18[1]第二编 第二章 物理、生物综合

第二章物理、生物综合物理和生物学科的融合与升华也是跨学科命题的热点。因为物理学科的研究方法、思维形式具有通用性与普遍性的特点，物理学研究中的基本方法对生物学的研究起着非常重要的借鉴作用。另一方面，生物学的发展又扩大了物理研究的空间。因此，有意识地注意物理学科与生物学科的联系，进行开放式的学习，强化知识的整合，既可扩大学生的知识视野与能力视野，也可培养学生的创新意识与创造能力。物理学中几乎每一重要的知识内容，都与生物学紧密相关，与自然和生活的联系更是丰富多彩，如生物电、人体辐射、温室效应大雁南飞等自然现象，B超、X光透视、CT断层扫描等医学检查手段，都是物理学与生物学知识的综合应用。实践表明，理论联系实际的综合问题，更有利于学生学习知识的迁移和综合能力的培养。一、例题解析例1人在剧烈运动时，处于暂时相对缺氧状态的骨胳肌，可通过无氧呼吸来获得少量能量，(1)A.CO2、水、乳酸B.CO2C.CO2、水D.(2)某同学在跳绳比赛中，1min跳120次，若每次起跳中有54的时间腾空，该同学体重50kg，则他在起跳时向上的速度为多少?他在跳绳过程中克服重力做功的平均功率为多少?(g=10m/s2)【解析】(1)剧烈运动时肌肉处于无氧呼吸状态，其产物应为二氧化碳、水和乳酸，应选(A).(2)每跳一次的时间T=0.5s,向上腾空的时间t=21×(54×0.5)=0.2s,∴v0=gt=2m/s,—P=21mv20/T=20w.例2如右图所示，一位体重75kg的人，使两脚踮起来，那么，一侧的腓肠肌至少用力(设AE＝2AR)，如果他把质量为104kg的货物匀速般上21层楼，且每层楼高3.5m，则他在搬运过程中消耗了mol的葡萄糖(g＝10m/s2)【解析】这道题是物理与生物知识的综合题，脚踮起后，以A为固定转轴，据力矩平衡得F·—AE＝21mg·—ARF＝41mg＝41×750×10＝1875(N)搬运货物过程中，人消耗的能量E耗-W人+W物＝(M+m)gh＝(75+104)×10×(21-1)＝125.3(KJ)，则消耗的葡萄糖摩尔数n＝125.3/1255＝0.1mol.例3在水深超过200m的深海，光线极少，能见度极低，有一种电鳗具有特殊的适应性，能通过自身向外发出生物电，获取食物，威胁敌害，从而保护了自己，若该电鳗的头尾相当于两个电极，它在海水中产生的电场强度达到104N/C.(1)若它身长50cm，在它放电时产生的瞬间电压可达V.(2)决定电鳗这种特性是由于()A.适应性B.应激性C.遗传性D.变异性【解析】本题以电鳗这一特殊动物为基点，考查对电学知识和物生基本特征的掌握，要求具有一定的理论与实际的结合能力和分析能力。电鳗头尾之间可视为一个匀强电场故有U=Ed=104×(50×10-2)=5×103V.(2)(C)例4实验证明，一秒进入人眼瞳孔的波长为5660A的绿光光子数为57个时，我们就能感觉到这种绿光，设点光源发射这种波长的绿光的功率为2w，那么若不计中途损失，最远距点光源多远时，人眼还能看到有光(瞳孔直径约为4mm).【解析】点光源向外发光是球面辐射状的，t时间内球面上的总能量E=Pt,故单位面积上的能量为：24LPt,所以瞳孔上接收到的能量为E0=24LPt×2216Ld=2216LPtd又E0=57thc∴L=(hcPd9122)21代入数据得L=3.13×105m.例5心脏起搏器是一种人造心脏激励器。它向心脏发送小的电脉冲，以使心脏有规则地跳动。心脏起搏器适用于正常、健康的心律被破坏的情况。在多数情况下，病人一辈子都需要起搏器。一个典型的起搏器体积为5cm×5cm×1cm，重约50g，金属盒是用钛作的，外面套着一层橡胶。大多数起搏器是由锂电池或银锌电池驱动。原子能电池也可以应用在这上面，这种电源内有一薄片金属钚，它可以放出热并给一组热电偶供热，从而产生电。图(甲)是一个简单的电子脉冲电路，表示了怎样发出一个规则的电流脉冲。