專題六 現代科技20世紀以來，科學技術的發展與進步對人類的生活和生產勞動產生了巨大影響，特別是第二次世界大戰之后，像原子核能的開發與利用、半導體技術與計算機技術的發展、人造衛星的發展、光纖通訊技術、超導的研究等高新科學技術的發展，大大推動了社會的發展，不斷地改變著人們傳統的生活、生活方式和觀念。 現代高科技領域是高考物理命題取之不盡的材料庫，如：衛星登陸、黑洞探尋、暗物質和宇宙起源、探索反物質、太陽同步軌道等問題。該類試題往往以信息給予的方式命題，解題關鍵是對題目正確分析，忽略次要因素，將其抽象為簡單的物理模型，將新科技問題化為物理問題，然后用所學的物理知識求解。可培養學生思維的創造性、嚴密性、批判性，檢驗學生的抽象思維能力。高新科技，雖然“高且新”，然而同樣是依賴于我們熟悉的基礎知識，命題往往以我國及世界上重大科技成果為素材，一般具有“起點高，落點低”的特點，因此在處理這類問題時應做到“不要緊張，仔細分析，逐步解決。”【本專題涉及的物理基礎知識】1.激光及其應用：光學基礎（干涉、衍射、光電效應），激光的性質及應用2.電磁波及其應用：電磁場理論、電磁波的傳播、電視、雷達、通訊3.納米科技：4.地磁場及其應用：地磁場分布、磁感線、生理反應等 【一. 激光】1. 激光的特性及應用原子發光有兩種情形：一種是自發輻射，一種是受激輻射。自發輻射時，各個原子發出的光子是向四面八方輻射的，它們的頻率、初相和偏振方向互不相同，而且每個原子每次發光持續的時間很短，下一次發光又會發出跟前一次不同的光子，因此這些光疊加不會產生穩定的干涉圖樣，這種光是自然光，這就是普通光源發光的情形。原子發光還有另一種情形，就是當原子處于激發態E2時，如果恰好有能量h=E2-El的光子從附近通過，在入射光子的電磁場的影響下，原子會發出一個同樣的光子，而躍遷到低能級E1去，這種輻射叫做受激輻射，受激輻射的光予跟入射光子沒有任何區別，這樣，一個入射光予由于引起受激輻射就變成了兩個同樣的光子，同理可產生更多的相同的光子，使光得到加強，這就是激光。也就是說，由于受激輻射而得到加強的光就是激光。 激光的特點：亮度高、方向性好(平行度好)、單色性好、相干性好。 2. 激光的應用：激光的亮度高、能量集中，可以用來焊接金屬、打孔切割，用作“手術刀”。激光的方向性好，可用來測量距離、速度、軌跡，進行識別和自動跟蹤。激光的單色性好、相干性好的特點，可以用光的干涉方法來精確地測量長度，檢查零件的質量，進行全息照相。激光還可用來輻射種子，培育良種，控制化學變化，用于舞臺布景、激光唱機等。【1】在特定的光諧振腔內，將原子從基態激發至相對穩定的激發態亞穩態，亞穩態的原子受激躍遷就可產生激光.激光的單色性佳、亮度高、方向性強、相干性好，在工業、信息、通信、醫療、科研各領域均有著十分重要的作用。1根據波爾理論，原子的能級是 (填:連續的、不連續).原子從高能級向低能級躍遷時將 (輻射、吸收)光子，該光子的頻率由 決定。2將聲音、圖像等信息加載在激光上可通過光纜進行大容量、高質量的傳輸。光之所以能沿光纖傳輸是利用了光的 現象.在終端機將光信號轉換成電信號時要利用光電效應現象，即 的現象。3解讀VCD視盤的激光波長為780nm，而解讀DVD視盤的激光波長為650nm.由紅光的頻率范圍為3.94.81014Hz,黃光為5.05.21014Hz。可知，這兩種激光分別是 【參考答案】1不連續的 幅射 兩能量級的能量差2全反射 在光的照射下物體發射電子3紅外線和紅光【2】結合光學知識，回答下列問題：1有些動物在夜間幾乎什么都看不見，而貓頭鷹在夜間有很好的視力，其原因是：A不需要光線，也能看到目標 B自身眼睛發光，照亮搜索目標C可對紅外線產生視覺 D可對紫外線產生視覺2用準分子激光器利用氬氣和氟氣的混合物產生激光，用于進行近視眼的治療，用這樣的激光刀對近視眼進行手術，手術時間短，效果好，無痛苦。關于這個治療，以下說法中正確的是：A近視眼是物體在眼球中成像在視網膜的前面，使人不能看清物體B激光具有高度的方向性，可以在非常小的面積上對眼睛進行光凝手術C激光治療近視眼手術是對視網膜進行修復D激光治療近視眼手術是對角膜進行切削3有些動物在夜間幾乎什么都看不到，而貓頭鷹在夜間有很好的視力。