2017年高考北京物理實驗題的解法研究及對教學的啟示

李 寧

(北京市第九中學 北京 100041)

梁吉峰

(北京市育英學校 北京 100036)

丁慶紅

(北京教育學院石景山分院 北京 100043)

1 引言

2017年高考北京理科綜合中的物理實驗題是高考試題中的一大亮點，與近幾年的北京高考物理實驗題一樣，注重考查常規實驗，命題的角度非常貼近高中教學實際情況，能很好地反映學生的實驗能力，同時注重考查學生在常規實驗基礎上的深入思考能力，挖掘、深層次考查學生的探究能力，充分展現北京高考試題注重考查物理核心素養、具有創新性和選拔性考試的特點.本文對2017年高考北京理科綜合中的物理實驗題的解法進行了研究，反觀實驗教學現狀，探討了高考實驗命題對教學的一些啟示，對于高三復習備考以及物理實驗教學具有一定的參考價值，希望起到拋磚引玉的作用.

2 考題重現

【題目】(2017年高考北京理綜卷實驗題第21題)如圖1所示，用質量為m的重物通過滑輪牽引小車，使它在長木板上運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況.利用該裝置可以完成“探究動能定理”的實驗.

(1)打點計時器使用的電源是______(選填選項前的字母).

A．直流電源 B．交流電源

(2)實驗中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確的操作方法是______(選填選項前的字母).

A．把長木板右端墊高 B．改變小車的質量

在不掛重物且______(選填選項前的字母)的情況下，輕推一下小車.若小車拖著紙帶做勻速運動，表明已經消除了摩擦力和其他阻力的影響.

A．計時器不打點 B．計時器打點

圖1 試題情境圖

(3)接通電源，釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點，將打下的第一個點標為O.在紙帶上依次取A，B，C，…若干個計數點，已知相鄰計數點間的時間間隔為T.測得A，B，C，…各點到O點的距離為x1，x2，x3，…，如圖2所示.

圖2 測量紙帶

實驗中，重物質量遠小于小車質量，可認為小車所受的拉力大小為mg.從打O點到打B點的過程中，拉力對小車做的功W=______，打B點時小車的速度v=______.

(4)以v2為縱坐標，W為橫坐標，利用實驗數據做出如圖3所示的v2-W圖像.由此圖像可得v2隨W變化的表達式為______.根據功與能的關系，動能的表達式中可能包含v2這個因子；分析實驗結果的單位關系，與圖線斜率有關的物理量應是______.

圖3 v2-W圖像

(5)假設已經完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件，則從理論上分析，圖4選項中正確反映v2-W關系的是______.

圖4 選項圖

3 考題分析

2017年高考北京理綜卷實驗題第21題考查的是常規學生實驗“探究動能定理”，每道小題的考查細目如表1所示.

表1 實驗每道小題的考查目標

4 解法研究

(1)考查打點計時器的配套電源選取，根據打點計時器的工作原理或學生真正使用打點計時器做過實驗，不難確定正確選項為B.

(2)1)考查平衡摩擦力和其他阻力的具體實驗細節，如果理解平衡摩擦力和其他阻力的原理或真實做過這個實驗，可以確定正確選項為A.

2)考查如何才算平衡好了摩擦力和其他阻力的具體實驗細節，如果理解為何要平衡摩擦力和其他阻力或真實經歷過實驗過程，可以確定正確選項為B.

對平衡摩擦力和其他阻力的認識：根據實驗目的，探究“動能定理”，即探究合外力對小車做的功與小車動能增量的關系，需要確定合外力做的功與小車的動能增量.小車的動能增量可以通過紙帶處理數據求解速度，進一步根據動能表達式得出；合外力做的功需要求出小車所受的合外力，根據功的計算公式得出.實驗中便于確定的是小車所受的拉力，如果把拉力當作合外力的話，需要滿足除拉力外，其他外力的合力為零，稱之為平衡摩擦力.具體平衡摩擦力的方法是將長木板的一端墊高，相當于是讓小車處于斜面上，移動墊木的位置改變斜面傾角，直到小車可以勻速運動，此時小車所受的合力為零，如果再對小車施加拉力，則拉力即為小車所受的合外力，拉力做功即為合外力做的功.實驗中的阻力來源有小車與木板之間的滑動摩擦力、實驗中紙帶與打點計時器之間的阻力、空氣阻力等，故在平衡摩擦力時，需要在不掛重物且打點計時器打點的情況下，輕推一下小車.若小車拖著紙帶做勻速運動，表明已經消除了摩擦力和其他阻力的影響.為了準確判斷小車是否勻速，還需要分析打出的紙帶，如果點是均勻分布，可以認為小車在做勻速運動，平衡了阻力，為進一步實驗做好了準備.

(3)考查數據處理計算拉力對小車做的功W和分析紙帶求速度.如果學生掌握功的概念，理解分析紙帶求速度的方法，真實處理過這種實驗數據則不難作答.

1)實驗中，若重物質量遠小于小車質量，可認為小車所受的拉力大小為mg.從打O點到打B點的過程中，位移大小為x2，拉力對小車做的功

W=mgx2

2)勻變速直線運動中，中間時刻的瞬時速度等于這一段時間的平均速度，打B點時小車的速度

(4)1)要求“由此圖像可得v2隨W變化的表達式”，根據圖像近似為正比例函數，應用數學知識不難寫出表達式

v2=kWk=4.5～5.0

2)要求“分析實驗結果的單位關系，與圖線斜率有關的物理量應是”，分析斜率k的單位

所以與圖像斜率有關的物理量應是質量.

