒng)一為一種力？ 　　（4）為什么存在如此多的種類不同的粒子？ 　　（5）為什么夸克和輕子只有三代？粒子質(zhì)量的起源是什麼? 　　（6）什么是暗物質(zhì)?如何在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生它？ 　?。?）什么是暗能量？ 　　（8）中微子能給我們什么啟示？它如此微小的質(zhì)量及其在宇宙演化中的作用實(shí)在是個(gè)迷?！? 　?。?）宇宙是如何形成的？如果宇宙大爆炸理論是對(duì)的，那么大爆炸之前是什么？ 　?。?0）為什么今天宇宙中只有物質(zhì)而沒有反物質(zhì)？ 3、舉例說明物理學(xué)對(duì)其它學(xué)科的促進(jìn)作用。 1 物理學(xué)對(duì)信息科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用 信息科學(xué)的內(nèi)容包括傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)。物理學(xué)中的原子分子物理、光物理、聲學(xué)物理以及激光技術(shù)、近代光學(xué)技術(shù)、光電子技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)等對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)影響最大，構(gòu)成了信息通訊技術(shù)的基礎(chǔ)。激光的出現(xiàn)使通訊技術(shù)的面貌煥然一新，激光出現(xiàn)后蓬勃發(fā)展起來的非線性光學(xué)在激光技術(shù)信息處理和存儲(chǔ)、計(jì)算技術(shù)等方面有重要的應(yīng)用前景。原子分子物理、光物理和凝聚態(tài)物理相結(jié)合產(chǎn)生了新的激光器、新的激光波段、新的相干光源和各種各樣非線性光學(xué)器件，促進(jìn)了通訊信息科學(xué)的飛速發(fā)展。而近年來發(fā)展起來的“量子信息科學(xué)”是物理學(xué)與信息科學(xué)交叉融合產(chǎn)生的新興學(xué)科，涉及物理、計(jì)算機(jī)、通信、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。由此可見物理學(xué)對(duì)信息科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。 2 物理學(xué)對(duì)材料科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用 材料是發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學(xué)技術(shù)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。一個(gè)國家材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量是直接衡量其科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。物理學(xué)基礎(chǔ)研究的新理論、新發(fā)現(xiàn)、新效應(yīng)和新實(shí)驗(yàn)技術(shù)是材料科學(xué)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧Ｆ渲心蹜B(tài)物理是物理學(xué)中內(nèi)容最豐富、應(yīng)用最廣泛、最活躍的領(lǐng)域，也是材料技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著高溫超導(dǎo)、半導(dǎo)體超晶格物理、新型晶體和晶體學(xué)、新型磁性材料物理、超微粒子材料(納米材料)物理等物理學(xué)分支的進(jìn)一步研究，必將極大地推進(jìn)材料科學(xué)的向前發(fā)展。 3 物理學(xué)對(duì)能源科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用 隨著全球能源的需求量愈來愈大，僅靠大力開發(fā)石油、天然氣、煤等傳統(tǒng)能源已不能滿足社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。對(duì)新能源的開發(fā)利用、節(jié)約能源成為引人矚目的新技術(shù)，而能源科學(xué)的發(fā)展完善離不開物理學(xué)作為基礎(chǔ)和后盾。例如，原子能的開發(fā)和利用離不開物理學(xué)中的核物理和高能物理學(xué)，太陽能的開發(fā)利用離不開凝聚態(tài)物理和光物理學(xué)，而近年來物理學(xué)家對(duì)反物質(zhì)的研究，則可能會(huì)給人類帶來新的能源。反物質(zhì)這東西很神秘，只要一露面，立即就會(huì)與正物質(zhì)結(jié)合，同時(shí)放出大量的能量。關(guān)于通古斯大爆炸有各種假說，其中之一認(rèn)為，1908年中西伯利亞的通古斯大爆炸，就是由于天外飛來一塊由反物質(zhì)組成的隕石與正物質(zhì)在通古斯上空結(jié)合放出大量能量而造成的。