黎國(guó)勝

STSE是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、社會(huì)（Society）、環(huán)境（Environment）的簡(jiǎn)稱，STSE教育是當(dāng)代科學(xué)教育的重要理念，是公民科學(xué)素養(yǎng)教育的一個(gè)重要組成方面，也是我國(guó)高中理科課程改革的一個(gè)基本方向。它強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的相互作用，重視科學(xué)技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)、人民生活及社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用，關(guān)注社會(huì)發(fā)展、人民生活水平提高與環(huán)境的友好協(xié)調(diào)。其顯著特征是把當(dāng)今時(shí)代與科技相關(guān)的重大社會(huì)問(wèn)題納入教育之中，包括科技的應(yīng)用問(wèn)題、科技發(fā)展動(dòng)向問(wèn)題和科技的社會(huì)倫理問(wèn)題等。近年來(lái)有關(guān)STSE的物理試題越來(lái)越受到重視，據(jù)筆者粗略統(tǒng)計(jì)，僅2008年全國(guó)高考物理試題中就有18道之多。

物理知識(shí)與日常生活、科學(xué)技術(shù)、社會(huì)發(fā)展、環(huán)境改善密切相關(guān)，在交通運(yùn)輸、體育運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療技術(shù)、家用電器、航空航天、光電通訊、抗震救災(zāi)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。解決STSE物理試題的關(guān)鍵在于：通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析，抽象出理想化的物理模型，根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，選擇相應(yīng)的物理規(guī)律，求解答案。

一、與體育運(yùn)動(dòng)相關(guān)的STSE試題

健康是人生的最大財(cái)富，沒(méi)有健康就沒(méi)有一切。體育運(yùn)動(dòng)不僅具有使人類更加健康的實(shí)用性，更具有極強(qiáng)的觀賞性和娛樂(lè)性。體育運(yùn)動(dòng)特別是競(jìng)技體育運(yùn)用了大量的物理知識(shí)，再加上2008年奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)又在北京舉行，奧林匹克的團(tuán)結(jié)、友誼、進(jìn)步、和諧、參與和夢(mèng)想精神代表了人類的普遍價(jià)值觀和人類追求美好未來(lái)的共同愿望。因此與體育運(yùn)動(dòng)相關(guān)的STSE試題無(wú)疑會(huì)受到2008年高考命題專家的青睞。

例1（廣東卷第3題）運(yùn)動(dòng)員跳傘將經(jīng)歷加速下降和減速下降兩個(gè)過(guò)程。將人和傘看成一個(gè)系統(tǒng)，在這兩個(gè)過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是（）

A． 阻力對(duì)系統(tǒng)始終做負(fù)功

B． 系統(tǒng)受到的合外力始終向下

C． 重力做功使系統(tǒng)的重力勢(shì)能增加

D． 任意相等的時(shí)間內(nèi)重力做的功相等

點(diǎn)評(píng)本題中運(yùn)動(dòng)員和傘即為研究對(duì)象，題中給出了運(yùn)動(dòng)過(guò)程，只需對(duì)各過(guò)程進(jìn)行受力分析。由功的公式可知A選項(xiàng)正確，再由牛頓第二定律可知B選項(xiàng)錯(cuò)誤，根據(jù)重力做功與重力勢(shì)能的關(guān)系可知C選項(xiàng)錯(cuò)誤，由于運(yùn)動(dòng)員先加速后減速故相同時(shí)間位移不同，由功的公式可知D選項(xiàng)錯(cuò)誤。答案A。

本題的物理模型和物理過(guò)程非常清楚，考查的知識(shí)點(diǎn)多但難度不大，只要稍加分析不難找出正確答案。

例2（廣東卷第10題）某人騎自行車在平直道路上行進(jìn)，圖1的實(shí)線記錄了自行車開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)的v-t圖象。某同學(xué)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，用虛線作近似處理，下列說(shuō)法正確的是（）

點(diǎn)評(píng)本題主要考查學(xué)生對(duì)速度-時(shí)間圖象（包括對(duì)斜率、面積）的理解及平均速度概念的理解。答案：BD。

例3（廣東卷第17題）有一種叫“飛椅”的游樂(lè)項(xiàng)目，如圖2所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)的鋼繩一端系著座椅，另一端固定在半徑為r的水平轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣。轉(zhuǎn)盤(pán)可繞穿過(guò)其中心的豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼繩與轉(zhuǎn)軸在同一豎直平面內(nèi)，與豎直方向的夾角為θ。不計(jì)鋼繩的重力，求轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω與夾角θ的關(guān)系。

