由探究加速度與力、質量的關系看高考物理力學實驗

韓順利

(山東省濟南市章丘區第四中學)

實驗題是高考考查學生基本能力的重要手段,其考查角度已從基礎知識層面逐步發展到綜合性、應用性、創新性層面,考查變得非常靈活.本文結合探究加速度與力、質量的關系這一實驗分析一下高考物理力學實驗的考查趨勢.

1 遷移類實驗

這類實驗題具有如下特點:它們基本上都不是課本上現成的實驗,但其原理、方法以及涉及的知識均是學生學過的,即用“學過的實驗方法”“用過的儀器”進行新的實驗,以考查考生的基本實驗能力和理解、推理、遷移的能力.

例1某實驗小組利用如圖1-甲所示的裝置探究加速度和力、質量的關系.圖中帶滑輪的粗糙長木板放置于水平桌面上,兩段輕繩始終與桌面平行,根據彈簧測力計可讀出輕繩拉力的大小.不計滑輪的質量.

圖1

(1)實驗時,下列操作必要且正確的是_________.

A.用天平測出沙桶(含沙)的質量

B.將帶滑輪的長木板右端適當墊高,以平衡摩擦力

C.為了減小誤差,實驗中要保證沙桶(含沙)的總質量遠小于小車的質量

(2)某次實驗中,得到如圖1-乙所示的一條紙帶,已知打點計時器所接交流電源的頻率為50Hz,則此次實驗中打點計時器打計數點2時小車運動的速度大小為_________m·s-1,小車運動的加速度大小為________m·s-2.(結果均保留兩位有效數字)

(3)實驗中,當彈簧測力計的示數為F時,小車的合力大小為________;改變沙桶中沙的質量,多次實驗,若操作無誤,則根據得到的數據作出小車的加速度a與彈簧測力計示數F的關系圖像應為_________.

解析(1)實驗中,輕繩的拉力可由彈簧測力計測出,不需要用天平測出沙桶(含沙)的質量,也不需要使沙桶(含沙)的質量遠小于小車的質量,選項A、C錯誤;

實驗中,根據彈簧測力計測出的拉力,求得小車所受的合力,因此需要將木板的右端適當墊高,以平衡摩擦力,選項B正確.

(2)打點計時器打下相鄰計數點的時間間隔T＝,打點計時器打計數點2時小車運動的速度大小

(3)由于本實驗已平衡摩擦力,當彈簧測力計的示數為F時,小車的合力大小F合＝2F.設小車的質量為M,小車運動的加速度a與彈簧測力計的示數F的關系為2F＝Ma,故a-F圖像是過原點的直線,選項B、C錯誤,選項A 正確.

點評本實驗與教材中實驗相比,相同之處是都用打點計時器和紙帶來記錄物體的運動,有別于教材的是用彈簧測力計拉力代替了沙桶的重力,而這一改變可直接讀出拉力的大小,不再需要用沙桶的重力代替拉力,也就不再需要滿足沙桶質量遠小于小車的質量,因此第(3)問圖像中不會出現彎曲.

2 應用型實驗

這類實驗題具有如下特點:基本上以生活、生產和現代科技中的設備或裝置為背景立意命題,且多以信息題的形式出現,要求學生能夠從題給的文字、圖表中捕獲有效信息,運用所學的基礎知識來解答.

例2如圖2所示,小明同學利用拉力傳感器和速度傳感器探究加速度與物體受力的關系,在長木板上相距為L的A、B兩點各安裝一個速度傳感器,分別記錄小車到達A、B時的速率,主要實驗步驟如下.

圖2

①調整長木板的傾斜角度,平衡小車受到的摩擦力;

②釋放小車,讓小車依次經過A、B速度傳感器,記錄速度vA、vB和拉力傳感器的數值F;

③增加鉤碼數量,重復步驟②、③,得到多組數據;

④利用以上各組數據計算出小車加速度a,并作出a-F圖像.

(1)本實驗有關的說法正確的是________;

A.兩速度傳感器之間的距離應適當遠些

B.平衡小車受到的摩擦力時要掛上鉤碼

C.改變所掛鉤碼的數量時,要使所掛鉤碼的質量遠小于小車質量

D.不必用天平測出小車和車上的拉力傳感器的總質量

(2)步驟④中小車加速度a＝________(請用題中符號表示);

(3) 根據本實驗作出的a-F圖像最接近________.

解析(1)兩速度傳感器之間的距離應適當遠些,增大L,可以減小誤差,故選項A 正確;

平衡摩擦力時,不能將鉤碼通過細線掛在小車上,只讓小車在木板上勻速運動,故選項B錯誤;

由于拉力是通過傳感器測得的,故不需要滿足所掛鉤碼的質量遠小于小車質量,故選項C錯誤;

本題是探究加速度與物體受力的關系,所以不必用天平測出小車和車上的拉力傳感器的總質量,故選項D 正確.