據(jù)估計(jì)，一克反物質(zhì)與正物質(zhì)結(jié)合時(shí)，放出的能量相當(dāng)于世界上幾個(gè)最大水電站發(fā)電量的總和。 4 物理學(xué)對(duì)空間科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用 空間科學(xué)包括應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)、載人航天技術(shù)、從空間研究地球及宇宙整體行為的技術(shù)和微重力科學(xué)技術(shù)，而這些都離不開作為其基礎(chǔ)的物理學(xué)。物理學(xué)研究的水平高低直接決定了空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。眾所周知，物理學(xué)是衛(wèi)星和火箭發(fā)射、運(yùn)行、控制的直接理論基礎(chǔ)，天體物理、大氣物理和地球物理是空間技術(shù)的重要理論背景和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。不久前，經(jīng)過半年多星際旅行，美國”勇氣”號(hào)火星車于美國太平洋時(shí)間2004年1月3日20時(shí)35分(北京時(shí)間2004年l月4日12時(shí)35分)左右，在火星表面成功著陸。而物理學(xué)家對(duì)新能源—反物質(zhì)的研究，則會(huì)促使空間科學(xué)飛速發(fā)展。物理學(xué)家預(yù)測(cè)，假如利用反物質(zhì)推動(dòng)太空船，只需六個(gè)星期便可到達(dá)火星。 5 物理學(xué)對(duì)生命科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用 生命科學(xué)的研究離不開物理學(xué)作為基礎(chǔ)和手段。研究生命現(xiàn)象會(huì)遇到一個(gè)根本性的問題:什么是生命?對(duì)此，1944年，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一薛定愕在《什么是生命》一書中預(yù)言了遺傳密碼的存在和生命賴“負(fù)熵”而生存。此外他還指出:量子力學(xué)應(yīng)當(dāng)成為生命科學(xué)的基礎(chǔ)。這在生命現(xiàn)象研究中是前所未有的突破。運(yùn)用力學(xué)對(duì)生命現(xiàn)象的研究，可追溯到伽里略、牛頓和哈維。 物理學(xué)還為生命科學(xué)提供了現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)。早在1791年解剖學(xué)家、物理學(xué)家伽伐尼(L.Galvani)用電刺激蛙神經(jīng)，發(fā)現(xiàn)了生物的導(dǎo)電現(xiàn)象。1927年，馬勒(H .J.Mullor)用x射線使發(fā)果蠅的基因發(fā)生突變，開辟了遺傳學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用的新領(lǐng)域;最近，瑞士科學(xué)家又用x射線晶體成像法首次發(fā)現(xiàn)了DNA關(guān)鍵部位的原子結(jié)構(gòu)，為人類從原子層次揭開生命之謎開辟了道路。 物理學(xué)中的理想模型、研究方法和計(jì)算方法，在生物系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。用分子漲落的方式對(duì)DNA與RNA的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征所做的量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果，其精確度令人十分滿意。 美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家用物理方法精確測(cè)定細(xì)胞質(zhì)量。 4、21世紀(jì)物理學(xué)面臨九大挑戰(zhàn)是什么？ 答： 挑戰(zhàn)1：量子科學(xué)和技術(shù) 挑戰(zhàn)2：納米科學(xué) 挑戰(zhàn)3：復(fù)雜的系統(tǒng) 挑戰(zhàn)4：將物理學(xué)應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué) 挑戰(zhàn)5：新材料 挑戰(zhàn)6：探索宇宙 挑戰(zhàn)7：統(tǒng)一自然界存在的各種力 挑戰(zhàn)8：物理學(xué)在維護(hù)國土安全與國家安全中的作用 挑戰(zhàn)9：元挑戰(zhàn) 5、舉例說明相對(duì)論的時(shí)空特點(diǎn)。 答：1、同時(shí)是相對(duì)的，在高速下物體有尺縮效應(yīng)2、在狹義相對(duì)論中，要把測(cè)地線、自平行線、自由質(zhì)點(diǎn)軌道線均理解為4維時(shí)-空中的直線，但這三條線也是合而為一的。為了避免過多地涉及數(shù)學(xué)，對(duì)狹義相對(duì)論中的測(cè)地線、自平行線、 自由質(zhì)點(diǎn)軌道線，我們就不詳細(xì)說明了。