东北师大研究生 研究生课程《高观点下的中学物理专题分析》试题

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专 业：课程与教学论（物理） 考试科目： 高观点下的中学物理专题分析 考试分数：

2012年9月28日

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东北师范大学研究生课程进修班考试试卷评分表

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高观点下的中学物理教学研究考试题

一、填空题（每题2分，共计20分）

1、物质存在的基本形式是（粒子和场 ）。

2、（麦克斯韦 ）从理论上预言了电磁波的存在，（ 赫兹 ）又

用实验验证了电磁波的存在。

3、吉布斯在《统计力学的基本原理》中建立了（系综 ）体系,提出了

（焓）等概念，阐明了（热 ）等现象的本质。

4、（ 普朗克 ）在物理学史上第一次提出能量子的概念。 5、规范粒子是指（ 传递相互作用的媒介粒子 ）。

6、戴维逊和汤姆逊因验证（ 电子的波动性 ）分享1937年的物理

学诺贝尔奖金。

7、泡利提出（泡利不相容原理 ），获诺贝尔物理学奖。 二、简答题（每题5分，共计25分）

1、例举几个混沌现象。

答：①天体运行的长期行为不可预测；

②单摆当角度大到一定程度并有驱动力和阻力时进入混沌状态；

③机床切削金属时或打印机机头因冲击而引起的混沌振动； ④正常的脑电波近乎随机讯号，其脑电图曲线代表的就是曲型的混沌现象；

⑤电路中的混沌现象:非线性系统的控制； ⑥昆虫繁衍 ⑦蝴蝶效应

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2、粒子物理面临十大问题是什么？

答：粒子物理面临十大问题：

①是否存在未发现的自然规律，如新的对称性和新的物理规律

②是否存在额外维空间

③能否把自然界所有的力统一为一种力？ ④为什么存在如此多的种类不同的粒子？

⑤为什么夸克和轻子只有三代？粒子质量的起源是什么? ⑥什么是暗物质?如何在实验室中产生它？ ⑦什么是暗能量？

⑧中微子能给我们什么启示？它如此微小的质量及其在宇宙演化中的作 用实在是个迷。

⑨宇宙是如何形成的？如果宇宙大爆炸理论是对的，那么大爆炸之前是什么？

⑩为什么今天宇宙中只有物质而没有反物质？

3、举例说明物理学对其它学科的促进作用。

答：①物理学对信息科学发展的促进作用

信息是一种极为重要的社会资源，它与能源、材料并称为现代社会的三大支柱。信息科学的内容包括传感技术、通讯技术、计算机技术和自动化技术。物理学中的原子分子物理、光物理、声学物理以及激光技术、近代光学技术、光电子技术、材料科学技术等对现代信息技术影响最大，构成了信息通讯技术的基础。激光的出现使通讯技术的面貌焕然一新，激光出现后蓬勃发展起来的非线

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性光学在激光技术信息处理和存储、计算技术等方面有重要的应用前景。原子分子物理、光物理和凝聚态物理相结合产生了新的激光器、新的激光波段、新的相干光源和各种各样非线性光学器件，促进了通讯信息科学的飞速发展。而近年来发展起来的“量子信息科学”是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科，涉及物理、计算机、通信、数学等多个学科。由此可见物理学对信息科学的发展具有重要意义。

② 物理学对材料科学发展的促进作用

材料是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。一个国家材料的品种、质量和产量是直接衡量其科学技术和经济发展水平的重要标志。物理学基础研究的新理论、新发现、新效应和新实验技术是材料科学发展的主要动力之一。其中凝聚态物理是物理学中内容最丰富、应用最广泛、最活跃的领域，也是材料技术的基础。随着高温超导、半导体超晶格物理、新型晶体和晶体学、新型磁性材料物理、超微粒子材料(纳米材料)物理等物理学分支的进一步研究，必将极大地推进材料科学的向前发展。

③物理学对能源科学发展的促进作用

随着全球能源的需求量愈来愈大，仅靠大力开发石油、天然气、煤等传统能源已不能满足社会可持续发展的需要。对新能源的开发利用、节约能源成为引人瞩目的新技术，而能源科学的发展完善离不开物理学作为基础和后盾。例如，原子能的开发和利用离不开物理学中的核物理和高能物理学，太阳能的开发利用离不开凝

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聚态物理和光物理学，而近年来物理学家对反物质的研究，则可能会给人类带来新的能源。反物质这东西很神秘，只要一露面，立即就会与正物质结合，同时放出大量的能量。关于通古斯大爆炸有各种假说，其中之一认为，1908年中西伯利亚的通古斯大爆炸，就是由于天外飞来一块由反物质组成的陨石与正物质在通古斯上空结合放出大量能量而造成的。据估计， 一克反物质与正物质结合时，放出的能量相当于世界上几个最大水电站发电量的总和。 ④物理学对空间科学发展的促进作用

空间科学包括应用卫星技术、载人航天技术、从空间研究地球及宇宙整体行为的技术和微重力科学技术，而这些都离不开作为其基础的物理学。物理学研究的水平高低直接决定了空间科学技术的发展。众所周知，物理学是卫星和火箭发射、运行、控制的直接理论基础，天体物理、大气物理和地球物理是空间技术的重要理论背景和设计基础。而物理学家对新能源—反物质的研究，则会促使空间科学飞速发展。物理学家预测，假如利用反物质推动太空船，只需六个星期便可到达火星。 ⑤物理学对生命科学发展的促进作用