點(diǎn)評(píng)本題考查圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，正確進(jìn)行受力分析，根據(jù)向心力公式可求解，試題難度不大。

練習(xí)1（廣東卷第11題）某同學(xué)對(duì)著墻壁練習(xí)打網(wǎng)球，假定球在墻面以25 m/s的速度沿水平方向反彈，落地點(diǎn)到墻面的距離在10 m至15 m之間。忽略空氣阻力，取g=10 m/s2。球在墻面上反彈點(diǎn)的高度范圍是（）

A． 0.8 m至1.8 mB． 0.8 m至1.6 m

C． 1.0 m至1.6 m D． 1.0 m至1.8 m

練習(xí)2（重慶卷第23題）滑板運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)非常刺激的水上運(yùn)動(dòng)，研究表明，在進(jìn)行滑板運(yùn)動(dòng)時(shí)，水對(duì)滑板的作用力Fx垂直于板面，大小為kv2，其中v為滑板速率（水可視為靜止）。某次運(yùn)動(dòng)中，在水平牽引力作用下，當(dāng)滑板和水面的夾角θ=37°時(shí)（圖3所示），滑板做勻速直線運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的k=54 kg/m，人和滑板的總質(zhì)量為108 kg。試求：（重力加速度g取10 m/s2，sin37°=0.6，忽略空氣阻力）

（1）水平牽引力的大??；

（2）滑板的速率；

（3）水平牽引力的功率。

二、與抗震救災(zāi)有關(guān)的STSE試題

2008年四川汶川遭遇了建國(guó)以來(lái)最大的地震災(zāi)難，數(shù)萬(wàn)同胞遇難，黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人多次親自到災(zāi)區(qū)看望災(zāi)民，指揮抗震救災(zāi)工作，十多萬(wàn)中國(guó)人民解放軍奮戰(zhàn)在抗震救災(zāi)的最前沿，全國(guó)人民積極行動(dòng)支持災(zāi)區(qū)?？拐鹁葹?zāi)過(guò)程中出現(xiàn)了許多可歌可泣的事跡，充分體現(xiàn)了中國(guó)人民的團(tuán)結(jié)互助和不畏艱難的民族精神。這是2008年我國(guó)的一件大事，理應(yīng)受到高考命題專家的重視，在今年的高考物理中有兩道抗震救災(zāi)STSE物理試題。通過(guò)抗震救災(zāi)的試題，可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注時(shí)事、關(guān)注民生，樹(shù)立以人為本的觀念。

例4（重慶卷第20題）某地區(qū)地震波中的橫波和縱波傳播速率分別約為4 km/s和9 km/s。一種簡(jiǎn)易地震儀由豎直彈簧振子P和水平彈簧振子H組成（如圖4所示）。在一次地震中，震源在地震儀下方，觀察到兩振子相差5 s開(kāi)始振動(dòng)，則（）

A.P先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約36 km

B.P先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約25 km

C.H先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約36 km

D.H先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約25 km

點(diǎn)評(píng)本題構(gòu)思非常巧妙。橫波的波源振動(dòng)方向與傳播方向垂直，縱波的振動(dòng)方向與傳播方向共線。顯然P只能上下振動(dòng)，而波沿豎直方向傳播，故P監(jiān)測(cè)地震波中的縱波，而H只能監(jiān)測(cè)地振波中的橫波，再根據(jù)波勻速傳播的公式即可求解。答案：A。

練習(xí)3（山東卷第19題）有一直升機(jī)懸停在空中向地面投放裝有救災(zāi)物資的箱子，如圖5所示。設(shè)投放初速度為零，箱子所受的空氣阻力與箱子下落速度的平方成正比，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中箱子始終保持圖示姿態(tài)。在箱子下落過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是（）

A． 箱內(nèi)物體對(duì)箱子底部始終沒(méi)有壓力

B． 箱子剛從飛機(jī)上投下時(shí)，箱內(nèi)物體受到的支持力最大

C． 箱子接近地面時(shí)，箱內(nèi)物體受到的支持力比剛投下時(shí)大

D． 若下落距離足夠長(zhǎng)，箱內(nèi)物體有可能不受底部支持力而“飄起來(lái)”

