2018年高考力學實驗題特點分析與備考啟示

摘 要：實例解讀2018年高考力學實驗題具有注重基本儀器的使用與讀數(shù)、注重基本實驗的創(chuàng)新與變化、注重實驗思想與方法的遷移與應(yīng)用、注重實驗數(shù)據(jù)的分析與處理等特點，探索高考物理實驗備考策略.

關(guān)鍵詞：高考；力學實驗；特點分析；備考啟示

作者簡介：許文（1966-），湖北洪湖人，中學高級教師，研究方向：物理高考與競賽.

2018年高考物理實驗題仍以力學、電學為主要內(nèi)容，分兩題考查，且力、電實驗并重，分值在15分左右.題型一般為填空、選擇、作圖、簡答等，考查類型以基礎(chǔ)應(yīng)用、原理遷移、創(chuàng)新設(shè)計為主.要求考生理解實驗原理、用實驗方法解決新穎靈活的相關(guān)物理問題，強化對考生創(chuàng)新能力及探究能力的考查.本文通過實例分析2018年高考物理力學實驗題特點，探討2019年高考力學實驗備考策略.

一、考綱要求與試題概述

物理考綱中明確要求考生掌握的七個力學基本實驗是：（1）研究勻變速直線運動；（2）探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系；（3）驗證力的平行四邊形定則；（4）探究加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系；（5）探究動能定理；（6）驗證機械能守恒定律；（7）驗證動量守恒定律.2018年高考力學實驗題考查的主要內(nèi)容如下表.

從上表中可以看出，高考力學實驗考查對基本實驗的改進、遷移與創(chuàng)新.利用已學過的知識，對實驗器材或?qū)嶒灧椒右灾亟M，改進實驗測量手段與測量技術(shù)，設(shè)計實驗方案解決新問題，突出實驗原理的遷移、測量方法的遷移、數(shù)據(jù)處理方法的遷移（用圖象法分析處理實驗數(shù)據(jù)）等.

二、試題特點與備考啟示

1.注重基本儀器的使用與讀數(shù)

2018年高考力學實驗全國卷I考查了游標卡尺讀數(shù)；全國卷Ⅱ、天津卷考查了彈簧測力計的使用與讀數(shù)；北京卷考查了打點計時器的使用及紙帶的測量與計算等.力學實驗中基本儀器的使用與物理量的測量方法如下表.

表2

待測量測量器材方法說明

長度刻度尺毫米刻度尺精度為1 mm，讀數(shù)時應(yīng)估讀到01 mm

游標卡尺（1）讀數(shù)：測量值= 固定刻度上指示的毫米數(shù)+精度×游標尺對齊的格數(shù)

（2）精度：10分度的游標卡尺精度為01 mm，20分度的游標卡尺精度為005 mm，50分度的游標卡尺精度為002 mm.

（3）游標卡尺不估讀

螺旋測微器（1）讀數(shù)：測量值=主尺上指示的毫米數(shù)（注意半毫米刻線是否露出）+精度×轉(zhuǎn)動圓筒上與主尺中心刻線所對應(yīng)的刻度值（注意刻度值要估讀）

（2）精度：螺旋測微器精度為001 mm

時間機械秒表讀到01s （不需要估讀）

打點計時器（1）t=nT（n表示打點的時間間隔的個數(shù)，T表示打點周期）

（2）打點周期與所接交流電周期相同

光電計時器光電計時器能自動記錄擋光時間，顯示在讀數(shù)窗口

力彈簧測力計力的大小=精度×指針指示的格數(shù)（估讀到最小刻度的下一位）

速度打點紙帶若紙帶做勻變速直線運動，則打某點時的瞬時速度等于對應(yīng)的平均速度

頻閃照相利用等時間間隔照片信息記錄物體在不同時刻的位置

光電門（1）v0=dΔt（d表示滑塊上擋光片寬度，Δt表示擋光片擋光時間）

（2）擋光片的寬度d很小，可用平均速度表示其瞬時速度

2.注重基本實驗的變化與創(chuàng)新

21 對基本實驗的實驗原理與測量器材、測量手段的改進

例1 （2018全國卷Ⅰ第22題）如圖1（a），一彈簧上端固定在支架頂端，下端懸掛一托盤；一標尺由游標和主尺構(gòu)成，主尺豎直固定在彈簧左邊；托盤上方固定有一能與游標刻度線準確對齊的裝置，簡化為圖中指針.

