由實驗條件談實驗的創新考法

趙 爽

(山東省平度經濟開發區高級中學)

從近幾年高考試題的發展趨勢來看,依托于教材基本實驗,進一步縱、橫挖掘或拓展的創新性實驗題已逐漸成為高考命題的重點與熱點.其中基于實驗條件的創新考法最為常見,這一點在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗中表現得尤為突出.

在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗中,是否需要滿足槽碼(或鉤碼、砂桶等懸掛重物)的質量(m)遠小于小車的質量(M),是該實驗考查設問的高頻考點,基于這一實驗條件的創新考法在高考試題和各地模擬試題中可謂是層出不窮,在面對這類“創新考法”的實驗試題時,多數學生的應對表現不容樂觀,張冠李戴的現象特別嚴重.

鑒于此,本文結合教材實驗原理,以基本量的測量作為切入點,闡明m遠小于M的來龍去脈,并在此基礎上結合例題嘗試探尋創新性實驗題的應對策略.

1 追溯m 遠小于M 的來龍去脈

“探究加速度與力、質量的關系”的實驗裝置如圖1 所示.該實驗中,需要測量的物理量有:質量、加速度和力,其中力的測量指的是合力的測量.

圖1

1.1 小車運動過程中的受力情況

1)未補償阻力時,小車受到重力(Mg)、支持力(FN)、阻力(Ff)和細線的拉力(FT),合力為F＝FT－Ff,如圖2所示;

圖2

2)補償阻力后,小車受重力(Mg)、支持力(FN)、阻力(Ff)和細線的拉力(FT),合力為F＝FT,如圖3所示.

圖3

小車在運動的過程中所受的阻力是較難控制和測量的一個力,在未補償阻力時,會導致合力難以測量;補償阻力后,小車的受力從效果上來講得到了簡化,其在運動的過程中相當于只受細線拉力,此時合力即為細線的拉力,測出拉力即測出了合力.

由此可見,補償阻力的目的是使細線的拉力等于合力,從而“簡化”合力的來源,便于合力的測量.

1.2 槽碼的重力和細線拉力的關系

由前面的分析可知,補償阻力后,合力即為細線的拉力,測出拉力即可測出合力,問題是如何測量細線中的拉力,細線中的拉力和槽碼的重力又有著怎樣的聯系?

如圖4所示,對槽碼受力分析,由牛頓第二定律得mg－FT＝ma.對小車受力分析,由牛頓第二定律得FT＝Ma,聯立解得

圖4

當滿足m?M時,有FT≈mg.可見,在補償阻力后,再滿足m?M時,即可用槽碼的重力表示小車所受的合力,至此合力的測量得以圓滿解決.

回溯前面的分析過程,不難發現,該實驗中之所以要滿足m?M,是基于合力測量的需要,緣于細線中的拉力無法直接測量.倘若細線中的拉力可直接測量出來,如用拉力傳感器、測力計顯示拉力,當然就無須再滿足m?M.除此之外,還存在其他創新方法無須滿足m?M這一條件.

2 變換情境,探索實驗創新考法的應對策略

2.1 創新考法1——改變裝置結構

例1某實驗小組利用圖5-甲裝置“探究加速度與力、質量的關系”,操作步驟如下:

圖5

①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;

②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;

③改變砝碼質量和木板傾角,多次測量,通過作圖探究加速度和力的關系.

(1)實驗中_________(填“能”或“不能”)把mg視為小車合力F的值,實驗_________(填“需要”或“不需要”)滿足條件M?m.

(2)實驗獲得如圖5-乙所示的紙帶,計數點A、B、C、D、E間均有4個點未畫出,所用交變電源的頻率為50 Hz,由該紙帶可求得小車的加速度a＝_________m·s－2.(結果保留兩位有效數字)

(3)若小組實驗操作規范,隨砝碼盤中砝碼個數的增加,作出的圖像最接近下圖中的_________.

解析(1)由實驗過程可知,未取下托盤和砝碼時,小車做勻速運動,可知取下托盤和砝碼后,小車運動的過程中,所受合力大小等于托盤和砝碼的重力,即可用mg表示小車合力,因此,該實驗中也不需要滿足條件M?m.

(2)根據逐差法可求得小車的加速度

(3)由以上分析可知,小車受到的合力始終等于砝碼和砝碼盤的重力,即F＝mg,即在實驗操作規范的情況下,合力的測量和加速度的測量均是準確的,所作圖像不會發生彎曲,選項A 正確.

創新考點重組裝置結構,變通阻力補償.

應對策略通過裝置結構的調整,實現小車的勻速下滑,進而準確測出小車單獨下滑時的合力;合力的測量無系統誤差,故不需要滿足m遠小于M.

2.2 創新考法2——變換研究對象

例2用如圖6所示裝置做“探究物體的加速度跟力的關系”的實驗時,保持小車的質量M(含車中的鉤碼)不變,用在繩的下端掛的鉤碼的總重力mg作為小車受到的合力,用打點計時器和小車后端拖動的紙帶測出小車運動的加速度.

圖6

(1)實驗時繩的下端先不掛鉤碼,反復調整墊木的左右位置直到小車做勻速直線運動.

(2)圖7為實驗中打出的一條紙帶的一部分,從比較清晰的點跡起在紙帶上標出了連續的5 個計數點A、B、C、D、E,相鄰兩個計數點之間都有4個點跡沒有標出.測出各計數點到A點之間的距離如圖7所示.已知打點計時器接在頻率為50Hz的交流電源兩端,則此次實驗中小車運動的加速度的測量值a＝_________m·s－2.(結果保留兩位有效數字)

圖7

(3)通過增加繩的下端掛的鉤碼的個數來改變小車所受的拉力F,得到小車的加速度a與拉力F的數據,畫出a-F圖像后發現當F較大時,圖線發生了如圖8所示的彎曲.該同學經過思考后將實驗方案改變為用小車中的鉤碼掛在繩的下端來增加鉤碼的個數,仍用鉤碼的重力表示合力F.那么關于該同學的修正方案,下列說法正確的是________.(寫選項字母)

圖8

A.修正方案可以避免a-F圖像末端發生彎曲

B.該修正方案要避免a-F圖像的末端發生彎曲的條件是M?m

C.該修正方案畫出的a-F圖像的斜率為

D.該修正方案畫出的a-F圖像的斜率為

解析(2)根據逐差法可求得小車的加速度a＝

(3)由于(1)中已做了阻力補償,則根據牛頓第二定律,對小車有F＝Ma,對鉤碼有mg－F＝ma,解得,可知M＋m保持不變時,a與F成正比,故其a-F圖像為直線,不會彎曲,斜率為,修正方案中也不需要再滿足條件M?m,選項A、D 正確.

創新考點轉換研究對象,消除系統誤差.

應對策略修正方案里從小車中拿出鉤碼,研究對象不再是小車,而應是小車與鉤碼組成的系統,以保證研究對象的質量不變.掛在繩上鉤碼的重力即為系統的合力,則對系統有,因此修正后的方案中無須滿足m遠小于M,對應的a-F圖像為直線,不會出現圖線末端彎曲的情況.

總之,對于創新性實驗試題的分析,仍然要根植于教材基本實驗的實驗原理,認清所探究的物理規律及其相關物理量的測量方法,對于關鍵實驗條件要從原理的角度知其所以然,以追溯問題的本質,最終實現以不變應萬變.

(完)