(3)由于實驗用的是力傳感器得到準確的受力,當砝碼的質量不斷增加,拉力增大時,加速度和F始終滿足線性關系,由分析得選項A 正確,選項B、C、D錯誤.

點評本實驗利用生活中常用的速度傳感器記錄物體的運動,力傳感器記錄拉力,和生活結合得更加密切;仔細分析來看,與教材中實驗相比變化主要體現在用速度與位移的關系來求解加速度,代替教材中通過研究紙帶求解加速度.本題利用力傳感器獲取繩的拉力,這一改變與例1中的彈簧測力計的作用如出一轍,所以不需要滿足鉤碼質量遠小于小車質量這一條件.

3 “創新”類實驗

這類實驗題具有如下特點:以學生在研究性學習活動中所遇到的問題為背景命題,要求學生根據題給條件設計某些實驗方案,或給出一些儀器(或實驗步驟)來求解某個物理量,或針對某些實驗,分析其實驗數據,得到規律,并對可能產生的誤差進行分析.

例3某探究學習小組的同學欲以如圖3-甲所示裝置中的滑塊為對象驗證“牛頓第二定律”,裝置由彈簧測力計、氣墊導軌、兩個光電門、滑塊和砝碼盤(含砝碼)等組成.光電門可以測出滑塊上的遮光條依次通過兩個光電門的時間Δt1、Δt2,游標卡尺測出遮光條的寬度d,導軌標尺可以測出兩個光電門間的距離L,另用天平測出滑塊、砝碼盤(含砝碼)的質量分別為M和m,不計滑輪的質量和摩擦.

圖3

(1)如圖3-乙所示,游標卡尺測出遮光條的寬度d＝_________cm.

(2)實驗操作中,下列說法正確的是________.

A.該實驗裝置需要平衡摩擦力

B.為減小誤差,實驗中一定要保證質量m遠小于質量M

C.實驗時,多次在同一條件下重復實驗取遮光條通過兩光電門時間的平均值以減小偶然誤差

D.氣墊導軌充氣后,如果氣墊導軌水平,則滑塊輕放在導軌上能保持靜止

(3)對質量保持不變過程,以彈簧測力計的示數F為橫坐標,加速度為縱坐標,畫出的a-F圖像是一條直線,圖線與橫坐標的夾角為θ,求得圖線的斜率為k,則滑塊質量可表示為________.

(4)該裝置中彈簧測力計的讀數為F,需要驗證的表達式為F＝_________.

解析(1)根據游標卡尺的讀數規則有d＝20mm＋6×0.05mm＝2.030cm.

(2)氣墊導軌由于阻力幾乎為零,所以不必平衡阻力,選項A 錯誤;

彈簧測力計與細繩串聯,所以拉力直接可以測量,不必滿足鉤碼的質量遠小于小車的質量,選項B錯誤;

實驗時,多次在同一條件下重復實驗取遮光條通過兩光電門時間的平均值可減小偶然誤差,此做法合理,選項C正確;

氣墊導軌充氣后,如果氣墊導軌水平,則滑塊輕放在導軌上時其所受合力為零,則滑塊能保持靜止,選項D 正確.

(3)若該裝置中彈簧測力計的讀數為F,則滑塊所受合力為2F,滑塊的加速度,則a-F圖像的斜率為k,則故選項B正確.

(4)該裝置中彈簧測力計的讀數為F,則滑塊所受合力為2F,對滑塊從一個光電門運動到另一個光電門的過程,應用運動學公式可得

則需要驗證的是2F＝Ma,即

點評本實驗相對教材實驗器材變化很多,涉及光電門和氣墊導軌,光電門類似于例2中的速度傳感器,仍然是用速度與位移的關系來求解加速度;氣墊導軌這一變化則可以大大減小阻力,不再需要平衡摩擦力.彈簧測力計的使用同例1,所以本題不再需要滿足砝碼質量遠小于滑塊質量.

4 結束語

探究加速度與力、質量的關系這一實驗的考查方式靈活多變,總結來看,變化的多是加速度的求解和合力的來源,加速度的求解變化來源于提供不同的實驗器材;合力的來源變化則處處滲透著對實驗原理的考查.這也是高考力學實驗的考查特點,萬變不離其宗,解決這類問題,需要我們平常在熟悉各種儀器的使用方法的前提下,從基本的實驗原理入手,從中找出規律,通過聯想、等效、類比等思維方法建立與新情境對應的物理模型,并在已學知識與物理模型之間架設橋梁,將已學知識遷移并運用到新情境中去,然后進行推理、計算,找出各物理量之間的關系并總結出其變化規律,從而把握問題的本質,使問題迎刃而解!

(完)