捋順力學實驗思路，深挖高考命題規律

董翠敏

物理是一門以實驗為基礎的學科，物理中許多重要規律都是通過實驗來發現的。高考對于物理實驗的考查，能夠反映出考生物理學科素養水平的高低。考試大綱所要求的常規實驗中有七個力學實驗，分別是研究勻變速直線運動規律、探究彈力和彈簧伸長之間的關系、驗證力的平行四邊形定則、探究牛頓第二定律、探究動能定理、驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律。除以上幾個常規實驗外，同學們還要留意一些創新性實驗和開放性實驗。

下面筆者分別通過幾道典型例題，分析一下高考中力學實驗的解題思路與命題規律，希望對同學們有所助益。

規律一：力學實驗與主干知識結合得越來越緊密

【例1】空間站中不能利用天平測量質量，為此某同學為空間站設計了如圖（a）所示的實驗裝置，用來測量小球質量。圖中彈簧固定在擋板上，光滑軌道B處裝有光電門，可以測量出小球經過光電門的時間。該同學設計的主要實驗步驟如下：

①用游標卡尺測量小球的直徑d。

②將彈簧左端固定在擋板上。

③小球與彈簧接觸并壓縮彈簧，記錄壓縮量x。

④由靜止釋放小球，測量小球離開彈簧后經過光電門的時間t。

⑤改變彈簧的壓縮量，重復步驟③④多次。

⑥分析數據，得出小球的質量。

已知彈簧彈性勢能EP=kx2，k為勁度系數，x為形變量。

該同學使用了一個已知勁度系數為k0的彈簧進行了上述實驗，請回答下列問題。

（1）步驟①中游標卡尺的示數如圖（b）所示，小球的直徑d= ? ? ? ?cm;

（2）某一次在步驟④中測得小球通過光電門的時間t為5.00 ms，則此次小球離開彈簧的速度v= ? ? ? ?m/s;

（3）根據在實驗中測得的物理量，可得小球的質量m= ? ? ? ?。（用實驗步驟①、③、④中測得的物理量表示）

【解析】（1）游標卡尺主尺與游標尺示數之和是游標卡尺示數，即11+4×0.1=11.4（mm）=1.14（cm）。 （2）已知小球的直徑與小球經過光電門時的時間，應用速度公式可得

v==2.28m/s。（3）根據動能定理：k0x2=m，可得

m=。

【總結提升】高考中常見的讀數問題涉及以下儀器：刻度尺、螺旋測微器、游標卡尺、彈簧秤、秒表、電流表、電壓表、多用電表等，其中游標卡尺和秒表不需要估讀，其他儀器均需要估讀。

本題屬于創新實驗題，針對此類問題，筆者提供以下備考建議：①考生要具備良好的心態，在遇到新穎的實驗情景時不要畏懼，學會從陌生的情景中尋找熟悉的考點;②考生要學會聯系上下文，對于新穎的實驗題目，切記不要試圖僅僅通過題干來弄明白整個實驗情景和原理。題目一般會按照由易到難的順序來設置問題，考生要學會結合題目所給出的信息來找突破口;③在分析實驗原理和進行數據處理時，要緊靠主干知識，結合運動學公式、牛頓第二定律、功能關系等來進行作答，不要脫離實際。

規律二：高考注重對基本原理和方法的遷移能力的考查

【例2】圖2為“測量彈簧勁度系數”的實驗裝置圖，彈簧的上端固定在鐵架臺上，下端裝有指針及掛鉤，指針恰好指向一把豎直立起的毫米刻度尺。現在測得在掛鉤上掛上一定數量鉤碼時，指針在刻度尺上的讀數如下表所示：

