從2021年高考試題談力學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘 要：從2021年高考物理實(shí)驗(yàn)題，分析力學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)表現(xiàn)的三個(gè)方面：實(shí)驗(yàn)原理與方法的創(chuàng)新、測(cè)量手段與測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新、用已有的知識(shí)與方法解決新情景下的問(wèn)題.

關(guān)鍵詞：2021年高考試題;力學(xué)實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）17-0056-04

作者簡(jiǎn)介：許文（1966-），男，湖北洪湖人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：高中物理教學(xué)與物理競(jìng)賽.

實(shí)驗(yàn)探究作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是高考物理命題的重要內(nèi)容.在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)不少有價(jià)值的問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行引伸與探究，能擴(kuò)大和鞏固研究成果，使問(wèn)題的研究向更深入發(fā)展，能很好地體現(xiàn)新課程探究式的學(xué)習(xí)要求和新高考的要求.本文通過(guò)實(shí)例分析2021年高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)試題特點(diǎn)，探討高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì).

1 力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)與命題規(guī)律

1.1 基本實(shí)驗(yàn)

新高考物理考綱中明確要求考生掌握的8個(gè)力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)：（1）研究勻變速直線運(yùn)動(dòng);（2）探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系;（3）驗(yàn)證力的平行四邊形定則;（4）探究加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系;（5）探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn);（6）探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系;（7）驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律;（8）驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.

1.2 命題特點(diǎn)

力學(xué)實(shí)驗(yàn)考查形式為多知識(shí)點(diǎn)覆蓋和組合，考查力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法，考查定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合，并借助基本實(shí)驗(yàn)分析拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的探究能力提出了較高要求.主要題型有：（1）基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用，如彈簧測(cè)力計(jì)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、游標(biāo)卡尺等;（2）以紙帶或者光電門為測(cè)量工具的實(shí)驗(yàn)，如研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)、探究牛頓第二定律、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等;（3）以彈簧為測(cè)量工具的實(shí)驗(yàn)，如探究彈簧彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系、驗(yàn)證力的平行四邊形定則等.

1.3 命題預(yù)測(cè)

對(duì)基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新拓展依然是今后高考物理實(shí)驗(yàn)考查的主要方向.主要表現(xiàn)在：（1）實(shí)驗(yàn)器材的等效與替換，如用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板、光電門或頻閃照相機(jī)代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等;（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論的拓展與延伸，如通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)出物體的加速度，再利用牛頓第二定律求動(dòng)摩擦因數(shù)等;（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析;（4）試題情景的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新.創(chuàng)新只在基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上做有限的變化，考查學(xué)生獨(dú)立解決新問(wèn)題的能力和知識(shí)遷移能力，體現(xiàn)新課程倡導(dǎo)的三維目標(biāo).

2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與拓展表現(xiàn)在對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、遷移與創(chuàng)新.利用已學(xué)過(guò)的知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材或?qū)嶒?yàn)方法加以重組，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段與測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案解決新的問(wèn)題，突出實(shí)驗(yàn)原理的遷移、測(cè)量方法的遷移、數(shù)據(jù)處理方法的遷移（如用線性圖像法分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），解答新情景問(wèn)題，如測(cè)量重力加速度、測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)等.

2.1 實(shí)驗(yàn)原理與方法的創(chuàng)新

例題1 （2021全國(guó)卷甲 22題）為測(cè)量小銅塊與瓷磚表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，一同學(xué)將貼有標(biāo)尺的瓷磚的一端放在水平桌面上，形成一傾角為α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小銅塊可在斜面上加速下滑，如圖1所示.該同學(xué)用手機(jī)拍攝小銅塊的下滑過(guò)程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5個(gè)連續(xù)相等時(shí)間間隔（每個(gè)時(shí)間間隔ΔT=0.20s）內(nèi)小銅塊沿斜面下滑的距離si（i=1，2，3，4，5），見表1.

由表1數(shù)據(jù)可得，小銅塊沿斜面下滑的加速度大小為m/s2，小銅塊與瓷磚表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為.（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字，重力加速度大小g=9.80m/s2）

答案：0.43;0.32.

點(diǎn)評(píng)：本題是基本實(shí)驗(yàn)“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的改變與創(chuàng)新，將基本實(shí)驗(yàn)中用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶測(cè)物體做勻變速運(yùn)動(dòng)的加速度，改成用手機(jī)拍攝小銅塊沿斜面運(yùn)動(dòng)的一段視頻，再通過(guò)視頻解析得到類似于小銅塊運(yùn)動(dòng)的頻閃照片，測(cè)量小銅塊在連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位移大小，并將逐差法求加速度的方法遷移;其實(shí)小銅塊的加速度是由銅塊的受力與質(zhì)量決定的，根據(jù)牛頓第二定律得出小銅塊下滑加速度的表達(dá)式，由牛頓第二定律測(cè)小銅塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù).教材中的基本實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)新之本，如果舍棄教材中的一些基本實(shí)驗(yàn)而一味地追求一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這樣就會(huì)感到如空中樓閣，虛無(wú)縹緲.

