創(chuàng)新性高考力學(xué)實驗題的解題方法

浙江

實驗創(chuàng)新是永恒的主題。通過書面的實驗考試，既能考查平時實驗教學(xué)的成效，又能考查學(xué)生實際操作的能力，這是眾多考試命題者(尤其是高考命題者)所傾注心血、絞盡腦汁的課題。在每年的高考實驗試題中，都會出現(xiàn)一些創(chuàng)新性的好題，特別是高考力學(xué)實驗題中，除了考查平時要求的學(xué)生實驗和演示實驗外，還在以下六個方面進行了拓展和創(chuàng)新，這些試題既考查了實驗教學(xué)情況，又指明了今后實驗教學(xué)的方向。

一、選用新器材

在力學(xué)實驗中，通過增加一些現(xiàn)代科技產(chǎn)品，從而改變實驗條件，以求提高實驗效果。特別是傳感器、高新產(chǎn)品等新器材的加入，改善了之前實驗精度的不足，之前不能完成的實驗也可以正常進行。解答這類問題時，要注意弄清新器材對實驗帶來的新影響，再結(jié)合平時掌握的實驗知識和相關(guān)的物理規(guī)律，問題往往都會迎刃而解。

【例1】(2020年江蘇卷)疫情期間“停課不停學(xué)”，小明同學(xué)在家自主開展實驗探究。用手機拍攝物體自由下落的視頻，得到分幀圖片，利用圖片中小球的位置來測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋瑢嶒炑b置如圖1所示。

(1)家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球，其中最適合用作實驗中下落物體的是________。

(2)下列主要操作步驟的正確順序是____________。(填寫各步驟前的序號)

①把刻度尺豎直固定在墻上

②捏住小球，從刻度尺旁靜止釋放

③手機固定在三角架上，調(diào)整好手機鏡頭的位置

④打開手機攝像功能，開始攝像

(4)在某次實驗中，小明釋放小球時手稍有晃動，視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向。從該視頻中截取圖片，________(填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度。

【點評】本題用手機代替打點計時器，具有計時和確定小球位置的功能，手機是現(xiàn)代人必備的通訊工具，該實驗在本質(zhì)上與課本上的學(xué)生實驗沒有多大區(qū)別，因此解答此題入手較容易。

二、結(jié)果有延伸

在考查課本要求的學(xué)生實驗和演示實驗的基礎(chǔ)上，對實驗的原理、條件、知識作一些延伸，既可以考查學(xué)生的實驗綜合能力，又可以考查學(xué)生的知識應(yīng)變能力，是當(dāng)前實驗考查的大方向。解答這類實驗試題時，要注意理清實驗結(jié)果的延伸所涉及的物理知識與物理規(guī)律，然后再運用這些知識解決相關(guān)問題。

【例2】(2019年北京卷)用如圖3所示裝置研究平拋運動。將白紙和復(fù)寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點飛出，落在水平擋板MN上。由于擋板靠近硬板一側(cè)較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側(cè)面會在白紙上擠壓出一個痕跡點。移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復(fù)，白紙上將留下一系列痕跡點。

圖3

(1)下列實驗條件必須滿足的有________。

A.斜槽軌道光滑

B.斜槽軌道末段水平

C.擋板高度等間距變化

D.每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球

(2)為定量研究，建立以水平方向為x軸、豎直方向為y軸的坐標(biāo)系。

a.取平拋運動的起始點為坐標(biāo)原點，將鋼球靜置于Q點，鋼球的________(填“最上端”“最下端”或“球心”)對應(yīng)白紙上的位置即為原點；在確定y軸時________(填“需要”或“不需要”)y軸與重垂線平行。

圖4

(3)為了得到平拋物體的運動軌跡，同學(xué)們還提出了以下三種方案，其中可行的是________。

A.從細管水平噴出穩(wěn)定的細水柱，拍攝照片，即可得到平拋運動軌跡

B.用頻閃照相在同一底片上記錄平拋小球在不同時刻的位置，平滑連接各位置，即可得到平拋運動軌跡

C.將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，將會在白紙上留下筆尖的平拋運動軌跡

(4)伽利略曾研究過平拋運動，他推斷：從同一炮臺水平發(fā)射的炮彈，如果不受空氣阻力，不論它們能射多遠，在空中飛行的時間都一樣。這實際上揭示了平拋物體________。

A.在水平方向上做勻速直線運動

B.在豎直方向上做自由落體運動

C.在下落過程中機械能守恒

(5)牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點就一次比一次遠，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛(wèi)星。

同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會從做平拋運動逐漸變?yōu)樽鰣A周運動，請分析原因。

【點評】本實驗雖然與平時的平拋運動實驗有一些差異，即鋼球做平拋運動時位置確定的方法有所變化，但考查的都是熟悉的平拋運動實驗相關(guān)內(nèi)容，解決起來并不難。此題在考查常規(guī)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合伽利略的推斷和牛頓的設(shè)想，將平拋運動實驗拓展到對平拋運動的研究和發(fā)射人造衛(wèi)星的原理上，既培養(yǎng)了興趣，又拓展了知識。

三、情景有拓展

以課本上的學(xué)生實驗為依據(jù)，依托相關(guān)的物理規(guī)律，對實驗情景的設(shè)計進行創(chuàng)新。解決此類問題時，要善于把握實驗新情景的特點，找出與課本上實驗的相通之處，再運用常規(guī)的實驗原理和方法進行解答。

【例3】(2020年7月浙江卷)做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗時，如圖5是教材中的實驗方案；如圖6是拓展方案，其實驗操作步驟如下：

