研題歸納， 輕松應對力學實驗二輪復習備考

熊亮 洪華標

在智能時代，以信息化、數字化、智能化為特征的前沿技術帶來了諸多新的實驗器材和實驗方法的創新，同時，在智能時代，要求人才需具備數字學習能力、計算思維、設計思維、思辨能力、人機協作等。我們面對智能時代背景下高考物理力學實驗的變化，我們如何整理復習思路應對呢？下面我們以2022年部分省份物理高考力學實驗真題為例加以介紹。

一、堅持以新課標要求為導向，理清實驗題命題思路，培養實驗基本能力。

從新課標要求來看，高中物理實驗需掌握的實驗基本能力有下：明確實驗要解決的問題（實驗目的）、明確所需測量的物理量、會設計實驗方案，能正確選擇和操作實驗儀器并獲得實驗數據，選用恰當的方法處理實驗數據，分析誤差來源并提出減小誤差的方法、用專業科學術語撰寫實驗報告。下面以2022年高考物理廣東卷第11題為例，分析高考對實驗基本能力的考察。

【例1】（廣東卷第11題）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（a）所示的裝置，實驗過程如下：

（1）讓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（b）所示，小球直徑d=______mm。

（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。

考查分析：

①從第一句話可知本實驗要解決的問題是：求物體碰撞后的機械能損失；

②從實驗過程（1）可知本實驗所需測量物理量：機械能變化可能要測量的物理量有重力勢能、彈性勢能和動能變化，本題采用控制變量法，即探究小球碰撞前后相同高度處測量動能，即重力勢能不變，且不考慮彈性勢能變化，僅需探究動能變化引起的機械能變化。本題中物體動能的變化由于速度的變化，即所需測量物理量為速度；

③從實驗過程（2）（3）可知本實驗選擇所需實驗儀器并通過正確操作獲得實驗數據：通過光電門測量平均速度代替瞬時速度的方法測量碰撞前后的動能損失量；

④從實驗過程（4）可知實驗數據處理方式：演繹推理；

⑤從實驗過程（5）可知本實驗誤差分析考察的是系統誤差分析，主要包括光電門測量精度和平均速度代替瞬時速度引起的實驗誤差，空氣阻力做功引起的誤差。

從以上分析可知，高考緊緊圍繞課程標準命題，全方位地考察學生基本實驗技能。為此，在復習階段，我們應理清實驗過程，打牢實驗基本技能。

二、學會總結歸納，找到實驗之間的相同之處，讓學習更加高效。

相同的實驗發生裝置可以實現不同的實驗目的比如自由落體運動可以測量重力加速度，也可以運用物體自由落體驗證機械能守恒，只是所需測量物理量有所不同。同樣，不同實驗發生裝置，也可以實現相同的目的，比如可以通過物體作圓周運動方式來驗證機械能守恒定律。找到實驗之間共性，可以讓物理實驗復習更加高效。

1.以2022年遼寧卷和江蘇卷為例，探討在物體做自由落體運動下，通過測量不同的物理量來求得重力加速度。

【例2】（遼寧卷第12題）某同學利用如圖所示的裝置測量重力加速度，其中光柵板上交替排列著等寬度的遮光帶和透光帶（寬度用d表示）。實驗時將光柵板置于光電傳感器上方某高度，令其自由下落穿過光電傳感器。光電傳感器所連接的計算機可連續記錄遮光帶、透光帶通過光電傳感器的時間間隔Δt。

（1）除圖中所用的實驗器材外，該實驗還需要______（填“天平”或“刻度尺”）；

（2）該同學測得遮光帶（透光帶）的寬度為4.50cm，記錄時間間隔的數據如表所示，

根據上述實驗數據，可得編號為3的遮光帶通過光電傳感器的平均速度大小為v3=______m/s（結果保留兩位有效數字）；

（3）某相鄰遮光帶和透光帶先后通過光電傳感器的時間間隔為Δt1、Δt2，則重力加速度g=______（用d、Δt1、Δt2表示）；

（4）該同學發現所得實驗結果小于當地的重力加速度，請寫出一條可能的原因：______。

【例3】（江蘇卷第11題） 小明利用手機測量當地的重力加速度，實驗場景如圖1所示，他將一根木條平放在樓梯臺階邊緣，小球放置在木條上，打開手機的“聲學秒表”軟件，用鋼尺水平擊打木條使其轉開后，小球下落撞擊地面，手機接收到鋼尺的擊打聲開始計時，接收到小球落地的撞擊聲停止計時，記錄下擊打聲與撞擊聲的時間間隔t，多次測量不同臺階距離地面的高度h及對應的時間間隔t。

