對一個物理高考實驗題的教學剖析與思考

陳海

在高考備考的教學過程中，有一個往年的高考試題引起我的興趣。在興趣的驅使下，我對這一試題進行較深入的分析，并提出自己的教學看法與思考，同大家交流。

試題：（2014高考新課標全國卷1的第22題）某同學利用圖（a）所示實驗裝置及數字化信息系統獲得了小車加速度a與鉤碼的質量m的對應關系圖，如圖（b）所示。實驗中小車（含發射器）的質量為200 g，實驗時選擇了不可伸長的輕質細繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計算機得到。回答下列問題：

1.根據該同學的結果，小車的加速度與鉤碼的質量成 （填“線性”或“非線性”）關系。

2.由圖（b）可知，a-m圖線不經過原點，可能的原因是 。

3.若利用本實驗裝置來驗證“在小車質量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結論，并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，則實驗中應采取的改進措施是 ，鉤碼的質量應滿足的條件是 。

這一題目考查的是必修1中探究加速度與力、質量的關系的實驗。該試題取材于教材的實驗，但在設問上有一定的創新，也有一定的深度和層次。對于這一題目，要求學生對實驗的原理理解透徹，并動手參與實驗探究方能較好地完成本題的設問。教材中安排的學生實驗為探究實驗，其目的是培養學生的合作學習能力、辨別分析能力、設計創設的能力。2014高考新課標全國卷1的這一試題恰好充分考查本探究實驗能力培養的目標。教材中探究加速度與力、質量的關系的實驗應用控制變量法的實驗方法來驗證加速度a、合外力F、物體質量M三者之間的關系，在處理數據的過程中應用a-F圖象、a-M圖象、a-1/M圖象進行分析，其中a-M圖象為非線性圖象。本考題的第一問就是針對a-M圖象進行設問的，屬于容易得分的問題。本實驗還有一個要求：學生在做實驗過程中要注意的事項，即對實驗裝置進行平衡摩擦力，這一步驟學生容易遺忘或處理不當，平衡不到位或過度平衡摩擦，在應用a-F圖象處理數據時都會出現不過原點的特征，如沒平衡摩擦或平衡摩擦不到位時a-F圖象與F軸交于正半軸，過度平衡摩擦時a-F圖象與a軸交于正半軸。本試題的第二問就是結合這一特點進行設問的。雖然看似簡單，但問題具有開放性，給學生更大的想象空間，但難度同時也有所增加。教材中，當小車和砝碼的總質量遠大于鉤碼的質量，本實驗將鉤碼的重力近似為小車的合外的大小，當小車和砝碼的總質量不滿足遠大于鉤碼的質量的條件時，在a-1/M圖象中1/M較大時就無法滿足成一條直線的特征。這個高考試題中的第三設問就涉及平衡摩擦和小車同砝碼的總質量遠大于鉤碼的質量的問題。

這個試題考查內容比較常規，但要答好這一試題，要求學生必須認真參與實驗，并對實驗進行深入的思考；要求學生必須掌握好該實驗應用到的物理思想——控制變量法；要求學生必須掌握好物理實驗數據的處理方法。只有腳踏實地才能較好地掌握好本實驗，較好地答對這一題目的設問。對于該試題有層次的設問，能有效地讓學生在腦海里再現本實驗過程，充分體現新課程的理念。

本題解題思路分析：本試題通過DIS系統分析加速度與合力的關系，進而考查實驗的相關問題。本題總體難度不大。由題中圖（b）容易看出，將圖中各點可以畫成光滑的曲線，表明小車加速度與鉤碼的質量關系是非線性。第（2）問圖中的a-m圖線沒有過原點，表明小車加速度為零，但受到的拉力（鉤碼的重力）卻不為零，這是因為沒有平衡摩擦力，合力的大小小于鉤碼的重力。由此可見，圖線沒過原點可能由于沒有平衡軌道的摩擦阻力或平衡不夠造成的。第（3）問如果要將鉤碼所受重力mg視為小車受到的合外力，條件是每次做實驗的時候，鉤碼的質量要遠遠小于小車及砝碼的總質量，其次要平衡摩擦力即將軌道的右端墊高，利用小車沿斜面重力的分力平衡軌道受到的滑動摩擦力，再者是要保證細繩與軌道平面平行。學生在分析的過程中常會思考不周而失分，也可能對實驗的原理理解不透徹，特別最后一問容易失分。

本題的創新之處是使用了DIS系統分析數據，位移傳感器代替了傳統的打點計時器打紙帶計算加速度的方法，學生會感覺新鮮，但理解上應該不存在障礙。再者，在試題的設問上，有一定的開放性，要求學生對整個實驗的原理全面理解，對語言的組織能力也有較大的要求。由于本試題在兩題實驗題排在第一小題，因此在難度上相對小一些，這也是合情合理的。

在講授該題時，應該先讓學生回憶探究加速度與力、質量的關系實驗的相關知識點，再進一步引導學生進行審題，找出題眼。由于題意簡單，容易入手，學生讀完這一題目，很快在腦海里面形成一個該實驗的物理模型，審完題目中的第一問，引導學生回憶實驗相關的a-F圖象、a-M圖象、a-1/M圖象，其實很容易做到，因為學生或多或少對圖象還有印象。對于第二問，難度較大，在講解時，應該引導學生分析實驗中產生誤差的因素，即圖象不過原點的原因。第三問，相對前兩問難度有一定的提升，主要是開放性的設問，學生剛審完這一問開始會有些蒙，因此在分析時應該引導學生對實驗條件——鉤碼的重力遠大于小車和砝碼的重力。學生如果明白這一點，再有點語言功底，要答好這一題應該不難了。對于鉤碼要滿足的條件學生較容易解答出來，但對改進措施的解答就要求學生對該實驗涉及的實驗誤差有比較深刻的理解，方能較完整地解答出來。

該實驗的考查也是一個較熱的考點。往年也較多出現，如2012年大綱版全國卷，2012年安徽高考卷等。

總而言之，驗證牛頓第二定律的實驗由于其特殊物理學史的地位，因此該實驗不僅是教學中的重要知識點，也是考試中備受青睞的重要考點。因此，在教學中不僅要教學生物理思想、物理方法，更要積極研究備考策略。

編輯 謝尾合