高考力學實驗復習串講

張林

[摘? ?要]力學實驗是每年高考的必考點，也是學生得分率比較低的一個地方，而考綱規定要考的力學實驗有七個之多，為了有效提升力學實驗的復習效率，第三輪復習時，可以將整個力學實驗串起來講。可從實驗原理、實驗器材的使用、實驗數據處理、近年全國高考力學實驗的考查情況以及實驗誤差分析五個方面對力學實驗做一個系統的歸納。

[關鍵詞]力學實驗;實驗原理;數據處理

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）08-0042-02

每年高考一個力學實驗、一個電學實驗是必然會出現的，但從歷年高考情況來看實驗是大多數考生的一個痛點。高考實驗題往往來源于教材而又高于教材，因此，理解教材中的實驗原理，并運用實驗原理分析解決實驗問題是提高高考得分率的關鍵。細細數來，高考考綱中規定的力學實驗有7個，分別是：實驗一、研究勻變速直線運動;實驗二、探究彈力和彈簧伸長的關系;實驗三、驗證力的平行四邊形定則;實驗四、驗證牛頓運動定律;實驗五、探究動能定律;實驗六、驗證機械能守恒定律;實驗七、驗證動量守恒定律。在復習力學實驗的時候，教師應幫助學生理順各實驗之間的聯系，以提高學生解答力學實驗題的能力。接下來從以下五個方面來談談高三后期力學實驗復習。

一、力學實驗原理

縱觀考綱要求的七個力學實驗，各個實驗的原理均有不同，但細細梳理發現這些實驗可以歸納為運動類和形變類。下面就這兩類實驗談談實驗原理的共同之處。

1.運動類

運動類的實驗有“研究勻變速直線運動”“驗證牛頓運動定律”“探究動能定律”“驗證機械能守恒定律”“驗證動量守恒定律”。運動類實驗占考綱規定實驗的5/7。這些實驗的基本原理、實驗目的各有不同，但是不難發現這些實驗需要測量的物理量都是與運動相關的長度、速度和加速度，因此，這類實驗的過程有著很大的相似之處。實驗中基本原理以及需要注意的問題也非常相似，如驗證牛頓第二定律和探究動能定律都有可能涉及通過適當墊高木板的一端來平衡摩擦，使拉力等于小車（物塊）所受的合力;為了使拉力等于懸掛物的重力;一是要使繩與木板平行，二是保證小車（物塊）的質量遠大于懸掛物的質量，且都可以采用在小車（物塊）側添加力傳感器來回避這種方式帶來的系統誤差。又如，驗證機械能守恒定律和驗證動量守恒定律都涉及量的守恒，它們要測量的量也很相近，還都可以采用平拋等方式把速度轉換成水平位移等其他量來實現。

2.形變類

形變類實驗有“探究彈力和彈簧伸長的關系”“驗證力的平行四邊形定則”。其中第一個實驗直接探究彈簧彈力與形變量的關系，原理較簡單。第二個實驗變化的方式很多，但原理基本相同，常通過一個力作用在物體（橡皮筋）上產生的效果和兩個力一起作用在物體（橡皮筋）上所產生的作用效果相同，利用圖示法，根據平行四邊形定則作出兩個力作用時的合力，再將其與一個力作用時的力圖示重合度進行比較，從而驗證平行四邊形定則。

二、實驗器材及使用

根據力學實驗原理中需要測量的物理量，其常用的物理實驗器材有以下幾類：

1.長度測量類。常用測量工具有刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器。長度的測量只需掌握這三種工具的使用方法即可。游標卡尺、螺旋測微器考題出現的頻率較高。

2.力測量類。僅涉及彈簧秤或力的傳感器的使用，彈簧秤的讀數應注意估讀，力的傳感器可直接讀數。

3.速度測量類。涉及的工具或方法較多，變化也多，是高考命題熱點。測速度的器材和方法有：

（1）打點計時器法、頻閃照相法是測量物體運動速度的兩種常用方法，利用其中一套裝置便可以完成研究勻變速直線運動、驗證牛頓運動定律、探究動能定律、驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律五個實驗中的速度測量。一套裝置能夠完成五個實驗的速度測量，因此，打點計時器法或頻閃照相法成了高考命題者關注的一個知識點。在教學中，教師要讓學生理解這兩種裝置的工作原理及操作使用的注意事項。如，在利用打點計時器的實驗中常涉及的先通電再釋放紙帶，無論哪一個實驗都是如此。

