從兩道力學實驗題談起

李勝強

摘 要：高考物理在考查知識的同時，注重考查能力，并把能力的考察放在首要位置，力學實驗題也是如此。本文以近幾年高三模擬考試中出現的兩道較為相似的力學實驗題為例，淺析物理試題的立意和改編與創新。

關鍵詞：能力；創新；改編

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）4-0061-3

原題1

某同學為了探究桿轉動時的動能表達式，設計了如圖1所示的實驗：質量為m的均勻長直桿一端固定在光滑轉軸O處，桿由水平位置靜止釋放，用光電門測出另一端A經過某位置時的瞬時速度vA，并記下該位置與轉軸O的高度差h。

（1）設桿的寬度為L（L很小），A端通過光電門的時間為t，則A端通過光電門的瞬時速度vA的表達式為vA= 。

（2）調節h的大小并記錄對應的速度vA，數據如上表。為了形象直觀地反映vA和h的關系，請選擇適當的縱坐標并畫出圖像。（圖2）

（3）當地重力加速度g取10 m/s2，結合圖像分析桿轉動時的動能EK= （請用質量m、速度vA表示）。

試題分析

本題是2010—2011學年度江蘇省蘇北四市（徐、淮、連、宿）高三3月聯考試題中的力學實驗題，試題探究的是均勻長直桿轉動時的動能表達式。轉動時的動能表達式是高中學生不熟悉的物理公式，高考考試說明也未提及，此題給學生的第一印象是非常陌生的，但是試題考查的內容并不超綱，而且命題以能力測試為主導，考查學生對基礎知識、基本技能的掌握程度和運用所學的知識分析、解決問題的能力。

第（1）問考查光電門測速的原理的理解——平均速度替代瞬時速度的極限思想的理解，屬于簡單題。

第（2）問考查實驗數據的處理能力，表格給出四組數據要求“形象直觀地反映vA和h的關系，請選擇適當的縱坐標并畫出圖像”，這樣實際是引導學生用一次函數的思想來解決物理量間的關系，屬于考試說明中“應用數學處理物理問題的能力”的能力考查，屬于中檔題。

第（3）問考查均勻長直桿的轉動動能表達式的推導，屬于考試說明中“實驗與探究能力——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”的綜合能力考查。要解決這一問就要充分利用第（2）問中的函數表達式，再結合桿的機械能守恒定律的規律，最終推導出均勻長直桿轉動時的動能表達式，屬于難題。易錯點在于均勻長直桿轉動時的重力勢能表達式Ep=mgh/2而不是Ep= mgh。

原題2

學校開展研究性學習，某同學為了探究桿子轉動時的動能表達式，設計了下圖所示的實驗：質量為m的均勻長直桿一端固定在轉軸O處，桿由水平位置靜止釋放，用置于圓弧上某位置的光電門測出另一端A經過該位置時的瞬時速度vA，并記下該位置與轉軸O的高度差h。