圖5

圖6

(Ⅰ)掛上托盤和砝碼，改變木板的傾角，使質(zhì)量為M的小車拖著紙帶沿木板勻速下滑；

(Ⅱ)取下托盤和砝碼，測出其總質(zhì)量為m，讓小車沿木板下滑，測出加速度a；

(Ⅲ)改變砝碼質(zhì)量和木板傾角，多次測量，通過作圖可得到a-F的關(guān)系。

(1)實驗獲得如圖7所示的紙帶，計數(shù)點a、b、c、d、e、f間均有四個點未畫出，則在打d點時小車的速度大小vd=________m/s(保留2位有效數(shù)字)；

圖7

(2)需要滿足條件M?m的方案是________(填“圖5”“圖6”或“圖5和圖6”)；在作a-F圖像時，把mg作為F值的是________(填“圖5”“圖6”或“圖5和圖6”)。

【點評】本題結(jié)合課本上的驗證牛頓第二定律的實驗，在小車所受到的拉力的情景上有所創(chuàng)新，但如果平時認真做過這個實驗，并準(zhǔn)確掌握了這個實驗的原理，同時能熟練應(yīng)用牛頓第二定律解決問題，那么，正確解答這道實驗題必將順風(fēng)順?biāo)?/p>

四、原理有變化

在實驗考查中，根據(jù)相關(guān)的物理規(guī)律，對某個實驗通過實驗情景和實驗條件的創(chuàng)新，使得在實驗原理上有所變化，甚至運用了完全不同于課本上的實驗裝置和原理，考查學(xué)生的實驗?zāi)芰Α?yīng)變能力和綜合運用物理知識的能力。解決此類問題時，要善于把握實驗新情景和新條件的特點，找出與課本上實驗的相通之處，再結(jié)合相關(guān)的物理規(guī)律，從而迅速確定實驗的原理和方法。

圖8

【例4】(2020年全國Ⅱ卷)一細繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖8所示。一實驗小組用此裝置測量小球B運動的加速度。

令兩小球靜止，細繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0=0.590 m，下降一段距離后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的時間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為a=________m/s2(保留3位有效數(shù)字)。

從實驗室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間=9.80 m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小為a′=________m/s2(保留3位有效數(shù)字)。

可以看出，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：_____________。

【點評】在中學(xué)物理實驗的教學(xué)中，測定加速度是通過小車在拉力作用下做加速運動，用打點計時器記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，再運用運動學(xué)公式求出結(jié)果。該實驗題運用典型的連接體裝置，結(jié)合勻變速直線運動規(guī)律和牛頓第二定律求解加速度，并對測出的加速度和理論計算得到的加速度進行比較和分析。

五、巧用小實驗

課本中的小實驗、演示實驗等作為實驗考查的素材，結(jié)合相關(guān)的物理規(guī)律，設(shè)計相應(yīng)的實驗考查內(nèi)容，這也是一類很好的考查學(xué)生實驗?zāi)芰Φ脑囶}，不僅可以考查實驗的設(shè)計能力，而且也可以考查實際操作的能力。解答這類試題時，要善于分析實驗的情景，理清實驗的原理，注意熟練應(yīng)用相關(guān)的物理規(guī)律。

【例5】(2018全國Ⅲ卷)甲、乙兩同學(xué)通過下面的實驗測量人的反應(yīng)時間。實驗步驟如下：

(1)甲用兩個手指輕輕捏住量程為L的木尺上端，讓木尺自然下垂。乙把手放在尺的下端(位置恰好處于L刻度處，但未碰到尺)，準(zhǔn)備用手指夾住下落的尺。

(2)甲在不通知乙的情況下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夾住尺子。若夾住尺子的位置刻度為L1，重力加速度大小為g，則乙的反應(yīng)時間為________(用L、L1和g表示)。

(3)已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=9.80 m/s2，L=30.0 cm，L1=10.4 cm，乙的反應(yīng)時間為________s。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

(4)寫出一條提高測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的建議：____________________。

(4)為了提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，可以采用多次測量取平均值的方法，以減小實驗的偶然誤差；初始時乙的手指盡可能接近尺子，以減小實驗的系統(tǒng)誤差。

【點評】本實驗屬于課本中的一個小實驗，實驗情景熟悉，解答的難度不大，但如果沒有良好的實驗素養(yǎng)，要寫出一條提高測量準(zhǔn)確程度的建議并不容易。

六、創(chuàng)設(shè)新實驗

創(chuàng)設(shè)全新的實驗問題，即非課本上要求的學(xué)生實驗或者演示實驗。這類實驗要求學(xué)生用所學(xué)的物理知識、實驗方法、用過的儀器進行新的實驗，從而達到考查學(xué)生的實驗?zāi)芰瓦w移能力的目的。解答這類實驗題，務(wù)必重視對實驗情景和實驗條件的分析，弄清實驗的目的和實驗的原理，善于發(fā)揮平時培養(yǎng)的實驗?zāi)芰Γ朴跇?gòu)建實驗問題與物理規(guī)律的關(guān)系。

【例6】(2020年全國Ⅰ卷)某同學(xué)用如圖9所示的實驗裝置驗證動量定理，所用器材包括：氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計算機相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。

圖9

實驗步驟如下：

(1)開動氣泵，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊，當(dāng)滑塊上的遮光片經(jīng)過兩個光電門的遮光時間________時，可認為氣墊導(dǎo)軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1、滑塊(含遮光片)的質(zhì)量m2；

(3)用細線跨過輕質(zhì)定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運動，和計算機連接的光電門能測量出遮光片經(jīng)過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運動到B所用的時間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________；(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)

(6)某次測量得到的一組數(shù)據(jù)為：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。計算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1；(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)