（1）現有以下材質的小球，實驗中應當選用______。

A．鋼球B.乒乓球C.橡膠球

（2）用分度值為1mm的刻度尺測量某級臺階高度h的示數如圖2所示，則h=______cm。

（3）作出2h－t2圖線，如圖3所示，則可得到重力加速度g=______m/s2。

（4）在圖1中，將手機放在木條與地面間的中點附近進行測量，若將手機放在地面A點，設聲速為v，考慮擊打聲的傳播時間，則小球下落時間可表示為t′=______（用h、t和v表示）。

（5）有同學認為，小明在實驗中未考慮木條厚度，用圖像法計算的重力加速度g必然有偏差。請判斷該觀點是否正確，簡要說明理由______。

通過對比分析例2和例3可以知道，兩道實驗題均是測量重力加速度，而且采用的實驗發生裝置均是物體自由下落。但是例2采用的是光電傳感器測量物體連續通過兩段相等位移所用時間（光電傳感器與光電門作用相同，即可用平均速度代替瞬時速度），可知，本實驗可通過勻變速直線運動初末速度關系求重力加速度。而例4采用的是通過聲學秒表記錄物體從開始運動到落地所用時間，再測量得到物體下落高度依據自由落體下落高度與時間關系即可求得重力加速度，實現了與例3相同的實驗目的。

舉一反三，如若在例4中小球落地前位置放置光電傳感器，測量小球落地前速度，同時測量小球自由下落的高度，依據自由落體速度與下落高度關系亦可求得物體下落加速度。

2.以2022年高考全國甲卷和2022年廣東卷為例，探討不同的碰撞方式下，測量相同的物理量來解決相同的實驗問題。

【例4】（全國甲卷第10題）利用圖示的實驗裝置對碰撞過程進行研究。讓質量為m1的滑塊A與質量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導軌上發生碰撞，碰撞時間極短，比較碰撞后A和B的速度大小v1和v2，進而分析碰撞過程是否為彈性碰撞。完成下列填空：

（1）調節導軌水平；

（2）測得兩滑塊的質量分別為0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后兩滑塊運動方向相反，應選取質量為______kg的滑塊作為A；

（3）調節B的位置，使得A與B接觸時，A的左端到左邊擋板的距離S1與B的右端到右邊擋板的距離S2相等；

（4）使A以一定的初速度沿氣墊導軌運動，并與B碰撞，分別用傳感器記錄A和B從碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間t1和t2；

（5）將B放回到碰撞前的位置，改變A的初速度大小，重復步驟（4）。多次測量的結果如下表所示；

（6）表中的k2______（保留2位有效數字）；

（7）v1v2的平均值為______；（保留2位有效數字）

（8）理論研究表明，對本實驗的碰撞過程，是否為彈性碰撞可由v1v2判斷。若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞，則v1v2的理論表達式為______（用m1和m2表示），本實驗中其值為______（保留2位有效數字），若該值與（7）中結果間的差別在允許范圍內，則可認為滑塊A與滑塊B在導軌上的碰撞為彈性碰撞。

通過對比例1和例4，我們不難發現：例1采用物體自由下落后與地面發生碰撞的方式運動，例4采用的是兩個物體在氣墊導軌上相向運動后碰撞的運動方式，從表面上看兩道題在實驗所需解決的問題不同，例1解決的是碰撞過程中的機械能損失，而例4要解決的問題是判斷實驗中的物體碰撞是否為彈性碰撞，但經過分析可知，最后判斷的內容均是碰撞前后動能的變化，均需測量物體運動的速度，且兩個實驗均是通過運動時間間接測量得到速度。

