高三物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)要源于教材高于教材

王玉鴻

物理實(shí)驗(yàn)題在高考試卷中占有物理總分的15%左右的比例，可見實(shí)驗(yàn)在高考中占有重要地位.從近幾年高考實(shí)驗(yàn)題看，考試內(nèi)容已從考查課本實(shí)驗(yàn)的原理、步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析逐步過渡到考查考生運(yùn)用學(xué)過的實(shí)驗(yàn)原理、方法解決新穎靈活的實(shí)驗(yàn)問題，注重對(duì)考生創(chuàng)新能力的考查.試題從實(shí)驗(yàn)原理、方法、裝置、數(shù)據(jù)處理方法等多方面進(jìn)行了創(chuàng)新，但學(xué)生遇到這種創(chuàng)新題往往缺乏應(yīng)對(duì)能力，從歷年高考看考生得分率較低.因此，物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δ芊裉岣哧P(guān)系到高三物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的成功與否，是高考能否取勝的關(guān)鍵.

1 實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)要源于教材

1.1 重溫教材實(shí)驗(yàn)

注重能力考查的高考，雖然不會(huì)照搬課本實(shí)驗(yàn)，但解答實(shí)驗(yàn)題所應(yīng)具備的能力必須在掌握課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成.通過復(fù)習(xí)課本實(shí)驗(yàn)的原理、方法、步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等，從中汲取物理元素和思想方法，在解決實(shí)驗(yàn)問題時(shí)加以遷移或應(yīng)用.該如何復(fù)習(xí)“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？我們可以以問題串的形式將幾個(gè)重點(diǎn)問題引向深入，重點(diǎn)問題要能夠揭示重要的物理思想或解決問題的方法.

（1）該實(shí)驗(yàn)探究問題的方法是什么？如何探究？（控制變量法，M一定量，改變F，研究a與F的關(guān)系；F一定時(shí)，改變M，研究a與M的關(guān)系.）

（2）該實(shí)驗(yàn)用到了什么實(shí)驗(yàn)器材，裝置如何？（器材和裝置如圖1所示）

（3）該實(shí)驗(yàn)需測(cè)量哪些物理量？如何測(cè)量？（需測(cè)量小車質(zhì)量、所受的合力、加速度；用天平測(cè)小車的質(zhì)量M、小盤和砝碼質(zhì)量m、通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶可求得加速度.）

追問①：該實(shí)驗(yàn)中將小盤和砝碼的重力作為小車所受的合力需滿足什么條件？（一要平衡摩擦力，二要滿足關(guān)系mM.）

追問②：如何平衡摩擦力？為什么要滿足關(guān)系mM？（脫下細(xì)繩，接上紙帶，將木板安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一端墊高，調(diào)整傾角至小車能勻速下滑；由mg-F=ma，F(xiàn)=Ma得F=mg1+mM，可知，只有當(dāng)mM時(shí)，F(xiàn)≈mg.）

小車受多個(gè)力的作用，無法直接測(cè)量其合力，該實(shí)驗(yàn)通過平衡的方法，將繩子拉力作為小車所受的合力，通過近似的思想，認(rèn)為小盤和砝碼的重力等于繩子拉力，也就是小車所受的合力.通過這樣的復(fù)習(xí)，讓學(xué)生掌握化難為易，間接測(cè)量物理量的方法，領(lǐng)悟平衡摩擦力的巧妙.

（4）根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，如何直觀地探究a、F、M三者之間的關(guān)系？（作出a-F圖象和a-1M圖象，根據(jù)圖象判斷物理量之間的關(guān)系.）

追問：探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，為什么不作a-M圖象，而要作a-1M圖象？

（a-M圖象和a-1M圖象分別如圖2甲、乙所示.圖線甲只能看出M增大時(shí)a減小，但a與M具體是什么關(guān)系，不能得出.而圖線乙是一條過原點(diǎn)的傾斜直線，據(jù)此可判斷a與M成反比.）

利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)中常用的重要方法.在實(shí)驗(yàn)中如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)量x與另一個(gè)量y成反比，那么，x就應(yīng)與1y成正比.因?yàn)樵谔幚頂?shù)據(jù)時(shí)，判斷正比例函數(shù)圖象比判斷一條曲線是否為反比例函數(shù)圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)的直線進(jìn)行處理，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的探究，讓學(xué)生感受到“化曲為直”的好處.

