联系现代技术的高考试题赏析

(江苏省海门市三厂中学，江苏 海门 226121)

物理教学应密切联系科学、技术和社会(STS)，近年来高考中就有不少联系现代科技的试题，这类题目选材灵活，立意新颖，给人以耳目一新的感觉.下面就让我们来赏析从2013年高考试题中选出的几道题目.

1 光电效应

例题1(北京卷第20题) 以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出.强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实.

光电效应实验装置示意如图1所示，用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率为ν的强激光照射阴极，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量).

图1

本题涉及多光子光电效应，爱因斯坦提出光量子假设时，并不排除在强光下出现多光子过程的可能性．激光出现后，多光子光电效应得以实现，对于多光子光电效应，爱因斯坦方程和光电流-光强关系应予以推广.本题考查光电效应现象的实验规律与对光电效应方程的应用，只有理解光电子的初动能与入射光频率、逸出功的关系，以及加反向电压后，电场力做功情况，才能正确解题.

2 电子能量分析器

例题2(浙江卷第24题) 电子能量分析器主要由处于真空中的电子偏转器和探测板组成.偏转器是由两个相互绝缘、半径分别为RA和RB的同心圆金属半球面A和B构成，A、B为电势值不等的等势面，其过球心的截面如图2所示.一束电荷量为e、质量为m的电子以不同的动能从偏转器左端M的正中间小孔垂直入射，进入偏转电场区域，最后到达偏转器右端的探测板N，其中动能为Ek0的电子沿等势面C做匀速圆周运动到达N板的正中间.忽略电场的边缘效应.

图2

(1)判断球面A、B的电势高低，并说明理由；

(2)求等势面C所在处电场强度E的大小；

(3)若半球面A、B和等势面C的电势分别为φA、φB和φC，则到达N板左、右边缘处的电子，经过偏转电场前、后的动能改变量ΔEK左和ΔEK右分别为多少？

(4)比较|ΔEK左|和|ΔEK右|的大小，并说明理由.

本题解析如下：(1)电子(带负电)做圆周运动，电场力方向指向球心，电场方向从B指向A，B板电势高于A板.

(3)电子运动时只有电场力做功，根据动能定理，有ΔEk=qU，对到达N板左边缘的电子，电场力做正功，动能增加，有ΔEk左=e(φB-φC).对于到达N板右边缘的电子，电场力做负功，动能减小，有ΔEk右=e(φA-φC).

(4)根据电场线特点，等势面B与C之间的电场强度大于C与A之间的电场强度，考虑到等势面间距相等，有|(φB-φc)|>|(φA-φc)|，即|ΔEk左|>|ΔEk右|.

这道关于“电子能量分析器”的试题考查了带电粒子在电场力作用下的运动，需要分析带电粒子的受力情况，判断平行板两板的电势高低，属于中等难度的综合题.考生要了解电场线、等势面的知识，应用牛顿第二定律、动能定理解题.

3 霍尔效应

图3

(1)若该半导体材料是空穴(可视为带正电粒子)导电，电流与磁场方向如图3所示，该同学用电压表测量UH时，应将电压表的“+”接线柱与(填“M”或“N”)端通过导线相连.

(2)已知薄片厚度d=0.40mm，该同学保持磁感应强度B=0.10T不变，改变电流I的大小，测量相应的UH值，记录数据如下表所示.

根据表中数据画出UH—I图线，利用图线求出该材料的霍尔系数为×10-3V·m·A-1·T-1(保留2位有效数字).

I(×10-3A)3.06.09.012.015.018.0UH(×10-3V)1.11.93.44.56.26.8

(3)该同学查阅资料发现，使半导体薄片中的电流反向再次测量，取两个方向测量的平均值，可以减小霍尔系数的测量误差，为此该同学设计了如图4所示的测量电路，S1、S2均为单刀双掷开关，虚线框内为半导体薄片(未画出).为使电流从Q端流入，P端流出，应将S1掷向(填“a”或“b”),S2掷向(填“c”或“d”).

图4

为了保证测量安全，该同学改进了测量电路，将一合适的定值电阻串联在电路中.在保持其它连接不变的情况下，该定值电阻应串联在相邻器件和(填器件代号)之间.

本题解析如下：(1)由左手定则可知，空穴受到的洛伦兹力指向M一侧.该同学用电压表测量UH时，应将电压表的“+”接线柱与M端通过导线相连.

图5

(3)由电源的正负极判断，S1掷向b,S2掷向c.定值电阻应串联在相邻器件S1、E或S2、E之间.

霍尔效应可理解为带电粒子在磁场力的作用下发生偏转，产生附加电场.当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体M、N两侧形成稳定的电势差.本题考查带电粒子在复合场的运动，同时考查相关的数学知识在物理解题中的应用.

4 超导

例题4(天津卷第12题) 超导现象是20世纪人类重大发现之一，日前我国己研制出世上界传输电流最大的高温超导电缆并成功示范运行.

(1)超导体在温度特别低时电阻可以降到几乎为零，这种性质可以通过实验研究．将一个闭合超导金属圈环水平放置在匀强磁场中，磁感线垂直于圈环平面向上，逐渐降低温度使环发生由正常态到超导态的转变后突然撤去磁场，若此后环中的电流不随时间变化．则表明其电阻为零.请指出自上往下看环中电流方向，并说明理由.

(2)为探究该圆环在超导状态的电阻率上限ρ，研究人员测得撤去磁场后环中电流为I,并经一年以上的时间t未检测出电流变化.实际上仪器只能检测出大于ΔI的电流变化，其中ΔI<

(3)若仍使用上述测量仪器，实验持续时间依旧为t．为使实验获得的该圆环在超导状态的电阻率上限ρ的准确程度更高，请提出你的建议，并简要说明实现方法．

本题解析如下：(1)自上往下看环中电流方向为逆时针方向.撤去磁场的瞬间，环所围面积的磁通量突变为零，由楞次定律可知，环中电流的磁场方向应与原磁场方向相同，即向上.由右手螺旋定则可知，环中电流的方向是沿逆时针方向.

设t时间内环中电流释放焦耳热而损失的能量为ΔE，由焦耳定律得：E=I2Rt.

设环中单位体积内定向移动电子数为n，则I=neSv.

式中n、e、S不变，只有定向移动电子的平均速率的变化才会引起环中电流的变化.电流变化大小取ΔI=neS△v.

这题涉及超导的应用性研究，综合性强，难度比较大.考查了楞次定律、电路问题、电流的微观表达式，焦耳定律及能量守恒定律等.

5 结语

从以上的题目可以看出，命题专家已经打破了既定的理想化命题思路.考题追求情境的真实性，即现实中的事物.对考生来讲，学习书本的基础知识的同时，也要关注生活现象，学会思考观察到的现象.考题的模型是新的，但原理与规律仍然不变，所以教学中要注意思想方法的指导，加强基础题型的训练，以提高学生的解题能力与逻辑思维水平.