三、與節(jié)能環(huán)保、新型能源相關(guān)的STSE試題

環(huán)境與能源問(wèn)題是人類共同關(guān)注的問(wèn)題，它關(guān)系到人類是否能夠可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)這類試題，能夠引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境，養(yǎng)成節(jié)能的良好習(xí)慣，增強(qiáng)節(jié)能環(huán)保的意識(shí)。

例5（北京卷第23題）風(fēng)能將成為21世紀(jì)大規(guī)模開(kāi)發(fā)的一種可再生清潔能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能（氣流的動(dòng)能）轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其主要部件包括風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等。如圖6所示。

（2）風(fēng)輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)所掃過(guò)的面積為風(fēng)力發(fā)電機(jī)可接受風(fēng)能的面積。設(shè)空氣密度為ρ，氣流速度為v，風(fēng)輪機(jī)葉片長(zhǎng)度為r。求單位時(shí)間內(nèi)流向風(fēng)輪機(jī)的最大風(fēng)能Pm。

在風(fēng)速和葉片數(shù)確定的情況下，要提高風(fēng)輪機(jī)單位時(shí)間接受的風(fēng)能，簡(jiǎn)述可采取的措施。

（3）已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率P與Pm成正比。某風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速v1 =9 m/s時(shí)能夠輸出電功率P1=540 kW。我國(guó)某地區(qū)風(fēng)速不低于v2=6 m/s的時(shí)間每年約為5 000 h，試估算這臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在該地區(qū)的最小年發(fā)電量是多少千瓦時(shí)。

解析：（1）0.03

（2）風(fēng)垂直流向風(fēng)輪機(jī)時(shí)，提供的風(fēng)能功率最大。

單位時(shí)間內(nèi)垂直流向葉片旋轉(zhuǎn)面積的氣體質(zhì)量為ρvS，S=πr2

風(fēng)能的最大功率可表示為

點(diǎn)評(píng)本題考查的知識(shí)點(diǎn)多，有電能的輸送、能量轉(zhuǎn)化，難度大的是流體的研究方法。對(duì)流體關(guān)鍵是要建立起模型，通常是要建立一個(gè)圓柱體模型。

練習(xí)4（廣東卷第17題）為了響應(yīng)國(guó)家的“節(jié)能減排”號(hào)召，某同學(xué)采用了一個(gè)家用汽車的節(jié)能方法。在符合安全行駛要求的情況下，通過(guò)減少汽車后備箱中放置的不常用物品和控制加油量等措施，使汽車負(fù)載減少。假設(shè)汽車以72 km/h的速度行駛時(shí)，負(fù)載改變前、后汽車受到的阻力分別為2000 N和1950 N。請(qǐng)計(jì)算該方法使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率減少了多少？

四、與現(xiàn)代交通有關(guān)的STSE試題

交通是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，現(xiàn)代交通運(yùn)用了大量先進(jìn)的高科技知識(shí)，動(dòng)車組、磁懸浮列車是現(xiàn)代交通的代表。

例6（天津卷第25題）磁懸浮列車是一種高速低耗的新型交通工具。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖7所示模型。固定在列車下端的動(dòng)力繞組可視為一個(gè)矩形純電阻金屬框，電阻為R，金屬框置于xOy平面內(nèi)，長(zhǎng)邊MN為l平行于y軸，寬為d的NP邊平行于x軸。列車軌道沿Ox方向，軌道區(qū)域內(nèi)存在垂直于金屬框平面的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿Ox方向按正弦規(guī)律分布，其空間周期為λ，最大值為B0，如圖8所示，金屬框同一長(zhǎng)邊上各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，整個(gè)磁場(chǎng)以速度v0沿Ox方向勻速平移。設(shè)在短暫時(shí)間內(nèi)，MN、PQ邊所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化可以忽略，并忽略一切阻力。列車在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作用下沿Ox方向加速行駛，某時(shí)刻速度為v（v＜v0）。

（1）敘述列車運(yùn)行中獲得驅(qū)動(dòng)力的原理。

（2）列車獲得最大驅(qū)動(dòng)力，寫(xiě)出MN、PQ邊應(yīng)處于磁場(chǎng)中的什么位置及λ與d之間應(yīng)滿足的關(guān)系式。

