創新力學實驗 源于科技生活

■河南省洛陽市第二中學 王春旺

我國正在逐步推行的新高考是普通高校基于統一高考和高中學業水平考試的綜合評價多元錄取機制。在各地命制的新高考試卷中,“創新實驗”成為命題的新亮點。通過對近幾年新高考地區“創新實驗”命題的研究不難發現,這些創新實驗均來源于科技、生活和教材。

命題熱點一：天宮課堂

熱點解讀：我國航天員已經開展了三次太空授課,使千萬中學生受益,極大激發了青少年的科技熱情。2022年6月5日,“神舟十四號”飛船搭載航天員陳冬、劉洋和蔡旭哲,成功發射,并與天和核心艙順利對接。“神舟十四號”飛行乘組首次利用位于問天實驗艙的氣閘艙實施了三次出艙活動,并于2022年10月12日在問天實驗艙開展了天宮課堂第三課。航天員太空授課時,為青少年展示了一系列科學實驗,這些實驗均可能成為高考命題的素材。

例1(2022年高考山東卷)在天宮課堂中,我國航天員演示了利用牛頓第二定律測量物體質量的實驗。受此啟發,某同學利用氣墊導軌、力傳感器、無線加速度傳感器、輕彈簧和待測物體等器材設計了測量物體質量的實驗,如圖1所示。主要步驟如下:點,A點到O點的距離為5.00 cm,拉動滑塊使其左端處于A點,由靜止釋放并開始計時;

圖1

④計算機采集獲取數據,得到滑塊所受彈力F、加速度a隨時間t變化的圖像,部分圖像如圖2所示。

圖2

回答以下問題(結果均保留兩位有效數字):

(1)彈簧的勁度系數為____N/m。

(2)該同學從圖2中提取某些時刻F與a的數據,畫出a-F圖像如圖3 中直線Ⅰ所示,由此可得滑塊與加速度傳感器的總質量為____kg。

圖3

①將力傳感器固定在氣墊導軌左端支架上,將加速度傳感器固定在滑塊上;

②接通氣源,放上滑塊,調平氣墊導軌;

③將彈簧左端連接力傳感器,右端連接滑塊,彈簧處于原長狀態時滑塊左端位于O

(3)該同學在滑塊上增加待測物體,重復上述實驗步驟,畫出新的a-F圖像如圖3中直線Ⅱ所示,則待測物體的質量為____kg。

解析：(1)彈簧處于原長狀態時滑塊左端位于O點,A點到O點的距離為5.00 cm,拉動滑塊使其左端處于A點,由靜止釋放并開始計時,則結合F-t圖像得Δx=5.00 cm,F=0.610 N,根據胡克定律得F=kΔx,解得k=12 N/m。

(2)根據牛頓第二定律得F=ma,則a-F圖像的斜率等于滑塊與加速度傳感器的總質量的倒數,結合圖3 中直線Ⅰ得,解得滑塊與加速度傳感器的總質量m=0.20 kg。

(3)在滑塊上增加待測物體的情況下,結合圖3 中直線Ⅱ得3 kg-1,解得滑塊、待測物體與加速度傳感器的總質量m'=0.33 kg。根據m'=m+Δm,解得待測物體的質量Δm=m'-m=0.33 kg-0.20 kg=0.13 kg。

答案：(1)12 (2)0.20 (3)0.13

點評:本題以天空課堂中演示的利用牛頓第二定律測量物體質量的實驗為背景材料,涉及的知識點主要有胡克定律,牛頓第二定律;涉及的實驗知識主要有氣墊導軌的使用,利用力傳感器測量力,利用加速度傳感器測量加速度,利用計算機采集獲取數據,運用圖像法處理實驗數據等。

命題熱點二： 生活中的實際問題

熱點解讀：在我們的日常生活中,茶杯掉在用瓷磚鋪成的地板上,碎了;茶杯掉在鋪著地毯的地面上,沒有摔壞。乒乓球與乒乓球臺碰撞前后滿足一定的能量關系,彈簧被壓縮后將物塊彈出滿足一定的能量關系等。這些生活中的實際問題都可能成為高考實驗命題的素材。

例2(2022年高考廣東卷)某實驗小組為測量小球從某一高度釋放,與某種橡膠材料碰撞導致的機械能損失,設計了如圖4所示的裝置,實驗過程如下:

