把握力學實驗考查熱點 提升學生探究素養

夏廣平

(南京市金陵中學,江蘇 南京 210005)

在普通高中學業水平測試(選修科目)的《考試說明》中,明確提出“實驗與探究能力”的要求,除了要求學生 “能夠獨立完成‘實驗、探究’的內容,明確實驗目的,理解實驗的原理和方法”,還要求“能在實驗中,發現問題、提出問題,對解決問題的方式和問題的答案提出假設;能制定實驗方案,對實驗結果進行預測.能運用已學過的物理理論、實驗方法和所給的實驗儀器去解決問題,包括簡單的設計性實驗”.

《考試說明》中的要求,恰對應著學生核心素養的“科學探究”素養.《課程標準(2017版)》中指出,學生要具備“提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.” 本文以高考中的力學實驗為例,分析考核中的“熱點”問題,談談如何在力學實驗題的分析與解決中提升學生的探究素養.

1 近年高考力學實驗題命題特點分析

表1為2018年全國各高考物理力學實驗考核內容,表2為全國卷近3年高考物理力學實驗考核內容,表3為江蘇卷近10年高考物理力學實驗考核內容.從這3張表格中可以分析發現高考力學實驗的命題特點.

表1 2018年全國各高考物理力學實驗考核內容

續表

表2 全國卷近3年高考物理力學實驗考核內容

表3 江蘇卷近10年高考物理力學實驗考核內容

縱觀近幾年高考中的力學實驗試題,可以發現:力學實驗題的范圍比較集中,總體是對基本實驗的考核,或是對基本實驗的改變與創新,包括實驗原理的改變,測量方法的改變、數據處理方法的改變等.考核情境基本是在學生學習過的實驗基礎上,利用已學過的知識,對實驗器材或實驗方法加以重組,改進實驗測量手段與測量技術,設計實驗方案解決新問題,突出用學習過的實驗方法、實驗器材來解決新問題.

分析各年、各地試卷,有一些熱點情境與熱點問題出現頻率相當之高．本文例舉其中3個進行討論:測重力加速度問題、測動摩擦因數問題、平衡摩擦力問題與質量關系問題．

2 例談高考力學實驗典型熱點問題

2.1 測重力加速度問題

圖1

例1.(利用連接體運動規律測重力加速度)(2018年江蘇卷)某學生利用如圖1所示的實驗裝置來測量重力加速度g.細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質滑輪,兩端各懸掛一只質量為M的重錘.實驗操作如下.

① 用米尺量出重錘1底端距地面的高度H;

② 在重錘1上加上質量為m的小鉤碼;

③ 左手將重錘2壓在地面上,保持系統靜止.釋放重錘2,同時右手開啟秒表,在重錘1落地時停止計時,記錄下落時間;

④ 重復測量3次下落時間,取其平均值作為測量值t.

請回答下列問題.

(1) 步驟④ 可以減小對下落時間t測量的________(填“偶然”或“系統”)誤差.

(2) 滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差.現提供一些橡皮泥用于減小該誤差,可以怎么做?

(3)使用橡皮泥改進實驗后,重新進行實驗測量,并測出所用橡皮泥的質量為m0.用實驗中的測量量和已知量表示g,得g=________.

圖2

例2.(利用自由落體運動測重力加速度)(2017年新疆建設兵團二中模擬)某興趣小組的學生準備用如圖2所示的實驗器材測定小球下落時的重力加速度,實驗器材有:底座、帶有標尺的豎直桿、光電門1和2組成的光電計時器(其中光電門1更靠近小球釋放點),小球釋放器(可使小球無初速度釋放)、網兜.實驗時可用兩光電門測量小球從光電門1運動至光電門2的時間t,并從豎直桿上讀出兩光電門間的距離h.實驗步驟如下.

(1) 使用游標卡尺測量出小球的直徑D.

(2) 改變光電門1的位置,保持光電門2的位置不變,小球經過光電門2的時間為Δt,則小球經過光電門2的速度為v=________,不考慮空氣阻力,小球的加速度為重力加速度g,則h、t、g、v4個物理量之間的關系為h=________.

