有关诺贝尔物理奖的理科综合题，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,理科论文,物理论文,综合题论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
教学要适应时代的发展，教学内容要跟踪现代科学技术，不断研究和调整好现代科技与基础知识的连接点及生长点，从而培养现代化的创新人才。以诺贝尔物理奖为载体命制的相关试题，着力寻找与物理基础知识相联系的部分，力求反映现代科学与技术的成就，注重情感包装，使题目具有很强的亲和力，在题目与学生之间创设一种触及学生情感和意志领域的情景，有意识地把学生引入一种解题的最佳心理状态。下面举例试之。
一、激光制冷原子
例1 原子在不停地做热运动，为了能高精度地研究孤立原子的性质，必须使他们几乎静止下来并能在一个小的空间区域停留一段时间，为此，美国华裔物理学家朱棣文首创了激光制冷和捕捉气体原子的方法，从而荣获1997年的诺贝尔物理奖。其原理如下：在一个真空室内，一束非常准直的[23]Na原子束（通过样品在1000K高温下蒸发而获得，原子做热运动的速率近似为v[，0]=1000m/s），受一束激光的正面照射，如图1所示。设原子处在基态，运动方向与激光光子运动方向相反。选好激光频率使光子能量E等于钠原子第一激发态与基态能量差，原子就能吸收它而发生跃迁，跃迁后原子速度变为v[，1]，随后该原子发射光子并回到基态，设所发射光子运动方向与速度v[，0]方向总是相同，此时原于速度变为v[，2]，接着重复上述过程，直到原于速度减小到零。
（1）吸收与发射光子的总次数为多少？
（2）原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命，大小约为10[-8]s，忽略每次吸收与发射光子的时间，按上述方式原子从初速v[，0]减小到零，共需多长时间？试估算该时间内
二、玻色——爱因斯坦凝聚
例2 2001年诺贝尔物理学奖联合授予美国科学家埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和德国科学家沃尔夫冈·克特勒，以表彰他们根据玻色——爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色——爱因斯坦凝聚（BEC）”，这三名科学家的成功发现，犹如找到了让原子“齐声歌唱”的途径，这种控制物质的新途径必将给精密测量和纳米技术等领域带来“革命性的”变化。
爱因斯坦曾预言，如果将某些特定原子气体冷却到非常低的温度，那么所有原子会突然以可能的最低能态凝聚，其过程就像在气体中形成液滴，这就是著名的“玻色——爱因斯坦凝聚”。1995年，美国科学家康奈尔和维曼终于在比绝对零度高出千分之二度的超低温度下，使约2000个铷原子形成了“玻色——爱因斯坦凝聚”。同时德国科学家沃尔夫冈·克特勒独立地用钠原子进行实验，也获得了同样的成功。请仔细阅读以上文字，并回答下列问题：
若将铷投入蒸馏水中反应的离子方程式为________。在比绝对零度高出千万分之二度的超低温度下，铷原于形成“玻色——爱因斯坦凝聚”是_________过程（填放热、吸热或既不吸热也不放热），所得凝聚体的凝聚状态是___________（填粉末状或块状）。
分析与解：本题是研究超低温领域的一些新成果与新应用，解题时需要把物理和化学的知识综合起来进行分析，这有利于培养学生理论联系实际的能力和创新能力。
铷为碱金属元素，位于元素周期表第5周期第IA族，和水反应的情况与钠相似，但比钠更剧烈，其与水反应的离子方程式：
根据题中的信息，“玻色——爱因斯坦凝聚”是以可能的最低能态形式凝聚，故其过程为放热过程。由于所有原子是以突然的方式迅速凝聚，故凝聚状态必定是少部分原子的集合体（如题中的约2000个），也即为粉末状凝聚状态。
