賞析2018年高考江蘇卷第11題力學(xué)實(shí)驗(yàn)題

雷光娟

(江蘇省青陽高級(jí)中學(xué) 江蘇 無錫 214401)

盧 煒

(江蘇省南菁高級(jí)中學(xué) 江蘇 無錫 214437)

2018年高考已經(jīng)結(jié)束,其力學(xué)實(shí)驗(yàn)題為：利用滑輪測(cè)定重力加速度g. 本題是在經(jīng)典的物理模型——阿特伍德模型上的創(chuàng)新．該題考查了考生對(duì)質(zhì)量不計(jì)理想模型的建構(gòu)、熟練找到物理量之間的關(guān)系并運(yùn)用所學(xué)牛頓第二定律的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)的能力,用高中校園常見的橡皮泥這一生活物品來解決實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問題的技能.這道力學(xué)實(shí)驗(yàn)題是在學(xué)生很熟悉的常規(guī)實(shí)驗(yàn)“探究加速度和力、質(zhì)量間關(guān)系”的基礎(chǔ)上更深層次的改編．從而引導(dǎo)學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)原理的理解、重視實(shí)驗(yàn)的規(guī)范和技能的鍛煉、努力提高探究能力,同時(shí)為教師課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供指導(dǎo).

本題涉及滑輪和繩子之間的摩擦，對(duì)學(xué)生應(yīng)用物理原理解決實(shí)際問題的能力進(jìn)行了有效的考查．

1 高考實(shí)驗(yàn)題分析

【原題】某同學(xué)利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量重力加速度g.細(xì)繩跨過固定在鐵架臺(tái)上的輕質(zhì)滑輪,兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘.實(shí)驗(yàn)操作如下：

①用米尺量出重錘1底端距地面的高度H;

②在重錘1上加上質(zhì)量為m的小鉤碼;

③左手將重錘2壓在地面上,保持系統(tǒng)靜止.釋放重錘2,同時(shí)右手開啟秒表,在重錘1落地時(shí)停止計(jì)時(shí),記錄下落時(shí)間;

④重復(fù)測(cè)量3次下落時(shí)間,取其平均值作為測(cè)量值t.

圖1 測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

請(qǐng)回答下列問題:

(1)步驟④可以減小對(duì)下落時(shí)間t測(cè)量的______(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差.

(2)實(shí)驗(yàn)要求小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小很多, 主要是為了______.

A.使H測(cè)得更準(zhǔn)確

B.使重錘1下落的時(shí)間長(zhǎng)一些

C.使系統(tǒng)的總質(zhì)量近似等于2M

D.使細(xì)繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

(3)滑輪的摩擦阻力會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差.現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差,可以怎么做?

(4)使用橡皮泥改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后,重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并測(cè)出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0. 用實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量量和已知量表示g,得g=________

解析：(1)偶然誤差是指測(cè)量結(jié)果與同一待測(cè)量的大量重復(fù)測(cè)量的平均結(jié)果之差．人在讀秒表的誤差可以通過多次測(cè)量取平均值來減小.所以選偶然誤差.

(2)用秒表測(cè)量時(shí)間的時(shí)候，不可避免的誤差來自于人的反應(yīng)時(shí)間，此時(shí)可以通過增加測(cè)量時(shí)間來減小誤差，如在高度不變的情況下減小加速度，當(dāng)小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小得多的時(shí)候使得條件得到滿足．在人反應(yīng)時(shí)間一定的情況下,延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間能夠有效地減小相對(duì)誤差.所以選B.當(dāng)然我們還可以通過增加測(cè)量高度H來增加測(cè)量時(shí)間．

(3)繩子和滑輪摩擦阻力給實(shí)驗(yàn)帶來影響,所以橡皮泥是用來平衡繩子和滑輪之間的摩擦阻力的.在重錘1 上粘上橡皮泥,調(diào)整橡皮泥質(zhì)量直至輕拉重錘1 能觀察到其勻速下落，此時(shí)摩擦阻力得到消除.