鉤碼數n（個） 0 1 2 3 4 5

刻度尺讀數xn（cm） 2.62 4.17 5.70 7.22 8.84 10.43

已知所有鉤碼的質量可認為是相同的，鉤碼的質量m0=50 g，當地重力加速度g=9.8 m/s2。請回答下列問題：

（1）請根據表格數據計算出彈簧的勁度系數k= ? ? ?N/m。（結果保留兩位有效數字）

（2）若考慮到在沒有掛鉤碼時彈簧自身有重量，測量的彈簧勁度系數k的值與真實值相比較 ? ? ? ? ? ?。（填“偏大”“偏小”或“沒有影響”）

【解析】（1）為了減小實驗誤差，應該利用題目中所給的6組數據進行計算，此時可以類比運動學中的逐差法，再結合胡克定律k（x-x0）=nm0g，計算得

k==31.5≈32（N/m）。

（2）因在計算形變量時把彈簧自身的重量引起的形變量減去了，故彈簧自有重量對測量值沒有影響。

【總結提升】在研究勻變速直線運動規律的實驗中，逐差法是一種非常重要而巧妙的數據處理方法。在此題中，我們同樣面臨著數據能否被充分利用的問題，此時可以將逐差法遷移過來，巧妙化解本題中的疑難問題。除此之外，探究胡克定律的實驗中還有以下幾個注意事項：

①刻度尺和彈簧豎直放置并彼此靠近。

②測量彈簧原長時，若彈簧水平放置，然后再豎直放置進行實驗，此時彈簧自身的重力會導致產生實驗誤差;如果彈簧的原長是在豎直狀態下測量的，彈簧自身的重力就不會導致產生實驗誤差。

③數據處理時可以作彈簧彈力F和彈簧長度x的圖像，利用圖像的斜率即k=進行計算，如果測得的彈簧的原長

不準確也不會產生實驗誤差。

④進行實驗時，鉤碼不能掛太多，以免超過彈簧的彈性限度。

規律三：圖像是數據處理和誤差分析中的常見工具

【例3】如圖所示，在探究“加速度與物體質量、物體受力關系”的實驗中，選擇小車為研究對象，用砝碼和盤的重力作為拉力。

實驗得到如圖4所示的a-F關系圖像：

（1）圖像在水平軸上有明顯的截距（OA不為零），可能的原因是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

A. 先釋放小車后接通電源

B. 平衡摩擦力時，木板的傾角偏大

C. 平衡摩擦力時，小車后面未固定穿過打點計時器的紙帶

（2）圖像中的AB段基本是一條直線，而BC段明顯偏離直線，主要原因是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

A. 小車的總質量過大

B. 開始砝碼質量較小，后來砝碼質量較大

C. 計算拉力時，忽略砝碼盤的重力

【解析】（1）圖像在水平軸上有截距，說明有拉力時小車加速度為零，小車受到的合力小于細線的拉力，可能是平衡摩擦力時，小車后面未固定穿過打點計時器的紙帶造成的;實驗時，先釋放小車后接通電源，不影響小車受力情況;平衡摩擦力時，木板的傾角偏大會使小車受到的合力大于細線的拉力，故A、B錯誤，C正確。（2）當砝碼質量較大時，小車受到的拉力明顯小于砝碼與砝碼盤的重力，圖像發生彎曲，故B正確。

【總結提升】探究牛頓第二定律的實驗是高考中的常見考點，關于這個實驗有以下幾個注意事項：

①平衡摩擦力時不需要掛砝碼，當小車的質量改變時也不需要重新平衡摩擦力。

②小車要在靠近打點計時器處由靜止釋放，以便充分利用紙帶。

③先接通電源，再釋放小車。

④用砝碼的重力代替繩子上的拉力時，要滿足小車的質量遠遠大于砝碼的質量這一條件。

⑤當有力傳感器或者彈簧秤時，可以直接顯示出繩子的真實拉力，此時就不需要滿足小車的質量遠遠大于砝碼的質量這一條件了。

⑥把小車和砝碼整體作為研究對象時，也不需要滿足小車的質量遠遠大于砝碼的質量這一條件。

⑦利用光電門測量速度，再根據運動學公式計算加速度時，由于中間位移的速度和中間時刻的速度不相等，因此會產生系統誤差。

力學實驗所考查的內容包括儀器讀數、實驗原理、數據處理、誤差分析等幾個方面。用同一裝置可以設計不同的實驗，而同一實驗也可以用不同的實驗裝置來完成。在復習力學實驗時，同學們要以考試大綱所要求的七個常規實驗為出發點，學會舉一反三，靈活遷移，提升自己的解題能力。