創(chuàng)新物理實驗的復習備考策略

張成清

物理實驗是高中物理的一個重要組成部分，實驗中滲透了很多物理學的基本思想和研究問題的基本方法，學好、做好物理實驗既能幫助考生解決理論上不易理解的問題，又能開拓考生的思維，實現(xiàn)對物理概念和規(guī)律的升華。近三年廣東省物理科高考考試說明中對物理實驗有明確的要求，實驗題的分值占物理科總分的18%，比新課標前的比例還要大，這種高考要求告訴我們加強物理實驗的重要性。在高考復習備考的過程中，應有計劃、有步驟進行物理實驗的復習，使考生從復習中真正獲取解答實驗問題的能力和方法。

從近幾年全國各地的高考物理試題中可以看到，物理實驗出現(xiàn)了一些創(chuàng)新實驗考題，其特點是在高考要求的實驗基礎上進行了一些創(chuàng)新的設計，加入了一些創(chuàng)新因素，要求考生能利用必須掌握的實驗原理、實驗方法，通過自己的理解解答相應的實驗問題。這類實驗跟驗證性實驗和測定性實驗相比，在實驗的能力考查上要求要高一些，但在難度上比設計性實驗和創(chuàng)造性實驗要容易一些，因此，學生在解答這類實驗問題時，答對率能達到60%左右，可以說，這類實驗既能考查學生的實驗能力，又能達到選拔的功能，應該是今后幾年高考的重點。

前幾年考生害怕電學實驗（得分率很低），而對力學實驗比較有心得（得分率相對較高），從廣東高考統(tǒng)計的成績來看，廣東高考的物理實驗題考生的得分發(fā)生了一些微妙的變化，考生在力學實驗的解答中出現(xiàn)了一些問題，其答對率反而低于電學實驗，針對以上的兩類問題，以下筆者就《驗證機械能守恒定律》和《探究動能定理》這兩個實驗談談創(chuàng)新物理實驗的復習備考策略。

一、對《驗證機械能守恒定律》和《探究動能定理》的理解

《驗證機械能守恒定律》主要是通過某種給定的實驗方法，采用合理的手段對某些情況下物體的機械能是否守恒進行驗證，在高考要求中，該實驗主要考查的內(nèi)容有以下幾點。第一，實驗方案設計的合理性：在進行實驗設計時，必須滿足守恒的條件，當條件不能滿足時，必須改進實驗方案，直到守恒的條件能滿足或者基本滿足，這是高考考查的一個考點；第二，實驗器材選擇的基本要求：由于空氣阻力和其它阻力的存在，在選擇實驗器材時，必須考慮選擇物體時要盡可能使阻力的影響可以忽略，這個也是高考考查的一個考點；第三，實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法：記錄的實驗數(shù)據(jù)如何進行合理的處理得到實驗結果往往是高考試題的命題方向之一；第四，正確進行實驗的誤差分析：實驗是有誤差的，實驗誤差的來源及減少實驗誤差的措施是近幾年高考考題的熱點，要能找出實驗誤差的真正所在，再通過恰當?shù)母倪M方法盡可能減少實驗誤差。

《探究動能定理》是一個探究性實驗，在新課標的高考中，很多省的高考試題中出現(xiàn)了該探究實驗，復習時應引起高度的重視。該探究實驗中高考考查的主要問題有這樣幾個方面。第一，注意探究的方法，盡可能創(chuàng)造條件完成實驗；第二，在可能的情況下，可以忽略一些次要因素的影響；第三，采用恰當?shù)姆椒ㄌ幚韺嶒灁?shù)據(jù)，得出正確的實驗結論；第四，能根據(jù)實驗裝置分析實驗誤差，并通過改進實驗條件提高實驗的精度。

二、正確進行實驗的數(shù)據(jù)處理

《驗證機械能守恒定律》的實驗中是利用數(shù)據(jù)來說明機械能是否守恒，因此，數(shù)據(jù)處理是本實驗的重點，也是難點，數(shù)據(jù)處理中主要涉及準確的計算、按照實驗的要求合理保留有效數(shù)字、利用計算的結果得到正確的實驗結論等。

【案例1】某同學用圖1所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。

已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz，當?shù)刂亓铀俣葹間=9.80m/s2。實驗中該同學得到的一條點跡清晰的完整紙帶如圖2所示。紙帶上的第一個點記為O，另選連續(xù)的三個點A、B、C進行測量，圖中給出了這三個點到O點的距離hA、hB和hC的值?；卮鹣铝袉栴}（計算結果保留3位有效數(shù)字）

（1）打點計時器打B點時，重物速度的大小vB= m/s；

（2）通過分析該同學測量的實驗數(shù)據(jù)，他的實驗結果是否驗證了機械能守恒定律？簡要說明分析的依據(jù)。

【分析】（1）根據(jù)紙帶上記錄的實驗數(shù)據(jù)，可以直接利用勻變速直線運動的公式計算重物速度的大小，在計算時注意單位的換算，在有效數(shù)字的處理上，注意實驗的要求.

