力學創新實驗的命題趨勢及解題策略

【摘要】本文通過對近年相關考題的分析，總結力學創新實驗命題在注重考查基礎知識、強調實驗設計與探究能力、融入現代科技元素等方面的特點．針對這些趨勢，以具體案例的形式提出相應的解題策略，以期為學生和教育工作者提供有益的參考，提升力學實驗教學與學習的效果．

【關鍵詞】力學；創新實驗；解題策略

力學實驗作為物理學的重要組成部分，對于學生理解力學概念、掌握物理規律以及培養科學探究能力具有不可替代的作用．隨著教育改革的不斷推進和科學技術的飛速發展，力學創新實驗在考試中的命題趨勢也在發生著顯著變化．了解這些趨勢并掌握有效的解題策略，對于學生在考試中取得優異成績以及提升自身的科學素養至關重要．

1 力學創新實驗的命題趨勢

1.1 基礎知識與綜合應用相結合

命題不再單純考查某一孤立的知識點，而是將多個力學概念和規律融合在一個實驗情境中，要求學生能夠綜合運用所學知識進行分析和解決問題．

1.2 強調實驗設計與探究能力

更加注重考查學生自主設計實驗方案、選擇實驗器材、分析實驗數據以及得出結論的能力，鼓勵學生在實驗過程中積極思考和創新．同時，還要學會對實驗誤差來源進行分析以及改進實驗方案以減小誤差的考查，培養學生嚴謹的科學態度和科學探究能力．

1.3 融入現代科技元素

將先進的測量技術、傳感器設備等引入實驗，要求學生能夠適應新的實驗手段，理解并運用相關科技成果解決力學實驗中的問題．也可能會與信息技術等其他學科交叉融合，要求學生具備運用多學科知識解決復雜力學實驗問題的能力．

2 驗證牛頓第二定律創新實驗案例

例1 某同學用如圖1所示的裝置驗證牛頓第二定律，拉力傳感器固定在鐵架臺上，長l的細繩一端系在拉力傳感器上，另一端栓接一個半徑為r的小鋼球，（小球經過最低點時，球心正好對準光電門）在小球靜止的位置固定一光電門，小球靜止時拉力傳感器的示數為F0．將小球拉起一定的角度后由靜止釋放．小球擺動過程中拉力傳感器的示數隨時間變化的關系如圖2所示，測出小球經過最低點時光電門的遮光時間Δt，小球經過最低點時，拉力傳感器的示數為F2，已知重力加速度為g，試回答以下問題：

（1）小球運動過程中經過最低點時的加速度為______________（用r、l、Δt表示）；

（2）小球的質量為______________；

（3）若小球在最低點受到的合力與質量和加速度滿足關系式______________，即可驗證牛頓第二定律在小球經過最低點時成立．

解析 （1）小球經過最低點時的速度v=2rΔt，

加速度a=v2R=v2l+r=4r2（l+r）（Δt）2．

（2）小球在最低點靜止時有F0=mg，可知m=F0g．

（3）小球運動到最低點有F合=F2－F0=ma，代入a、m的表達式可得F2－F0=4F0r2g（l+r）（Δt）2．

解題策略 本實驗中運用了中學生不太熟悉的實驗器材（力傳感器和光電門計時器），通過力傳感器將繩子的拉力實時地通過計算機反映出來，需要學生認真識別計算機圖象，從圖象中尋找解題的關鍵點．當然，了解新型實驗器材的使用方法和原理，熟悉數字化傳感器、計算機輔助實驗系統等現代測量技術的操作是解決創新實驗的根本所在．

3 測量當地重力加速度創新實驗案例

例2 某學習小組利用雙線擺測量當地重f221a31ca4a8a443d25d845fb7a6c0e5力加速度．如題圖3所示，將一個可視為質點的小球用兩條長度均為L的細線連接，細線上端分別固定在水平直桿上的M、N兩點，兩條細線左右對稱，使小球能在垂直紙面的豎直面內擺動．

（1）用秒表測量雙線擺的周期：將小球沿題圖3中虛線所在的垂直紙面的豎直面拉開一個大約5°的角度，然后由靜止釋放，當雙線擺擺動穩定且到達最低點時開始計時并記為0次，雙線擺每次經過最低點記一次數，當數到n次時秒表示數如題圖4所示，則秒表的讀數t=______________s，該雙線擺的周期T=______________（用t、n表示）；

（2）測得M、N間距為d，則當地重力加速度g=______________（用題給物理量符號表示）．

解析 （1）由圖示秒表可知，秒表的示數為t=2min+7.0s=127.0s，

單擺的周期為T=tn2=2tn．

（2）設擺長為l，由圖3，結合勾股定理有l=L2－d22，

擺的周期公式為T=2πlg，

整理有g=4π2lT2=n2π24L2－d22t2．

解題策略 高中物理教材中講解了運用單擺測量當地重力加速度的方法，但這里給出了雙線擺測量重力加速度，從實驗原理上進行了創新，需要學生認真分析題目，求解有效擺長，再結合單擺周期公式即可求解重力加速度．

4 結語

力學創新實驗的命題趨勢正朝著綜合化、創新化、科技化和跨學科化的方向發展．學生在應對這類實驗問題時，需要具備扎實的基礎知識、創新的思維能力、熟練的實驗操作技巧以及跨學科整合知識的能力．教育工作者應根據這些趨勢，調整教學方法和策略，注重培養學生的實踐能力和創新精神．未來，隨著科學技術的不斷進步和教育理念的持續更新，力學創新實驗的命題將更加注重培養學生的核心素養和解決實際問題的能力．期待在力學實驗教學和考試中，能夠出現更多具有創新性、開放性和綜合性的優秀試題，為培養高素質的創新人才奠定堅實的基礎．總之，深入研究力學創新實驗的命題趨勢及解題策略，對于提高學生的科學素養和考試成績，推動物理實驗教學的改革與發展具有重要的意義．

參考文獻：

［1］王琳.力學基礎實驗及創新實驗的復習備考策略［J］.中學物理教學參考，2021，50（05）：66-68.

［2］成樹明.2022年高考力學創新實驗題賞析［J］.教學考試，2023（31）：61-64.

［3］滿倩倩，朱國棟.夯實基礎知識，提升關鍵能力——高考物理力學實驗的創新命題研究［J］.數理天地（高中版），2024（02）：45-46.

［4］鄧灝.核心素養視域下高中物理創新實驗的設計方法與途徑［J］.中學物理，2024，42（07）：47-49.

［5］陳智慧，葉晴瑩，蘇超，等.探究“加速度與力、質量的關系”實驗創新［J］.中學理科園地，2024，20（02）：62-63.