根據熱輻射理論，物體發出光的最大波長max與物體的絕對溫度T關系滿足：Tmax2.90103mK，若貓頭鷹的獵物蛇在夜間體溫為27，則它發出光的最大波長為 m，屬于 波段。【參考答案】1C動物的眼睛要看清物體，必須要物體能發光或反射光線，而夜間沒有可見光，但每個有溫度的物體都要輻射紅外線，要看清這些物體，眼睛必須對紅外線產生視覺。2A、B、D激光手術是物理技術用于臨床醫學的最新的成果。人的眼睛是一個光學成像系統，角膜和晶狀體相當于一個凸透鏡，物體通過凸透鏡成像在視網膜上，人就能看清楚物體。當角膜和晶狀體組成的這個凸透鏡的焦距比較小，物體成像在視網膜的前面時，人們不能看清楚物體，這就是近視眼。激光手術不是修復視網膜，而是對角膜進行切削，改變角膜的形狀，使眼球中的凸透鏡的焦距適當變大，物體經過角膜和晶狀體后成像在視網膜上。39.7106 紅外線【3】利用光電管產生光電流可實現自動控制和信號變換。1光電管由對陽極信用活潑的堿金屬制成，原因是這些金屬：A導電性好 B逸出功小 C發射電子多 D電子動能大2產生光電流，入射光必須具備的條件：A光強度足夠大 B光頻率足夠大 C光波長足夠大 D照射時間足夠長【參考答案】1B 2B【4】隱形眼鏡是一種直接貼在角膜表面的超薄鏡片，可隨著眼球的運動而運動，目前使用的軟質隱形眼鏡是由甲醛丙烯酸羥乙酯（HEMA）制成的，中心厚度只有0.05 mm。1近視眼患者戴的HEMA超薄鏡片的邊緣厚度應為 A小于0.05mm B等于0.05mm C大于0.05mm D任意值2根據醫療衛生，下列哪種情況不宜使用軟質隱形眼鏡 A近視 B遠視 C散光 D角膜炎癥【參考答案】本題綜合醫學衛生、透鏡成像原理、化學材料等知識，目的是讓同學們用學過的物理知識來解釋生活中的現象。當一種新技術、新產品問世的時候，要全面了解其特性，對其有正確的分析和判斷能力。1C 2D【5】地球上的“極光”：1出現在：A地球兩極的白天 B地球兩極的夜空 C赤道上空的白天 D赤道上空的夜空2形成的原因：A太陽光的色散 B太陽光的折射C太陽光的反射 D高速帶電粒子碰撞稀薄的大氣分子【參考答案】1B 2D【二. 光導纖維】是一種能傳輸光線的玻璃纖維，多為高純度的石英玻璃（無機高分子材料），也有有機高分子纖維。光導纖維是由幾至幾十微米直徑的內芯和0.10.2mm直徑的外層構成。光通過光纖時，由于內芯玻璃的折射率較高，外層部分的折射率較低，使光線不能透過二者界面，而發生全反射，沿“之”字形向前傳播。那么光纖通信是怎樣進行的呢？光纖通信是先把聲音轉換成電信號，然后把它放大，再用電信號來控制激光器發光，這樣激光器就把代表聲音的電信號轉換成相應的光信號，通過光纖把光信號傳送到接收設備那一端，接收設備將光信號再轉換成電信號，再放大送到聽筒，就能聽到跟發送時一樣的聲音。光纖通信具有許多突出的優點：a.容量大。現在用比兩根頭發絲還細的光纖，就可使幾十萬人同時通話而互不干擾。b.成本低廉。制造光纖用的基本材料是地球上到處都有的石英，原料易得，能節約大量寶貴的有色金屬銅和鋁。c.抗干擾能力強。光纖通信的質量好、穩定，不怕閃電打雷、不怕竊聽、不怕潮濕和化學腐蝕。由于光纖通信具有這么多突出的優點，所以各國都在大力發展光纖通信。發達國家把發展光纖通信列為一項重要技術政策，國內長途通信干線及跨國、洲際海底光纜通信系統不斷建成并投入使用。據統計現在世界上鋪設的通信光纖總長已達1107多公里。我們有理由相信，隨著科學技術的不斷發展，光纖通信技術將會日趨完善，一定會在即將到來的信息社會中大顯身手。【6】根據你對光導纖維的認識，回答以下問題。1光纖通信是一種現代化的通信手段。制造光導纖維的主要原料是：ACaCO3 BSiO2 CCaO DNa2CO32光導纖維傳遞光信號的物理原理是：A光的折射 B光的衍射 C光的干涉 D光的全反射【參考答案】1B 2D【7】光導纖維是非常細的特制玻璃絲，而且是由內芯和外套兩層組成的，如果把光導纖維聚集成束，使其兩端纖維排列的相對位置相同，這樣的纖維束就可以傳送圖像。把要傳送的信號調制到光波上，讓光載著信號沿光導纖維傳送出去，就可以實現光纖通訊，回答下列有關光纖通訊的問題：光纖通訊是一種現代化的通訊手段，制造光導纖維的主要原料是：A CaCO3 B CaO C SiO2 D Na2CO3光纖通訊應用的物理原理是什么？