力學(xué)創(chuàng)新新實(shí)驗(yàn)的命題思路解讀

王春旺

中學(xué)階段力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材主要有：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和斜面小車，氣墊導(dǎo)軌和光電門，輕彈簧和橡皮筋，小球和滑塊等。為了考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，近幾年高考實(shí)驗(yàn)命題創(chuàng)新思路，將實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理與相關(guān)主干知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)題的考查角度和命題情景，提高了高考題的區(qū)分度，達(dá)到了既考查物理實(shí)驗(yàn)探究，又考查知識(shí)綜合運(yùn)用的雙重目的。通過對(duì)近幾年高考試卷中力學(xué)實(shí)驗(yàn)題的分析，可歸納出力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的命題思路主要包括以下三個(gè)方面。

一、遷移大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)器材，創(chuàng)新高考實(shí)驗(yàn)考查角度

在近幾年高考實(shí)驗(yàn)情景中，阿特伍德機(jī)被多次采用。阿特伍德機(jī)是18世紀(jì)英國(guó)物理學(xué)家阿特伍德設(shè)計(jì)的用于測(cè)量加速度及驗(yàn)證物理定律的器材，其基本結(jié)構(gòu)為在跨過定滑輪的輕繩兩端懸掛兩個(gè)物塊。

例1 （2020年高考全國(guó)Ⅱ卷）一細(xì)繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖1所示。一實(shí)驗(yàn)小組用此裝置測(cè)量小球B運(yùn)動(dòng)的加速度。

令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測(cè)得小球B釋放時(shí)的高度h0=0. 590 m，下降一段距離后的高度h=0. 100 m;由矗。下降至h所用的時(shí)間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小a=___m/s2（保留3位有效數(shù)字）。

從實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮=9. 80 m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算可得小球B加速度的大小a'=____m/s/（保留3位有效數(shù)字）。

點(diǎn)評(píng)：本題是利用阿特伍德機(jī)測(cè)量小球B的加速度。若在阿特伍德機(jī)裝置上小球下落或上升經(jīng)過的某一位置安裝光電門，則可測(cè)量出小球經(jīng)過光電門時(shí)的速度，還可驗(yàn)證牛頓第二定律、動(dòng)能定理或機(jī)械能守恒定律等。

二、利用手機(jī)視頻錄像和連拍功能，創(chuàng)新高考實(shí)驗(yàn)命題情景

智能手機(jī)已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡钠骷?。?020年高考中，山東卷和江蘇卷分別從珠穆朗瑪峰的高度測(cè)量和疫情期間“停課不停學(xué)”切人，利用手機(jī)視頻錄像和連拍功能，測(cè)量重力加速度。

例2（2020年高考山東卷）2020年5月，我國(guó)進(jìn)行了珠穆朗瑪峰的高度測(cè)量，其中一種方法是通過使用重力儀測(cè)量重力加速度，進(jìn)而間接測(cè)量海拔高度。某同學(xué)受此啟發(fā)就地取材設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮?。?shí)驗(yàn)步驟如下：

（i）如圖2所示，選擇合適高度的墊塊，使木板的傾角為53。，在其上表面固定一與小物塊下滑路徑平行的刻度尺（圖中未畫出）。

（ii）調(diào)整手機(jī)使其攝像頭正對(duì)木板表面，開啟視頻錄像功能。將小物塊從木板頂端釋放，用手機(jī)記錄下小物塊沿木板向下做加速直線運(yùn)動(dòng)的情況。然后通過錄像的回放，選擇小物塊運(yùn)動(dòng)路徑上合適的一點(diǎn)作為測(cè)量參考點(diǎn)，得到小物塊相對(duì)于該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離L與運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的數(shù)據(jù)。

（iii）該同學(xué)選取部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出了2L/t 一t圖像，利用圖像數(shù)據(jù)得到小物塊下滑的加速度大小為5.6 m/s2。

（iv）再次調(diào)節(jié)墊塊，改變木板的傾角，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

回答以下問題：

（1）當(dāng)木板的傾角為37。時(shí)，所繪圖像如圖3所示。由圖像可得，小物塊經(jīng)過測(cè)量參考點(diǎn)時(shí)速度的大小為 ____ m/s;選取直線上位于坐標(biāo)紙網(wǎng)格交叉點(diǎn)上的A、B兩點(diǎn)，利用A、B兩點(diǎn)數(shù)據(jù)得到小物塊加速度的大小為____m /2。（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）