現(xiàn)要測量圖1（a ）中彈簧的勁度系數(shù).當托盤內(nèi)沒有砝碼時，移動游標，使其零刻度對準指針，此時標尺讀數(shù)為1950 cm；當托盤內(nèi)放有質(zhì)量為0100kg的砝碼時，移動游標，再次使其零刻度對準指針，標尺示數(shù)如圖1（b）所示，其讀數(shù)為cm.當?shù)氐闹亓铀俣却笮?80 m/s2，此彈簧的勁度系數(shù)為N/m（保留3位有效數(shù)字）.

解析 圖（b）為20分度的游標卡尺，其讀數(shù)：

37mm + 15×005mm = 3775mm = 3775cm；

由胡克定律得：Δmg=ΔF=kΔx，故k=ΔmgΔx=0100×980（3775-1950）×10-2N/m=537N/m

答案 3775；537

點評 本題是基本實驗“探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系”的改變與創(chuàng)新，將基本實驗中用刻度尺測量彈簧的長度改用游標卡尺測量，以提高對彈簧長度測量的精度；實驗原理是胡克定律，但要求能將F = kx理解推廣到ΔF = kΔx.本題還考查了對有效數(shù)字的理解與應(yīng)用.

教材中的基本實驗是創(chuàng)新之本，我們在備考復(fù)習中不應(yīng)舍本求末，丟開教材中的基本實驗而一味地追求一些創(chuàng)新實驗，這樣就會感到如空中樓閣，虛無縹緲.

2.2 將基本實驗進行組合，實現(xiàn)一個裝置多用

例2 （2018北京卷第21題）用圖2所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律.主要實驗步驟如下：

a.安裝好實驗器材.接通電源后，讓拖著紙帶的小車沿長木板運動，重復(fù)幾次.

b.選出一條點跡清晰的紙帶，找一個合適的點當作計時起點O（t = 0），然后每隔相同的時間間隔T選取一個計數(shù)點，如圖3中A、B、C、D、E、F ……所示.

c.通過測量、計算可以得到在打A、B、C、D、E……點時小車的速度，分別記作v1、v2、v3、v4、v5……

d.以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系，在坐標紙上描點，如圖4所示.

結(jié)合上述實驗步驟，請你完成下列任務(wù)：

（1）在下列儀器和器材中，還需要使用的有和（填選項前的字母）.

A.電壓合適的50 Hz交流電源

B.電壓可調(diào)的直流電源

C.刻度尺

D.秒表

E.天平（含砝碼）

（2）在圖4中已標出計數(shù)點A、B、D、E對應(yīng)的坐標點，請在該圖中標出計數(shù)點C對應(yīng)的坐標點，并畫出v - t圖象.

（3）觀察v-t圖象，可以判斷小車做勻變速直線運動，其依據(jù)是.v-t圖像斜率的物理意義是.

（4）描繪v-t圖象前，還不知道小車是否做勻變速直線運動.用平均速度ΔxΔt表示各計數(shù)點的瞬時速度，從理論上講，對Δt的要求是（選填“越小越好”或“與大小無關(guān)”）；從實驗的角度看，選取的Δx大小與速度測量的誤差（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）.

（5）早在16世紀末，伽利略就猜想落體運動的速度應(yīng)該是均勻變化的.當時只能靠滴水計時，為此他設(shè)計了如圖5所示的“斜面實驗”，反復(fù)做了上百次，驗證了他的猜想.請你結(jié)合勻變速直線運動的知識，分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的.

