专题三跨学科综合的热点分析

1专题三跨学科综合的热点分析●高考趋势展望为适应教育改革的需要，高考模式的改革也在不断地进行和完善，以能力为立意，以科学知识为基础的“3+X”高考模式已成为新高考的趋势.尽管综合科目的试题目前仍以学科内知识综合为主，试卷仍处“拼盘”阶段，但随着高考改革的不断深入，学科间知识相互渗透的题目数量必将不断增加，因此，认真分析一下各学科间可能相互结合渗透的知识点，对适应新的高考是非常必要的，也是大有裨益的.●知识要点整合物理、化学、生物都是以实验为基础的自然科学，三学科内容的基本原理均来自于实验.在实验的设计、操作、现象的观察与记录、数据的分析与处理等方面存在相同之处，可通过实验来解释自然现象，可通过图表、图形、图象来总结规律.随着各学科内容的发展，三学科的内容已经互相渗透，学科内容之间的界限已变得越来越模糊.正是由于这些共性，使得理、化、生从学科内容到研究方法都存在着千丝万缕的联系.而这些知识和技能的结合点，正是跨学科综合测试题的考查热点.跨学科的综合试题一般来讲应出在理、化、生的知识结合点上，这些结合点粗看并不多，但若仔细推敲，可作为命题立足点的知识仍然层出不穷.若认真分析一下近几年的跨学科综合测试题，从中不难发现其命题的热点主要集中在备受社会广泛关注的焦点问题上.主要涉及到环境、能源、高新技术和人类健康四个方面.基于此，为做好明年的备考工作，希望大家对以下社会热点给予足够的重视.1.物理和化学的知识结合点(1)运用静电学知识解释离子晶体、金属晶体的熔点、沸点高低以及离子半径大小的比较.(2)恒定电流与原电池、电解、电镀间的相互渗透.(3)与摩尔概念相关的物理量在物理和化学中的应用.(4)光学知识与胶体化学的相互渗透.(5)物理学中的原子结构理论和化学中的核外电子排布的相互渗透.(6)放射性同位素及其综合应用.2.物理和生物的知识结合点物理和生物在研究方法上具有相同点，即宏观问题，微观解释.因此，这两个学科在知识渗透与交叉上，有以下几点应引起重视.1.人体循环系统中的三个有关物理问题的讨论与计算：(1)心脏做功问题.心脏是提供血液循环系统的中央泵.其构造和功能为生命科学问题，但心脏的做功问题可用物理学中相关公式计算.(2)运用物理学中有关定律解释人体血管中有关血压问题.(3)动脉粥样硬化导致心脏做功增大问题，该问题可用物理学中的压强、功和能量等概念来解释.2.原子的放射性与食品的保藏、育种、治疗疾病等，是物理学和生物学交叉渗透的又一热点.3.生物学中眼球的构造和物理学中光学照相机原理的有关知识结合，涉及到的物理内容有折射率、凸透镜成像、眼睛视力的矫正、视觉与光子的联系等.4.自然界的能量与人类、动植物的生命活动有密切关系.能源是物理学与生物学联系的纽带.●精典题例解读［例1］（2002年春季理综，31）Fe是地壳中含量很丰富的元素，也是生物体所必需的元素.2（1）自然界中铁矿石主要有赤铁矿和磁铁矿.金属铁是在高炉中冶炼的，高炉炼铁除了加入铁矿石外，还需加入焦炭和石灰石.请填空：①写出磁铁矿主要成分的化学式_____________.②写出赤铁矿被还原成铁的化学方程式：_____________.③写出焦炭在高炉中所参与反应的两个化学方程式：_____________.④写出CaCO3所参与反应的两个化学方程式：_____________.（2）磁铁在电器中有广泛的应用，如发电机.如图3-1所示，已知一台单相发电机转子导线框共有N匝，线框长为l1、宽为l2，转子的转动角速度为ω，磁极间的磁感应强度为B，试导出发电机的瞬时电动势E的表达式.图3-1现在知道有一种强永磁材料钕铁硼，用它制成发电机的磁极时，磁感应强度可增大到原来的K倍.如果保持发电机结构和尺寸、转子转动角速度、产生的电动势都不变，那么这时转子上的导线框需要多少匝？（3）铁是叶绿素生物合成过程中必需的元素，缺铁植株最明显的症状是叶片发黄，请问这一症状先出现在植株的幼叶还是老叶上？为什么？