2022年高考力學創新實驗題賞析

成樹明

(山東省濱州市第一中學)

近幾年高考實驗題基本沿用“一力一電”的模式,考查內容廣泛,考法靈活,注重考查實驗原理的理解和實驗方法的遷移。許多力學實驗題創設實際生活情景,以問題為導向,考查同學們科學思維、科學探究等物理學科的核心素養。力學創新實驗題通常從實驗情境、實驗方法、實驗器材、數據處理等方面進行創新,其實驗原理大多是從教材實驗中遷移過來的,關鍵是從題中獲取有用信息,明確思路,構建模型。

一、創新實驗情境

【例1】(2022·全國乙卷·22)用雷達探測一高速飛行器的位置。從某時刻(t=0)開始的一段時間內,該飛行器可視為沿直線運動,每隔1 s測量一次其位置,坐標為x,結果如下表所示:

t/s0123456x/m05071 0941 7592 5053 3294 233

回答下列問題:

(1)根據表中數據可判斷該飛行器在這段時間內近似做勻加速運動,判斷的理由是________;

(2)當x=507 m時,該飛行器速度的大小v=________m/s;

(3)這段時間內該飛行器加速度的大小a=________m/s2(保留2位有效數字)。

【解析】(1)根據題中表格提供的信息,可知第 1 s 內的位移x1=507 m,第2 s內的位移x2=587 m,第3 s內的位移x3=665 m,第4 s內的位移x4=746 m,第5 s內的位移x5=824 m,第6 s內的位移x6=904 m,則相鄰T=1 s內的位移之差接近Δx=80 m,可判斷飛行器在這段時間內做勻加速運動。相鄰的相同時間間隔(T)內的位移之差(Δx)相同,是判斷直線運動是勻變速直線運動的依據。

(3)方法一:逐差法

方法二:兩段法

【答案】(1)相鄰相等時間內位移變化量近似一個定值;(2)547;(3)79

【賞析】本題以雷達探測飛行器為載體,創設了研究勻變速直線運動的生活實踐問題情境,雷達探測飛行器的位置和用打點計時器記錄位置,在物理思想方法上是等效的,因此本題所創設的情境與教材上用打點計時器研究勻變速直線運動相似,是教材實驗原理、實驗數據處理方法在新情境中的應用。

二、創新實驗方法

【例2】(2022·山東卷·13)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:

圖1

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5.00 cm,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Ⅰ所示,由此可得滑塊與加速度傳感器的總質量為________kg。

圖3

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

【解析】本題實驗原理是利用胡克定律測彈簧的勁度系數、利用牛頓第二定律測物體質量。

(1)由題知,彈簧處于原長時滑塊左端位于O點,A點到O點的距離為5.00 cm。拉動滑塊使其左端處于A點,由靜止釋放并開始計時。結合圖2中的F-t圖像在縱軸上的截距,有Δx=5.00 cm,F=0.610 N,根據胡克定律得F=k·Δx,解得彈簧的勁度系數約為k=12 N/m。

【答案】(1)12;(2)0.20;(3)0.13

【賞析】本題通過天宮課堂進行情境創設,激發同學們民族自豪感,厚植愛國主義情感。試題以傳感器、彈簧、氣墊導軌、滑塊等為實驗素材,創設了測量物體質量的學習探索問題情境。本題的創新點是實驗方法的創新,利用傳感器直接獲取彈簧彈力和物塊加速度的大小隨時間的變化關系,并由此得到物塊的加速度大小隨外力的變化規律,進而利用圖線斜率求得物塊的質量,是方法創新的具體化。

三、創新實驗器材

【例3】(2022·湖南卷·11)小圓同學用橡皮筋、同種一元硬幣、刻度尺、塑料袋、支架等,設計了如圖4所示的實驗裝置,測量冰墩墩玩具的質量。主要實驗步驟如下:

圖4

(1)查找資料,得知每枚硬幣的質量為6.05 g;

(2)將硬幣以5枚為一組逐次加入塑料袋,測量每次穩定后橡皮筋的長度l,記錄數據如下表:

序號12345硬幣數量n/枚510152025長度l/cm10.5112.0213.5415.0516.56

(3)根據表中數據在圖5上描點,繪制圖線;

圖5

(4)取出全部硬幣,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,穩定后橡皮筋長度的示數如圖6所示,此時橡皮筋的長度為________cm;

圖6

(5)由上述數據計算得冰墩墩玩具的質量為________g(計算結果保留3位有效數字)。

【解析】(3)看清橫軸與縱軸每一小格代表的值,準確地進行描點;觀察所描點跡的走向趨勢;如果走向為直線,畫直線時應讓盡可能多的點跡落在直線上,不在直線上的點跡均勻分布在直線的兩側。繪制的圖線如圖7所示。

(4)由題圖6可知刻度尺的分度值為1 mm,因此讀數時應估讀到0.1 mm。橡皮筋的上端與0刻度線對齊,下端所對刻度尺的準確值為15.3 cm,估讀值為0.5 mm,因此,橡皮筋的長度為l=15.35 cm。

(5)設每枚硬幣的質量為m,橡皮筋的勁度系數為k,橡皮筋的原長為l0,待測冰墩墩的質量為m1。

方法一:常規思路

在作出的l-n圖中取相隔較遠的兩點(l1,n1)、(l2,n2),由二力平衡得n1mg=k(l1-l0),n2mg=k(l2-l0),對于冰墩墩則有m1g=k(l-l0),聯立解得m1=127 g。

方法二:直接取點法

在l-n圖中取縱坐標l=15.35 cm點,對應的橫坐標為n=21枚,因此,冰墩墩的質量為m1=21m=21×6.05 g=127 g。

【答案】(3)如圖7所示;(4)15.35;(5)127

圖7

【賞析】本題以橡皮筋、一元硬幣等生活中常見的物品作為素材,創設了利用胡克定律測量物體(冰墩墩)質量的生活實踐問題情境。主要考查了重力、彈力、胡克定律、共點力平衡、有效數字等知識點。本題以測量冰墩墩的質量為實驗目的,考查的其實就是課本上探究彈力與形變量關系的實驗,以生活中常見物體作為器材,貼近生活,理論與實際相結合,這是本題的創新點。

四、創新實驗數據處理

【例4】(2022·湖北卷·12)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8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9所示。

圖9

(1)若小鋼球擺動過程中機械能守恒。則圖8中直線斜率的理論值為________。

(2)由圖9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

(3)該實驗系統誤差的主要來源是小鋼球擺動過程中有空氣阻力,使得機械能減小,故選C。

【答案】(1)-2;(2)-2.1,0.59;(3)C

【賞析】本題以小鋼球在豎直平面內擺動為素材,創設了用拉力傳感器采集數據的學習探索問題情境。主要考查了力的合成與分解、向心加速度、向心力、功能關系、機械能守恒定律及其應用等知識點。本題的創新點是用拉力傳感器記錄小鋼球擺動過程中拉力的最大值Tmax和最小值Tmin,并繪制圖像處理實驗數據。

近幾年高考實驗題不再拘泥于教材傳統實驗方案,但每道試題還都有教材實驗的影子,突出創新。通過對以上例題的分析與賞析,可見要解答好力學創新實驗題,需在做好教材分組實驗的前提下,感悟實驗原理,掌握儀器使用方法,改進實驗方法,加強變式訓練,并能依據實際問題建構模型,靈活運用所學的實驗理論和方法解決實驗中遇到的新問題。