力學創新新實驗的命題思路解讀

王春旺

中學階段力學實驗器材主要有：打點計時器和斜面小車，氣墊導軌和光電門，輕彈簧和橡皮筋，小球和滑塊等。為了考查學生的實驗能力和綜合運用知識解決實際問題的能力，近幾年高考實驗命題創新思路，將實驗操作、數據處理與相關主干知識點有機結合，創新了實驗題的考查角度和命題情景，提高了高考題的區分度，達到了既考查物理實驗探究，又考查知識綜合運用的雙重目的。通過對近幾年高考試卷中力學實驗題的分析，可歸納出力學創新實驗的命題思路主要包括以下三個方面。

一、遷移大學普通物理實驗器材，創新高考實驗考查角度

在近幾年高考實驗情景中，阿特伍德機被多次采用。阿特伍德機是18世紀英國物理學家阿特伍德設計的用于測量加速度及驗證物理定律的器材，其基本結構為在跨過定滑輪的輕繩兩端懸掛兩個物塊。

例1 （2020年高考全國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1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;由矗。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a=___m/s2（保留3位有效數字）。

從實驗室提供的數據得知，小球A、B的質量分別為100.0 g和150.0 g，當地重力加速度大小g=9. 80 m/s2。根據牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小a'=____m/s/（保留3位有效數字）。

點評：本題是利用阿特伍德機測量小球B的加速度。若在阿特伍德機裝置上小球下落或上升經過的某一位置安裝光電門，則可測量出小球經過光電門時的速度，還可驗證牛頓第二定律、動能定理或機械能守恒定律等。

二、利用手機視頻錄像和連拍功能，創新高考實驗命題情景

智能手機已經成為我們日常生活中不可或缺的器件。在2020年高考中，山東卷和江蘇卷分別從珠穆朗瑪峰的高度測量和疫情期間“停課不停學”切人，利用手機視頻錄像和連拍功能，測量重力加速度。

例2（2020年高考山東卷）2020年5月，我國進行了珠穆朗瑪峰的高度測量，其中一種方法是通過使用重力儀測量重力加速度，進而間接測量海拔高度。某同學受此啟發就地取材設計了如下實驗，測量當地重力加速度的大小。實驗步驟如下：

（i）如圖2所示，選擇合適高度的墊塊，使木板的傾角為53。，在其上表面固定一與小物塊下滑路徑平行的刻度尺（圖中未畫出）。

（ii）調整手機使其攝像頭正對木板表面，開啟視頻錄像功能。將小物塊從木板頂端釋放，用手機記錄下小物塊沿木板向下做加速直線運動的情況。然后通過錄像的回放，選擇小物塊運動路徑上合適的一點作為測量參考點，得到小物塊相對于該點的運動距離L與運動時間t的數據。

（iii）該同學選取部分實驗數據，畫出了2L/t 一t圖像，利用圖像數據得到小物塊下滑的加速度大小為5.6 m/s2。

（iv）再次調節墊塊，改變木板的傾角，重復實驗。

回答以下問題：

（1）當木板的傾角為37。時，所繪圖像如圖3所示。由圖像可得，小物塊經過測量參考點時速度的大小為 ____ m/s;選取直線上位于坐標紙網格交叉點上的A、B兩點，利用A、B兩點數據得到小物塊加速度的大小為____m /2。（結果均保留2位有效數字）

三，利用常用實驗器材，創新考查驗證物理規律或測量相關物理量

在考綱規定的力學實驗中，大多數都可以利用打點計時器或氣墊導軌完成，因此借助打點計時器或氣墊導軌驗證物理規律或測量相關物理量，往往可以達到創新實驗，考查能力的目的。

例3 如圖4所示的實驗裝置可以用來探究物體在斜面上運動的加速度及彈簧儲存的彈性勢能。用到的實驗器材有斜劈、彈簧（勁度系數較大）、帶有遮光片的滑塊（總質量為m）、光電門、數字計時器（圖中未畫出）、游標卡尺、刻度尺。實驗步驟如下：①用游標卡尺測得遮光片的寬度為d;②將彈簧放在擋板P和滑塊之間，當彈簧為原長時，遮光片中心對準斜面上的A點;③將光電門固定在斜面上的B點，并與數字計時器相連;④壓縮彈簧，然后用銷釘把滑塊固定，此時遮光片中心對準斜面上的O點;⑤用刻度尺測量A、B兩點間的距離L;⑥拔去鎖定滑塊的銷釘，記錄滑塊經過光電門時數字計時器顯示的時間△t;⑦移動光電門位置，多次重復步驟④⑤⑥。

跟蹤訓練

1.實驗小組利用以下方法間接測量物體的質量。如圖6所示，一根輕繩跨過輕質定滑輪與兩個相同的重物P、Q相連，已知重物P、Q的質量均為m，當地重力加速度為g。在重物Q的下面通過輕質掛鉤懸掛待測物塊Z，重物P的下端與穿過打點計時器的紙帶相連。

（1）先接通頻率為50 Hz的交流電源，再由靜止釋放系統，得到如圖7所示的紙帶，則系統的加速度a=_____m/s2（結果保留2位有效數字）。

（2）在忽略阻力的理想情況下，物塊Z質量M的表達式為M=___ （用字母m、a、g表示）。

（3）實際情況下，空氣阻力、紙帶與打點計時器間的摩擦、定滑輪的滾動摩擦不可忽略，物塊Z的實際質量與理論值有一定差異，這種誤差是 ____ 誤差（填“偶然”或“系統”）。

2.如圖8所示，點光源位于S點，MN為豎直放置屏幕的橫截面，P點位于點光源與屏幕之間的中點，且SP連線垂直于屏幕。將一個小球從P點由靜止釋放，光照射小球在屏幕上形成影子，影子在屏幕上的移動情況被數碼相機連拍功能拍攝下來，圖9為拍攝到影子下落過程中的部分圖像，已知該數碼相機每秒拍攝10次，空氣阻力忽略不計。

（1）影子運動至位置C時的速度為____ m/s2，此時小球的速度為____ m/s2。（結果均保留2位有效數字）

（2）若影子的v-t圖像如圖10所示，則可求得當地的重力加速度g=____。

3.小鳴同學組裝了一套實驗裝置如圖11所示，拉力傳感器豎直固定，一根不可伸長的細線上端固定在傳感器的掛鉤上，下端系著小鋼球，小鋼球底部固定有遮光片，傳感器正下方安裝有光電門，小鋼球經過最低點時遮光片恰好能通過光電門。已知當地的重力加速度大小為g。小鳴的實驗步驟如下：

（1）用游標卡尺測量遮光片寬度d，如圖12所示，其讀數為____ mm。

（2）拉起小鋼球使細線與豎直方向成不同的角度，小鋼球由靜止釋放后均在豎直面內運動，記錄遮光片每次經過光電門的遮光時間△t和對應的拉力傳感器示數F。

根據記錄的數據繪出如圖13所示的F=1/（△t）2圖像，圖中a為已知量。利用圖13中的信息可以求得的物理量是____ 。該物理量的表達式為

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