例題2 （2021廣東卷 11題）某興趣小組測(cè)量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數(shù).緩沖裝置如圖2所示，固定在斜面上的透明有機(jī)玻璃管與水平面夾角θ=30°，彈簧固定在有機(jī)玻璃管底端.實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：先沿管軸線方向固定一毫米刻度尺，再將單個(gè)質(zhì)量m =200g的鋼球（直徑略小于玻璃管內(nèi)徑）逐個(gè)從管口滑進(jìn)，每滑進(jìn)一個(gè)鋼球，待彈簧靜止，記錄管內(nèi)鋼球的個(gè)數(shù)n和彈簧上端對(duì)應(yīng)的刻度尺示數(shù)Ln，數(shù)據(jù)見表2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi).采用逐差法計(jì)算彈簧壓縮量，進(jìn)而計(jì)算其勁度系數(shù).

點(diǎn)評(píng)：本題是基本實(shí)驗(yàn)“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系”的改變與創(chuàng)新，將基本實(shí)驗(yàn)中彈簧豎直懸掛，在其下端掛鉤碼，探究彈簧的伸長(zhǎng)量與彈力的關(guān)系，改成斜面上用小鋼球壓彈簧探究彈簧的壓縮量與彈力的關(guān)系，并將逐差法的原理遷移求彈簧的平均壓縮量，理解實(shí)驗(yàn)原理是解題的前提，本題實(shí)驗(yàn)原理是力的平衡條件與胡克定律，但要求能將F=kx理解并推廣到ΔF=kΔx，解題時(shí)要注意單位換算與有效數(shù)字的理解及應(yīng)用.

2.2 測(cè)量手段與測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新

例題3 （2021湖南卷 11題）某實(shí)驗(yàn)小組利用圖3所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關(guān)系.主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量墊塊厚度h，示數(shù)如圖4所示，h=cm;

（2）接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌至水平;

（3）在右支點(diǎn)下放一墊塊，改變氣墊導(dǎo)軌的傾斜角度;

（4）在氣墊導(dǎo)軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個(gè)數(shù)n和滑塊對(duì)應(yīng)的加速度a;

（5）在右支點(diǎn)下增加墊塊個(gè)數(shù)（墊塊完全相同），重復(fù)步驟（4），記錄數(shù)據(jù)于表3.

根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖5上描點(diǎn)，繪制圖線.

如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應(yīng)該是m/s2（保留三位有效數(shù)字）.

解析：（1）游標(biāo)卡尺讀數(shù)h=10mm +2×0.1mm=10.2mm=1.02cm;

（5）設(shè)氣墊導(dǎo)軌左、右兩支點(diǎn)間距為L(zhǎng)，在右支點(diǎn)下墊n塊墊片時(shí)導(dǎo)軌的傾角θ滿足sinθ=nhL;設(shè)滑塊的質(zhì)量為m，滑塊在氣墊導(dǎo)軌上下滑過(guò)程中受到的合力大小為F=mgsinθ;可得a=ghLn，可知a與n的關(guān)系為線性關(guān)系.將表中數(shù)據(jù)在a-n坐標(biāo)中描點(diǎn)，用直線擬合，作圖像如圖6所示.

由圖6知，n=4時(shí)a4=0.345m/s2.

答案：（1）1.02;（5）見解析圖，0.345.

點(diǎn)評(píng)：本題是探究“加速度與合力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，加速度的測(cè)量改由“加速度記錄器”測(cè)出（實(shí)際上是光電門等傳感器與電腦連接，集數(shù)據(jù)采集與處理于一體），改變了測(cè)量手段與測(cè)量技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶測(cè)加速度更精確、更省時(shí)，但加強(qiáng)了對(duì)問(wèn)題探究性的考查.從題目給出表中測(cè)量數(shù)據(jù)看，似乎看不出加速度大小與a與墊塊數(shù)n的關(guān)系，通過(guò)運(yùn)用牛頓第二定律分析，a與n的關(guān)系是線性關(guān)系，通過(guò)表中數(shù)據(jù)描點(diǎn)，用直線擬合，可從圖像中得出n=4時(shí)的加速度大小a4，即可體會(huì)到此實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新巧妙之處.本實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)新的同時(shí)，也注重基本測(cè)量?jī)x器的使用與讀數(shù)，如游標(biāo)卡尺的讀數(shù)=整數(shù)毫米+格數(shù)×精確度.