（3）計(jì)算在滿足第（2）問(wèn)的條件下列車速度為v時(shí)驅(qū)動(dòng)力的大小。

解析：（1）由于列車速度與磁場(chǎng)平移速度不同，導(dǎo)致穿過(guò)金屬框的磁通量發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)，金屬框中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流受到的安培力即為驅(qū)動(dòng)力。

根據(jù)左手定則，MN、PQ邊所受的安培力方向相同，此時(shí)列車驅(qū)動(dòng)力的大小

點(diǎn)評(píng)本題以磁懸浮列車驅(qū)動(dòng)為背景，綜合性強(qiáng)，有一定的難度。主要考查學(xué)生是否理解電磁驅(qū)動(dòng)的原理，教材后面有一道電磁驅(qū)動(dòng)的作業(yè)題，而且本題所用的法拉第電磁感應(yīng)定律、安培力公式等等都是學(xué)生熟悉的知識(shí)?？梢?jiàn)，解決好這類試題還是要以教材為本，打牢基礎(chǔ)，再靈活應(yīng)用。

五、與航空航天有關(guān)的STSE試題

眾所周知，當(dāng)今時(shí)代世界各國(guó)外太空競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈，航空航天技術(shù)體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技水平和綜合實(shí)力。我國(guó)在火箭發(fā)射、載人航天等領(lǐng)域取得了輝煌的成績(jī)。航空航天的有關(guān)問(wèn)題也是高考命題的一個(gè)熱點(diǎn)，要引起大家的重視。

例7（山東卷第18題）據(jù)報(bào)道：我國(guó)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)01星”于2008年4月25日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)4次變軌控制后，于5月1日成功定點(diǎn)在東經(jīng)77°赤道上空的同步軌道。關(guān)于成功定點(diǎn)后的“天鏈一號(hào)01 星”，下列說(shuō)法正確的是（）

A． 運(yùn)行速度大于7.9 km/s

B． 離地面高度一定，相對(duì)地面靜止

C． 繞地球運(yùn)行的角速度比月球繞地球運(yùn)行的角速度大

D． 向心加速度與靜止在赤道上物體的向心加速度大小相等

點(diǎn)評(píng)A選項(xiàng)考查了第一宇宙速度，B選項(xiàng)直接考查了同步衛(wèi)星的定義，C選項(xiàng)用周期與角速度的關(guān)系可快速判斷，D選項(xiàng)直接用向心加速度公式a=ω2r判斷，二者的角速度ω相同。答案：BC。

練習(xí)5（廣東卷第12題）圖9是“嫦娥一號(hào)奔月”示意圖，衛(wèi)星發(fā)射后通過(guò)自帶的小型火箭多次變軌，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終被月球引力捕獲，成為繞月衛(wèi)星，并開(kāi)展對(duì)月球的探測(cè)。下列說(shuō)法正確的是（）

A． 發(fā)射“嫦娥一號(hào)”的速度必須達(dá)到第三宇宙速度

B． 在繞月圓軌道上，衛(wèi)星的周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關(guān)

C．衛(wèi)星受月球的引力與它到月球中心距離的平方成反比

D． 在繞月圓軌道上，衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力

例8（全國(guó)卷Ⅱ第25題）我國(guó)發(fā)射的“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星沿近似于圓形的軌道繞月飛行。為了獲得月球表面全貌的信息，讓衛(wèi)星軌道平面緩慢變化。衛(wèi)星將獲得的信息持續(xù)用微波信號(hào)發(fā)回地球。設(shè)地球和月球的質(zhì)量分別為M和m，地球和月球的半徑分別為R和R1，月球繞地球的軌道半徑和衛(wèi)星繞月球的軌道半徑分別為r和r1，月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為T(mén)。假定在衛(wèi)星繞月運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)衛(wèi)星軌道平面與地月連心線共面，求在該周期內(nèi)衛(wèi)星發(fā)射的微波信號(hào)因月球遮擋而不能到達(dá)地球的時(shí)間。（用M、m、R、R1、r、r1和T表示，忽略月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)遮擋時(shí)間的影響）

（練習(xí)題答案：1. A2. （1）F=810 N（2）v=5 m/s（3）P=4 050 W3. C 4. ΔP=1×103 W5. C）