解析 （1）打點計時器需用交流電源；為了計算速度需要利用刻度尺測量長度.故需要的儀器選A、C；

（2）利用所給點跡描點連線，得圖象如圖6所示.其中C點坐標為（3T， v3 ）；

（3）結(jié)合圖象可以看出小球速度隨時間均勻變化，所以小球做勻加速運動，圖象的斜率代表了運動加速度；

（4）Δt 越小，則ΔxΔt 越接近計數(shù)點的瞬時速度，所以Δt越小越好；計算速度需要用到Δx 的測量值，所以Δx大小與速度測量的誤差有關(guān).

（5）如果小球的初速度為零，其速度v ∝ t，那么它通過的位移x ∝t 2.因此，只要測量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化.利用滴水測時可以得到小球運動的時間，并測出小球在相應(yīng)時間內(nèi)運動的位移，則可以驗證.

答案 （1）A、C；（2）如圖6所示；（3）小車的速度隨時間均勻變化，加速度；（4）越小越好，有關(guān)；（5）見解析

點評 打點計時器與紙帶類實驗是力學中的基本實驗.本題實驗裝置可以研究勻變速直線運動；探究加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系；探究做功與速度的變化、驗證機械能守恒定律等.將基本實驗進行組合，可實現(xiàn)一個裝置多用.處理紙帶（類紙帶）問題的基本思路和方法：（1）用相等時間內(nèi)的位移差是恒量求解未知位移；（2）用相等時間內(nèi)的位移差Δx=aT2求加速度；（3）用瞬時速度公式計算除端點外各點的瞬時速度.

2.3 用已有的知識與方法設(shè)計實驗解決新問題

例3 （2018全國卷Ⅲ第22題）甲、乙兩同學通過下面的實驗測量人的反應(yīng)時間.實驗步驟如下：

（1）甲用兩個手指輕輕捏住量程為L的木尺上端，讓木尺自然下垂.乙把手放在尺的下端（位置恰好處于L刻度處，但未碰到尺），準備用手指夾住下落的尺.

（2）甲在不通知乙的情況下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夾住尺子.若夾住尺子的位置刻度為L1，重力加速度大小為g，則乙的反應(yīng)時間為（用L、L1和g表示）.

（3）已知當?shù)氐闹亓铀俣却笮間=980m/s2，L=300 cm，L1=104 cm，乙的反應(yīng)時間為s.（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）

（4）寫出一條提高測量結(jié)果準確程度的建議：.

解析 （2）根據(jù)題述，在乙的反應(yīng)時間t內(nèi)，尺子做自由落體運動下落的高度為h=L-L1，由h=12gt2，解得：t=2（L-L1）g；

（3）將題給數(shù)據(jù)代入上式得：t =020s；

（4）多次測量取平均值，或初始時乙的手指盡可能接近尺子.

答案 （2）2（L-L1）g；（3）020；（4）見解析

點評 測量反應(yīng)時間是教材上的一個課外小實驗.本題以教材中小實驗切入，要求考生靈活運用已學過的自由落體運動的規(guī)律，分析解決實際問題，體驗知識的應(yīng)用價值.

3.注重物理思想方法的遷移與應(yīng)用

例4 （2018江蘇卷第11題）某同學利用如圖7所示的實驗裝置來測量重力加速度g.細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質(zhì)滑輪，兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘.實驗操作如下：

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，同時右手開啟秒表，在重錘1落地時停止計時，記錄下落時間；

④重復(fù)測量3次下落時間，取其平均值作為測量值t.

請回答下列問題：

（1）步驟④可以減小對下落時間t測量的（選填“偶然”或“系統(tǒng)”）誤差.

（2）實驗要求小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小很多，主要是為了.

A.使H測得更準確

B.使重錘1下落的時間長一些

C.使系統(tǒng)的總質(zhì)量近似等于2M

D.使細繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

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

（4）使用橡皮泥改進實驗后，重新進行實驗測量，并測出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0.用實驗中的測量量和已知量表示g，得g=.

解析 （1）多次測量取平均值，是減小偶然誤差的一種有效方法.

（2）本實驗中重錘做初速度為零的勻加速直線運動，實驗原理是通過牛頓第二定律計算重錘下落的加速度，再結(jié)合運動學公式求重力加速度.由于H值較小，為使時間t測量較準確，應(yīng)使重錘下落時間長一些，故選B.