（2）光電門測速是利用擋光片的寬度除以擋光時間測速度，即[v=dΔt ]。

（3）利用平拋運動或功能關系實現位移或高度與速度的轉化，如驗證動量守恒定律時，就常將平拋運動的速度轉化為平拋運動的水平位移來處理。

4.時間測量類。測量時間最常見的工具是秒表，但從歷年的考題來看很少考，有時需通過光電計時器或自由落體來測量時間。

三、實驗數據的處理

力學實驗數據處理常用的方法有計算法、圖像法、作圖法，其中作圖法僅出現在驗證力的平行四邊形定則，圖像法常用于探究彈簧彈力與形變量的關系、探究物體的加速度與力和質量的關系（牛頓運動定律）以及探究力做功與動能的關系（動能定理）三個實驗，在用圖像法處理問題時，一是要會描點作圖;二是要會利用圖像獲取信息解決相應問題。相較而言，計算法的使用最為頻繁，如打點計時器打出的紙帶上數據的處理。

考題中出現的紙帶上點間距的表述方式有兩種，兩種方式的處理方法理論上是一致的，但形式上有一定的區別。在處理紙帶上的數據時應注意以下幾個問題。

1.點間距為相鄰的兩點間的距離

如上圖，通過紙帶給定的數據，求第四點的速度和物體的加速度。

2.一點到相鄰各點的距離

例如，通過紙帶給定數據，求D點的速度和物體的加速度。

3.計時點與計數點的區別

在數據處理過程中還應提醒學生注意計時點與計數點的區別，兩個計數點間隔的計時即為T的取值，以及點間距的單位。

頻閃照相法數據的處理方式與紙帶上數據的處理方式類似，學生只要能夠掌握速度和加速度紙帶類問題的處理方法，頻閃照相問題也能輕松解決。

四、近年全國高考力學實驗的考查情況

高考實驗來源于考綱規定的實驗，但不局限于這些實驗，它的創新主要體現在：實驗器材的等效與替代，實驗結論的拓展與延伸，試題情景的設計與創新，實驗數據的拓展及應用等方面。現將近五年高考全國卷力學實驗題考查情況簡單歸納如下：

從上表可以發現高考力學實驗考查的不僅是考綱規定的七個原實驗，更多的是考查原實驗的原理及相關實驗設備器材的運用，也就是說，考查的知識點、實驗技能和方向變化不大，但考查內容呈現的方式會有所不同。打點計時器所打出的紙帶上的數據處理、彈簧類問題出現的頻率很高，且實驗題基本上都是在原實驗的基礎上有一定的創新，有的學生在考試過程中一看到是陌生的創新實驗就怯場，因此，得分率很低。其實只要掌握了基本的實驗方法、實驗原理，創新型實驗并不可怕，這就要求教師在教學過程中，要培養學生的實驗能力和學科素養。

五、實驗誤差分析

實驗誤差分為偶然誤差和系統誤差，偶然誤差的處理方法相對單一，可用多次測量取平均值或作圖法來減小;系統誤差及成因分析是高考常見的命題點，在力學實驗中常見的有：

1.把重物重力當成拉力類的問題，在設計該問題的實驗中，實際上忽略了重物自身獲得的加速度的影響，實際拉力都小于重物的重力。

2.驗證機械能守恒定律實驗中，由于空氣阻力，紙帶與打點計時器間的摩擦力等因素的影響，動能的增加小于減小的重力勢能。

3.光電門測量的速度比真實值偏小，利用光電門測量速度實際是把平均速度當成了瞬時速度，也可以說把中間時刻的速度當成中間位置的速度，因此測量值比真實值偏小。

當然，類似的系統誤差還有很多，教師在教學時應引導學生關注這類問題，授學生以漁，這樣，學生自然就能找到系統誤差的成因，找到減少或消除系統誤差的辦法。

綜合以上所談各點，回顧2018年全國卷的力學實驗題（題目略），發現這些實驗題都屬于創新實驗，在Ⅰ卷中創新性地采用游標卡尺來測量長度，但原理卻仍屬于考綱中列舉的探究彈簧彈力與形變量的實驗，巧妙地將長度的測量工具游標卡尺的讀數融入其中，該題的難度系數不大。Ⅱ卷中把力學實驗作為大實驗進行考查，屬于理論創新型實驗，考查了彈簧秤的讀數、圖像法處理數據、函數與圖像的結合等問題，對學生的實驗能力要求較高，難度系數相對較大。Ⅲ卷考查的是自由落體測定反應時間，不在考綱規定的幾個實驗之列，但是實驗原理比較簡單，容易應對，第三問屬于開放式提問，要求學生對該實驗誤差產生原因有充分的認識，能提出具體的減小誤差的方案。由此可見，高考對學生的能力要求是比較高的，因此培養學生的實驗能力就顯得格外的重要。

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教育部考試中心.2018年普通高等學校招生全國統一考試大綱（物理）[M].北京：高等教育出版社，2018.

（責任編輯 易志毅）