創新性高考力學實驗題的解題方法

浙江

實驗創新是永恒的主題。通過書面的實驗考試，既能考查平時實驗教學的成效，又能考查學生實際操作的能力，這是眾多考試命題者(尤其是高考命題者)所傾注心血、絞盡腦汁的課題。在每年的高考實驗試題中，都會出現一些創新性的好題，特別是高考力學實驗題中，除了考查平時要求的學生實驗和演示實驗外，還在以下六個方面進行了拓展和創新，這些試題既考查了實驗教學情況，又指明了今后實驗教學的方向。

一、選用新器材

在力學實驗中，通過增加一些現代科技產品，從而改變實驗條件，以求提高實驗效果。特別是傳感器、高新產品等新器材的加入，改善了之前實驗精度的不足，之前不能完成的實驗也可以正常進行。解答這類問題時，要注意弄清新器材對實驗帶來的新影響，再結合平時掌握的實驗知識和相關的物理規律，問題往往都會迎刃而解。

【例1】(2020年江蘇卷)疫情期間“停課不停學”，小明同學在家自主開展實驗探究。用手機拍攝物體自由下落的視頻，得到分幀圖片，利用圖片中小球的位置來測量當地的重力加速度，實驗裝置如圖1所示。

(1)家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球，其中最適合用作實驗中下落物體的是________。

(2)下列主要操作步驟的正確順序是____________。(填寫各步驟前的序號)

①把刻度尺豎直固定在墻上

②捏住小球，從刻度尺旁靜止釋放

③手機固定在三角架上，調整好手機鏡頭的位置

④打開手機攝像功能，開始攝像

(4)在某次實驗中，小明釋放小球時手稍有晃動，視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向。從該視頻中截取圖片，________(填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度。

【點評】本題用手機代替打點計時器，具有計時和確定小球位置的功能，手機是現代人必備的通訊工具，該實驗在本質上與課本上的學生實驗沒有多大區別，因此解答此題入手較容易。

二、結果有延伸

在考查課本要求的學生實驗和演示實驗的基礎上，對實驗的原理、條件、知識作一些延伸，既可以考查學生的實驗綜合能力，又可以考查學生的知識應變能力，是當前實驗考查的大方向。解答這類實驗試題時，要注意理清實驗結果的延伸所涉及的物理知識與物理規律，然后再運用這些知識解決相關問題。

【例2】(2019年北京卷)用如圖3所示裝置研究平拋運動。將白紙和復寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點飛出，落在水平擋板MN上。由于擋板靠近硬板一側較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側面會在白紙上擠壓出一個痕跡點。移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復，白紙上將留下一系列痕跡點。

圖3

(1)下列實驗條件必須滿足的有________。

A.斜槽軌道光滑

B.斜槽軌道末段水平

C.擋板高度等間距變化

D.每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球

(2)為定量研究，建立以水平方向為x軸、豎直方向為y軸的坐標系。

a.取平拋運動的起始點為坐標原點，將鋼球靜置于Q點，鋼球的________(填“最上端”“最下端”或“球心”)對應白紙上的位置即為原點；在確定y軸時________(填“需要”或“不需要”)y軸與重垂線平行。

圖4

(3)為了得到平拋物體的運動軌跡，同學們還提出了以下三種方案，其中可行的是________。

A.從細管水平噴出穩定的細水柱，拍攝照片，即可得到平拋運動軌跡

B.用頻閃照相在同一底片上記錄平拋小球在不同時刻的位置，平滑連接各位置，即可得到平拋運動軌跡

C.將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，將會在白紙上留下筆尖的平拋運動軌跡

(4)伽利略曾研究過平拋運動，他推斷：從同一炮臺水平發射的炮彈，如果不受空氣阻力，不論它們能射多遠，在空中飛行的時間都一樣。這實際上揭示了平拋物體________。

A.在水平方向上做勻速直線運動

B.在豎直方向上做自由落體運動

C.在下落過程中機械能守恒

(5)牛頓設想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點就一次比一次遠，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛星。

同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會從做平拋運動逐漸變為做圓周運動，請分析原因。

【點評】本實驗雖然與平時的平拋運動實驗有一些差異，即鋼球做平拋運動時位置確定的方法有所變化，但考查的都是熟悉的平拋運動實驗相關內容，解決起來并不難。此題在考查常規實驗的基礎上，結合伽利略的推斷和牛頓的設想，將平拋運動實驗拓展到對平拋運動的研究和發射人造衛星的原理上，既培養了興趣，又拓展了知識。

三、情景有拓展

以課本上的學生實驗為依據，依托相關的物理規律，對實驗情景的設計進行創新。解決此類問題時，要善于把握實驗新情景的特點，找出與課本上實驗的相通之處，再運用常規的實驗原理和方法進行解答。