（2）試題中明確說明了紙帶上的O點為第一個點，因此，v0=0，可以通過計算B點的動能得到動能的增加量，在判斷實驗結論時，允許實驗誤差的存在.

【思路】（1）由vB=知，vB=3.90m/s.

（2）設重物質(zhì)量為m，OB對應的下落過程中重力勢能減少量為ΔEP=mghB=7.70mJ，動能增加量為ΔEk=mvB 2 =7.61mJ.

結論：在誤差允許范圍內(nèi)，可以認為相等，因此驗證了機械能守恒定律.

【答案】（1）3.90；（2）ΔEP=mghB=7.70mJ，ΔEk=mvB 2 =7.61mJ.

在誤差允許范圍內(nèi)，可以認為相等，因此驗證了機械能守恒定律.

【反思】本實驗在進行數(shù)據(jù)處理時，有兩個方面的問題需要正確理解。第一，要根據(jù)實驗的要求保留3位有效數(shù)字；第二，在重物的質(zhì)量m未知的情況下，在驗證時可用含有m的表達式表示動能和勢能的大小。

三、利用驗證機械能守恒的思路進行創(chuàng)新實驗

創(chuàng)新實驗是新課標模式下高考的重點，其創(chuàng)新的思想方法必須要掌握，利用機械能守恒進行創(chuàng)新實驗是一個新的舉措，實驗問題不一定很難，但創(chuàng)新的思想很重要。

【案例2】我國艦載飛機在“遼寧艦”上成功著艦后，某課外活動小組對艦載飛機利用阻攔索著艦的力學問題很感興趣。他們找來了木板、鋼球、鐵釘、橡皮條以及墨水，制作了如圖3所示的裝置，準備定量研究鋼球在橡皮條阻攔下前進的距離與被阻攔前速率的關系。要達到實驗目的，需直接測量的物理量是鋼球由靜止釋放時的 和在橡皮條阻攔下前進的距離，還必須增加的一種實驗器材是 。忽略鋼球所受的摩擦力和空氣阻力，重力加速度已知，根據(jù) 定律（定理），可得到鋼球被阻攔前的速率。

【分析】（1）在忽略鋼球所受的摩擦力和空氣阻力的條件下，可以認為鋼球在釋放時相對于水平木板的重力勢能轉化為鋼球的動能（剛到達橡皮條），之后，鋼球的動能轉化為橡皮條的彈性勢能，因此，既可以利用機械能守恒定律得到鋼球被阻攔前的速率，也可以利用動能定理探究鋼球在橡皮條阻攔下前進的距離與被阻攔前速率的關系。

（2）為了獲取鋼球被阻攔前的速率及鋼球在橡皮條阻攔下前進的距離與被阻攔前速率的關系，本實驗中要利用刻度尺測量有關的長度（鋼球剛釋放時到水平木板的高度及鋼球在橡皮條阻攔下前進的距離。

【答案】距水平木板的高度，刻度尺，機械能守恒（動能）。

【反思】本實驗雖然是一個探究性實驗，但實驗的難度不大，在實驗中不需要求推出鋼球在橡皮條阻攔下前進的距離與被阻攔前速率的關系式，這在一定程度上降低了實驗的難度。只要明確實驗的基本原理，能進行簡單的實驗設計就不難得到正確的答案.

四、創(chuàng)設實驗條件完成實驗

【案例3】“探究恒力做功與動能改變的關系”實驗中（裝置如圖4）：

（1）下列說法哪一項是正確的 。（填選項前字母）

A. 平衡摩擦力時必須將鉤碼通過細線掛在小車上

B. 為減小系統(tǒng)誤差，應使鉤碼質(zhì)量遠大于小車質(zhì)量

C. 實驗時，應使小車靠近打點計時器由靜止釋放

（2）圖5是實驗中獲得的一條紙帶的一部分，選取O、A、B、C計數(shù)點，已知打點計時器使用的交流電頻率為50Hz，則打B點時小車的瞬時速度大小為

m/s（保留三位有效數(shù)字）。

【分析】本實驗中由于細線拉力做功使小車動能發(fā)生改變，問題是影響小車動能改變的因素還有摩擦力，同時也沒有很好的辦法計算細線拉力的大小，只能用鉤碼的重力替代細線拉力，因此，在實驗中必須創(chuàng)設兩個條件，才能完成實驗。第一，將摩擦力的影響消除；第二，合理調(diào)整鉤碼質(zhì)量與小車質(zhì)量關系，使鉤碼的重力能替代細線拉力。