（5）保持小車的質(zhì)量不變，探究a與F的關(guān)系，某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的關(guān)系，圖線如圖3所示，圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是什么，圖線彎曲的原因又是什么？（圖線①不通過原點(diǎn)是由于沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠；圖線②不通過原點(diǎn)是由于平衡摩擦力過度或者說木板的傾角太大；兩條圖線均發(fā)生彎曲是由于隨著砝碼質(zhì)量的增大，不再滿足mM的條件.）

1.2 重做教材實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ男纬沙艘莆諏?shí)驗(yàn)原理還要建立在真正的實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)之上.動(dòng)手操作是實(shí)驗(yàn)的主體，沒有操作過程便沒有實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作中會(huì)遇到意想不到的問題，可以發(fā)現(xiàn)在理論分析中發(fā)現(xiàn)不了的問題.高考實(shí)驗(yàn)題中經(jīng)常考查的實(shí)驗(yàn)儀器安裝、儀器的使用、儀表的讀數(shù)、步驟的排序、操作的糾錯(cuò)、畫電路圖、電路連線、儀器及量程選擇、實(shí)驗(yàn)誤差的處理等都與實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作有關(guān)，真正的考查了考生的實(shí)際操作能力.高三的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)往往是“紙上談兵”，不愿意走實(shí)際操作這一非常重要的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際操作能力較差，實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)不足.如在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，常常看到學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)長木板未伸出桌面導(dǎo)致繩子與桌棱摩擦，繩子不與木板平行，砝碼盤中砝碼質(zhì)量太大等等錯(cuò)誤.

2 實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)要高于教材

現(xiàn)在的高考實(shí)驗(yàn)題緊貼新課標(biāo)的要求，對(duì)學(xué)生的理論分析能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、觀察能力、動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力及誤差分析能力要求不斷提高，試題情境新，起點(diǎn)高，卻都落在核心知識(shí)的運(yùn)用上.高考實(shí)驗(yàn)題以分組實(shí)驗(yàn)為主，要提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，有必要?duì)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行拓展、延伸、改進(jìn)、翻新，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行擴(kuò)展或創(chuàng)新.

2.1 功能延伸

教材中本實(shí)驗(yàn)的這套裝置還可用于做什么實(shí)驗(yàn)？

評(píng)析 這套裝置還可用于做“探究動(dòng)能定理”、 “研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”、“測(cè)定滑動(dòng)摩擦因數(shù)”等的實(shí)驗(yàn)，它們可歸結(jié)為“板塊裝置”，可一“材”多用，這樣便于學(xué)生記憶和應(yīng)用.

2.2 器材重組

利用已有的器材，依據(jù)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行重新組合，從而達(dá)到相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

例1 小組在“探究加速度與物體受力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)出如下的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.已知小車質(zhì)量M，砝碼盤質(zhì)量m0，所使用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率f.其實(shí)驗(yàn)步驟是

A.按圖中所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；

B.調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下做勻速運(yùn)動(dòng)；

C.取下細(xì)繩和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m；

D.先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a；

E.重新掛上細(xì)繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)B—D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度.

問：按上述方案做實(shí)驗(yàn)，是否要求砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？（填“是”或“否”），小車受到的合外力等于.

評(píng)析 該實(shí)驗(yàn)的目的和器材與教材實(shí)驗(yàn)均相同，學(xué)生要回答這兩個(gè)問題首先要理解該實(shí)驗(yàn)的原理，學(xué)生要善于借鑒教材實(shí)驗(yàn)的平衡思想和間接測(cè)量物理量的方法，考查了遷移能力.本題中先調(diào)節(jié)木板的傾角θ讓小車做勻速運(yùn)動(dòng)，則有Mgsinθ=F+f，F(xiàn)=（m0+m）g，取下細(xì)繩和砝碼盤后，小車所受合力

F合=Mgsinθ-f=（m0+m）g，不論（m0+m）與M什么關(guān)系，只要平衡了摩擦力，總有F合=（m0+m）g，所以無需滿足（m0+m）M，同時(shí)小車所受的合力通過天平即可間接測(cè)量了.

2.3 原理創(chuàng)新

例2 如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系.小車上固定一個(gè)盒子，盒子內(nèi)盛有沙子.沙桶的總質(zhì)量（包括桶以及桶內(nèi)沙子質(zhì)量）記為m，小車的總質(zhì)量（包括車、盒子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量）記為M.實(shí)驗(yàn)前將長木板安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端墊高，使小車能勻速下滑.

驗(yàn)證在質(zhì)量不變的情況下，加速度與合外力成正比：從盒子中取出一些沙子，裝入沙桶中，稱量并記錄沙桶的總重力mg，將該力視為合外力F，對(duì)應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中計(jì)算得出.多次改變合外力F的大小，每次都會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)的加速度.本次實(shí)驗(yàn)中，桶內(nèi)的沙子取自小車中，故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變.以合外力F為橫軸，以加速度a為縱軸，畫出a—F圖象，圖象是一條過原點(diǎn)的直線.

①a—F圖象斜率的物理意義是.

②你認(rèn)為把沙桶的總重力mg當(dāng)作合外力F是否合理？

答：.（填“合理”或“不合理”）

③本次實(shí)驗(yàn)中，是否應(yīng)該滿足Mm這樣的條件？

答：（填“是”或“否”）；

理由是.