圖4

(1)將小球從某一高度由靜止釋放,與水平放置的橡膠材料碰撞后豎直反彈。調節光電門的位置,使小球從光電門正上方釋放后,在下落和反彈過程中均可通過光電門。

(2)用螺旋測微器測量小球的直徑,示數如圖5所示,則小球的直徑d=____mm。

圖5

(3)測量時,應____(選填“A”或“B”,其中A 為“先釋放小球,后接通數字計時器”,B為“先接通數字計時器,后釋放小球”)。記錄小球第一次和第二次通過光電門的遮光時間t1和t2。

(4)計算小球通過光電門時的速度,已知小球的質量為m,可得小球與橡膠材料碰撞導致的機械能損失ΔE=_____(用字母m、d、t1和t2表示)。

(5)若適當調高光電門的高度,將會_____(選填“增大”或“減小”)因空氣阻力引起的測量誤差。

解析：(2)根據螺旋測微器的讀數規則可知,小球的直徑d=7.5 mm+0.385 mm=7.885 mm。

(3)因為小球做自由落體運動至與橡膠材料碰撞所用的時間很短,所以測量時應該先接通數字計時器,后釋放小球。

(5)若適當調高光電門的高度,將會增大小球做自由落體運動下落的高度,也會增大因空氣阻力引起的測量誤差。

答案：(2)7.885 (3)B (4)(5)增大

點評:本題以我們日常生活中的物體做自由落體運動為背景材料,涉及的知識點主要有自由落體運動規律,豎直上拋運動規律,動能的表達式,瞬時速度的計算,碰撞過程中損失的機械能;涉及的實驗知識主要有光電門和數字計時器的使用,螺旋測微器的讀數規則,誤差分析等。

命題熱點三：教材中的輔助欄目

熱點解讀：教材是高中物理學習的藍本,也是高考命題的依據。教材中的輔助欄目,例如“科學漫步”“做一做”“STSE”等的內容都可能成為高考實驗命題的素材。

例3(2021年高考遼寧卷)某同學閱讀教材中的“科學漫步”欄目,對“流體的阻力(f)跟物體相對于流體的速度(v)有關”這一說法產生了興趣,通過查閱資料得知:對于球形物體,二者間存在定量關系f=kv,k為比例系數。該同學為探究這一關系利用如圖6甲所示裝置測量k。具體操作如下:在柱狀玻璃容器中注入某透明液體,將小球在液面處由靜止釋放,當小球運動到0 刻度線處開始計時,每下落10 cm 記錄一次時間,得到多組下落高度h與時間t的數據,作出h-t圖像如圖6乙中實線所示。

(1)根據h-t圖像可知,從計時開始小球近似做_____運動。

(2)已知液體密度ρ=8.0×102kg/m3,小球體積V=5.0×10-10m3,小球質量m=4.0×10-6kg,結合h-t圖像得k=_____kg/s(浮力不能忽略,取重力加速度g=9.8 m/s2)。

(3)若再用一個體積V相同,密度較大的小球,重復上述實驗,所得h-t圖像也是一條直線,則該直線可能為圖6 乙中的虛線____(選填“①”或“②”)。

解析：(1)根據h-t圖像是一條過原點的傾斜直線可知,從計時開始小球的下落高度滿足關系式,即小球近似做勻速直線運動。

(2)根據h-t圖像的斜率表示小球的速度可知,小球在透明液體中的下落速度v=。小球在重力G=mg,浮力F=ρgV,阻力f=kv的作用下做勻速直線運動,根據平衡條件得G=F+f,解得,代入數據得k=5.3×10-4kg/s。

(3)根據平衡條件得G=F+f,解得。若再用一個體積V相同,密度較大的小球,重復實驗操作,則其質量m較大,所受重力G=mg較大,所受浮力F=ρgV不變,根據可知,小球在透明液體中的下落速度v變大,h-t圖像的斜率變大,該直線可能為圖6乙中的虛線①。

答案：(1)勻速直線 (2)5.3×10-4(3)①

點評:本題源自于人教版教材必修第一冊第63頁“科學漫步”欄目中的“流體的阻力”。根據小球在液體中下落受到的阻力大于在空氣中下落受到的阻力,為了便于測量,采用小球在液體中下落的方法來研究小球受到的阻力。

總之,在考查學生科學素養的新高考體系中,創新實驗成為高考實驗命題的主旋律。透過上述典型例題可以看出,高考試卷中的創新實驗仍然遵循來源于教材,高于教材的命題原則,其目的是通過創新實驗考查學生的科學思維能力和分析解決實際問題的能力,以達到選拔出創新性人才的目的。