光導纖維在醫學上應用的一個重要器材是什么？說出光纖通訊的突出優點。【參考答案】制造光導纖維的主要原料是SiO2；光纖通訊應用的物理原理是光的全反射現象，光導纖維在醫學上主要應用是制成胃鏡；光纖通訊的突出優點是能夠同時傳送大量信號，對信息的傳輸能力很大。本題光在介質中傳播時的重要應用光纖通訊的材料，物理原理及其特點，把書本知識與現代科學技術有機地結合起來，有利于培養學生的綜合應用的能力，說明；我國的光纖通訊近十幾年來也得到了很大的發展，自80年代初到現在已先后開通了數十條光纖通訊線路，光纖產業已初具規模，目前正處于高速發展階段。【三. 電磁波的應用】 電視：在電視發射端，由攝像管攝取景物并將景物發射的光轉換為電信號。天線則把帶有圖像的電磁波發射出去。在電視接收端，天線受到電磁波后產生感應電流，經過處理后，還原為景物的像。(聲音信號也同理) 雷達：雷達是利用無線電波測定物體位置的無線電設備。 電磁波如果遇到尺寸明顯大于波長的障礙物就要發生反射，雷達就是利用電磁波的這個特性工作的，波長越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射性能越強，因此雷達用的是微波。雷達的天線可以轉動，它向一定方向發射不連續的無線電波(叫做脈沖)，測出從發射無線電波到受到反射波的時間，就可以求得障礙物的距離，再根據發射電波的方向和仰角，便能確定障礙物的位置了。【8】電磁波發生明顯衍射的條件是什么?為什么雷達波采用微波？【解析】當障礙物或孔的尺寸比電磁波的波長小或者與波長差不多時，發生明顯的衍射因為微波的波長較短，不易發生衍射，電磁波的直線性和反射性較好【四. 納米科技】 納米在這里有兩個含義：首先的是空間尺度的概念，一個納米是一個微米的千分之一，約為人發絲直徑的十萬分之一，是幾個原子的排列周期，是DNA雙鏈分子直徑的一半，這表明納米科技系研究納米尺度下的原子、分子現象，結構與功能的關系的一門綜合性科技；另一個含義是思維方式的概念，即人類的科研、生產活動將向更小的尺度、更深的層次發展，例如從微米層次深入至納米層次；生產對象可以越來越小、直至納米級的原子、分子器件。 納米技術是90年代初迅速發辰起來的新的前沿科研領域。它是指在1100納米尺度空間內，研究電子、原子和分子的運動規律、特性和應用的高新技術學科。納米科技的終極目標，是按人的意愿，操縱單個原子、分子構建納米級的具有一定功能的器件或產品。顯然納米科技不只是納米材料學，它還包括納米生物學、納米電子學、納米機械學，是多學科交又研究的新領域。【9】21世紀新科技領域中，納米技術正日益受到各國科學家的關注，回答下列問題：1納米技術指在 水平上制造機械裝置，目前這一技術尚處于幼年期，納米是 單位，1nm等于 m，納米科學與技術是研究結構尺寸在1至100nm范圍內材料的性質和應用。2納米科技是跨世紀新科技，將激光束的寬度聚焦到納米級范圍內，可修復人體已損壞的器官，對DNA分子進行超微型基因修復，把尚令人類無奈的癌癥、遺傳疾病徹底根除。這是利用了激光的 A單色性 B方向性 C高能量 D粒子性3納米技術專家已經制造出直徑只有0.076mm的電動機和只有分子那么大但卻有運動臂的機械裝置，說明納米技術對人類生產和生活的主要作用。【解析】1納米技術指在原子和分子水平上制造機械裝置，納米是長度單位，1納米（nm）等于109m。2將激光束的寬度聚焦到納米級范圍內，可修復人體已損壞器官，對DNA分子進行超微型基因修復，這是利用了激光的高能量（亮度高）和方向性好的兩個特性。選B和C。3利用納米制造納米機器，如用來清除動脈中脂肪的自推進微型外科手術刀艦隊，有用來清理環境廢物的自復制型納米機器人等。納米蝕刻機器將制造出更小的電阻器和電容器，使電子產品進一步微型化。納米機器甚至可以用廢料制造我們想要的任何物品或材料，從而增進人們的健康，清潔環境，甚至能根除地球上的饑餓和各種短缺。【五. 超導技術及應用】一. 超導技術及其應用 1.當溫度下降到4.2K時發現水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性。如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。超導電性和抗磁性是超導體的兩個重要特性。