高考物理考前冲刺（5）联系社会生活，关注前沿科技，破解STSE问题 (含详解)

高考物理冲破高分瓶颈考前必破

破（5）联系社会生活、关注前沿科技、破解STSE问题

一、【真题引领】

(2019·天津高考)2018年，人类历史上第一架由离子引擎推动的飞机诞生，这种引擎不需要燃料，也无污染物排放。引擎获得推力的原理如图所示，进入电离室的气体被电离成正离子，而后飘入电极A、B之间的匀强电场(初速度忽略不计)，A、B间电压为U，使正离子加速形成离子束，在加速过程中引擎获得恒定的推力。单位时间内飘入的正离子数目为定值，离子质量为m，电荷量为Ze，其中Z是正整数，e是元电荷。

(1)若引擎获得的推力为F1，求单位时间内飘入A、B间的正离子数目N为多少。

(2)加速正离子束所消耗的功率P不同时，引擎获得的推力F也不同，试推导的表达式。

(3)为提高能量的转换效率，要使尽量大，请提出增大的三条建议。

【答案】(1)　(2)=，过程见解析  (3)用质量大的离子；用带电量少的离子；减小加速电压。

解读题眼

解析：(1)设正离子经过电极B时的速度为v，根据动能定理，有ZeU=mv2-0      ①

设正离子束所受的电场力为F1′，根据牛顿第三定律，有F1′=F1 ②

设引擎在Δt时间内飘入电极间的正离子个数为ΔN，由牛顿第二定律，

有F1′=ΔNm     ③

联立①②③式，且N=得N=    ④

(2)设正离子束所受的电场力为F′，由于正离子束在电场中做匀加速直线运动，有

P=F′v      ⑤

考虑到牛顿第三定律得到F′=F，联立①⑤式得=  ⑥

(3)为使尽量大，分析=得到三条建议：用质量大的离子；用带电量少的离子；减小加速电压。

失分警示

警示1：不能有效地提取信息。抓不住题目的题眼或关键词。如“电离成正离子”“A、B之间的匀强电场”“正离子加速形成离子束”等。

警示2：看不懂题图所给的信息。题图很形象地告知“气体在电离室电离出正离子，然后在A、B之间电场中加速形成离子束”。

警示3：对未知内容的抵触或害怕。看到“离子引擎推动的飞机”就感觉信息太前沿，直接放弃。要学会将前沿的信息转化成通俗常见的物理模型。

二、【高考猜押】

（1）科学技术类

1.2019年春节期间上映的科幻大片《流浪地球》，很受欢迎，影片中描述的行星发动机为“重元素核聚变发动机”通过燃烧石头获得能量，所谓”重元素核聚变”指的是两个比较重(相对氘，氚)的核，产生聚变形成一个更重的核并放出能量的过程。影片中发动机燃烧石头指的是石头里的硅(Si)聚变生成铁(Fe)，结合以下比结合能图，下列说法正确的是              (　　)

A.结合能是指把原子核拆成自由核子所放出的能量

B.比结合能越大，原子核越稳定

C.Si的比结合能比Fe的比结合能大

D.已知硅核质量，可以算出硅核的结合能

【答案】B　

解析：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，需要能量，这就是原子核的结合能，故A错误；比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故B正确；Fe比Si稳定，Si的比结合能比Fe的比结合能小，故C错误；只知道硅核质量，不足以算出硅核的结合能，故D错误。

2.磁流体推进船的动力来源于电流与磁场间的相互作用。图甲是在平静海面上某实验船的示意图，磁流体推进器由磁体、电极和矩形通道(简称通道)组成。模型原理简化如图乙所示，通道尺寸a=2.0 m、b=0.2 m、c=0.10 m。工作时，在通道内沿z轴正方向加B=6.0 T的匀强磁场；沿x轴负方向加匀强电场，使两金属板间的电压U=200 V；海水沿y轴方向流过通道。已知海水的电阻率ρ=0.20 Ω·m。则              (　　)

A.船静止时，接通电源瞬间通道内电阻R=20 Ω

B.船静止时，接通电源瞬间通道内电流大小I=1 000 A

C.船静止时，接通电源瞬间推进器对海水推力大小F=120 N

D.船匀速前进时，若通道内海水速率v=5.0 m/s，则海水两侧的电压U′=26 V

【答案】B　

解析：船静止时，根据R=ρ可知接通电源瞬间通道内电阻R=ρ=0.20× Ω=0.2 Ω，故选项A错误；船静止时，根据欧姆定律可知，接通电源瞬间通道内电流大小I== A=1 000 A，故选项B正确；船静止时，接通电源瞬间推进器对海水推力大小F=BIb=6×1 000×0.2 N=1 200 N，故选项C错误；船匀速前进时，则海水两侧的感应电动势E=Bvb=6×5.0×0.2 V=6 V，海水两侧的电压U′=U-E=194 V，故选项D错误。

3.2019年4月10日，人类史上首张黑洞照片发布，黑洞最初是一个衰老的巨大恒星。随着恒星中心的“燃料”不断消耗，恒星内核开始塌缩。最终，所有物质缩成一个体积接近无限小的奇点。奇点会形成强大引力场，就连光也会被吸进去，至此黑洞诞生。拍摄黑洞用的是事件视界望远镜，该望远镜收集到的是一种波长比光波更长的亚毫米波。发布的图片中心黑暗区域正中为黑洞，周围环绕一个新月状光环，一侧亮一些，另一侧暗一些，是因为光环旋转，导致接收者接收到相位和频率变化造成的。根据以上信息和已学知识分析下列说法正确的是              (　　)