三、宇宙中微子的探测与宇宙X射线源的发现
例3 2002年诺贝尔物理奖授予在天体物理学领域做出杰出贡献的三位科学家，该奖表彰了两项成果，一项是在探测宇宙中微子方面取得的成就，另一项是发现了宇宙X射线源，这两方面的成就导致了中微子天文学、X射线天文学的诞生，为人类认识宇宙打开了两扇新的窗户。结合以上材料回答下列问题：
（1）太阳是一个巨大的中微子源，太阳内部进行着剧烈的氢核聚变，每4个氢核结合成1个氦核，放出两个正电子和两个中微子（v），试写出上述核反应方程____________。
（2）中微子离开太阳向地球运动的过程中，发生“中微子振荡”，转化为μ子和τ子。科学家通过中微子观测站的观察和理论分析，终于弄清了中微子失踪的比例和机理。若中微子在运动中只转化为τ子和μ子，已知μ子运动方向与中微子方向一致，则τ子的运动方向 （）
A.一定与中微子方向一致
B.一定与中微子方向相反
C.可能与中微子不在同一直线上
D.只能与中微子在同一直线上
（3）贾科尼领导研制了世界第一个宇宙X射线探测器——爱因斯坦X射线天文望远镜，并借此首次发现了宇宙深处的X射线源，获得了宇宙早期演化以及星系的数据和资料。其中X射线的产生机理为 （）
A.原子中自由电子的运动产生
B.原子的外层电子跃迁产生
C.原子的内层电子跃迁产生
D.处于激发态的原子核跃迁产生
（4）在大质量恒星热核反应的最后时刻，中微子导致整个星体发生灾难——“超新星爆发”。恒星内部温度一旦达到5×10[9]K以上，一部分正、负电子湮灭产生中微子对，中微子立即携带产生的全部能量逃离恒星，在1秒中内几乎带走星体全部热量，恒星在瞬间失去支撑星体的热压强，在它自身巨大引力作用下坍缩成一个
（2）由动量守恒定律可知：若μ子的动量大于中微子动量，则τ子的运动方向与中微子原来方向相反；若μ子的动量小于中微子动量，则τ子的运动方向就与中微子原来方向相同。故正确选项为D。
（3）X射线是由原子的内层电子跃迁产生的。答案选择C
（4）正、负电子对湮灭产生中微子对时产生的能量可由爱因斯坦质能方程求得：
即一对中微子带走的能量为1.02MeV
四、生物大分子结构的分析和测定
例4 2002年诺贝尔化学奖三位得主发明了对生物大分子进行结构分析方法和质谱分析法，以及发明了利用核磁共振技术测定生物大分子三维结构的方法。回答相关下列问题：
（1）原子核在磁场中的能量形成若干磁能级，当它吸收外界高频磁场能后，可跃迁到较高的磁能级，这种现象叫核磁共振。测量出不同共振核在生物大分子中分布情况，借助于计算机分析可获得生物大分子三维结构清晰图像。核共振技术中所加外界磁场频率的数值是（）
A.连续的
B.在某一范围内的连续值
C.一系列特定值
D.某一特定值
（2）质谱仪是测定生物大分子结构的重要方法，其特点之一是：用极少量的（10[-9]g）化合物即可记录到它的质谱，从而得知有关分子结构的信息以及化合物的准确的分子量和分子式。质谱仪的结构如图2所示。图中G的作用是使样品分子离子化或碎裂成离子。若离子带正电，电量为e，质量为m，初速度为零，离子在匀强磁场中运行轨迹的半径为R，试回答下列问题：
①若匀强磁场磁感应强度为B时，记录仪记录到一个明显信号，求出该信号对应离子的质荷比（m/e）。
②某科研小组设想使质谱仪进一步小型化，请你提出一些可行的方案。
分析与解：（1）本问意在考察学生的类比联想能力，由磁能级联想到原子能级，由核磁共振联想到原子跃迁，进而由原子跃迁中选择性吸收光子能量，类推核磁共振技术中所加外界磁场频率的数值是一系列特定值，即具有量子化。正确选项为C。
（2）样品分子在质谱仪中被离子化后首先在电场中加速获得能量，由动能定理得：
为使质谱仪进一步小型化，可使用新型超强可变磁场材料，减小离子的偏转半径；也可使用大规模集成电路改造信号放大器，从而大大缩小放大器的体积。