只是指出,由于狹義相對(duì)論時(shí)空的特點(diǎn),當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì) 點(diǎn)的速度小于光速時(shí),它沿測(cè)地線走過的4維時(shí)-空距離最長(zhǎng)。測(cè)地線在實(shí)質(zhì)上是極值線，由于 習(xí)慣常稱為測(cè)地線。 3、廣義相對(duì)論的時(shí)空是彎曲時(shí)空，在彎曲時(shí)空的大范圍內(nèi)，不存在直線，因之其測(cè)地線、自 平行線、自由質(zhì)點(diǎn)軌道線都是4維曲線。這三條曲線是否也是合而為一呢？我們先來指出，的 確在廣義相對(duì)論的時(shí)空中，測(cè)地線、自平行線、自由質(zhì)點(diǎn)軌道線這三條4維曲線也是合而為一 的。 三、計(jì)算題（共計(jì)55分） 1、（10分）子彈穿過一塊木板后,損失原有速度的，試問它可以穿過幾塊同樣的木板? 解：設(shè)子彈的速度為v0，質(zhì)量為m，木板的阻力為f，一塊木板的厚度為d。 則由題意可得：-fd=m/2（19 v0/20）2－m v02/2 （1） 設(shè)能穿透n塊同樣的木板，則：-nfd=0－m v02/2 （2） 由方程（1）（2）可得：n =10.3 答：可以穿透10塊同樣的木板。 2、（15分）如圖所示，在傾角為的固定光滑斜面上有一從靜止開始下滑的小車，車廂頂上有一擺長(zhǎng)為的單擺，擺球質(zhì)量為，求此擺的周期。 圖 解：用等效重力加速度的方法，圖示如右上圖，所受重力為mg，非慣性力為 mgsinψ，由余弦定理可得： 故其周期為： 3、（15分）圖所示為一根豎直懸掛的不可伸長(zhǎng)的輕繩，下端拴一小物塊，上端固定在點(diǎn)且與一能測(cè)量繩的拉力的測(cè)力傳感器相連。已知有一質(zhì)量為的子彈沿水平方向以速度射入內(nèi)（未穿透），接著兩者一起繞點(diǎn)在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。在各種阻力都可忽略的條件下測(cè)力傳感器測(cè)得繩的拉力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖所示。已知子彈射入的時(shí)間極短，且圖中為、開始以相同速度運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻。根據(jù)力學(xué)規(guī)律和題中（包括圖）提供的信息，對(duì)反映懸掛系統(tǒng)本身性質(zhì)的物理量（例如的質(zhì)量）及、一起運(yùn)動(dòng)過程中的守恒量，你能求得哪些定量的結(jié)果？ 圖 圖 解：由題圖（2）可直接得出，A、B一起做周期性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的周期： T=2t0 ① 令m表示A的質(zhì)量，l表示繩長(zhǎng)，v1表示B運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)的速度，v2表示運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)的速度，F(xiàn)1表示運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)繩的拉力，F(xiàn)2表示運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)繩的拉力.根據(jù)動(dòng)量守恒定律，得m0v0=(m0+m)v1 ② 在最低點(diǎn)和最高點(diǎn)處運(yùn)用牛頓定律可得 ③ ④ 根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得 ⑤ 由題圖（2）可知F2=0 ⑥ F1=Fm⑦ 由以上各式可解得，反映系統(tǒng)性質(zhì)的物理量是 ⑧ ⑨ A、B一起運(yùn)動(dòng)過程中的守恒量是機(jī)械能E，若以最低點(diǎn)為勢(shì)能的零點(diǎn)，則 ⑩ 解得. 4、（15分）材料的電阻率隨溫度變化的規(guī)律為，其稱為電阻恒溫系數(shù)，是材料在時(shí)的電阻率。在一定溫度范圍內(nèi)是與溫度無關(guān)的常量，金屬的電阻一般隨溫度的增加而增加，具有正溫度系數(shù)；而某些非金屬如碳等則相反，具有負(fù)溫度系數(shù)，利用具有正負(fù)溫度系數(shù)的兩種材料的互補(bǔ)特性，可制成阻值在一定溫度范圍內(nèi)不隨溫度變化的電阻。已知：在時(shí)，銅的電阻率為，碳的電阻率為；在附近，銅的電阻溫度系數(shù)為，碳的電阻溫度系數(shù)為。將橫截面積相同的碳棒與銅棒串接成長(zhǎng)導(dǎo)體，要求其電阻在附近不隨溫度變化，求所需碳棒的長(zhǎng)度（忽略碳棒和銅棒的尺寸隨溫度的變化）。 解：設(shè)碳棒的長(zhǎng)度為X, 則銅棒的電阻為, 碳棒的電阻,要使得在00c附近總電阻不隨溫度變化,則有,則有式中t的系數(shù)必須為零,即有x≈0.0038m.