A.恒星发光发热是恒星内部的核裂变造成的

B.环状新月型光环上下两侧不对称是多普勒效应造成的

C.黑洞的第一宇宙速度是光速

D.事件视界望远镜收集的亚毫米波比可见光的频率大

【答案】B　

解析：恒星发光发热是恒星内部的核聚变造成的，故A错误；环状新月型光环上下两侧不对称是因为光环旋转，导致接收者接收到相位和频率变化造成的，此现象属于多普勒效应，故B正确；黑洞的第二宇宙速度(逃逸速度)是光速，故C错误；望远镜收集到的是波长比可见光波长更长的亚毫米波，而波长和频率成反比，所以收集的亚毫米波比可见光的频率小，故D错误。

（2）社会环境类

4.2019年5月17日23点48分，长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射我国北斗卫星导航系统第45颗卫星(北斗二号GEO-8卫星)。该卫星是我国北斗区域导航卫星系统的第4颗备份卫星，属于地球静止同步轨道卫星。至此，北斗二号卫星导航系统圆满收官。则北斗二号GEO-8卫星在轨道运行时，

其 (　　)

A.线速度大于第一宇宙速度

B.角速度大于月球绕地球运行的角速度

C.向心加速度大于地面的重力加速度

D.每隔24 h都会有两次经过赤道上空

【答案】B　

解析：第一宇宙速度是近地飞行的线速度，则可知北斗二号GEO-8卫星的线速度小于第一宇宙速度，故A错误；由题意可知北斗二号GEO-8卫星是地球同步卫星，则其运行周期为24 h，小于月球绕地球运行的周期，根据ω=可知其角速度大于月球绕地球运行的角速度，故B正确，D错误；在地球表面上的物体重力等于万有引力，即mg=，可得地面的重力加速度为g=，对北斗二号GEO-8卫星有m′a=，得其向心加速度为a=，则可知北斗二号GEO-8卫星的向心加速度小于地面的重力加速度，故C错误。

5.(多选)如图甲为新能源电动汽车的无线充电原理图，M为匝数n=50匝、电阻r=1.0 Ω的受电线圈，N为送电线圈。当送电线圈N接交变电流后，在受电线圈内产生了与线圈平面垂直的磁场，其磁通量Ф随时间t变化的规律如图乙。下列说法正确的是 (　　)

A.受电线圈产生的电动势的有效值为10 V

B.在t1时刻，受电线圈产生的电动势为20 V

C.在t1～t2内，通过受电线圈的电荷量为4×10-2 C

D.在t1～t2内，通过受电线圈的电荷量为2×10-2 C

【答案】A、D　

解析：由图乙可知，T=π×10-3 s，受电线圈的最大磁通量为Φm=2.0×10-4 Wb，所以受电线圈产生的电动势最大值为：Em=nΦm·=50×2.0×10-4× V=20 V，所以受电线圈产生的电动势的有效值为E==10 V，故A正确；由图乙可知，t1时刻磁通量变化率为0，由法拉第电磁感应定律可知，此时受电线圈产生的电动势为0 V，故B错误；由公式q=，代入数据解得：q== C=2.0×10-2 C，故C错误，D正确。

6.如图所示是网球发球机，某次室内训练时将发球机放置于某一竖直墙面前，然后向墙面发射网球。假定网球水平射出，某两次射出的网球a、b运动轨迹如图虚线所示，碰到墙面时与水平方向夹角分别为30°和60°、若不考虑网球在空中受到的阻力，则a、b两球              (　　)

A.a球初速度较大　

B.a球在空中飞行的时间较长

C.a球碰到墙面时速度较大　

D.a球速度变化量较大

【答案】A　

解析：在平抛运动过程中，有：h=gt2；x=v0t；位移与水平方向夹角的正切值为：tan α==；速度与水平方向夹角的正切值为：tan β==。则有：tan β=2tan α。在平抛运动中，有：h=x·tan α=x·。两球碰到墙面时与水平方向夹角分别为30°和60°，所以==，由h=gt2可得：==，初速度：v0=，可得：=，所以a的初速度较大，而飞行的时间较小。故A正确，B错误；由于末速度：vt=可知，==，所以两球碰到墙面时速度大小相等，故C错误；a飞行的时间较短，由Δv=gΔt可知a速度变化量较小，故D错误。

7.2019年4月24日15时许，受强对流云团影响，温州市多地出现暴雨、冰雹天气。有报道称，当天某学校正在户外举办招聘会，有学生被冰雹砸伤。冰雹一般自4 000 m～20 000 m的高空下落，是阵发性的灾害性天气，超过5 cm的冰雹不间断打击头部，就会导致昏迷。若冰雹竖直下落过程中受到的空气作用力与速度平方成正比，比例系数k=0.000 4 kg/m，一块质量m=36 g的冰雹(可认为过程中质量始终保持不变)自4 000 m高空下落，落地前已达到下落的最大速度。求：

(1)冰雹下落的最大速率vm；

(2)当下落时速度v=10 m/s时的加速度a大小；

(3)下落过程中克服空气作用力所做的功Wf。

【答案】(1)30 m/s　(2) m/s2   (3)1 423.8 J

解析：(1)冰雹的速度达到最大时，合力为零，根据平衡条件有：f=k=mg

代入数据得最大速度为

vm== m/s=30 m/s

(2)根据牛顿第二定律则有：ma=mg-kv2

可得加速度为：a=g-v2=(10-×102) m/s2= m/s2

(3)全过程中，由动能定理有：

m=mgh-Wf

代入数据可得：Wf=1 423.8 J