由探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系看高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)

韓順利

(山東省濟(jì)南市章丘區(qū)第四中學(xué))

實(shí)驗(yàn)題是高考考查學(xué)生基本能力的重要手段,其考查角度已從基礎(chǔ)知識層面逐步發(fā)展到綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性層面,考查變得非常靈活.本文結(jié)合探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系這一實(shí)驗(yàn)分析一下高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查趨勢.

1 遷移類實(shí)驗(yàn)

這類實(shí)驗(yàn)題具有如下特點(diǎn):它們基本上都不是課本上現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn),但其原理、方法以及涉及的知識均是學(xué)生學(xué)過的,即用“學(xué)過的實(shí)驗(yàn)方法”“用過的儀器”進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn),以考查考生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰屠斫狻⑼评怼⑦w移的能力.

例1某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖1-甲所示的裝置探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系.圖中帶滑輪的粗糙長木板放置于水平桌面上,兩段輕繩始終與桌面平行,根據(jù)彈簧測力計(jì)可讀出輕繩拉力的大小.不計(jì)滑輪的質(zhì)量.

圖1

(1)實(shí)驗(yàn)時,下列操作必要且正確的是_________.

A.用天平測出沙桶(含沙)的質(zhì)量

B.將帶滑輪的長木板右端適當(dāng)墊高,以平衡摩擦力

C.為了減小誤差,實(shí)驗(yàn)中要保證沙桶(含沙)的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量

(2)某次實(shí)驗(yàn)中,得到如圖1-乙所示的一條紙帶,已知打點(diǎn)計(jì)時器所接交流電源的頻率為50Hz,則此次實(shí)驗(yàn)中打點(diǎn)計(jì)時器打計(jì)數(shù)點(diǎn)2時小車運(yùn)動的速度大小為_________m·s-1,小車運(yùn)動的加速度大小為________m·s-2.(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)

(3)實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)彈簧測力計(jì)的示數(shù)為F時,小車的合力大小為________;改變沙桶中沙的質(zhì)量,多次實(shí)驗(yàn),若操作無誤,則根據(jù)得到的數(shù)據(jù)作出小車的加速度a與彈簧測力計(jì)示數(shù)F的關(guān)系圖像應(yīng)為_________.

解析(1)實(shí)驗(yàn)中,輕繩的拉力可由彈簧測力計(jì)測出,不需要用天平測出沙桶(含沙)的質(zhì)量,也不需要使沙桶(含沙)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量,選項(xiàng)A、C錯誤;

實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)彈簧測力計(jì)測出的拉力,求得小車所受的合力,因此需要將木板的右端適當(dāng)墊高,以平衡摩擦力,選項(xiàng)B正確.

(2)打點(diǎn)計(jì)時器打下相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時間間隔T＝,打點(diǎn)計(jì)時器打計(jì)數(shù)點(diǎn)2時小車運(yùn)動的速度大小

(3)由于本實(shí)驗(yàn)已平衡摩擦力,當(dāng)彈簧測力計(jì)的示數(shù)為F時,小車的合力大小F合＝2F.設(shè)小車的質(zhì)量為M,小車運(yùn)動的加速度a與彈簧測力計(jì)的示數(shù)F的關(guān)系為2F＝Ma,故a-F圖像是過原點(diǎn)的直線,選項(xiàng)B、C錯誤,選項(xiàng)A 正確.

點(diǎn)評本實(shí)驗(yàn)與教材中實(shí)驗(yàn)相比,相同之處是都用打點(diǎn)計(jì)時器和紙帶來記錄物體的運(yùn)動,有別于教材的是用彈簧測力計(jì)拉力代替了沙桶的重力,而這一改變可直接讀出拉力的大小,不再需要用沙桶的重力代替拉力,也就不再需要滿足沙桶質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量,因此第(3)問圖像中不會出現(xiàn)彎曲.

