從2021年高考試題談力學實驗的創(chuàng)新設計

摘 要：從2021年高考物理實驗題，分析力學實驗創(chuàng)新設計表現(xiàn)的三個方面：實驗原理與方法的創(chuàng)新、測量手段與測量技術(shù)的創(chuàng)新、用已有的知識與方法解決新情景下的問題.

關(guān)鍵詞：2021年高考試題;力學實驗;創(chuàng)新設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）17-0056-04

作者簡介：許文（1966-），男，湖北洪湖人，本科，中學高級教師，研究方向：高中物理教學與物理競賽.

實驗探究作為物理學科核心素養(yǎng)，是高考物理命題的重要內(nèi)容.在實驗探究過程中可以發(fā)現(xiàn)不少有價值的問題，對問題進行引伸與探究，能擴大和鞏固研究成果，使問題的研究向更深入發(fā)展，能很好地體現(xiàn)新課程探究式的學習要求和新高考的要求.本文通過實例分析2021年高考物理力學實驗試題特點，探討高考力學實驗的創(chuàng)新設計.

1 力學基本實驗與命題規(guī)律

1.1 基本實驗

新高考物理考綱中明確要求考生掌握的8個力學基本實驗：（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）探究平拋運動特點;（6）探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系;（7）驗證機械能守恒定律;（8）驗證動量守恒定律.

1.2 命題特點

力學實驗考查形式為多知識點覆蓋和組合，考查力學實驗的基本原理和方法，考查定性分析和定量計算相結(jié)合，并借助基本實驗分析拓展創(chuàng)新實驗，對學生的探究能力提出了較高要求.主要題型有：（1）基本實驗儀器的使用，如彈簧測力計、打點計時器、游標卡尺等;（2）以紙帶或者光電門為測量工具的實驗，如研究勻變速直線運動、探究牛頓第二定律、驗證機械能守恒定律等;（3）以彈簧為測量工具的實驗，如探究彈簧彈力和彈簧伸長的關(guān)系、驗證力的平行四邊形定則等.

1.3 命題預測

對基本實驗進行創(chuàng)新拓展依然是今后高考物理實驗考查的主要方向.主要表現(xiàn)在：（1）實驗器材的等效與替換，如用氣墊導軌代替長木板、光電門或頻閃照相機代替打點計時器等;（2）實驗結(jié)論的拓展與延伸，如通過實驗裝置測出物體的加速度，再利用牛頓第二定律求動摩擦因數(shù)等;（3）實驗數(shù)據(jù)的處理與分析;（4）試題情景的設計與創(chuàng)新.創(chuàng)新只在基本實驗基礎上做有限的變化，考查學生獨立解決新問題的能力和知識遷移能力，體現(xiàn)新課程倡導的三維目標.

2 力學實驗的創(chuàng)新設計

高考力學實驗的創(chuàng)新與拓展表現(xiàn)在對基本實驗的改進、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)，設計實驗方案解決新的問題，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（如用線性圖像法分析處理實驗數(shù)據(jù)），解答新情景問題，如測量重力加速度、測動摩擦因數(shù)等.

2.1 實驗原理與方法的創(chuàng)新

例題1 （2021全國卷甲 22題）為測量小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數(shù)，一同學將貼有標尺的瓷磚的一端放在水平桌面上，形成一傾角為α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小銅塊可在斜面上加速下滑，如圖1所示.該同學用手機拍攝小銅塊的下滑過程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5個連續(xù)相等時間間隔（每個時間間隔ΔT=0.20s）內(nèi)小銅塊沿斜面下滑的距離si（i=1，2，3，4，5），見表1.

由表1數(shù)據(jù)可得，小銅塊沿斜面下滑的加速度大小為m/s2，小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數(shù)為.（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字，重力加速度大小g=9.80m/s2）

答案：0.43;0.32.

點評：本題是基本實驗“研究勻變速直線運動”的改變與創(chuàng)新，將基本實驗中用打點計時器與紙帶測物體做勻變速運動的加速度，改成用手機拍攝小銅塊沿斜面運動的一段視頻，再通過視頻解析得到類似于小銅塊運動的頻閃照片，測量小銅塊在連續(xù)相等時間內(nèi)運動的位移大小，并將逐差法求加速度的方法遷移;其實小銅塊的加速度是由銅塊的受力與質(zhì)量決定的，根據(jù)牛頓第二定律得出小銅塊下滑加速度的表達式，由牛頓第二定律測小銅塊與斜面間的動摩擦因數(shù).教材中的基本實驗是創(chuàng)新之本，如果舍棄教材中的一些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.