小結:從2018年考題看,同一年有江蘇、海南兩地試卷考核了重力加速度的測量;從江蘇省考題看,近10年考核了兩次.測量重力加速度的方法很多,除上述兩例的方法外,還有用彈簧秤和已知質量的鉤碼測量、用斜面上物體運動測量、用單擺或圓錐擺測量、用滴水法或閃光相片測量等,因此考題情境比較豐富．這些測量重力加速度的方法,有的較粗略,有的較精確,有的可以實際操作,有的其實是不易操作但原理上是合理的“理想實驗”,這些方法多數是力學知識的綜合運用,對這些問題的分析有利于加深學生對基礎知識的理解,培養學生發散性思維.

2.2 測動摩擦因數問題

例3.(利用平衡條件測定動摩擦因數)(2018年全國卷Ⅱ)某學生用圖3 (a)所示的裝置測量木塊與木板之間的動摩擦因數.跨過光滑定滑輪的細線兩端分別與木塊和彈簧秤相連,滑輪和木塊間的細線保持水平,在木塊上方放置砝碼.緩慢向左拉動水平放置的木板,當木塊和砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續滑動時,彈簧秤的示數即為木塊受到的滑動摩擦力的大小.某次實驗所得數據在表4中給出,其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數讀出.回答下列問題.

圖3

表1

(1)f4=________N;

(2) 在圖(c)的坐標紙上補齊未畫出的數據點并繪出f-m圖線;

(3)f與m、木塊質量M、木板與木塊之間的動摩擦因數μ及重力加速度大小g之間的關系式為f=________,f-m圖線(直線)的斜率的表達式為k=________;

(4) 取g=9.80 m/s2,由繪出的f-m圖線求得μ=________.(保留2位有效數字)

解析: (1) 2.75.(2) 如圖4所示.(3) 由實驗原理可得f=μ(M+m)g, 因此f-m圖線的斜率為k=μg. (4) 0.40.

圖4

例4.(利用動能定理測定動摩擦因數)(2017年焦作模擬)某物理興趣實驗小組的學生在測量一鐵塊與一長木板之間的動摩擦因數時,該小組的同學首先將待測定的長木板水平固定,將另一長木板傾斜固定,兩長木板間用一小段光滑的軌道銜接,如圖5(甲)所示.請回答下列問題.

圖5

(1) 將鐵塊由距離水平面h高度處由靜止釋放,經測量在粗糙的長木板上滑行的距離為x時速度減為0,如果保持斜面的傾角不變,改變鐵塊釋放的高度,并測出多組數據,忽略鐵塊與傾斜的長木板之間的摩擦力.現以h為橫坐標、x為縱坐標,則由以上數據畫出的圖像的特點應為______.

(2) 在實際中鐵塊與傾斜的長木板之間的摩擦力是不可忽略的,為了測定鐵塊與兩長木板間的動摩擦因數,該小組的學生逐漸地減小斜面的傾角,每次仍將鐵塊由靜止釋放,但每次鐵塊釋放位置距水平面的高度記為h,將釋放點與兩長木板的銜接點的水平間距記為L.將經過多次測量的數據描繪在x-h的坐標系中,得到的圖線如圖5(乙)所示,則鐵塊與傾斜的長木板之間的動摩擦因數為μ1=________,鐵塊與水平的長木板之間的動摩擦因數為μ2=________.(結果用圖中以及題干中的字母表示)

(2) 對鐵塊運動的全程,運用動能定理有

mgh-μ1mgcosθx1-μ2mgx=0(θ為傾斜木板的傾角)

由幾何關系得到L=x1cosθ,得到

小結:近幾年測量動摩擦因數的創新實驗逐漸增多,已成為高考中新的熱點之一．除上述兩例外,還有應用動力學方法測量、用功能關系測量等．這類探究實驗注重對實驗原理和實驗測量方法的考查與應用,內容不拘泥于教材和考綱,重點考查學生的實驗探究和創新思維能力.學生在分析“測量動摩擦因數”實驗中,應首先明確實驗所應用的原理,靈活運用所學力學知識認真分析各物理量之間的聯系,尤其是牛頓運動定律和功能關系,在這類問題的分析解決中理解實驗的思路,提升解決實驗問題的能力.

2.3 平衡摩擦力問題與質量關系問題

高考力學實驗大量出現“小車(滑塊等)+砝碼(砂、沙、重物、水等)”模型,考核內容涉及到研究勻變速運動、驗證牛頓第二定律、驗證機械能守恒定律、探究動能定理、驗證動量守恒定律等多個實驗.其中考查中最常見的兩個問題,也是比較困擾學生的問題就是:用水平運動的小車和砝碼的裝置實驗要不要平衡摩擦力?要不要滿足砝碼(砂、沙、重物、水)的質量m遠小于小車(滑塊)M?