2 應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)

這類實(shí)驗(yàn)題具有如下特點(diǎn):基本上以生活、生產(chǎn)和現(xiàn)代科技中的設(shè)備或裝置為背景立意命題,且多以信息題的形式出現(xiàn),要求學(xué)生能夠從題給的文字、圖表中捕獲有效信息,運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識來解答.

例2如圖2所示,小明同學(xué)利用拉力傳感器和速度傳感器探究加速度與物體受力的關(guān)系,在長木板上相距為L的A、B兩點(diǎn)各安裝一個速度傳感器,分別記錄小車到達(dá)A、B時的速率,主要實(shí)驗(yàn)步驟如下.

圖2

①調(diào)整長木板的傾斜角度,平衡小車受到的摩擦力;

②釋放小車,讓小車依次經(jīng)過A、B速度傳感器,記錄速度vA、vB和拉力傳感器的數(shù)值F;

③增加鉤碼數(shù)量,重復(fù)步驟②、③,得到多組數(shù)據(jù);

④利用以上各組數(shù)據(jù)計(jì)算出小車加速度a,并作出a-F圖像.

(1)本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的說法正確的是________;

A.兩速度傳感器之間的距離應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)些

B.平衡小車受到的摩擦力時要掛上鉤碼

C.改變所掛鉤碼的數(shù)量時,要使所掛鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量

D.不必用天平測出小車和車上的拉力傳感器的總質(zhì)量

(2)步驟④中小車加速度a＝________(請用題中符號表示);

(3) 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)作出的a-F圖像最接近________.

解析(1)兩速度傳感器之間的距離應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)些,增大L,可以減小誤差,故選項(xiàng)A 正確;

平衡摩擦力時,不能將鉤碼通過細(xì)線掛在小車上,只讓小車在木板上勻速運(yùn)動,故選項(xiàng)B錯誤;

由于拉力是通過傳感器測得的,故不需要滿足所掛鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量,故選項(xiàng)C錯誤;

本題是探究加速度與物體受力的關(guān)系,所以不必用天平測出小車和車上的拉力傳感器的總質(zhì)量,故選項(xiàng)D 正確.

(3)由于實(shí)驗(yàn)用的是力傳感器得到準(zhǔn)確的受力,當(dāng)砝碼的質(zhì)量不斷增加,拉力增大時,加速度和F始終滿足線性關(guān)系,由分析得選項(xiàng)A 正確,選項(xiàng)B、C、D錯誤.

點(diǎn)評本實(shí)驗(yàn)利用生活中常用的速度傳感器記錄物體的運(yùn)動,力傳感器記錄拉力,和生活結(jié)合得更加密切;仔細(xì)分析來看,與教材中實(shí)驗(yàn)相比變化主要體現(xiàn)在用速度與位移的關(guān)系來求解加速度,代替教材中通過研究紙帶求解加速度.本題利用力傳感器獲取繩的拉力,這一改變與例1中的彈簧測力計(jì)的作用如出一轍,所以不需要滿足鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量這一條件.

3 “創(chuàng)新”類實(shí)驗(yàn)

這類實(shí)驗(yàn)題具有如下特點(diǎn):以學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)活動中所遇到的問題為背景命題,要求學(xué)生根據(jù)題給條件設(shè)計(jì)某些實(shí)驗(yàn)方案,或給出一些儀器(或?qū)嶒?yàn)步驟)來求解某個物理量,或針對某些實(shí)驗(yàn),分析其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到規(guī)律,并對可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析.

例3某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)欲以如圖3-甲所示裝置中的滑塊為對象驗(yàn)證“牛頓第二定律”,裝置由彈簧測力計(jì)、氣墊導(dǎo)軌、兩個光電門、滑塊和砝碼盤(含砝碼)等組成.光電門可以測出滑塊上的遮光條依次通過兩個光電門的時間Δt1、Δt2,游標(biāo)卡尺測出遮光條的寬度d,導(dǎo)軌標(biāo)尺可以測出兩個光電門間的距離L,另用天平測出滑塊、砝碼盤(含砝碼)的質(zhì)量分別為M和m,不計(jì)滑輪的質(zhì)量和摩擦.