通过调整阻值，可以增高或降低(甲)起搏器适时地向心肌提供电脉冲，它使心脏保持适当的心率，这很像是用电线去接触肌埋植起搏器时，切一个小口使一条大静脉露出，把起搏器的导线插入静脉直通到心脏内部。电极头被稳固地安放在右心室的底部，并与肌肉接触。如图(乙)，起搏器的盒埋放在上胸部的皮肤下面。整个手术只需20分钟就可完成。(乙)(1)心脏的哪一个心室把血液输送到肺部?哪一个心室把血液输送到身体各部?(2)为什么起搏器把电脉冲先送至心房，再送至心室?(3)请想一想为什么起搏器的盒要埋放在胸前，而不装在胸腔内，离心脏更近一些?(4)为什么电极导线要从静脉插入，而不是从动脉插入?(5)心脏起搏器是表明现代技术可以对医学做出重大贡献的一个例子，你还能举出其他的例子吗?【解析】(1)心脏主要是由肌肉组成的器官，它从肺部抽取带氧的血液，并把血液输送到身体的各组织，以便这些组织生存和工作。心脏还把带有二氧化碳的血液输送回肺部，然后由肺部呼出体外。图(丙)表示了心脏的结构。心脏右部收集来自身体各部位的血液，并送到肺部；心脏左部收集来自肺部带氧的血液，并送到身体的各组织。即右心室把血液输送到肺部，左心室把血液输送到身体各部。(2)心脏的跳动由一个“天然起搏器”控制，它通过心脏发送一个电脉冲。这些脉冲先通过两个心房，并使心房收缩，结果通过瓣膜把血液挤进两个心室。在一个很短的间隔后，电脉冲通过心室，又使心室收缩，并把血液挤进肺部或身体各部。从大脑来的信息，通过神经传到天然起搏器，可以使心率加快。偶然地，天然起搏器或传送电脉冲的路径出了毛病，这时起搏器就可用来接替天然起搏器的工作。按照天然起搏器的工作原理，把电脉冲先送至心房，再送至心室。(3)把起搏器的盒安放在胸前的皮肤下，而不是胸腔内，可以避免大的外科手术，检修和更换电池都很方便。(4)电极导线从静脉插入直通到心脏内部，能将起搏器发出的电脉冲沿着导线先传至心房，再传至心室。(5)现代技术对医学做出贡献的例子很多，例如外科器官移植手术、放射医疗法、机械肾等。例6已知某密封的宇航舱中，温度t1＝20℃，气体压强p1＝2.02×105Pa，舱容积为V1＝104。某宇航员在舱内工作一段时间后，他放出的热量使宇航舱内的温度由t1时的20℃上升到t2时的24℃，问在此过程中，宇航员大约消耗了多少升O2(标准状况下)?【解析】第一步先求出舱内温度由20℃上升到24℃时吸收了多少热量(也就是宇航员放出了多少热量)。①先求舱内气体的物质的量：根据公式111TVp＝000TVp，把t1状态转换为标准状态：293101002.245LPa＝2731001.15OaVP→V0≈1.86×105L。所以，舱中气体物质的量为n＝4.220V＝4.221086.15≈8×104(mol)。②求出舱内气体质量：m=nu＝8×104mol×29g/mol＝2.32×103(kg)。Q吸＝cmΔt＝1×103×2.32×103×4＝9.2×106(J)＝9.2×103(kJ)。第二步求出分解葡萄糖的物质的量，由于每分解1mol葡萄糖释放的热量为：2870kJ-1255kJ＝1615kJ，所以，分解葡萄糖的物质的量为：9.2×103÷1615≈5.7(mol)。第三步求出标准状况下耗O2的体积：22.4×(5.7×6)≈766(L)。例7北方冬季，池塘、湖面冻结成冰，渔民们常在冰面上钻孔捕鱼，请回答下列问题：1.从物理学角度来分析，鱼为什么还能在池塘、湖底正常生活?2.从生物学角度分析渔民为什么能在冰孔处捕到鱼?3.“池塘内全部的鱼是一个种群”这种说法对吗?为什么?【解析】1.水的特性为4℃时密度最大，4℃以上时热胀冷缩，4℃以下时热缩冷胀。水是流体，密度大的位于底部。所以，当水的温度低于4℃时，下部的水温度高。湖面冻结成冰，而湖底的温度高于0℃。2.冰孔处氧气含量较高，鱼常游到此处进行有氧呼吸。3.不对。种群是指在一定时间和空间内，同种个体的总和，池塘里的鱼不只是一个种，常有鲤鱼、鲫鱼、鲢鱼、草鱼、青鱼、鳙鱼等多个种。二、能力训练1.