高考力學(xué)實驗復(fù)習(xí)串講

張林

[摘? ?要]力學(xué)實驗是每年高考的必考點，也是學(xué)生得分率比較低的一個地方，而考綱規(guī)定要考的力學(xué)實驗有七個之多，為了有效提升力學(xué)實驗的復(fù)習(xí)效率，第三輪復(fù)習(xí)時，可以將整個力學(xué)實驗串起來講。可從實驗原理、實驗器材的使用、實驗數(shù)據(jù)處理、近年全國高考力學(xué)實驗的考查情況以及實驗誤差分析五個方面對力學(xué)實驗做一個系統(tǒng)的歸納。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)實驗;實驗原理;數(shù)據(jù)處理

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）08-0042-02

每年高考一個力學(xué)實驗、一個電學(xué)實驗是必然會出現(xiàn)的，但從歷年高考情況來看實驗是大多數(shù)考生的一個痛點。高考實驗題往往來源于教材而又高于教材，因此，理解教材中的實驗原理，并運用實驗原理分析解決實驗問題是提高高考得分率的關(guān)鍵。細細數(shù)來，高考考綱中規(guī)定的力學(xué)實驗有7個，分別是：實驗一、研究勻變速直線運動;實驗二、探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系;實驗三、驗證力的平行四邊形定則;實驗四、驗證牛頓運動定律;實驗五、探究動能定律;實驗六、驗證機械能守恒定律;實驗七、驗證動量守恒定律。在復(fù)習(xí)力學(xué)實驗的時候，教師應(yīng)幫助學(xué)生理順各實驗之間的聯(lián)系，以提高學(xué)生解答力學(xué)實驗題的能力。接下來從以下五個方面來談?wù)劯呷笃诹W(xué)實驗復(fù)習(xí)。

一、力學(xué)實驗原理

縱觀考綱要求的七個力學(xué)實驗，各個實驗的原理均有不同，但細細梳理發(fā)現(xiàn)這些實驗可以歸納為運動類和形變類。下面就這兩類實驗談?wù)剬嶒炘淼墓餐帯?/p>

1.運動類

運動類的實驗有“研究勻變速直線運動”“驗證牛頓運動定律”“探究動能定律”“驗證機械能守恒定律”“驗證動量守恒定律”。運動類實驗占考綱規(guī)定實驗的5/7。這些實驗的基本原理、實驗?zāi)康母饔胁煌?，但是不難發(fā)現(xiàn)這些實驗需要測量的物理量都是與運動相關(guān)的長度、速度和加速度，因此，這類實驗的過程有著很大的相似之處。實驗中基本原理以及需要注意的問題也非常相似，如驗證牛頓第二定律和探究動能定律都有可能涉及通過適當(dāng)墊高木板的一端來平衡摩擦，使拉力等于小車（物塊）所受的合力;為了使拉力等于懸掛物的重力;一是要使繩與木板平行，二是保證小車（物塊）的質(zhì)量遠大于懸掛物的質(zhì)量，且都可以采用在小車（物塊）側(cè)添加力傳感器來回避這種方式帶來的系統(tǒng)誤差。又如，驗證機械能守恒定律和驗證動量守恒定律都涉及量的守恒，它們要測量的量也很相近，還都可以采用平拋等方式把速度轉(zhuǎn)換成水平位移等其他量來實現(xiàn)。

2.形變類

形變類實驗有“探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系”“驗證力的平行四邊形定則”。其中第一個實驗直接探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系，原理較簡單。第二個實驗變化的方式很多，但原理基本相同，常通過一個力作用在物體（橡皮筋）上產(chǎn)生的效果和兩個力一起作用在物體（橡皮筋）上所產(chǎn)生的作用效果相同，利用圖示法，根據(jù)平行四邊形定則作出兩個力作用時的合力，再將其與一個力作用時的力圖示重合度進行比較，從而驗證平行四邊形定則。

二、實驗器材及使用

根據(jù)力學(xué)實驗原理中需要測量的物理量，其常用的物理實驗器材有以下幾類：

1.長度測量類。常用測量工具有刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器。長度的測量只需掌握這三種工具的使用方法即可。游標(biāo)卡尺、螺旋測微器考題出現(xiàn)的頻率較高。

2.力測量類。僅涉及彈簧秤或力的傳感器的使用，彈簧秤的讀數(shù)應(yīng)注意估讀，力的傳感器可直接讀數(shù)。

3.速度測量類。涉及的工具或方法較多，變化也多，是高考命題熱點。測速度的器材和方法有：

（1）打點計時器法、頻閃照相法是測量物體運動速度的兩種常用方法，利用其中一套裝置便可以完成研究勻變速直線運動、驗證牛頓運動定律、探究動能定律、驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律五個實驗中的速度測量。一套裝置能夠完成五個實驗的速度測量，因此，打點計時器法或頻閃照相法成了高考命題者關(guān)注的一個知識點。在教學(xué)中，教師要讓學(xué)生理解這兩種裝置的工作原理及操作使用的注意事項。如，在利用打點計時器的實驗中常涉及的先通電再釋放紙帶，無論哪一個實驗都是如此。

（2）光電門測速是利用擋光片的寬度除以擋光時間測速度，即[v=dΔt ]。

（3）利用平拋運動或功能關(guān)系實現(xiàn)位移或高度與速度的轉(zhuǎn)化，如驗證動量守恒定律時，就常將平拋運動的速度轉(zhuǎn)化為平拋運動的水平位移來處理。