(5)要求“假設已經完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件，則從理論上分析，圖4中正確反映v2-W關系的是”，這個問題如何處理呢？

通過分析近幾年的北京高考實驗題不難發現，每年都有一問這種類型的題目，或論述，或選擇，這類問題有沒有處理的一般方法呢？我們不妨通過對這道實驗題最后一問的分析來研究一下.具體步驟如下.

第一步，當成一道綜合問題來分析：創設重物牽引小車運動的物理情境.

第二步，構建運動模型：重物豎直向下勻加速直線運動，小車沿斜面做勻加速直線運動，重物和小車是加速度大小相等的連接體，如圖5所示.

圖5 構建運動模型

第三步，選研究對象，受力分析,如圖6所示.

圖6 對研究對象受力分析

第四步，選規律，寫方程.

對小車：

F=Ma

(1)

對重物：

mg-F=ma

(2)

由此可得

若重物質量滿足遠小于小車質量的條件，即m?M，從理論上分析，則可認為小車所受的拉力

F=mg

(3)

若滿足動能定理，則有

(4)

即

(5)

整理可得

(6)

若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件，從理論上分析，則小車所受的拉力為

(7)

若滿足動能定理，則有

(8)

即

(9)

整理可得

(10)

故正確答案為A.

要正確解答這道題目還需要注意如下幾點：

a.題目給定的W是指拉力對小車做的功，而非重物重力做的功.

b.要求從理論上分析，而非實驗上分析.

c.重物質量滿足或不滿足遠小于小車質量的條件，對小車所受拉力有影響，拉力不同，但是拉力均為恒力，在“設已經完全消除了摩擦力和其他阻力的影響”的前提下，拉力始終為小車所受的合外力，拉力的功為小車所受的合外力的功.

5 對中學物理教學的啟示

(1)高度重視常規學生實驗，精編實驗講義，在實驗室動手解決問題，充分經歷實驗探究過程

在高三復習備考中，有人認為常規學生實驗在高一和高二做過，高三沒必要在這方面再浪費時間，再說即使是實驗做得很熟練，考試也不一定能得到相應分數，不如高三講實驗來得實惠，這種做法盡管有一定道理，但是不符合新課改要注重培養物理核心素養、提高學生實驗探究能力的要求.如何在高三教學中做好提高分數與提升能力的平衡，確實需要一線物理教師發揮教學智慧.為提高實驗教學效率，建議根據學生情況編制實驗學案，把考查常規實驗的實驗題改編成學生實驗，讓學生先預習，教師批閱，再讓學生帶著問題進實驗室，經歷真實實驗過程，對于實驗原理、器材選取、實驗步驟、數據處理和誤差分析等知識，根據學生掌握情況，再進行講解，會得到更好的教學效果.

(2)做好演示實驗，規范學生實驗操作

教師要精挑一些實驗做好演示，規范學生的實驗操作，例如使用多用電表測電阻，如何機械調零，根據待測電阻情況合理選擋，紅黑表筆短接調零，測量并讀數,如果還需要測量其他電阻，若不需要換擋直接測量，如果需要換擋測量其他電阻需要重新短接調零.最后規范整理器材時多用電表的選擇開關置于“OFF”擋或交流電壓最高擋位，紅黑表筆取出，長時間不用多用電表，需要將電池取出.教師規范演示完畢，不見得學生真的會了，再讓學生注意規范操作的基礎上真動手，在真動手的時候，才可能做到真動腦，干巴巴的知識才可能變得生動起來，愛動腦的孩子自然要思考內部的構造是怎樣的？什么原理？學習過程不斷引向深入，復習效率自然提高.

(3)精選探究實驗，將實驗進行變式，鼓勵學生探究

通過分析近幾年的高考實驗題最后一問，不難發現一些規律，即在常規實驗的基礎上，改變某些實驗條件，對實驗結果進行深入討論，較高層次考查學生的實驗探究能力.例如2017年考查的探究動能定理實驗最后一問中提出“假設已經完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件，則從理論上分析，正確反映v2-W關系的是”，常規實驗考查為“若重物質量滿足遠小于小車質量的條件，則從理論上分析，正確反映v2-W關系的是”，如果在教學中加以引導，啟發學生思考為什么需要滿足重物質量滿足遠小于小車質量的條件，不滿足的話，對哪個物理量有直接影響？如何進行修正？對實驗結果有何影響？等等，可能很多問題都迎刃而解.

(4)以典型實驗為例滲透圖像法處理數據思想

在高中物理實驗中有很多應用圖像法處理數據的例子，對于圖像我們需要重點關注圖像的變化趨勢、斜率、截距、面積等信息所包含的物理意義.

例如：2016年高考北京實驗題考查驗證機械能守恒定律的實驗,最后一問中提出,“在紙帶上選取多個計數點，測量它們到起始點O的距離h，計算對應計數點的重物速度v，描繪v2-h圖像，并做如下判斷：若圖像是一條過原點的直線，則重物下落過程中機械能守恒.請你分析論證該同學的判斷依據是否正確.”該實驗數據處理將計算驗證轉化為圖像驗證，作出v2-h關系圖像，若圖像是一條過原點的直線，是不是就能說明能證實機械能守恒呢？需要借助于基本關系論證一下.

又如：伏安法測電源電動勢和內電阻的實驗中，通過采集數據作出了電源的路端電壓與流過電源的電流的關系圖像,即U-I關系圖像，利用圖像求出電源的電動勢和內電阻.不妨寫出U-I的函數關系表達式，因為支配函數圖像背后的是函數關系，借助所學知識寫出縱坐標與橫坐標的函數關系，即U= -Ir+E，不難看出圖像斜率的絕對值表示內電阻r，圖像與縱軸的截距表示電源電動勢E.