三，利用常用實(shí)驗(yàn)器材，創(chuàng)新考查驗(yàn)證物理規(guī)律或測(cè)量相關(guān)物理量

在考綱規(guī)定的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)都可以利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或氣墊導(dǎo)軌完成，因此借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證物理規(guī)律或測(cè)量相關(guān)物理量，往往可以達(dá)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，考查能力的目的。

例3 如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以用來探究物體在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度及彈簧儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能。用到的實(shí)驗(yàn)器材有斜劈、彈簧（勁度系數(shù)較大）、帶有遮光片的滑塊（總質(zhì)量為m）、光電門、數(shù)字計(jì)時(shí)器（圖中未畫出）、游標(biāo)卡尺、刻度尺。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①用游標(biāo)卡尺測(cè)得遮光片的寬度為d;②將彈簧放在擋板P和滑塊之間，當(dāng)彈簧為原長(zhǎng)時(shí)，遮光片中心對(duì)準(zhǔn)斜面上的A點(diǎn);③將光電門固定在斜面上的B點(diǎn)，并與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連;④壓縮彈簧，然后用銷釘把滑塊固定，此時(shí)遮光片中心對(duì)準(zhǔn)斜面上的O點(diǎn);⑤用刻度尺測(cè)量A、B兩點(diǎn)間的距離L;⑥拔去鎖定滑塊的銷釘，記錄滑塊經(jīng)過光電門時(shí)數(shù)字計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間△t;⑦移動(dòng)光電門位置，多次重復(fù)步驟④⑤⑥。

跟蹤訓(xùn)練

1.實(shí)驗(yàn)小組利用以下方法間接測(cè)量物體的質(zhì)量。如圖6所示，一根輕繩跨過輕質(zhì)定滑輪與兩個(gè)相同的重物P、Q相連，已知重物P、Q的質(zhì)量均為m，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。在重物Q的下面通過輕質(zhì)掛鉤懸掛待測(cè)物塊Z，重物P的下端與穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶相連。

（1）先接通頻率為50 Hz的交流電源，再由靜止釋放系統(tǒng)，得到如圖7所示的紙帶，則系統(tǒng)的加速度a=_____m/s2（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

（2）在忽略阻力的理想情況下，物塊Z質(zhì)量M的表達(dá)式為M=___ （用字母m、a、g表示）。

（3）實(shí)際情況下，空氣阻力、紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦、定滑輪的滾動(dòng)摩擦不可忽略，物塊Z的實(shí)際質(zhì)量與理論值有一定差異，這種誤差是 ____ 誤差（填“偶然”或“系統(tǒng)”）。

2.如圖8所示，點(diǎn)光源位于S點(diǎn)，MN為豎直放置屏幕的橫截面，P點(diǎn)位于點(diǎn)光源與屏幕之間的中點(diǎn)，且SP連線垂直于屏幕。將一個(gè)小球從P點(diǎn)由靜止釋放，光照射小球在屏幕上形成影子，影子在屏幕上的移動(dòng)情況被數(shù)碼相機(jī)連拍功能拍攝下來，圖9為拍攝到影子下落過程中的部分圖像，已知該數(shù)碼相機(jī)每秒拍攝10次，空氣阻力忽略不計(jì)。

（1）影子運(yùn)動(dòng)至位置C時(shí)的速度為____ m/s2，此時(shí)小球的速度為____ m/s2。（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）

（2）若影子的v-t圖像如圖10所示，則可求得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=____。

3.小鳴同學(xué)組裝了一套實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示，拉力傳感器豎直固定，一根不可伸長(zhǎng)的細(xì)線上端固定在傳感器的掛鉤上，下端系著小鋼球，小鋼球底部固定有遮光片，傳感器正下方安裝有光電門，小鋼球經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)遮光片恰好能通過光電門。已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間。小鳴的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光片寬度d，如圖12所示，其讀數(shù)為____ mm。

（2）拉起小鋼球使細(xì)線與豎直方向成不同的角度，小鋼球由靜止釋放后均在豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，記錄遮光片每次經(jīng)過光電門的遮光時(shí)間△t和對(duì)應(yīng)的拉力傳感器示數(shù)F。

根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪出如圖13所示的F=1/（△t）2圖像，圖中a為已知量。利用圖13中的信息可以求得的物理量是____ 。該物理量的表達(dá)式為

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