例談2021年高考物理力學實驗的創新與拓展

華中科技大學附屬中學(430074) 許 文

實驗探究作為物理學科核心素養，是高考物理命題的重要內容。在實驗探究過程中可以發現不少有價值的問題，對問題進行引伸與探究，能擴大和鞏固研究成果，使問題的研究更深入發展，能很好地體現出新課程探究式的學習要求，體現出新高考的要求。本文通過實例分析2021年高考物理力學實驗試題特點，探討高考力學實驗的創新與拓展。

1 力學基本實驗與命題規律

1.1 基本實驗

物理考綱中明確要求考生掌握的八個力學基本實驗：①研究勻變速直線運動；②探究彈力和彈簧伸長的關系；③驗證力的平行四邊形定則；④探究加速度與力、質量間的關系；⑤探究平拋運動特點；⑥探究向心力大小與半徑、角速度、質量的關系；⑦驗證機械能守恒定律；⑧驗證動量守恒定律。

1.2 命題特點

力學實驗考查形式為多知識點覆蓋和組合，考查力學實驗的基本原理和方法，考查定性分析和定量計算相結合，并借助基本實驗分析拓展創新實驗，對學生探究能力提出了較高要求。主要題型有：①基本實驗儀器的使用：如彈簧測力計、打點計時器、游標卡尺等；②以紙帶或者光電門為測量工具的實驗，如研究勻變速直線運動、探究牛頓第二定律、驗證機械能守恒定律等；③以彈簧為測量工具的實驗，如探究彈簧彈力和彈簧伸長的關系、驗證力的平行四邊形定則等。

1.3 命題預測

對基本實驗進行創新拓展依然是今后高考物理實驗考查的主要方向。主要表現在：①實驗器材的等效與替換，如用氣墊導軌代替長木板、光電門或頻閃照相機代替打點計時器等；②實驗結論的拓展與延伸，如通過實驗裝置測出物體的加速度，再利用牛頓第二定律求動摩擦因數等；③實驗數據的處理與分析；④試題情景的設計與創新。創新只在基本實驗基礎上做有限的變化，考查學生獨立解決新問題的能力和知識遷移能力，體現新課程倡導的三維目標。

2 力學實驗的創新與拓展

高考力學實驗的創新與拓展表現在對基本實驗的改進、遷移與創新。利用已學過的知識，對實驗器材或實驗方法加以重組，改進實驗測量手段與測量技術，設計實驗方案解決新的問題，突出實驗原理的遷移、測量方法的遷移、數據處理方法的遷移(如用線性圖象法分析處理實驗數據)，解答新情景問題，如測量重力加速度、測動摩擦因數等。

2.1 實驗原理、方法的遷移

例1：(2021年全國高考卷甲第22題)為測量小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數，一同學將貼有標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。該同學用手機拍攝小銅塊的下滑過程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5個連續相等時間間隔(每個時間間隔ΔT=0.20 s)內小銅塊沿斜面下滑的距離Si(i=1，2，3，4，5)，見表1。

圖1 測量小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數

s1s2s3s4s55.87 m7.58 cm9.31 cm11.02 cm12.74 cm

由表中數據可得，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摩擦因數為________。(結果均保留2位有效數字，重力加速度大小g=9.80 m/s2)

對小銅塊沿斜面下滑，由牛頓第二定律有：mgsinα-μmgcosα=ma，即：a=g(sinα-μcosα)，解得μ= 0.32。

答案：0.43；0.32。

點評：本題是基本實驗“研究勻變速直線運動”的改變與創新，將基本實驗中用打點計時器與紙帶測物體做勻變速運動的加速度，改成用手機拍攝小銅塊沿斜面運動的一段視頻，再通過視頻解析得到類似于小銅塊運動的頻閃照片，測量小銅塊在連續相等時間內運動的位移大小，并將逐差法求加速度的方法遷移；其實小銅塊的加速度是由銅塊的受力與質量決定的，根據牛頓第二定律得出小銅塊下滑加速度的表達式，由牛頓第二定律測小銅塊與斜面間的動摩擦因數。教材中的基本實驗是創新之本，如果丟開教材中的一些基本實驗而一味地追求一些創新實驗，這樣就會感到如空中樓閣，虛無縹緲。

2.2 改變測量手段與測量技術

例2：(2021年湖南高考卷第11題)某實驗小組利用圖2所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關系。主要實驗步驟如下：

