近四年全國卷Ⅲ力學(xué)實(shí)驗(yàn)題來源淺析

云南 張西武 劉 六

力學(xué)實(shí)驗(yàn)題是每年高考物理的必考題，其考試題目形式千變?nèi)f化，所涉及知識(shí)面廣、方法多，儀器的選取和使用技巧性強(qiáng)，卻又不超過考綱要求的六個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)范圍，試題一般通過設(shè)計(jì)新穎的實(shí)驗(yàn)情景，以問題為導(dǎo)向，要求考生將物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)、方法和技能與新的情景相結(jié)合來完成實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)對物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的四大核心素養(yǎng)的考查。本文列舉分析了近四年全國卷Ⅲ高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)題，并闡述破解高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題的解題策略，以使考生能更高效地進(jìn)行2020年高考的備考。

【例1】(2019年全國卷Ⅲ第22題)甲乙兩位同學(xué)設(shè)計(jì)了利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能測重力加速度的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，甲同學(xué)負(fù)責(zé)釋放金屬小球，乙同學(xué)負(fù)責(zé)在小球自由下落的時(shí)候拍照。已知相機(jī)每間隔0.1 s拍1幅照片。

(1)若要從拍得的照片中獲取必要的信息，在此實(shí)驗(yàn)中還必須使用的器材是________。(填正確答案標(biāo)號(hào))

A.米尺 B.秒表 C.光電門 D.天平

(2)簡述你選擇的器材在本實(shí)驗(yàn)中的使用方法。

答：________________________________。

(3)實(shí)驗(yàn)中兩同學(xué)由連續(xù)3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5 cm、ac=58.7 cm，則該地的重力加速度大小為g=________m/s2。(保留2位有效數(shù)字)

【例2】(2018年全國卷Ⅲ第22題)甲、乙兩同學(xué)通過下面的實(shí)驗(yàn)測量人的反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)甲用兩個(gè)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(zhǔn)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(shí)間為________(用L、L1和g表示)。

(3)已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=9.80 m/s2，L=30.0 cm，L1=10.4 cm。乙的反應(yīng)時(shí)間為________s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。

(4)寫出一條能提高測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的建議：_____

___________________________________________。

【例3】(2017年全國卷Ⅲ第22題)某探究小組做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)，將畫有坐標(biāo)軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1 mm)的紙貼在水平桌面上，如圖1中甲所示。將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(diǎn)(位于圖示部分之外)，另一端P位于y軸上的A點(diǎn)時(shí)，橡皮筋處于原長。

(1)用一只測力計(jì)將橡皮筋的P端沿y軸從A點(diǎn)拉至坐標(biāo)原點(diǎn)O，此時(shí)拉力F的大小可由測力計(jì)讀出。測力計(jì)的示數(shù)如圖乙所示，F(xiàn)的大小為________N。

乙

(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點(diǎn)；現(xiàn)使用兩個(gè)測力計(jì)同時(shí)拉橡皮筋，再次將P端拉至O點(diǎn)。此時(shí)觀察到兩個(gè)拉力分別沿圖甲中兩條虛線所示的方向，由測力計(jì)的示數(shù)讀出兩個(gè)拉力的大小分別為F1=4.2 N和F2=5.6 N。

(ⅰ)用5 mm長度的線段表示1 N的力，以O(shè)為作用點(diǎn)，在圖甲中畫出力F1、F2的圖示，然后按平行四邊形定則畫出它們的合力F合；

甲

(ⅱ)F合的大小為________N，F(xiàn)合與拉力F的夾角的正切值為________。若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實(shí)驗(yàn)所允許的誤差范圍之內(nèi)，則該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了力的平行四邊形定則。

【分析】本題是從物理(人教版)《必修一》課本第62頁《探究求合力方法》的實(shí)驗(yàn)情景和第63頁例題演化而來的，考查了“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)，只是實(shí)驗(yàn)中的白紙換成了坐標(biāo)紙，有利于作圖求解，并且增加了讀取彈簧測力計(jì)示數(shù)一項(xiàng)。(ⅰ)考查考生對儀器的使用能力；(ⅱ)考查求合力方法中一種很重要的方法：作圖法求合力，屬于物理方法中的等效替代法，從而驗(yàn)證了平行四邊形定則的正確性。F與F合在誤差允許的情況下可認(rèn)為相等。

【策略點(diǎn)撥】夯實(shí)基礎(chǔ)，勤于觀察，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用好數(shù)學(xué)工具，培養(yǎng)動(dòng)手能力和解決問題的能力，增強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生在備考中回歸教材，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，注重基本概念和基本規(guī)律的應(yīng)用。通過物理情景培養(yǎng)邏輯推理、信息加工、模型構(gòu)造的能力，并在備考中著重研究教材中所給出實(shí)驗(yàn)的變化方式和種類，增強(qiáng)考生解決問題的能力。解決本題的關(guān)鍵在于理解并運(yùn)用平行四邊形定則，能從題目中提取兩分力的數(shù)值，找出各力之間的三角函數(shù)關(guān)系，對于大多數(shù)學(xué)生來說作圖和求合力基本沒問題，但在讀數(shù)時(shí)容易丟分，原因在于為了實(shí)驗(yàn)的精確性讀數(shù)需要估讀一位。

【例4】(2016年全國卷Ⅲ第23題)某物理課外小組利用圖2中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。圖中，置于試驗(yàn)臺(tái)上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪，輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N=5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010 kg。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖2

(1)將5個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑。

(2)將n(依次取n=1，2，3，4，5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n各鉤碼仍留在小車內(nèi)，用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a。

(3)對應(yīng)于不同的n的a值見下表。n=2時(shí)的s-t圖象如圖3所示，由圖3求出此時(shí)小車的加速度(保留兩位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表。

圖3

n12345a/m·s-20.200.580.781.00

(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖4中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出a-n圖象。從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí)，物體的加速度與其所受的合外力成正比。

圖4

(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為________kg(保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取g=9.8 m·s-2)。

(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是________(填入正確選項(xiàng)的標(biāo)號(hào))

A.a-n圖線不再是直線

B.a-n圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn)

C.a-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大

【策略點(diǎn)撥】解決此類試題的思維程序：①把題中的文字轉(zhuǎn)化為物理情景；②把物理情景轉(zhuǎn)化成物理?xiàng)l件；③把物理?xiàng)l件轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)條件，本質(zhì)上建立數(shù)學(xué)模型，將x-t圖象轉(zhuǎn)化成二次函數(shù)圖象，a-n圖象轉(zhuǎn)換為一次函數(shù)圖象，增加物理圖象多樣化的理解，不能僅只局限于運(yùn)動(dòng)圖象。增加對物理圖象斜率、“面積”、交點(diǎn)、截距等知識(shí)的理解，增強(qiáng)解決圖象問題的能力。本題主要考查學(xué)生的圖象解題能力，要求考生能從題目中提取有效信息并結(jié)合圖3找出s-t的函數(shù)關(guān)系式，這是完成本題的關(guān)鍵一步。相比于其他年份，2016年的力學(xué)題略微偏難，丟分也較多，這主要在于考生對牛頓第二定律公式F=ma的理解不透徹，其中，需要注意F表示的是合力的大小。最后一個(gè)丟分點(diǎn)在作圖時(shí)忽略經(jīng)過原點(diǎn)，根據(jù)牛頓第二定律我們知道，當(dāng)合外力不為零時(shí)，物體就會(huì)產(chǎn)生加速度，因此圖線會(huì)經(jīng)過原點(diǎn)。