【解析】（1）①Fe3O4②Fe2O3+3CO高温2Fe+3CO2（写成Fe2O3+3C高温2Fe+3CO也给分）③C+O2高温CO2；CO2+C高温2CO；④CaCO3高温CaO+CO2↑;CaO+SiO2高温CaSiO3（2）取轴Ox垂直于磁感应强度，线框转角为θ（如图3-2所示），线框长边垂直于纸面，点A、B表示线框长边导线与纸面的交点，O点表示转轴与纸面的交点.图3-23线框长边的线速度为v=22l一根长边导线产生的电动势为22l·Bsinθ·l1，一匝导线框所产生的感应电动势为E1=l1l2ωBsinθN匝线框产生的电动势应为EN=NE1=Nl1l2ωBsinωt磁极换成钕铁硼永磁体时，设匝数为N′，则有EN′=N′l1l2ωKBsinωt由EN=EN′可得N′=KN（3）幼叶上.因为缺铁植株没有足够的铁供给新生幼叶，原先进入植物体的铁不易移动，所以不能转移到新生幼叶中再度被利用.小结：本题以人们生产、生活和生命中所常见和需要的元素铁为线索，将化学中的炼铁过程、物理中的发电过程和生物的生命活动有机地串联起来，组合成一道综合性较强的试题.但就每一小题的解答，仍是独立地应用某一学科的知识，所以仍属“拼盘”形式.尽管如此，由于一道题中含有多学科内容，解题中要不断更换思维方式，处理起来仍有一定难度，平时做此适当的练习，还是有好处的.［例2］如图3-3所示，在标准状态下，光滑水平面上卧放一质量为M=19kg的导热圆筒形气缸，内半径为10cm，在气缸内放一盆蒸熟的含酒曲的糯米，质量为m=1kg的活塞可在气缸内无摩擦滑动，且不漏气，封闭的气体中无氧气存在.开始时活塞与缸底的距离为10cm，经较长时间后，发现活塞与缸底的距离变为20cm（糯米体积改变忽略不计）求：图3-3（1）写出化学反应方程式，并简要说明理由.（2）产生多少克CO2？糯米的质量减少了多少克？（3）产生的CO2气体对外做了多少功？（4）在活塞向右移动的过程中，气缸向左移动了多少距离？【解析】（1）蒸熟糯米的主要成分是淀粉和水.淀粉在酶的作用下水解成葡萄糖，而葡萄糖在酒化酶的作用下作无氧呼吸而生成酒精和二氧化碳.反应方程式为：（C6H10O5）n+nH2O淀粉酶nC6H12O6C6H12O6酶2C2H5OH+2CO2+能量（2）产生的二氧化碳气体使容器内的气体体积增大，增大的体积即为CO2的体积：4ΔV=πR2ΔL=3.14×12×13=3.14L又在标态下CO2的质量为：m=(3.14÷22.4)×44=6.16g而糯米减少的质量就是放出的CO2质量，也为6.16g.（3）活塞缓慢向外推动空气，受到恒定的空气压力p0S，活塞相对气缸右移ΔL=0.1m故对外做功W=FΔL=p0SΔL=1.013×105×3.14×0.12×0.1J=314J.（4）活塞向右移动的同时，气缸向左移动，系统水平方向动量守恒，设气缸移动速度为v1，距离为L1，活塞移动速度为v2，距离为L2则：Mv1=mv2Mv1t=mv2t即ML1=mL2亦即19L1=1L2①又有：L1+L2=10cm②由①②得L1=0.5cm小结：本题为化学和物理的综合题，主要考查了淀粉的水解、气体做功及动量守恒等知识点.［例3］飞行员驾驶飞机从俯冲状态往上拉时，会发生两次黑视，第一次因为血压降低，导致视网膜缺血，第二次是因为大脑缺血；问：（1）血压为什么会降低？（2）血液在人体循环中所起的作用是什么？（3）为了使飞行员适应这种情况，要在如图3-4的仪器中对飞行员进行训练，飞行员坐在一个在竖直平面内做匀速圆周运动的舱内，要使飞行员受到的加速度a=6g，则转速需为多少？（R=20m）图3-4【解析】（1）当飞行员往上加速时，血液处于超重状态，故血液视重增大，心脏无法像平常一样运输血液，导致血压降低.（2）血液在循环中所起作用为提供氧气、营养，带走代谢所产生的废物.（3）由a向=Rω2ω=Ra向=3rad/sn=2=23=0.27r/s≈17r/min小结：本题为生物、物理综合题，考查了超重、匀速圆周运动、血液循环等知识点.