【例3】(2020年7月浙江卷)做“探究加速度與力、質量的關系”實驗時，如圖5是教材中的實驗方案；如圖6是拓展方案，其實驗操作步驟如下：

圖5

圖6

(Ⅰ)掛上托盤和砝碼，改變木板的傾角，使質量為M的小車拖著紙帶沿木板勻速下滑；

(Ⅱ)取下托盤和砝碼，測出其總質量為m，讓小車沿木板下滑，測出加速度a；

(Ⅲ)改變砝碼質量和木板傾角，多次測量，通過作圖可得到a-F的關系。

(1)實驗獲得如圖7所示的紙帶，計數點a、b、c、d、e、f間均有四個點未畫出，則在打d點時小車的速度大小vd=________m/s(保留2位有效數字)；

圖7

(2)需要滿足條件M?m的方案是________(填“圖5”“圖6”或“圖5和圖6”)；在作a-F圖像時，把mg作為F值的是________(填“圖5”“圖6”或“圖5和圖6”)。

【點評】本題結合課本上的驗證牛頓第二定律的實驗，在小車所受到的拉力的情景上有所創新，但如果平時認真做過這個實驗，并準確掌握了這個實驗的原理，同時能熟練應用牛頓第二定律解決問題，那么，正確解答這道實驗題必將順風順水。

四、原理有變化

在實驗考查中，根據相關的物理規律，對某個實驗通過實驗情景和實驗條件的創新，使得在實驗原理上有所變化，甚至運用了完全不同于課本上的實驗裝置和原理，考查學生的實驗能力、應變能力和綜合運用物理知識的能力。解決此類問題時，要善于把握實驗新情景和新條件的特點，找出與課本上實驗的相通之處，再結合相關的物理規律，從而迅速確定實驗的原理和方法。

圖8

【例4】(2020年全國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8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h0下降至h所用的時間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為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為g=9.80 m/s2。根據牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小為a′=________m/s2(保留3位有效數字)。

可以看出，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產生這一結果的原因：_____________。

【點評】在中學物理實驗的教學中，測定加速度是通過小車在拉力作用下做加速運動，用打點計時器記錄相關實驗數據，再運用運動學公式求出結果。該實驗題運用典型的連接體裝置，結合勻變速直線運動規律和牛頓第二定律求解加速度，并對測出的加速度和理論計算得到的加速度進行比較和分析。

五、巧用小實驗

課本中的小實驗、演示實驗等作為實驗考查的素材，結合相關的物理規律，設計相應的實驗考查內容，這也是一類很好的考查學生實驗能力的試題，不僅可以考查實驗的設計能力，而且也可以考查實際操作的能力。解答這類試題時，要善于分析實驗的情景，理清實驗的原理，注意熟練應用相關的物理規律。

【例5】(2018全國Ⅲ卷)甲、乙兩同學通過下面的實驗測量人的反應時間。實驗步驟如下：

(1)甲用兩個手指輕輕捏住量程為L的木尺上端，讓木尺自然下垂。乙把手放在尺的下端(位置恰好處于L刻度處，但未碰到尺)，準備用手指夾住下落的尺。

(2)甲在不通知乙的情況下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夾住尺子。若夾住尺子的位置刻度為L1，重力加速度大小為g，則乙的反應時間為________(用L、L1和g表示)。

(3)已知當地的重力加速度大小為g=9.80 m/s2，L=30.0 cm，L1=10.4 cm，乙的反應時間為________s。(結果保留2位有效數字)

(4)寫出一條提高測量結果準確程度的建議：____________________。

(4)為了提高測量結果的準確程度，可以采用多次測量取平均值的方法，以減小實驗的偶然誤差；初始時乙的手指盡可能接近尺子，以減小實驗的系統誤差。

【點評】本實驗屬于課本中的一個小實驗，實驗情景熟悉，解答的難度不大，但如果沒有良好的實驗素養，要寫出一條提高測量準確程度的建議并不容易。

六、創設新實驗

創設全新的實驗問題，即非課本上要求的學生實驗或者演示實驗。這類實驗要求學生用所學的物理知識、實驗方法、用過的儀器進行新的實驗，從而達到考查學生的實驗能力和遷移能力的目的。解答這類實驗題，務必重視對實驗情景和實驗條件的分析，弄清實驗的目的和實驗的原理，善于發揮平時培養的實驗能力，善于構建實驗問題與物理規律的關系。

【例6】(2020年全國Ⅰ卷)某同學用如圖9所示的實驗裝置驗證動量定理，所用器材包括：氣墊導軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計算機相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。

圖9

實驗步驟如下：

(1)開動氣泵，調節氣墊導軌，輕推滑塊，當滑塊上的遮光片經過兩個光電門的遮光時間________時，可認為氣墊導軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質量m1、滑塊(含遮光片)的質量m2；

(3)用細線跨過輕質定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運動，和計算機連接的光電門能測量出遮光片經過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運動到B所用的時間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________；(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)

(6)某次測量得到的一組數據為：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。計算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1；(結果均保留3位有效數字)