海豚有完善的声纳系统，它们能在黑暗的海水中准确而快速地捕捉食物，避开敌害，远远优于现代的无线电定位系统。(1)它利用了自身发出的()A.电磁波B.红外线C.次声波D.(2)海豚的声纳系统远远优于无线电定位系统，其机理是海豚发出的波比无线电波()A.速度快，方向性好B.频率高，抗干扰能力强C.发射能量大，传播距离远D.在水中能量衰减少2.飞行于太空中的宇宙飞船中，放置一株水平方向的幼苗，培养若干天后，根、茎生长的方向是()A.根向下生长，茎向上生长B.根向下生长，茎向下生长C.根向水平方向生长，茎向上生长D.根和茎都向水平方向生长3.某短跑运动员经化验，体液中Ca2+含量太低，比赛时神经肌肉的兴奋性升高而出现抽搐，这一事实说明Ca2+的生理功能之一是()A.构成细胞结构的组成之一B.维持细胞的正常形态C.维持细胞的正常生理功能D.调节渗透压和酸碱平衡4.判断古生物年代常用14C定年法。若千万年以前，始祖鸟通过摄食，吸收了动植物中含有放射性14C的营养物质，死亡后不再吸收。随着年代的推移，始祖鸟体内14C含量逐步减少，古生物学家在对始祖鸟化石的测定中，发现14C为现代鸟的(21N，已知地表中14C的含量基本不变，14C的半衰期为T年。(1)试判断始祖鸟距今年代为()A.NT2B.2NTC.NTD.2NT(2)始祖鸟在进化上处于()A.古代爬行类和鸟类的过渡类型B.C.古代的两栖类和爬行类的过渡类型D.无脊椎动物与脊椎动物的过渡类型5.植物的光合作用是通过叶绿体中的色素来实现的。(1)其中的叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收光，此光是波长较的可见光。(2)大棚蔬菜的罩膜若采用红色，则可()A.增大光通量B.C.增大蓝紫光强度D.(3)用红色罩膜的大棚环境对植物体的作用是()A.增强光反应B.增强暗反应C.增强光合作用D.降低光合作用6.我国科学家在1965年首先用人工方法合成了牛胰岛素，为了证明人工合成的牛胰岛素与天然的是否是同一物质，在人工合成的过程中掺入了放射性元素14C，然后将人工合成的牛胰岛素与天然的混合，得到了放射性14C分布均匀的结晶物，从而证明了两者都是同一物质，为我国在国际上首先合成具有生物活性牛胰岛素提供了有力证据。(1)在人工合成过程中掺入放射性14C的用途是A.催化剂B.媒介质C.组成元素D.(2)以上所述人工合成的牛胰岛素与天然结晶物是同一物质的依据是A.扩散作用B.渗透作用C.相似相溶作用D.物质结构相同(3)人工合成牛胰岛素证明了下列哪个过程是可能的A.从无机小分子转化为有机小分子B.从有机小分子转化为有机高分子C.从有机高分子转化为多分子体系D.从多分子体系演变为原始生命(4)放射性14C可用中子轰击14N获得，生成的14C具有β放射性，试写出上述两个核反应式.7.有些动物在夜间几乎什么都看不到，而猫头鹰在夜间有很好的视力。(1)其原因是：()A.不需要光线，也能看到目标B.C.可对红外线产生视觉D.可对紫外线产生视觉(2)根据热福射理论，物体发出光的最大波长λm与物体的绝对温度T的关系满足：Tλm＝2.90×10-3m·K。若猫头鹰的猎物——蛇在夜间体温为27℃，则它发出的光的最大波长为m，属于波段。8.图(a)是人的上肢图解。8题图根据图(a)，此时手持10kg物体，肱二头肌收缩时所承受的力为()A.大于98NB.等于98NC.小于98ND.等于19.6N9.科学家预言了反物质的存在，假定某一反物质星球，重力的方向是向上的，则地球上的植物种子在该星球上育种，其根的生长方向是，这是由于，在生物学上这种现象称为。10.瞪羚、猎豹等动物具有很强的奔跑能力。(1)瞪羚、猎豹等善于奔跑的动物一般生活的哪种类型的生态系统中?()A.草原生态系统B.森林生态系统C.农田生态系统D.池塘生态系统(2)若瞪羚体重100kg，它的最大速度可达到72km/h，则它的最大动能为J。(3)猎豹的心脏每跳一次输送2×10-4m3的血液，其血压