例題2 （2021廣東卷 11題）某興趣小組測量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數(shù).緩沖裝置如圖2所示，固定在斜面上的透明有機玻璃管與水平面夾角θ=30°，彈簧固定在有機玻璃管底端.實驗過程如下：先沿管軸線方向固定一毫米刻度尺，再將單個質(zhì)量m =200g的鋼球（直徑略小于玻璃管內(nèi)徑）逐個從管口滑進，每滑進一個鋼球，待彈簧靜止，記錄管內(nèi)鋼球的個數(shù)n和彈簧上端對應的刻度尺示數(shù)Ln，數(shù)據(jù)見表2.實驗過程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi).采用逐差法計算彈簧壓縮量，進而計算其勁度系數(shù).

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，將基本實驗中彈簧豎直懸掛，在其下端掛鉤碼，探究彈簧的伸長量與彈力的關(guān)系，改成斜面上用小鋼球壓彈簧探究彈簧的壓縮量與彈力的關(guān)系，并將逐差法的原理遷移求彈簧的平均壓縮量，理解實驗原理是解題的前提，本題實驗原理是力的平衡條件與胡克定律，但要求能將F=kx理解并推廣到ΔF=kΔx，解題時要注意單位換算與有效數(shù)字的理解及應用.

2.2 測量手段與測量技術(shù)的創(chuàng)新

例題3 （2021湖南卷 11題）某實驗小組利用圖3所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關(guān)系.主要實驗步驟如下：

（1）用游標卡尺測量墊塊厚度h，示數(shù)如圖4所示，h=cm;

（2）接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導軌上，調(diào)節(jié)導軌至水平;

（3）在右支點下放一墊塊，改變氣墊導軌的傾斜角度;

（4）在氣墊導軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個數(shù)n和滑塊對應的加速度a;

（5）在右支點下增加墊塊個數(shù)（墊塊完全相同），重復步驟（4），記錄數(shù)據(jù)于表3.

根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖5上描點，繪制圖線.

如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應該是m/s2（保留三位有效數(shù)字）.

解析：（1）游標卡尺讀數(shù)h=10mm +2×0.1mm=10.2mm=1.02cm;

（5）設氣墊導軌左、右兩支點間距為L，在右支點下墊n塊墊片時導軌的傾角θ滿足sinθ=nhL;設滑塊的質(zhì)量為m，滑塊在氣墊導軌上下滑過程中受到的合力大小為F=mgsinθ;可得a=ghLn，可知a與n的關(guān)系為線性關(guān)系.將表中數(shù)據(jù)在a-n坐標中描點，用直線擬合，作圖像如圖6所示.

由圖6知，n=4時a4=0.345m/s2.

答案：（1）1.02;（5）見解析圖，0.345.

點評：本題是探究“加速度與合力的關(guān)系”實驗，加速度的測量改由“加速度記錄器”測出（實際上是光電門等傳感器與電腦連接，集數(shù)據(jù)采集與處理于一體），改變了測量手段與測量技術(shù)，相對傳統(tǒng)用打點計時器與紙帶測加速度更精確、更省時，但加強了對問題探究性的考查.從題目給出表中測量數(shù)據(jù)看，似乎看不出加速度大小與a與墊塊數(shù)n的關(guān)系，通過運用牛頓第二定律分析，a與n的關(guān)系是線性關(guān)系，通過表中數(shù)據(jù)描點，用直線擬合，可從圖像中得出n=4時的加速度大小a4，即可體會到此實驗的創(chuàng)新巧妙之處.本實驗在創(chuàng)新的同時，也注重基本測量儀器的使用與讀數(shù)，如游標卡尺的讀數(shù)=整數(shù)毫米+格數(shù)×精確度.

