普通高中物理课程标准(2017年版2020修订)规定学生必做的力学实验有:测量做直线运动物体的瞬时速度,探究弹簧弹力与形变量的关系,探究两个互成角度的力的合成规律,探究加速度与物体受力、物体质量的关系,验证机械能守恒定律,探究平抛运动的特点,探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系,验证动量守恒定律,用单摆测量重力加速度的大小。[1]
历年的高考试题都对这些基础实验进行了考查,但更多的是在基础实验的基础上设计出的拓展创新实验,考查学生的实验素养。物理高考实验题注重开放性和探究性,强调试题的创新性,重点考察学生的创新能力。在实验题的设计中,重点考察学生根据实验目的挑选实验仪器,设计实验步骤,处理实验数据,反思实验结果,提出改进措施。在陌生情境中要求学生用题目所给的信息和已具备的知识、能力、素养分析解决新的问题。[2]
统计近五年(2018-2022)全国卷对力学实验的考查,无论试题以怎样的形式出现,概括起来无非就是以下几种形式:
(1)“纸带”类实验
(2)弹簧、橡皮条、碰撞类实验
(3)力学创新实验
近五年全国卷(2018-2022)考情统计
下面就高考中经常出现的力学实验进行分类梳理,供读者参考。
一、“纸带”类实验
高中阶段力学实验涉及打点计时器的有四个:测量做直线运动物体的瞬时速度,探究加速度与物体受力、质量的关系,验证机械能守恒定律,验证动量守恒定律,这类实验重点是掌握纸带的分析处理方法,主要有以下三大应用:
1.确定物体的时间
2.求解瞬时速度
3.用逐差法求加速度
4.利用光电门代替打点计时器测量瞬时速度和加速度
(1)求瞬时速度:测量遮光条宽度d,以及通过光电门的时间Δt,算出平均速度看作是物体经过光电门的瞬时速度,即.
(2)求加速度:测量两个光电门间距离L,由运动学公式。
二、弹簧、橡皮条、碰撞类实验
力学实验中用到弹簧或橡皮条的实验有:探究弹力与弹簧伸长的关系,探究两个互成角度的力的合成规律,验证动量守恒定律。
1.弹簧和橡皮条弹力大小与形变量之间关系满足胡克定律,一般选用图象法处理实验数据。
2.验证动量守恒定律的常用方案[3]
(1)利用气垫导轨上两滑块间一压缩弹簧连接完成一维碰撞实验,滑块速度的测量。
(2)利用两摆球碰撞,摆球速度的测量
(3)利用光滑桌面两车碰撞,小车速度的测量。
(4)利用斜槽上滚下的小球碰撞,小球的水平速度正比水平位移。
三、力学创新实验1.测量重力加速度g
物体做匀变速直线运动, 利用打点计时器或光电门,运用运动学公式或功能关系测量重力加速度g。
(1)利用打点计时器计时,再用逐差法求g,也可用图像法求g。(2016年全国Ⅰ卷)。
(2)滴水累计法计时,原理为,也可以利用图像求g。(2018年海南卷)
(3)光电门计时,用运动学公式求g 。(也可以利用频闪照片或数码相机的连拍功能)
用打点计时器计时,利用系统机械能守恒,有,再利用图像斜率算出g。
2.测量动摩擦因数
测定动摩擦因数实验一般结合“研究匀变速直线运动”、“验证牛顿运动定律”等实验考查。实验的原理是:利用打点计时器或光电门等器材测出物体的加速度,再利用牛顿第二定律计算μ,或者利用共点力平衡条件、动能定理或功能关系计算μ。
(1)利用转化思想把研究运动物体转化为静止物体,由求μ。(2018年全国Ⅱ,2014年山东卷)
(2)系统在重物带动下先做加速运动,当重物落地后物块做匀减速直线运动。
在减速运动中,利用纸带求加速度,由F=μmg=ma求μ。( 2012年山东卷)
(3)利用转化思想将μ测量转化为角度的测量,由a=gsinθ-μgcosθ求μ。(a通过逐差法求解)(2015年全国Ⅱ卷,2019年全国Ⅱ卷 )
(4)动摩擦因数的测量转化为加速度的测量,利用和动力学知识得
。(2013年全国Ⅰ卷)
3.力学创新实验总结
(1)实验仪器的创新组合
高考创新实验设计的主要思路就是实验器材的等效替换,从近几年的高考命题来看,如利用光电门代替纸带来测量物体的速度、加速度,还可利用频闪照相代替打点计时器等。
(2)实验原理的创新
利用斜槽上滚下的小球碰撞探究动量守恒定律用水平位移来代替水平速度;在探究功与动能变化关系的实验中,用若干条相同的橡皮条伸长相同的长度分别对小车做功,来代替直接测量功。测量木块所受滑动摩擦力,可将木块放在木板上,弹簧测力计与木块水平相连,拉动木板,则木块所受的滑动摩擦力就是测力计的示数。
(3)数据处理的创新
利用纸带测量物体加速度时用逐差法再求平均值,在验证机械能守恒定律实验时,用光电门代替打点计时器,数据处理可作图象。(2011海南卷)。
(4)实验结论的拓展与延伸
先通过纸带或光电门求出物体的加速度,然后由或功能关系算出μ。分析这几年的高考力学实验,实验设置的一个热点是求动摩擦因数μ,另一个热点是测定重力加速度g。
四、总结
总之,高考力学实验注重了实验的融合和创新,但实验的原理和方法仍然来源于课程标准所列基础实验的原理和方法,通过器材重新组合、推陈出新,在常规题型上略有变化,但没有偏离主题,难度较大。教师在实验复习中,不能单独就某一实验进行复习,注重实验间的融合和创新,真正达到培养学生的实验探究能力,提高学生核心素养的目的。
参考文献:
1.普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订),人民教育出版社,43-44.
2.程力.李勇,基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径,中国考试,2019(12):38-44.
3. 普通高中课程标准实验教科书物理(选修3-5)人民教育出版社,4-5.