（1）該同學用20分度的游標卡尺測得長直桿的橫截面的直徑如圖為 mm。（圖3）

圖3 原題附圖

（2）調節光電門在圓弧上的位置，測得多組數據如表格所示。請選擇適當的數據處理方法，猜想并寫出vA與h的函數關系等式 。

（3）當地重力加速度g取10 m/s2，不計一切摩擦，結合你找出的函數關系式，根據守恒規律寫出此桿轉動時動能的表達式EK= （請用數字、質量m、速度vA表示）。

（4）為了減小空氣阻力對實驗的影響，請提出一條可行性措施 。

試題分析

本題是2013—2014學年度蘇錫常鎮四市高三教學情況調研（二）中的力學實驗題，試題探究的仍是均勻長直桿轉動時的動能表達式，與原題1完全一致。

第（1）問考查游標卡尺的讀數，要求學生理解游標卡尺的原理，并正確快速地得出具體的讀數。第一小問對學生的能力要求不高，屬于容易題。

第（2）問考查對實驗過程的理解和對實驗數據的處理能力。重點是理解題目中“選擇適當的數據處理方法”的暗示，以及“猜想并寫出vA與h的函數關系等式”的推導過程。本題表格中的數據也大有特色，第1組實驗數據是h=0.10 m和 vA=1.73 m/s，第5組實驗數據是h=0.30 m和 vA=3.00 m/s，只要學生能把1.73轉化為再觀察這四個數據間的關系就能迎刃而解，最終得出vA與h的函數關系等式第（3）問考查均勻長直桿轉動時的動能表達式的推導，題目中也有很多提示信息，比如“g取10 m/s2”，“ 結合你找出的函數關系式”，“ 根據守恒規律”等，這樣的語言已經引導學生的思路給出了解題的鑰匙，只要學生順著出題者的引導思路再結合具體的物理規律就能解決問題。關鍵是長直桿轉動時的重力勢能的mgh應指的是長直桿的重心位置的高度變化h/2，推導過程EK= mgh/2=mv2。第（3）問對學生的能力要求更高，屬于較難題。

第（4）問考查影響實驗的誤差分析及對實驗的改進措施，要求學生結合實驗原理和實驗過程，能發現問題、提出問題，對解決問題的方式和問題的答案提出假設，最終改進實驗。第四小問對學生的能力要求不高，屬于簡單題。

整體評價

原題1考查的是利用傳統的方法處理實驗數據，高三復習對于實驗數據的處理常用的是“列表—描點—連線”法，學生對于“列表—描點—連線”法比較熟悉，這也屬于基本的實驗技能。此題是對考試說明中“會使用實驗儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄、處理實驗數據，并得出結論，對結論進行一定的分析和評價”的能力考查，關鍵是橫軸和縱軸的物理量的判斷和選擇。原題1的命題者的命題思路較為保守，中規中矩，考查的物理知識和實驗能力較為常規，試題的整體難度不大，新穎程度和創新意識不夠。

原題2是在原題1的基礎上的改編題，命題者拋棄了傳統的實驗數據處理過程和對傳統實驗能力的考查，通過試題的重新編排，試題的起點和臺階均較高。處理數據時沒有給坐標系也未考查學生的作圖能力，而且表格中的數據也比原題1少了一組，僅僅是提示“選擇適當的數據處理方法”和“猜想并寫出vA與h的函數關系等式”，這樣無形中加大了試題的難度，對學生的實驗數據的處理能力的要求大大上了一個臺階。但原題2中少了一組數據又恰恰有其特殊的用意，想引導學生把1.73轉化為再觀察第一組和第五組數據間的關系，通過考生大膽的“猜想”正確得出vA與h的函數關系等式v=30h，考查學生對實驗數據的直覺意識即直映思維。原題2的審題要字字斟酌，不放棄任何一個有用的提示，比如第（3）問中“當地重力加速度g取10 m/s2”的利用，“v=30h”此時可轉化成“v=3gh”，這為解決轉動時動能的表達式EK做了鋪墊。原題2還考查了原題1未考查的實驗誤差分析和實驗改進方案的進一步思考，更能引導學生深入理解實驗的全過程。

相比較而言，原題2的命題者的命題思想更大膽，命題思路更開放，更新穎，這也很貼近當下江蘇高考實驗題的命題思路和發展趨勢，實驗題不純粹考查學生的“雙基”，更多的考查學生運用所學的知識分析、解決問題的能力，重視對學生科學素養的考查，注重理論聯系實際，關注物理科學與技術、社會的聯系，關注物理知識在現代生產、生活等方面的廣泛應用，以利于激發學生科學的興趣，培養實事求是的態度，形成正確的價值觀。

總之，原題2是對原題1的繼承和創新，是改編題中相當成功的典范。

參考文獻：

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（欄目編輯 王柏廬）