(4)設(shè)與重錘1相連的繩子的張力為T1,與重錘2相連的繩子的張力為T2，對(duì)重錘1、鉤碼、橡皮泥的整體，有

(m0+m+M)g-T1=(m0+m+M)a

對(duì)重錘2，有

T2-Mg=Ma

對(duì)與滑輪接觸的一段輕繩(質(zhì)量不計(jì)的輕繩合外力始終為零)

T1-f=T2

又因?yàn)?/p>

f=m0g

所以

根據(jù)

得到

點(diǎn)評(píng)：本題是一道江蘇高考常常涉及的連接體問題，學(xué)生常常在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”的實(shí)驗(yàn)中遇到此模型.命題人將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)“測(cè)重力加速度g”是本題的一大亮點(diǎn).誤差分析是實(shí)驗(yàn)的一大關(guān)鍵,所以試題前兩問分別考查了偶然誤差和系統(tǒng)誤差、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的相關(guān)知識(shí)，體現(xiàn)出出題人對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差分析的重視.第3問是對(duì)平衡摩擦力這一實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)的考查,這一問通過橡皮泥的重力來平衡滑輪的摩擦, 學(xué)生熟悉的方法是用調(diào)整傾斜木板的角度來平衡小車的摩擦力.此問的設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特,展現(xiàn)了試卷命制人超高的水平和創(chuàng)新精神.最后一問通過對(duì)繩兩端物體使用牛頓第二定律求出重錘下落的加速度,然后用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí),求出重力加速度g.這一問是整體法和隔離法在牛頓第二定律的靈活運(yùn)用,準(zhǔn)確得到重錘下落的加速度并不那么容易，這一問最大的亮點(diǎn)在于繩子的兩端拉力并不相等，這一問學(xué)生應(yīng)該敏感地意識(shí)到繩子是輕繩，取與滑輪相接觸的輕繩為研究對(duì)象，輕繩的質(zhì)量為零，不論其加速度是否為零，其合力始終為零. 此題對(duì)學(xué)生的物理思維、計(jì)算能力進(jìn)行了考查,同時(shí)考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力,也培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).本題因?yàn)閮蓚€(gè)重錘加速度方向不同，為了力求嚴(yán)謹(jǐn)我們還是避免使用所謂的整體法：將整個(gè)系統(tǒng)或整個(gè)過程作為研究對(duì)象．

2 對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的感悟

在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過程中，教師應(yīng)該通過分析、演示、學(xué)生自己動(dòng)手操作，讓學(xué)生弄清實(shí)驗(yàn)原理，參與實(shí)驗(yàn)過程，從而使學(xué)生掌握其中的物理規(guī)律和方法，而不是簡(jiǎn)單直接地告知物理結(jié)論并要求記憶．從實(shí)驗(yàn)的基本原理入手,掌握基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用規(guī)范從而正確操作實(shí)驗(yàn)儀器,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、誤差分析.教師要善于借助課本常規(guī)的實(shí)驗(yàn),鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力，重視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作,讓學(xué)生自己動(dòng)手,這樣才能讓學(xué)生暴露出問題，而這些錯(cuò)誤學(xué)生在做題時(shí)經(jīng)常會(huì)犯,只有通過實(shí)際操作暴露出問題并解決了，才會(huì)印象深刻．

在高考前的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師應(yīng)該重新審視課本中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn),思考怎樣才能使學(xué)生從本質(zhì)上充分理解、把握實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)過程．筆者認(rèn)為，可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的整合和實(shí)驗(yàn)方法的比較來深化學(xué)生的理解．只有真正理解了原理，學(xué)生在遇到自己熟悉的物理模型的時(shí)候才不會(huì)輕易下筆，遇到不熟悉的物理模型也不會(huì)無從下筆．例如：在“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,要讓學(xué)生能夠通過牛頓第二定律計(jì)算出繩子中的拉力,然后分析出為什么需要m?M，以及為什么需要平衡摩擦力，而不是單純地去記“平衡摩擦力”及“m?M”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)要點(diǎn).高考實(shí)驗(yàn)中探究性實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)已經(jīng)成為常態(tài),因此教師要以基本器材、基本實(shí)驗(yàn)為基點(diǎn),拓展問題可能呈現(xiàn)的形式,挖掘問題的視角,設(shè)置探究實(shí)驗(yàn)的情境，這樣才能真正培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力，才能讓學(xué)生真正學(xué)會(huì)探究從而提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

3 結(jié)束語

對(duì)于高中物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué),教師首先應(yīng)該立足基礎(chǔ),突出問題的過程與細(xì)節(jié),重視學(xué)生的動(dòng)手能力和參與程度，逐步滲透物理思想.在探究性實(shí)驗(yàn)中,要鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新,讓學(xué)生大膽質(zhì)疑、猜想,勇敢地提出實(shí)驗(yàn)的新方法、新措施,放手讓學(xué)生設(shè)計(jì),允許學(xué)生失敗，時(shí)刻銘記實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)繩.這樣才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神,提高創(chuàng)造能力,鍛煉科學(xué)的思維使方式，使得學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)得到發(fā)展.