既要脚踏实地 又要仰望星空——2018年高考全国卷中与科技前沿相关的物理试题赏析

(四川省成都市玉林中学,四川 成都 610041)

1 引言

全国高考物理考试大纲提出:注意物理知识在生产、生活等方面的广泛应用……有利于激发考生学习科学的兴趣。[1]2018年的全国卷高考物理试题,通过创设物理情景,把当代最新的科技成果展示在学生面前,从而激发其学习科学的兴趣,对于提升学生的科学素养有重要意义。

通过高考这个指挥棒作用,可以有效引导中学教师在实际的教学过程中自觉关注科技前沿的发展。朱邦芬院士指出:高中物理教育的定位,其最主要的功能是为大多数高中毕业学生的终生发展奠定科学基础,由此提高全体国民的科学素质和培养科学精神……其定位不应仅为高校选拔人才。[2]

2 引导学生关注科技前沿的发展——要有仰望星空之兴趣

2.1 以探测引力波为素材编制的试题

例1(全国Ⅰ卷20题):2017年,人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。根据科学家们复原的过程,在两颗中子星合并前约100s时,它们相距约400km,绕二者连线上的某点每秒转动12圈,将两颗中子星都看作是质量均匀分布的球体,由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识,可以估算出这一时刻两颗中子星( )。

A. 质量之积 B. 质量之和

C. 速率之和 D. 各自的自转角速度

本题以人类第一次直接探测到来自双子星合并的引力波为素材,激发学生对引力波的兴趣。而试题实际是一个双星模型,这是一个学生很熟悉的模型。

从这个试题可以看出,试题本身的模型是学生比较熟悉的,难度也不大。这体现了命题者贯彻考试大纲的思路：有利于激发考生学习科学的兴趣。这可以让学生体验到前沿科技不是高不可攀的,是可以理解的,从而拉近了前沿科技与学生的心理距离。

2.2 关于引力波试题的拓展

引力波是爱因斯坦广义相对论的重要预言,人类直接探测到引力波是一个划时代的科学成就。此刻是对中学生进行引力波科普的恰当时机,关于引力波还有哪些可以让中学生了解的内容呢？

(1) 引力波是什么？

引力场本质上是时空弯曲效应,这种效应又以光速传播,那么引力源运动、变化所造成的时空弯曲改变也一定以光速传向远方,这就是引力波。[3]爱因斯坦将广义相对论引力场与麦克斯韦电磁场相类比，预言引力波的存在。[4]

(2) 直接探测引力波的情况简介

2015年9月14日格林尼治时间9时50分45秒,美国激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)接收到首例双黑洞合并引力波信号(GW150914)。该信号是从距离地球13亿光年的空间,由36个太阳质量和29个太阳质量的两个黑洞合并成一个62个太阳质量,有3个太阳质量的能量以引力波的形式辐射出去。[5]

2017年8月17日格林尼治时间12时41分04秒,LIGO和Virgo联合合作组的激光干涉仪探测器到两个中子星合并产生的引力波信号(GW170817)。[5]

(3) 引力波的波速是多少？引力波是横波还是纵波？

点评：澳大利亚人认为，中国投资者与当地酿酒师的结合，可以帮助澳大利亚葡萄酒进入中国市场，对当地的葡萄酒品牌也有益处。

广义相对论推导出引力波的传播速度为光速,引力波是一种横波。[3]

(4) 探测引力波的意义何在？

引力波的探测,为人类打开了一扇研究宇宙的新窗口,标志着多信使天文学时代的到来,标志着引力波天文学、引力波宇宙学时代的到来。因为引力波基本不被吸收、不被散射、不被屏蔽,所以更容易发现新天体或新的物质体系,从而更加清晰地揭示宇宙的真面目。[4-6]

(5) “天琴计划”简介

由中山大学牵头的“天琴计划”,目的是用人造卫星探测目标源引力波(RXJ0806.3+1527)的辐射。其原理是由三颗全同高轨道卫星组成一个等边三角形(如图1),用高精度的激光干涉测距技术记录引力波引起的、不同卫星上检测质量之间细微距离变化,从而获得引力波信息。[6-8]在图1中,S代表太阳,E代表地球,S1、S2、S3代表三颗全同高轨道卫星。

图1

“天琴计划”要完成四个子计划,大约需要二十年的时间,[8]天琴计划可以积累一大批的技术,培养一批科研人才,使中国的引力波科研水平能跻身世界一流水平。通过“天琴计划”的科普介绍可以激发中学生对科研的兴趣和爱国热情。

2.3 以FAST发现脉冲星为素材编制的试题

例2(全国Ⅱ卷16题):2018年2月,我国500m口径射电望远镜(天眼)发现毫秒脉冲星“J0318+0253”,其自转周期T=5.19ms,假设星体为质量均匀分布的球体,已知万有引力常量为6.67×10-11N·m2/kg2。以周期T稳定自转的星体的密度最小值约为( )。

A. 5×109kg/m3B. 5×1012kg/m3

C. 5×1015kg/m3D. 5×1018kg/m3

本题是以FAST发现脉冲星为背景,实质是求脉冲星自转时不发生解体所需要的最小密度,是一个比较基础的试题。

2.4 关于FAST试题的拓展

(1) 我国500m口径射电望远镜(FAST)简介

FAST为一架口径500m、利用已有的喀斯特洼坑为台址、反射面能主动变形的球面射电望远镜(如图2)。FAST涵盖宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构、星系与银河系的演化、恒星类天体乃至太阳系行星与邻近空间事件等的观测研究。[9]

图2

FAST的任务是：巡视宇宙中的中性氢,以探索宇宙的起源和演化；观测脉冲星,研究极端状态下的物理规律；探测星际分子,探索太空生命的起源；搜索星际通信信号,寻找地外文明。[9]FAST探测的内容正是当今科学研究的前沿,这极大地激发了中学生的科学兴趣。

关注FAST,不能不提到FAST工程首席科学家兼总工程师——南仁东先生,他从壮年走到暮年,把一个朴素的想法变成了国之重器,成就了中国在世界上独一无二的项目。他为科学事业奋斗到生命的最后一刻,用无私奉献的精神谱写了精彩的科学人生。

(2) 脉冲星简介

脉冲星因产生严格周期性脉冲信号而得名(如图3),诞生于大质量恒星耗尽其燃料后的超新星爆发。是一种极大致密的天体,密度相当于水的密度的千万亿倍。半径约为10km,自旋周期约为1.4ms到8.5s,自旋周期具有高度的稳定性。脉冲星的磁场强度是地球磁场的十万亿倍,有的脉冲星的磁场可以高达几百亿特斯拉。脉冲星是宇宙中天然的极端物理实验室,是验证强引力场、强磁场、高密度、高能辐射等物理规律的“天然实验室”,它所提供的极端条件是地面实验室无法实现的。在应用研究方面,由于脉冲星有高度稳定的自旋周期,在时间标准和航天器导航方面有非常重要的应用前景。[9-11]

图3

3 结语

在高考试题中引导考生关注科技发展的前沿,创设真实的问题情境,考查学生运用物理知识和方法解决实际问题的能力,这是高考试题发展的一个方向，有利于高校选拔人才,更有利于提高全民的科学素养。通过高考这个指挥棒的作用，可以引导中学生“关心国内外科技发展的现状和趋势”“激发学习物理的好奇心和求知欲”，[12]同时要求中学物理教师自己更要积极主动去跟踪和关注科技发展的前沿,做到既脚踏实地,又仰望星空。