［例4］有一种氢气燃料汽车，将太阳能聚焦产生高温使水分解成H２，然后以Ｈ２为汽车的能源，这样汽车的发动机在工作过程中只排出Ｈ２Ｏ而不污染环境.试回答下列问题：(1)已知1mol汽油(设汽油的成分全部以辛烷计)完全燃烧生成ＣＯ２和液态水放5热890.3kJ，则1gH2和1g汽油分别燃烧后，放出的热量之比约是多少?(2)某汽车公司设计的一种以Ｈ２为燃料的汽车，质量为6000kg，阻力是车重的0.05倍，最大输出功率为60kW，求：①该汽车以a=0.5m/s２的加速度从静止起动，则匀加速过程可维持多长时间?其最大行驶速度是多少?②若此车从武汉以最大速度匀速驶往距武汉300km的南昌，设汽车发动机的效率为50%，求需要多少Ｈ２作燃料?【解析】(1)辛烷燃烧时的热化学方程式为：Ｃ８Ｈ１８（g）+225Ｏ２（ｇ）＝８ＣＯ２（ｇ）＋９Ｈ２Ｏ（ｇ）＋８９０.３kJ则1ｇ汽油完全燃烧放出的热量为：890.3÷114＝7.8kＪ由H２完全燃烧生成液态水的热化学方程式：２Ｈ２（ｇ）＋Ｏ２（ｇ）＝２Ｈ２Ｏ（ｇ）＋５７１.６kJ可知1gH2完全燃烧放出的热量为：571.6÷４＝142.75kJ1gH２和1g汽油完全燃烧放出的热量之比值为：142.75∶７.８＝18.3∶１(2)汽车匀加速运动的过程是：W一定，F-Fμ=ma，所以F也一定，而速度在增加，所以汽车的实际功率P=Fv也增大.当P增至额定功率时，匀加速过程结束.设匀加速过程时间为t.则：由牛顿定律得：F-Fμ=ma①额定功率：P额=Fv②匀加速运动的末速度：v=at③代入数据解①②③可得t=20s当汽车继续加速时F减小，a减小，最终F=Fμ时速度达到最大值.所以最大速度vm＝FP＝10600005.010603m/s＝２０m/s汽车从武汉到南昌牵引力做的功为：W=Fs=fs=0.05×６０００×１０×３００×１０３Ｊ＝９×１０８Ｊ汽车发动机消耗的总能量为：W总＝W＝%501098Ｊ＝１.８×１０９Ｊ因为1molH２完全燃烧放热285.8kJ，所以发动机需消耗的Ｈ２为：m＝39108.2852108.1g＝１.２６×１０４ｇ＝１２.６ｋｇ小结：为拯救人类赖以生存的自然环境，“绿色汽车”工程已在全世界范围内展开，世界各大汽车公司都在争相研制各种新型无污染环保汽车，本题以物理知识为载体，融环境保护、热化学方程计算于一题，主要考查学生理论联系实际的能力.●应用强化训练61.家用微波炉是一种利用微波的电磁能加热食物的新型灶具，主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成.接通电源后，220Ｖ交流经一变压器，一方面在次级产生３.４Ｖ交流对磁控管加热，同时在次级产生2000V高压经整流加到磁控管的阴、阳两极之间，使磁控管产生频率为2450ＭＨｚ的微波.微波输送至金属制成的加热器(炉腔)被来回反射，微波的电磁作用使食物内分子高频地运动而内外同时受热，迅速使食物变熟，并能最大限度地保存食物中的维生素.(1)导体能反射微波，绝缘体可使微波透射，而食物通常含有的成分是______________，较易吸收微波能而转换成热.(2)在使用微波炉时应Ａ.用金属容器盛放食物放入炉内加热器加热B.用陶瓷容器盛放食物后放入炉内加热器加热C.将微波炉置于磁性材料周围D.将微波炉远离磁性材料周围(3)试计算微波输出功率为700Ｗ的磁控管每秒内产生的光子数.(4)试计算变压器的升压变压比.【解析】（1）（2）略（3）磁控管产生的微波（光子）频率v=2450×106Hz,所以每个光子能量E1=hv=6.63×10-34×2450×106J=1.6×10-24J所以磁控管每秒产生的光子数：n=1EP=24-106.1700=4.4×1026(4)21nn=2000220=10011【答案】（1）蛋白质、糖类、脂肪、水、维生素、无机盐（2）BD（3）4.4×1026(4)11∶100