評(píng)析 該實(shí)驗(yàn)的目的和裝置與教材沒有什么不同，因而學(xué)生常常會(huì)思維定勢(shì)，簡單照搬教材實(shí)驗(yàn)的條件和結(jié)論，誤認(rèn)為研究對(duì)象仍是小車.可是在驗(yàn)證質(zhì)量不變的情況下，加速度與合外力關(guān)系時(shí)，從盒子中取出的沙子裝入沙桶中，這樣小車的質(zhì)量是變化的，但系統(tǒng)的質(zhì)量是不變的，故本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng)，則a=FM+m=mgM+m，可見a—F圖象斜率的物理意義是1M+m，系統(tǒng)的合外力就等于所懸掛沙桶的重力mg，不必滿足Mm這個(gè)條件.這種形似神不似的實(shí)驗(yàn)題，極易造成學(xué)生新舊知識(shí)的碰撞，形成思維的火花，對(duì)開拓學(xué)生思維和培養(yǎng)創(chuàng)新能力不無裨益.

2.4 方法改進(jìn)

例3 研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)欲探究小車質(zhì)量不變時(shí)其加速度與力的關(guān)系，該小組在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套如圖6所示的裝置，圖中A為小車，B為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，C為力傳感器（測(cè)繩子的拉力），P為小桶（內(nèi)有砂子），M是一端帶有定滑輪的水平放置的足夠長的木板.不計(jì)繩子與滑輪間的摩擦.

（1）要順利完成該實(shí)驗(yàn)，除圖中實(shí)驗(yàn)儀器和低壓交流電源（含導(dǎo)線）外，還需要的實(shí)驗(yàn)儀器是（填“刻度尺”、“天平”或“秒表”）.

（2）平衡摩擦力后再按上述方案做實(shí)驗(yàn)，是否要求砂桶和砂子的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？（填“是”或“否”）

評(píng)析 教材實(shí)驗(yàn)中把砝碼和砝碼盤的重力作為小車所受的合力，平衡摩擦力后仍存在系統(tǒng)誤差，實(shí)際上小車的合力等于繩子的拉力，而拉力是小于砝碼和砝碼盤的重力的.本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，用力傳感器可測(cè)得小車受到的拉力，故無需再保證常規(guī)實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量遠(yuǎn)小于的條件了.根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，除了測(cè)得繩子拉力之外，還要根據(jù)紙帶測(cè)得小車運(yùn)動(dòng)的加速度，故還需要刻度尺測(cè)量位移.

本實(shí)驗(yàn)中為了省去平衡摩擦力的麻煩，可以用氣墊導(dǎo)軌來代替長木板.小車的加速度可以利用光電門或傳感器來測(cè)量，借助于計(jì)算機(jī)來處理.

2.5 圖象變化

例4 圖7為驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.圖中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為50 Hz的交流電源.在小車質(zhì)量未知的情況下，某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種方法用來研究“在外力一定的條件下，物體的加速度與其質(zhì)量間的關(guān)系”.

（1）完成下列實(shí)驗(yàn)步驟中的填空：

①平衡小車所受的阻力：小吊盤中不放物塊，調(diào)整木板右端的高度，用手輕撥小車，直到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出一系列間距相等的點(diǎn).

②按住小車，在小吊盤中放入適當(dāng)質(zhì)量的物塊，在小車中放入砝碼.

③打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，釋放小車，獲得帶有點(diǎn)列的紙袋，在紙袋上標(biāo)出小車中砝碼的質(zhì)量m.

④按住小車，改變小車中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)步驟③.

⑤在每條紙帶上清晰的部分，沒5個(gè)間隔標(biāo)注一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn).測(cè)量相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的間距s1，s2，….求出與不同m相對(duì)應(yīng)的加速度a.

⑥以砝碼的質(zhì)量m為橫坐標(biāo)1a為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上做出1a-m關(guān)系圖線.若加速度與小車和砝碼的總質(zhì)量成反比，則1a與m處應(yīng)成關(guān)系（填“線性”或“非線性”）.

（2）圖8為所得實(shí)驗(yàn)圖線的示意圖.設(shè)圖中直線的斜率為k，在縱軸上的截距為b，若牛頓定律成立，則小車受到的拉力為，小車的質(zhì)量為.

評(píng)析 用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)中最常用的方法.它的優(yōu)越性表現(xiàn)在：能形象直觀地表達(dá)物理規(guī)律，有效地減少偶然誤差對(duì)結(jié)果的影響，較方便地獲得未經(jīng)測(cè)量或無法直接測(cè)量的物理量數(shù)值，還能有效地避免錯(cuò)誤.要在理論上確定兩個(gè)物理量為橫縱坐標(biāo)的圖線形狀，首先要根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理找到兩物理量之間的函數(shù)關(guān)系，并且分析圖線的斜率、截距、面積、圖像中的特殊點(diǎn)作代表的含義.本題中設(shè)小車質(zhì)量為M，根據(jù)牛頓第二定律可知，F(xiàn)=（M+m）a，得1a=MF+mF，1a與m為一次函數(shù)關(guān)系，是線性關(guān)系.結(jié)合圖象可知，截距b=MF，得M=bF=bk.無論圖象如何變化，找出橫縱坐標(biāo)所代表的物理量的函數(shù)表達(dá)式是關(guān)鍵.

總之，我們?cè)谖锢韺?shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)過程中，既要注重基礎(chǔ)知識(shí)的全面復(fù)習(xí)，又不能照搬課本，要注重培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、創(chuàng)新能力，才能更好的迎接高考、適應(yīng)高考.