圖6

例5.某學生利用如圖6裝置研究小車的勻變速直線運動,實驗中必須的措施是______.

(A) 細線必須與長木板平行.

(B) 先接通電源再釋放小車.

(C) 小車的質量遠大于鉤碼的質量.

(D) 平衡小車與長木板間的摩擦力.

解析:答案:(A)、(B).本題中只要保證小車做勻變速運動即可,無須保證小車質量遠大于鉤碼的質量,選項(C)錯誤;同理,小車與長木板間可以有不變的摩擦力,無須平衡摩擦力,選項(D)錯誤.

例6.(鎮江市2011屆高三一模擬)某學生利用如圖7所示的裝置來驗證由小車與鉤碼組成的系統機械能守恒

圖7

(1) 現提供如下器材:

(A) 小車. (B) 鉤碼. (C) 一端帶滑輪的長木板. (D) 細繩. (E) 電火花打點計時器. (F) 紙帶. (G) 毫米刻度尺. (H) 游標卡尺. (I) 低壓交流電源. (J) 220 V交流電源.

實驗中不需要的器材是____________(填寫器材前的字母),還需要的器材是____________.

(2) 為盡可能消除摩擦力對本實驗的影響,使驗證結果盡可能準確,則小車質量M和鉤碼質量m的關系應該滿足____________.

(3) 小明和小軍同學在做該實驗時,小明認為只要采用平衡摩擦力的方法將摩擦力平衡掉就可以了,無須滿足(2)問中小車質量M和鉤碼質量m的關系,而小軍卻否認小明的看法,你認為小明的看法________(選填“正確”或“不正確”),理由是________________.

解析: (1) H I；天平. (2)M?m. (3) 不正確；因為平衡摩擦力后,摩擦力還做負功,系統機械能不守恒.

小結:從以上各例可見,要不要平衡摩擦力與要不要滿足m?M,需要引導學生關注以下4個方面.

(1) 關注實驗目的.如測量什么?驗證什么?如研究小車勻變速運動規律就不需要平衡摩擦力,也不需要滿足m?M,但研究牛頓第二定律時將砝碼重力近似為繩子拉力,則需要滿足m?M; (2) 關注實驗原理.找出物理量之間的關系,才能得到正確結論;(3) 關注實驗器材.如用什么測量力?用氣墊導軌還是普通平面?研究牛頓第二定律時,用力的傳感器測力,則不需要滿足m?M; (4) 關注數據處理.如有沒有近似?有沒有忽略?摩擦力對本實驗有沒有影響?如例6,平衡摩擦力后,摩擦力還做負功,系統機械能不守恒,所以僅靠平衡摩擦力不能達到驗證機械能守恒實驗的條件．

3 結語

物理是一門以實驗為基礎的自然科學,實驗是探索“萬物之理”的基本手段和不可替代的方法之一.正因如此,實驗在物理學習和物理考試中都有舉足輕重的地位.概括起來,“實驗與探究能力”主要考核學生以下四個方面的能力:基本原理和實驗方法、儀器使用和數據分析、發現問題和制定方案、問題解決和實驗設計.這四方面能力培養,恰是提高“科學探究”素養的關鍵所在.

高考試題的立意, 以“立德樹人、服務選拔、導向教學”為主旨,關注學生物理核心素養,所以教師也要從物理核心素養的視角去分析高考實驗題.近幾年來高考試題中出現的物理實驗題,一方面注重基本儀器的掌握與基本實驗的理解,一方面注重知識的靈活應用,儀器的選擇、實驗的設計都對知識的綜合性與靈活性有較高的要求,對能力層次的考查有所提高.這也意味著學生除了認真掌握每一個實驗的原理、器材、步驟,構建起一定的實驗整體知識體系外,還要有意識的、積極的提取、積累一些有價值的方法,從不同的角度進行思路的拓展,對基本方法和技能進行強化,加強前后聯系,著力領悟實驗的設計思想、所運用的科學方法、規范的操作程序,并從實際出發做合理的創新和創新改進,培養較強的實驗分析能力與解決問題的能力,全面提升科學探究的素養.