【思路】（1）在平衡摩擦力時，通過適當調(diào)節(jié)墊木的位置，使小車在沒有任何牽引的條件下能在傾斜的木板上作勻速運動，答案A錯；設鉤碼質(zhì)量與小車質(zhì)量分別為m1、m2，由F=ma可以計算出T=m1g，可見，當m1？塏m2時，T=m1g，答案B錯；為了使紙帶能盡可能多記錄小車的運動信息，應使小車靠近打點計時器由靜止釋放，答案C正確。

【答案】（1）C；（2）0.653。

【反思】用圖示的實驗裝置直接探究恒力做功與動能改變的關系有一定的難度，因為影響小車動能的因素太多，很難直接得到恒力的大小，為了完成實驗，只能在現(xiàn)有裝置的基礎上進行改進，創(chuàng)造條件，減少或盡可能消除次要因素的影響才能完成該實驗，這種實驗方法在其它物理實驗中也有所體現(xiàn)，這也是高考試題中一些創(chuàng)新實驗考查的熱點，在復習備考中要高度重視。

五、正確理解實驗條件，變換思路進行探究實驗

【案例4】如圖6所示是某同學做“探究做功與速度變化的關系”的實驗裝置。他將光電門固定在直軌道上的O點，用同一重物通過細線拉同一小車，每次小車都從不同位置由靜止釋放，各位置A、B、C、D、E、F、G（圖中只標出了O、G）離O點的距離d分別為8cm、16cm、24cm、32cm、40cm、48cm，56cm。

（1）該實驗是否需要測量重物的重力 （填“需要”或“不需要”）；

（2）該實驗是否必須平衡摩擦力？ （填“是”或“否”）；

（3）為了探究做功與速度變化的規(guī)律，依次得到的實驗數(shù)據(jù)記錄如下表所示。請在方格紙內(nèi)描點作出v2-d圖象；

（4）從圖像得到的直接結論是 ，從而間接得到做功與物體速度變化的規(guī)律是 。

【分析】本實驗是完成探究做功與速度變化的關系，小車運動的速度可以利用遮光條的寬度和通過光電門的時間較為精確的計算出來，由于引起小車速度變化的因素較多，從實驗的條件來看，無法直接得到外力對小車做的功。從另一個角度看，不管小車從哪個位置由靜止釋放，對小車做功的合力是恒力，根據(jù)恒力做功的規(guī)律及圖示的裝置，可以利用小車的釋放點到光電門的距離d替代外力對小車做的功，再研究小車的速度與距離d的關系也能探究做功與速度變化的關系。

【思路】（1）該實驗不需要測量重物的重力，因為繩子拉力和滑動摩擦力只要是恒力就可以利用位移替代合力做功判斷合力做功與速度變化的關系，不需要計算合力做功的大??；

（2）該實驗不需要平衡摩擦力，原因與（1）相同；

（3）利用實驗數(shù)據(jù)進行描點，再將實驗點用直線連接，如圖所示；

（4）由圖象可知，d與v2成正比，而d可以認為是合力做功的大小，可見，在初速度為零的條件下，力對物體做功與物體速度的平方成正比.

【答案】（1）不需要；（2）否；（3）如上圖所示；（4）d與v2成正比，在初速度為零的條件下，力對物體做功與物體速度的平方成正比。

【反思】（1）用位移替代力對物體做功是一個新的嘗試，可以通過探究位移與速度的關系得到力對物體做功與物體速度的關系，這里突出體現(xiàn)了實驗思維的轉換；

（2）探究實驗的最大特點是其不可預測性，本題作圖時，實驗點可能有偏差，要舍去一些偏差較大的點，再將圖線進行正確連接，才可以得到正確結論。

物理實驗的復習不僅需要掌握常規(guī)的實驗原理、方法和數(shù)據(jù)處理的能力，更重要的是能根據(jù)實驗的器材和條件能解決一些創(chuàng)造性實驗問題，提高自身“閱讀”實驗的能力。近幾年的高考實驗題作出了一些調(diào)整，著重考查實驗的細節(jié)、過程及“閱讀”實驗的能力，你必須要知道別人為什么要這樣完成某實驗（“閱讀”實驗），這種調(diào)整降低了實驗的難度，使實驗題的得分率有所提高，在高考復習備考過程中，要注意這樣一些變化，提高實驗的復習效率，以獲取最好的復習效果。

責任編輯 李平安