生命科学的研究离不开物理学作为基础和手段。研究生命现象会遇到一个根本性的问题:什么是生命?对此，1944年，量子力学创始人之一薛定愕在《什么是生命》一书中预言了遗传密码的存在和生命赖“负熵”而生存。此外他还指出:量子力学应当成为生命科学的基础。这在生命现象研究中是前所未有的突破。运用力学对生命现象的研究，可追溯到伽里略、牛顿和哈维。

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4、21世纪物理学面临九大挑战是什么？

答：21世纪物理学面临九大挑战 挑战1：量子科学和技术。 挑战2：纳米科学。 挑战3：复杂的系统。

挑战4：将物理学应用于生物学和医学。 挑战5：新材料。 挑战6：探索宇宙。

挑战7：统一自然界存在的各种力。

挑战8：物理学在维护国土安全与国家安全中的作用。 挑战9：元挑战。

5、举例说明相对论的时空特点。

答：在狭义相对论中，要把测地线、自平行线、自由质点轨道线均理解为4维时-空中的直线，但这三条线也是合而为一的。为了避免过多地涉及数学，对狭义相对论中的测地线、自平行线、 自由质点轨道线，我们就不详细说明了。只是指出,由于狭义相对论时空的特点,当一个运动质点的速度小于光速时,它沿测地线走过的4维时-空距离最长。测地线在实质上是极值线，由于 习惯常称为测地线。

广义相对论的时空是弯曲时空，在弯曲时空的大范围内，不存在直线，因之其测地线、自 平行线、自由质点轨道线都是4维曲线。这三条曲线是否也是合而为一呢？我们先来指出，

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的 确在广义相对论的时空中，测地线、自平行线、自由质点轨道线这三条4维曲线也是合而为一 的。

三、计算题（共计55分）

1、（10分）子弹穿过一块木板后,损失原有速度的

块同样的木板?

1

，试问它可以穿过几 20

解：设子弹的速度为v0，质量为m，木板的阻力为f，一块木板的厚度为d

1 19 12

-fd m v0 -mv0

2 20 2 则由题意可得： ①

2

mv0

-nfd 0 -

2 ② 设能穿透n块同样的木板，则：

2

由方程①、②可得：n =10.3 故可以穿透10块同样的木板。

2、（15分）如图1所示，在倾角为 的固定光滑斜面上有一从静止开始下 滑的小车，车厢顶上有一摆长为l的单摆，摆球质量为m，求此摆的周期。

a

图1

解：用等效重力加速度的方法，图示如右图，所受重力为mg，

非惯性力为mgsinψ，由余弦定理可得：

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a' g2 (gsin )2-2g gsin .cos(90 - ） gcos

故其周期为：

3、（15分）图2所示为一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳，下端拴一小物块A，上端固定在C点且与一能测量绳的拉力的测力传感器相连。已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内（未穿透），接着两者一起绕C点在竖直面内做圆周运动。在各种阻力都可忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间

t的变化关系如图3所示。已知子弹射入的时间极短，且图15中t 0为A、B开始以相同速度运动的时刻。根据力学规律和题中（包括图）提供的信息，对反映悬挂系统本身性质的物理量（例如A的质量）及A、B一起运动过程中的守恒量，你能求得哪些定量的结果？

F

F

图2

图3

解：由题图（3）可直接得出，A、B一起做周期性运动，运动的周期：

T=2t0 ① 令m表示A的质量，l表示绳长，v1表示B运动到最低点时的速度，v2表示

运动到最高点时的速度，F1表示运动到最低点时绳的拉力，F2表示运动到最高点时绳的拉力.根据动量守恒定律，得：

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m0v0=(m0+m)v1 ②

在最低点和最高点处运用牛顿定律可得：

m0+m v2

F11 m0+m g=

l ③

F m+m g=

mv2

0+m 2

20l 子弹射入后根据机械能守恒定律可得： 2

2l(m m0)g

12(m m12

0)v1 2(m m0)v2 由题图（2）可知

F2=0 ⑥

F1=Fm ⑦

由以上各式可解得，反映系统性质的物理量是

m

Fm

6g m0

⑧

l 36m220v0 5F2

gm

⑨

④

⑤

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子弹射入后A、B一起运动过程中，守恒量是机械能E，若以最低点为势能的零点，则

E

1

m m0 v122 ⑩

解得：

223m0v0E g

Fm

4、（15分）材料的电阻率 随温度变化的规律为 0(1 t)，其 称为电阻恒温系数， 0是材料在t 0 C时的电阻率。在一定温度范围内 是与温度无关的常量，金属的电阻一般随温度的增加而增加，具有正温度系数；而某些非金属如碳等则相反，具有负温度系数，利用具有正负温度系数的两种材料的互补特性，可制成阻值在一定温度范围内不随温度变化的电阻。已知：在0 C时，铜的电阻率为1.7 10 8Ω m，碳的电阻率为3.5 10 8Ω m；在0 C附近，铜的电阻温度系数为3.9 10 3 C-1，碳的电阻温度系数为 5.0 10 4 C-1。将横截面积相同的碳棒与铜棒串接成长1.0m导体，要求其电阻在0 C附近不随温度变化，求所需碳棒的长度（忽略碳棒和铜棒的尺寸随温度的变化）。

解：设碳棒的长度为X, 则铜棒的电阻为 碳棒的电阻温度变化,

则有R1 R2 定值,则有式中t的系数必须为零,即有x≈0.0038m.

R1 1

(1 x)(1 x)

o1(1 1t)ss,

R2 2

xx o2(1 2t)ss,要使得在00c附近总电阻不随