4.時間測量類。測量時間最常見的工具是秒表，但從歷年的考題來看很少考，有時需通過光電計時器或自由落體來測量時間。

三、實驗數(shù)據(jù)的處理

力學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理常用的方法有計算法、圖像法、作圖法，其中作圖法僅出現(xiàn)在驗證力的平行四邊形定則，圖像法常用于探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系、探究物體的加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系（牛頓運動定律）以及探究力做功與動能的關(guān)系（動能定理）三個實驗，在用圖像法處理問題時，一是要會描點作圖;二是要會利用圖像獲取信息解決相應(yīng)問題。相較而言，計算法的使用最為頻繁，如打點計時器打出的紙帶上數(shù)據(jù)的處理。

考題中出現(xiàn)的紙帶上點間距的表述方式有兩種，兩種方式的處理方法理論上是一致的，但形式上有一定的區(qū)別。在處理紙帶上的數(shù)據(jù)時應(yīng)注意以下幾個問題。

1.點間距為相鄰的兩點間的距離

如上圖，通過紙帶給定的數(shù)據(jù)，求第四點的速度和物體的加速度。

2.一點到相鄰各點的距離

例如，通過紙帶給定數(shù)據(jù)，求D點的速度和物體的加速度。

3.計時點與計數(shù)點的區(qū)別

在數(shù)據(jù)處理過程中還應(yīng)提醒學(xué)生注意計時點與計數(shù)點的區(qū)別，兩個計數(shù)點間隔的計時即為T的取值，以及點間距的單位。

頻閃照相法數(shù)據(jù)的處理方式與紙帶上數(shù)據(jù)的處理方式類似，學(xué)生只要能夠掌握速度和加速度紙帶類問題的處理方法，頻閃照相問題也能輕松解決。

四、近年全國高考力學(xué)實驗的考查情況

高考實驗來源于考綱規(guī)定的實驗，但不局限于這些實驗，它的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：實驗器材的等效與替代，實驗結(jié)論的拓展與延伸，試題情景的設(shè)計與創(chuàng)新，實驗數(shù)據(jù)的拓展及應(yīng)用等方面。現(xiàn)將近五年高考全國卷力學(xué)實驗題考查情況簡單歸納如下：

從上表可以發(fā)現(xiàn)高考力學(xué)實驗考查的不僅是考綱規(guī)定的七個原實驗，更多的是考查原實驗的原理及相關(guān)實驗設(shè)備器材的運用，也就是說，考查的知識點、實驗技能和方向變化不大，但考查內(nèi)容呈現(xiàn)的方式會有所不同。打點計時器所打出的紙帶上的數(shù)據(jù)處理、彈簧類問題出現(xiàn)的頻率很高，且實驗題基本上都是在原實驗的基礎(chǔ)上有一定的創(chuàng)新，有的學(xué)生在考試過程中一看到是陌生的創(chuàng)新實驗就怯場，因此，得分率很低。其實只要掌握了基本的實驗方法、實驗原理，創(chuàng)新型實驗并不可怕，這就要求教師在教學(xué)過程中，要培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰蛯W(xué)科素養(yǎng)。

五、實驗誤差分析

實驗誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差，偶然誤差的處理方法相對單一，可用多次測量取平均值或作圖法來減小;系統(tǒng)誤差及成因分析是高考常見的命題點，在力學(xué)實驗中常見的有：

1.把重物重力當(dāng)成拉力類的問題，在設(shè)計該問題的實驗中，實際上忽略了重物自身獲得的加速度的影響，實際拉力都小于重物的重力。

2.驗證機械能守恒定律實驗中，由于空氣阻力，紙帶與打點計時器間的摩擦力等因素的影響，動能的增加小于減小的重力勢能。

3.光電門測量的速度比真實值偏小，利用光電門測量速度實際是把平均速度當(dāng)成了瞬時速度，也可以說把中間時刻的速度當(dāng)成中間位置的速度，因此測量值比真實值偏小。

當(dāng)然，類似的系統(tǒng)誤差還有很多，教師在教學(xué)時應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注這類問題，授學(xué)生以漁，這樣，學(xué)生自然就能找到系統(tǒng)誤差的成因，找到減少或消除系統(tǒng)誤差的辦法。

綜合以上所談各點，回顧2018年全國卷的力學(xué)實驗題（題目略），發(fā)現(xiàn)這些實驗題都屬于創(chuàng)新實驗，在Ⅰ卷中創(chuàng)新性地采用游標(biāo)卡尺來測量長度，但原理卻仍屬于考綱中列舉的探究彈簧彈力與形變量的實驗，巧妙地將長度的測量工具游標(biāo)卡尺的讀數(shù)融入其中，該題的難度系數(shù)不大。Ⅱ卷中把力學(xué)實驗作為大實驗進行考查，屬于理論創(chuàng)新型實驗，考查了彈簧秤的讀數(shù)、圖像法處理數(shù)據(jù)、函數(shù)與圖像的結(jié)合等問題，對學(xué)生的實驗?zāi)芰σ筝^高，難度系數(shù)相對較大。Ⅲ卷考查的是自由落體測定反應(yīng)時間，不在考綱規(guī)定的幾個實驗之列，但是實驗原理比較簡單，容易應(yīng)對，第三問屬于開放式提問，要求學(xué)生對該實驗誤差產(chǎn)生原因有充分的認識，能提出具體的減小誤差的方案。由此可見，高考對學(xué)生的能力要求是比較高的，因此培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰惋@得格外的重要。

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教育部考試中心.2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱（物理）[M].北京：高等教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 易志毅）