圖3

(1)如圖3-乙所示,游標(biāo)卡尺測出遮光條的寬度d＝_________cm.

(2)實(shí)驗(yàn)操作中,下列說法正確的是________.

A.該實(shí)驗(yàn)裝置需要平衡摩擦力

B.為減小誤差,實(shí)驗(yàn)中一定要保證質(zhì)量m遠(yuǎn)小于質(zhì)量M

C.實(shí)驗(yàn)時,多次在同一條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)取遮光條通過兩光電門時間的平均值以減小偶然誤差

D.氣墊導(dǎo)軌充氣后,如果氣墊導(dǎo)軌水平,則滑塊輕放在導(dǎo)軌上能保持靜止

(3)對質(zhì)量保持不變過程,以彈簧測力計(jì)的示數(shù)F為橫坐標(biāo),加速度為縱坐標(biāo),畫出的a-F圖像是一條直線,圖線與橫坐標(biāo)的夾角為θ,求得圖線的斜率為k,則滑塊質(zhì)量可表示為________.

(4)該裝置中彈簧測力計(jì)的讀數(shù)為F,需要驗(yàn)證的表達(dá)式為F＝_________.

解析(1)根據(jù)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則有d＝20mm＋6×0.05mm＝2.030cm.

(2)氣墊導(dǎo)軌由于阻力幾乎為零,所以不必平衡阻力,選項(xiàng)A 錯誤;

彈簧測力計(jì)與細(xì)繩串聯(lián),所以拉力直接可以測量,不必滿足鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量,選項(xiàng)B錯誤;

實(shí)驗(yàn)時,多次在同一條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)取遮光條通過兩光電門時間的平均值可減小偶然誤差,此做法合理,選項(xiàng)C正確;

氣墊導(dǎo)軌充氣后,如果氣墊導(dǎo)軌水平,則滑塊輕放在導(dǎo)軌上時其所受合力為零,則滑塊能保持靜止,選項(xiàng)D 正確.

(3)若該裝置中彈簧測力計(jì)的讀數(shù)為F,則滑塊所受合力為2F,滑塊的加速度,則a-F圖像的斜率為k,則故選項(xiàng)B正確.

(4)該裝置中彈簧測力計(jì)的讀數(shù)為F,則滑塊所受合力為2F,對滑塊從一個光電門運(yùn)動到另一個光電門的過程,應(yīng)用運(yùn)動學(xué)公式可得

則需要驗(yàn)證的是2F＝Ma,即

點(diǎn)評本實(shí)驗(yàn)相對教材實(shí)驗(yàn)器材變化很多,涉及光電門和氣墊導(dǎo)軌,光電門類似于例2中的速度傳感器,仍然是用速度與位移的關(guān)系來求解加速度;氣墊導(dǎo)軌這一變化則可以大大減小阻力,不再需要平衡摩擦力.彈簧測力計(jì)的使用同例1,所以本題不再需要滿足砝碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量.

4 結(jié)束語

探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系這一實(shí)驗(yàn)的考查方式靈活多變,總結(jié)來看,變化的多是加速度的求解和合力的來源,加速度的求解變化來源于提供不同的實(shí)驗(yàn)器材;合力的來源變化則處處滲透著對實(shí)驗(yàn)原理的考查.這也是高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查特點(diǎn),萬變不離其宗,解決這類問題,需要我們平常在熟悉各種儀器的使用方法的前提下,從基本的實(shí)驗(yàn)原理入手,從中找出規(guī)律,通過聯(lián)想、等效、類比等思維方法建立與新情境對應(yīng)的物理模型,并在已學(xué)知識與物理模型之間架設(shè)橋梁,將已學(xué)知識遷移并運(yùn)用到新情境中去,然后進(jìn)行推理、計(jì)算,找出各物理量之間的關(guān)系并總結(jié)出其變化規(guī)律,從而把握問題的本質(zhì),使問題迎刃而解!

(完)