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。經過科學家們數十年的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。 2.超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能 由于超導材料在超導狀態下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩態強磁場。而用常規導體做磁體，要產生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。 超導磁體可用于制作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。 超導發電機幾乎沒有能量損失，單機發電容量比常規發電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少，整機重量減輕，發電效率提高50。磁流體發電機，是利用高溫導電性氣體(等離子體)作導體，并高速通過磁場強度為5萬6萬高斯的強磁場而發電。超導輸電線路，把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節省的電能相當于新建數十個大型發電廠。3.超導有著廣闊的應用前景：超導磁懸浮列車，利用于火車提速；超導計算機，運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。 二. 磁懸浮列車 中國乃至世界上第一條高速磁懸浮鐵路商業運行線已在上海投入運營。什么是磁懸浮列車呢？ 1.高速磁浮列車是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質，使磁鐵具有抗拒地心引力，即“磁性懸浮”。科學家將“磁性懸浮”這種原理運用在鐵路運輸系統上，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車，時速可達幾百公里以上。這就是所謂的“磁懸浮列車”。 2.超導磁懸浮列車利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方，這是列車的懸浮機制。電磁控制系統保證磁懸浮列車與軌道間約10mm的間隙，列車通過長定子同步直線電機來驅動和制動。定子線圈安裝在線路兩側的下面，線圈中的電流產生一個運動磁場。在這個運動磁場的作用下，磁懸浮列車往前高速運行，這是列車的動力機制。由于避免了與軌道的直接接觸，行駛速度也大大提高，其正常的運營速度可以達到每小時430公里。 3.磁懸浮列車的優點及存在的問題 磁懸浮列車速度快，是當今唯一能達到運營速度500公里/小時的地面客運交通工具；相對能耗低，易拐彎、能爬坡，選線靈活，適應能力強。噪音小，無污染，安全、舒適，維修少。 盡管磁懸浮列車技術有上述的許多優點，但仍然存在一些不足。斷電后磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車停電后的制動問題仍然是要解決的問題。常導磁懸浮技術的懸浮高度較低，因此對線路的平整度、路基下沉量及道岔結構方面的要求較超導技術更高。強磁場對人體與環境也有影響。【10】超導是當今高科技的熱點，當一塊磁體靠近超導體，超導體會產生強大的電流，對磁體有排斥作用，這種排斥力可使磁體懸浮空中，磁懸浮列車采用了這種技術。1 導體產生強大的電流，是由于：A.超導體中磁通量很大 B.超導體中磁通量變化率很大C.超導體電阻極小D.超導體電阻變大磁懸浮的原理是：A.超導體電流的磁場方向與磁體相同 B.超導體電流的磁場方向與磁體相反C.超導體使磁體處于失重狀態 D.超導體產生磁力與磁體重力平衡【答案】C B、D【11】提高鐵路運行時速是人們孜孜以求的，鐵道部在2001年10月17日宣布，全國鐵路新一輪提速的各項準備工作已經就緒，已于10月21日零時起，實施第四次大面積提速。這次提速涉及17個省市和9個鐵路局，覆蓋了全國主要大、中城市。 火車作為種先進的運輸工具，最早出現在英國。1825年， 發明