捋順力學(xué)實(shí)驗(yàn)思路，深挖高考命題規(guī)律

董翠敏

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理中許多重要規(guī)律都是通過實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)的。高考對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的考查，能夠反映出考生物理學(xué)科素養(yǎng)水平的高低?？荚嚧缶V所要求的常規(guī)實(shí)驗(yàn)中有七個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別是研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)之間的關(guān)系、驗(yàn)證力的平行四邊形定則、探究牛頓第二定律、探究動(dòng)能定理、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。除以上幾個(gè)常規(guī)實(shí)驗(yàn)外，同學(xué)們還要留意一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)。

下面筆者分別通過幾道典型例題，分析一下高考中力學(xué)實(shí)驗(yàn)的解題思路與命題規(guī)律，希望對(duì)同學(xué)們有所助益。

規(guī)律一：力學(xué)實(shí)驗(yàn)與主干知識(shí)結(jié)合得越來越緊密

【例1】空間站中不能利用天平測(cè)量質(zhì)量，為此某同學(xué)為空間站設(shè)計(jì)了如圖（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置，用來測(cè)量小球質(zhì)量。圖中彈簧固定在擋板上，光滑軌道B處裝有光電門，可以測(cè)量出小球經(jīng)過光電門的時(shí)間。該同學(xué)設(shè)計(jì)的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①用游標(biāo)卡尺測(cè)量小球的直徑d。

②將彈簧左端固定在擋板上。

③小球與彈簧接觸并壓縮彈簧，記錄壓縮量x。

④由靜止釋放小球，測(cè)量小球離開彈簧后經(jīng)過光電門的時(shí)間t。

⑤改變彈簧的壓縮量，重復(fù)步驟③④多次。

⑥分析數(shù)據(jù)，得出小球的質(zhì)量。

已知彈簧彈性勢(shì)能EP=kx2，k為勁度系數(shù)，x為形變量。

該同學(xué)使用了一個(gè)已知?jiǎng)哦认禂?shù)為k0的彈簧進(jìn)行了上述實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)回答下列問題。

（1）步驟①中游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖（b）所示，小球的直徑d= ? ? ? ?cm;

（2）某一次在步驟④中測(cè)得小球通過光電門的時(shí)間t為5.00 ms，則此次小球離開彈簧的速度v= ? ? ? ?m/s;

（3）根據(jù)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的物理量，可得小球的質(zhì)量m= ? ? ? ?。（用實(shí)驗(yàn)步驟①、③、④中測(cè)得的物理量表示）

【解析】（1）游標(biāo)卡尺主尺與游標(biāo)尺示數(shù)之和是游標(biāo)卡尺示數(shù)，即11+4×0.1=11.4（mm）=1.14（cm）。 （2）已知小球的直徑與小球經(jīng)過光電門時(shí)的時(shí)間，應(yīng)用速度公式可得

v==2.28m/s。（3）根據(jù)動(dòng)能定理：k0x2=m，可得

m=。

【總結(jié)提升】高考中常見的讀數(shù)問題涉及以下儀器：刻度尺、螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺、彈簧秤、秒表、電流表、電壓表、多用電表等，其中游標(biāo)卡尺和秒表不需要估讀，其他儀器均需要估讀。

本題屬于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題，針對(duì)此類問題，筆者提供以下備考建議：①考生要具備良好的心態(tài)，在遇到新穎的實(shí)驗(yàn)情景時(shí)不要畏懼，學(xué)會(huì)從陌生的情景中尋找熟悉的考點(diǎn);②考生要學(xué)會(huì)聯(lián)系上下文，對(duì)于新穎的實(shí)驗(yàn)題目，切記不要試圖僅僅通過題干來弄明白整個(gè)實(shí)驗(yàn)情景和原理。題目一般會(huì)按照由易到難的順序來設(shè)置問題，考生要學(xué)會(huì)結(jié)合題目所給出的信息來找突破口;③在分析實(shí)驗(yàn)原理和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，要緊靠主干知識(shí)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、牛頓第二定律、功能關(guān)系等來進(jìn)行作答，不要脫離實(shí)際。

規(guī)律二：高考注重對(duì)基本原理和方法的遷移能力的考查

【例2】圖2為“測(cè)量彈簧勁度系數(shù)”的實(shí)驗(yàn)裝置圖，彈簧的上端固定在鐵架臺(tái)上，下端裝有指針及掛鉤，指針恰好指向一把豎直立起的毫米刻度尺?，F(xiàn)在測(cè)得在掛鉤上掛上一定數(shù)量鉤碼時(shí)，指針在刻度尺上的讀數(shù)如下表所示：

鉤碼數(shù)n（個(gè)） 0 1 2 3 4 5

刻度尺讀數(shù)xn（cm） 2.62 4.17 5.70 7.22 8.84 10.43

已知所有鉤碼的質(zhì)量可認(rèn)為是相同的，鉤碼的質(zhì)量m0=50 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.8 m/s2。請(qǐng)回答下列問題：