圖2 探究加速度與物體所受合外力實驗裝置

(1)用游標卡尺測量墊塊厚度h，示數如圖3所示，h=________cm；

圖3 游標卡尺示數

(2)接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導軌上，調節導軌至水平；

(3)在右支點下放一墊塊，改變氣墊導軌的傾斜角度；

(4)在氣墊導軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個數n和滑塊對應的加速度a；

(5)在右支點下增加墊塊個數(墊塊完全相同)，重復步驟(4)，記錄數據見表2。

表2 實驗數據

根據表2中數據在a-n坐標系上描點，繪制圖線。

如果表中缺少的第4組數據是正確的，其應該是________m/s2(保留三位有效數字)。

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

圖4 a-n圖像

由圖4知，n=4時a4=0.345 m/s2。

答案：(1)1.02；(5)見解析圖，0.345。

點評：本題是探究“加速度與合力的關系”實驗，加速度的測量改由“加速度記錄器”測出(實際上是光電門等傳感器與電腦連接，集數據采集與處理于一體)，改變了測量手段與測量技術，相對傳統用打點講時器與紙帶測加速度更精確、更省時，但加強了對問題探究性的考查。從題目給出的表中測量數據看，似乎看不出加速度大小a與墊塊數n的關系，通過運用牛頓第二定律分析，a與n的關系是線性關系，通過表中數據描點，用直線擬合，可從圖像中得出n=4時的加速度大小a4，即可體會到此實驗的創新巧妙之處。本實驗在創新的同時，也注重基本測量儀器的使用與讀數，如游標卡尺的讀數=整數毫米+格數×精確度。

3 用已有的知識與方法解決新問題

例3：(2021年全國高考卷乙第22題)某同學利用圖5所示裝置研究平拋運動的規律。實驗時該同學使用頻閃儀和照相機對做平拋運動的小球進行拍攝，頻閃儀每隔0.05 s發出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖6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，其上每個方格的邊長為5 cm。該同學在實驗中測得的小球影像的高度差已經在圖6中標出。

圖5 研究平拋運動的規律裝置

圖6 頻閃儀拍攝得到的照片

完成下列填空(結果均保留2為有效數字)：

(1)小球運動到圖6中位置A時，其速度的水平分量大小為__________m/s，豎直分量大小為______m/s；

(2)根據圖6中數據可得，當地重力加速度的大小為________m/s2。

9.7 m/s2。

答案：(1)1.0 m/s；(2)2.0 m/s；(3)9.7 m/s2。

點評：本題是“探究平拋運動特點”實驗的創新拓展。將基本實驗中用紙孔與鉛筆記錄小球平拋運動軌跡上某點的方法改用頻閃照相法，提高了描繪小球平拋運動軌跡的準確度，將探究問題引向深入。根據平拋運動的特點與規律，拓展為用此實驗裝置與實驗原理測當地的重力加度，體現學以致用的學習理念，培養物理核心素養。

4 兩個典型的力學創新拓展實驗

盡管力學創新拓展實驗表現為多方面，主要是用到學過的基本物理知識，創新情景，拓展方法，遷移原理，解決新的物理問題。從多年的物理高考可以看出，測量重力加速度與動摩擦因數這兩個力學拓展實驗，應引起學生高考備考足夠重視。

(1)幾種測定重力加速度實驗的創新與拓展方案(見表3)

表3 幾種測定重力加速度實驗的創新與拓展方案

(2)幾種測定動摩擦因數實驗的創新與拓展方案(見表4)

表4 幾種測定動摩擦因數實驗的創新與拓展方案

5 小結

總之，實驗創新與拓展表現在以下3個方面：①實驗方法的遷移，即將基本的實驗方法和物理原理合理遷移，設計出測量不同的物理量、探究不同問題的實驗方案，教材中所學過的物理規律、物理公式中只要含有某一物理量，則該規律、公式就可作為研究或測定該物理量的原理基礎而進行相應的實驗方法設計；②實驗數據處理方法的創新與拓展，如數據探究性實驗主要是通過實驗提供的數據信息，分析各數據中的內在聯系，找出數據中所包含的物理規律，常用的數據處理方法有平均值法、圖像法、逐差法、比較法等；③熟練掌握基本器材使用方法、實驗原理、實驗步驟、數據處理以及誤差分析的同時，應著力領悟實驗的設計思想、所運用的科學方法、規范的操作程序，并從實際出發做合理的變通和創新改進，通過改變實驗目的和要求、實驗控制的條件、實驗儀器等方法，以培養學生運用實驗的思想方法和設計創新實驗的能力。