例題4 （2021河北卷 12題）某同學利用圖7中的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關(guān)系，所用器材有：一端帶滑輪的長木板、輕細繩、50g的鉤碼若干、光電門2個、數(shù)字計時器、帶遮光條的滑塊（質(zhì)量為200g，其上可放鉤碼）、刻度尺，當?shù)刂亓铀俣葹?.80m/s2，實驗操作步驟如下：

①安裝器材，調(diào)整兩個光電門距離為50.00cm，輕細繩下端懸掛4個鉤碼，如圖7所示;

②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個光電門的時間，并計算出滑塊通過兩個光電門的速度;

③保持最下端懸掛4個鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質(zhì)量，重復上述步驟;

④完成5次測量后，計算出每次實驗中滑塊及所載鉤碼的總質(zhì)量M、系統(tǒng)（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細繩懸掛鉤碼）總動能的增加量ΔEk及系統(tǒng)總機械能的減少量ΔE，結(jié)果見表4.

回答下列問題：

（1）實驗中輕細繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量為J（保留三位有效數(shù)字）;

（2）步驟④中的數(shù)據(jù)所缺數(shù)據(jù)為;

（3）若M為橫軸，ΔE為縱軸，選擇合適的標度，在圖8中繪出ΔE-M圖像;

若系統(tǒng)總機械能的減少量等于克服摩擦力做功，則為（保留兩位有效數(shù)字）.

解析：（1）四個鉤碼重力勢能的減少量為ΔEp=4mgL=0.980J;

（2）對滑塊和鉤碼構(gòu)成的系統(tǒng)，由能量守恒定律有：4mgL-Wf=12（4m+M）（v22-v21），

其中系統(tǒng)減少的重力勢能為ΔEp=4mgL，增加的動能為ΔEk=12（4m+M）（v22-v21），

系統(tǒng)減少的機械能為ΔE =Wf，則代入數(shù)據(jù)可得ΔE4=0.588J;

（3）由功能關(guān)系可知ΔE=μMgL，可知ΔE與M為線性關(guān)系，根據(jù)表格數(shù)據(jù)描點并用直線擬合，得ΔE-M的圖像如圖9所示.

ΔE-M圖像直線的斜率k=0.785-0.3930.4-0.2=1.96，又k=μgL;解得μ=0.40.

答案：（1） 0.980;（2） 0.588;（3）見解析圖;（4）0.40.

點評：本題是“探究機械能守恒定律”的創(chuàng)新與拓展，研究對象由單個物體拓展到滑塊與鉤碼所組成的系統(tǒng);瞬時速度的測量方法由光電門傳感器代替了傳統(tǒng)的打點計時器;實驗目的由探究機械能守恒定律創(chuàng)新拓展到探究機械能變化量與力做功的關(guān)系，進而拓展探究物塊與木板之間的摩擦因數(shù).用線性圖像分析處理實驗數(shù)據(jù)是一種常見的實驗數(shù)據(jù)分析處理方法.要求理解實驗原理，從實驗原理出發(fā)，并通過相應的數(shù)學變形找出兩被測量相關(guān)的線性函數(shù)關(guān)系，作出線性圖像，利用圖像的物理意義進行分析與求解.

3 用已有的知識與方法解決新情景問題

例題5 （2021全國卷乙 22題）某同學利用圖10所示裝置研究平拋運動的規(guī)律.實驗時該同學使用頻閃儀和照相機對做平拋運動的小球進行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖11所示（圖中未包括小球剛離開軌道的圖像）.圖中的背景是放在豎直平面內(nèi)的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個方格的邊長為5cm.該同學在實驗中測得的小球影像的高度差已經(jīng)在圖11中標出.

完成下列填空：（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）

（1）小球運動到圖11中位置A時，其速度的水平分量大小為m/s，豎直分量大小為m/s;

（2）根據(jù)圖11中數(shù)據(jù)可得，當?shù)刂亓铀俣鹊拇笮閙/s2.

點評：本題是“探究平拋運動特點”實驗的創(chuàng)新拓展.將基本實驗中用紙孔與鉛筆記錄小球平拋運動軌跡上某點的方法改用頻閃照相法，提高了描繪小球平拋運動軌跡的準確度，將探究問題引向深入，根據(jù)平拋運動的特點與規(guī)律，拓展為用此實驗裝置與實驗原理測當?shù)氐闹亓铀俣?，體現(xiàn)學以致用的學習理念，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]許文.對一道原創(chuàng)試題的一點探討[J].中學物理，2019，37（07）：51-52.

（收稿日期：2021-06-17）