（1）請(qǐng)根據(jù)表格數(shù)據(jù)計(jì)算出彈簧的勁度系數(shù)k= ? ? ?N/m。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

（2）若考慮到在沒有掛鉤碼時(shí)彈簧自身有重量，測(cè)量的彈簧勁度系數(shù)k的值與真實(shí)值相比較 ? ? ? ? ? ?。（填“偏大”“偏小”或“沒有影響”）

【解析】（1）為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)該利用題目中所給的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)可以類比運(yùn)動(dòng)學(xué)中的逐差法，再結(jié)合胡克定律k（x-x0）=nm0g，計(jì)算得

k==31.5≈32（N/m）。

（2）因在計(jì)算形變量時(shí)把彈簧自身的重量引起的形變量減去了，故彈簧自有重量對(duì)測(cè)量值沒有影響。

【總結(jié)提升】在研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，逐差法是一種非常重要而巧妙的數(shù)據(jù)處理方法。在此題中，我們同樣面臨著數(shù)據(jù)能否被充分利用的問題，此時(shí)可以將逐差法遷移過來，巧妙化解本題中的疑難問題。除此之外，探究胡克定律的實(shí)驗(yàn)中還有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)：

①刻度尺和彈簧豎直放置并彼此靠近。

②測(cè)量彈簧原長(zhǎng)時(shí)，若彈簧水平放置，然后再豎直放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)彈簧自身的重力會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差;如果彈簧的原長(zhǎng)是在豎直狀態(tài)下測(cè)量的，彈簧自身的重力就不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。

③數(shù)據(jù)處理時(shí)可以作彈簧彈力F和彈簧長(zhǎng)度x的圖像，利用圖像的斜率即k=進(jìn)行計(jì)算，如果測(cè)得的彈簧的原長(zhǎng)

不準(zhǔn)確也不會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。

④進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，鉤碼不能掛太多，以免超過彈簧的彈性限度。

規(guī)律三：圖像是數(shù)據(jù)處理和誤差分析中的常見工具

【例3】如圖所示，在探究“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，選擇小車為研究對(duì)象，用砝碼和盤的重力作為拉力。

實(shí)驗(yàn)得到如圖4所示的a-F關(guān)系圖像：

（1）圖像在水平軸上有明顯的截距（OA不為零），可能的原因是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

A. 先釋放小車后接通電源

B. 平衡摩擦力時(shí)，木板的傾角偏大

C. 平衡摩擦力時(shí)，小車后面未固定穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶

（2）圖像中的AB段基本是一條直線，而BC段明顯偏離直線，主要原因是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

A. 小車的總質(zhì)量過大

B. 開始砝碼質(zhì)量較小，后來砝碼質(zhì)量較大

C. 計(jì)算拉力時(shí)，忽略砝碼盤的重力

【解析】（1）圖像在水平軸上有截距，說明有拉力時(shí)小車加速度為零，小車受到的合力小于細(xì)線的拉力，可能是平衡摩擦力時(shí)，小車后面未固定穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶造成的;實(shí)驗(yàn)時(shí)，先釋放小車后接通電源，不影響小車受力情況;平衡摩擦力時(shí)，木板的傾角偏大會(huì)使小車受到的合力大于細(xì)線的拉力，故A、B錯(cuò)誤，C正確。（2）當(dāng)砝碼質(zhì)量較大時(shí)，小車受到的拉力明顯小于砝碼與砝碼盤的重力，圖像發(fā)生彎曲，故B正確。

【總結(jié)提升】探究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)是高考中的常見考點(diǎn)，關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)有以下幾個(gè)注意事項(xiàng)：

①平衡摩擦力時(shí)不需要掛砝碼，當(dāng)小車的質(zhì)量改變時(shí)也不需要重新平衡摩擦力。

②小車要在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處由靜止釋放，以便充分利用紙帶。

③先接通電源，再釋放小車。

④用砝碼的重力代替繩子上的拉力時(shí)，要滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砝碼的質(zhì)量這一條件。

⑤當(dāng)有力傳感器或者彈簧秤時(shí)，可以直接顯示出繩子的真實(shí)拉力，此時(shí)就不需要滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砝碼的質(zhì)量這一條件了。

⑥把小車和砝碼整體作為研究對(duì)象時(shí)，也不需要滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砝碼的質(zhì)量這一條件。

⑦利用光電門測(cè)量速度，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算加速度時(shí)，由于中間位移的速度和中間時(shí)刻的速度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)所考查的內(nèi)容包括儀器讀數(shù)、實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等幾個(gè)方面。用同一裝置可以設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)，而同一實(shí)驗(yàn)也可以用不同的實(shí)驗(yàn)裝置來完成。在復(fù)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，同學(xué)們要以考試大綱所要求的七個(gè)常規(guī)實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，學(xué)會(huì)舉一反三，靈活遷移，提升自己的解題能力。