對于例1，是大家所熟知的光電門測量物體運動速度，難度系數較低，而例2通過比值代替具體速度值測量，一定程度上提升了題目的難度。事實上，也可以通過光電門測量例4的兩個物體碰撞前后的速度來論證是否為彈性碰撞。而例1也可以通過碰撞前后機械能損失來判斷是否為彈性碰撞。從而實現相同的實驗目的。

三、以2022年全國甲卷和2022年湖北卷為例，掌握運用公式變換方法來優化實驗的方法。

【例5】（湖北卷第12題）某同學設計了一個用拉力傳感器驗證機械能守恒定律的實驗。一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲所示。拉起小鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內擺動，記錄鋼球擺動過程中拉力傳感器示數的最大值Tmax和最小值Tmin。改變小鋼球的初始釋放位置，重復上述過程。根據測量數據在直角坐標系中繪制的Tmax－Tmin圖像是一條直線，如圖乙所示。

（1）若小鋼球擺動過程中機械能守恒。則圖乙中直線斜率的理論值為______。

（2）由圖乙得：直線的斜率為______，小鋼球的重力為______N。（結果均保留2位有效數字）

（3）該實驗系統誤差的主要來源是______（單選，填正確答案標號）。

A．小鋼球擺動角度偏大

B．小鋼球初始釋放位置不同

C．小鋼球擺動過程中有空氣阻力

對兩道題實驗原理分析如下：

例2實驗原理推導如下：

假設物體碰撞為彈性碰撞，即有

m1v0=－m1v1+m2v2

12m1v20=12m1v21+12m2v22

聯立解得

v1v2=m2－m12m1

代入數據可得

v1v2=0.34

如若在實驗誤差允許范圍內，則所測速度之比約為0.34，即證實驗假設。在實驗過程中，通過轉換為比值關系，省去初速度的測量。

例5實驗原理推導如下：

設初始位置時，細線與豎直方向夾角為θ，則細線拉力最小值為

Tmin=mgcosθ

到最低點時細線拉力最大，則

mgl（1－cosθ）=12mv2

Tmax－mg=mv2l

聯立可得

Tmax=3mg－2Tmin

假設小球擺動過程中機械能守恒，則依據在擺動過程中最大拉力與最小拉力成線性關系，其關系斜率為-2，截距為重力的3倍，此過程中，省去了直接與機械能有關的速度等參量的測量。

因而，在實驗變化過程中，可以將實驗相關物理量的直接測量，轉換為其相關的間接物理量或函數關系，借助函數關系，解決相關物理規律的證明。

四、關注豐富的傳感器代替傳統測量工具帶來的實驗變化，以2022年湖北卷和山東卷為例

【例6】（山東卷第12題）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，如圖甲所示。主要步驟如下：

①將力傳感器固定在氣墊導軌左端支架上，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。彈簧處于原長時滑塊左端位于O點。A點到O點的距離為5.00cm，拉動滑塊使其左端處于A點，由靜止釋放并開始計時；

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，部分圖像如圖乙所示。

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）該同學從圖乙中提取某些時刻F與a的數據，畫出a—F圖像如圖丙中I所示，由此可得滑塊與加速度傳感器的總質量為______kg。

（3）該同學在滑塊上增加待測物體，重復上述實驗步驟，在圖丙中畫出新的a-F圖像Ⅱ，則待測物體的質量為______kg。

從例5例6，我們可以發現，均采用了傳感器測量得物理量，實時記錄，并繪制成圖像。將所需求得物理量轉換為函數關系式中得截距、斜率關系。如例6中，傳統測量工具式無法無法測量非線性變化的加速度、力，借助傳感器，實現了測量的同時，繪制出兩者關系的正比例函數圖像，在人機交互界面中完成了實驗。因此，在實驗復習過程中，要了解常用傳感器的作用，要注意物理量之間的函數關系，熟悉運用圖像解決問題。

五、小結

隨著信息技術的發展，實驗器材不斷優化，實驗不斷創新，但綜合2022年高考題力學實驗真題看，重視實驗基本技能，把握實驗之間的內在聯系，可以備考復習更加高效，從而在實驗解答時信心倍增。

責任編輯李平安