例題4 （2021河北卷 12題）某同學(xué)利用圖7中的實(shí)驗(yàn)裝置探究機(jī)械能變化量與力做功的關(guān)系，所用器材有：一端帶滑輪的長(zhǎng)木板、輕細(xì)繩、50g的鉤碼若干、光電門2個(gè)、數(shù)字計(jì)時(shí)器、帶遮光條的滑塊（質(zhì)量為200g，其上可放鉤碼）、刻度尺，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.80m/s2，實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

①安裝器材，調(diào)整兩個(gè)光電門距離為50.00cm，輕細(xì)繩下端懸掛4個(gè)鉤碼，如圖7所示;

②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過(guò)兩個(gè)光電門的時(shí)間，并計(jì)算出滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門的速度;

③保持最下端懸掛4個(gè)鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個(gè)鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)上述步驟;

④完成5次測(cè)量后，計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)中滑塊及所載鉤碼的總質(zhì)量M、系統(tǒng)（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細(xì)繩懸掛鉤碼）總動(dòng)能的增加量ΔEk及系統(tǒng)總機(jī)械能的減少量ΔE，結(jié)果見表4.

回答下列問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)中輕細(xì)繩所懸掛鉤碼重力勢(shì)能的減少量為J（保留三位有效數(shù)字）;

（2）步驟④中的數(shù)據(jù)所缺數(shù)據(jù)為;

（3）若M為橫軸，ΔE為縱軸，選擇合適的標(biāo)度，在圖8中繪出ΔE-M圖像;

若系統(tǒng)總機(jī)械能的減少量等于克服摩擦力做功，則為（保留兩位有效數(shù)字）.

解析：（1）四個(gè)鉤碼重力勢(shì)能的減少量為ΔEp=4mgL=0.980J;

（2）對(duì)滑塊和鉤碼構(gòu)成的系統(tǒng)，由能量守恒定律有：4mgL-Wf=12（4m+M）（v22-v21），

其中系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能為ΔEp=4mgL，增加的動(dòng)能為ΔEk=12（4m+M）（v22-v21），

系統(tǒng)減少的機(jī)械能為ΔE =Wf，則代入數(shù)據(jù)可得ΔE4=0.588J;

（3）由功能關(guān)系可知ΔE=μMgL，可知ΔE與M為線性關(guān)系，根據(jù)表格數(shù)據(jù)描點(diǎn)并用直線擬合，得ΔE-M的圖像如圖9所示.

ΔE-M圖像直線的斜率k=0.785-0.3930.4-0.2=1.96，又k=μgL;解得μ=0.40.

答案：（1） 0.980;（2） 0.588;（3）見解析圖;（4）0.40.

點(diǎn)評(píng)：本題是“探究機(jī)械能守恒定律”的創(chuàng)新與拓展，研究對(duì)象由單個(gè)物體拓展到滑塊與鉤碼所組成的系統(tǒng);瞬時(shí)速度的測(cè)量方法由光電門傳感器代替了傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠商骄繖C(jī)械能守恒定律創(chuàng)新拓展到探究機(jī)械能變化量與力做功的關(guān)系，進(jìn)而拓展探究物塊與木板之間的摩擦因數(shù).用線性圖像分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一種常見的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理方法.要求理解實(shí)驗(yàn)原理，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)變形找出兩被測(cè)量相關(guān)的線性函數(shù)關(guān)系，作出線性圖像，利用圖像的物理意義進(jìn)行分析與求解.

3 用已有的知識(shí)與方法解決新情景問(wèn)題

例題5 （2021全國(guó)卷乙 22題）某同學(xué)利用圖10所示裝置研究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)時(shí)該同學(xué)使用頻閃儀和照相機(jī)對(duì)做平拋運(yùn)動(dòng)的小球進(jìn)行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖11所示（圖中未包括小球剛離開軌道的圖像）.圖中的背景是放在豎直平面內(nèi)的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個(gè)方格的邊長(zhǎng)為5cm.該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的小球影像的高度差已經(jīng)在圖11中標(biāo)出.

完成下列填空：（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）

（1）小球運(yùn)動(dòng)到圖11中位置A時(shí)，其速度的水平分量大小為m/s，豎直分量大小為m/s;

（2）根據(jù)圖11中數(shù)據(jù)可得，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮閙/s2.

點(diǎn)評(píng)：本題是“探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新拓展.將基本實(shí)驗(yàn)中用紙孔與鉛筆記錄小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡上某點(diǎn)的方法改用頻閃照相法，提高了描繪小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確度，將探究問(wèn)題引向深入，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)與規(guī)律，拓展為用此實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)原理測(cè)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋w現(xiàn)學(xué)以致用的學(xué)習(xí)理念，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]許文.對(duì)一道原創(chuàng)試題的一點(diǎn)探討[J].中學(xué)物理，2019，37（07）：51-52.

（收稿日期：2021-06-17）