创新物理实验的复习备考策略

张成清

物理实验是高中物理的一个重要组成部分，实验中渗透了很多物理学的基本思想和研究问题的基本方法，学好、做好物理实验既能帮助考生解决理论上不易理解的问题，又能开拓考生的思维，实现对物理概念和规律的升华.近三年广东省物理科高考考试说明中对物理实验有明确的要求，实验题的分值占物理科总分的18%，比新课标前的比例还要大，这种高考要求告诉我们加强物理实验的重要性.在高考复习备考的过程中，应有计划、有步骤进行物理实验的复习，使考生从复习中真正获取解答实验问题的能力和方法.

从近几年全国各地的高考物理试题中可以看到，物理实验出现了一些创新实验考题，其特点是在高考要求的实验基础上进行了一些创新的设计，加入了一些创新因素，要求考生能利用必须掌握的实验原理、实验方法，通过自己的理解解答相应的实验问题.这类实验跟验证性实验和测定性实验相比，在实验的能力考查上要求要高一些，但在难度上比设计性实验和创造性实验要容易一些，因此，学生在解答这类实验问题时，答对率能达到60%左右，可以说，这类实验既能考查学生的实验能力，又能达到选拔的功能，应该是今后几年高考的重点.

前几年考生害怕电学实验（得分率很低），而对力学实验比较有心得（得分率相对较高），从2012年和2013年广东高考统计的成绩来看，广东高考的物理实验题考生的得分发生了一些微妙的变化，考生在力学实验的解答中出现了一些问题，其答对率反而低于电学实验，针对以上的两类问题，以下笔者就《验证机械能守恒定律》和《探究动能定理》这两个实验谈谈创新物理实验的复习备考策略.

一、对《验证机械能守恒定律》和《探究动能定理》的理解

《验证机械能守恒定律》主要是通过一定的实验方法，采用合理的手段对某些情况下物体的机械能是否守恒进行验证，在高考要求中，该实验主要考查的内容有以下几点.第一，实验方案设计的合理性：在进行实验设计时，必须满足守恒的条件，当条件不能满足时，必须改进实验方案，直到守恒的条件能满足或者基本满足，这是高考考查的一个考点；第二，实验器材选择的基本要求：由于空气阻力和其它阻力的存在，在选择实验器材时，必须考虑选择物体时要尽可能使阻力的影响可以忽略，这个也是高考考查的一个考点；第三，实验数据处理的基本方法：记录的实验数据如何进行合理的处理得到实验结果往往是高考试题的命题方向之一；第四，正确进行实验的误差分析：实验是有误差的，实验误差的来源及减少实验误差的措施是近几年高考考题的热点，要能找出实验误差的真正所在，再通过恰当的改进方法尽可能减少实验误差.

《探究动能定理》是一个探究性实验，在新课标的高考中，很多省的高考试题中出现了该探究实验，复习时应引起高度的重视.该探究实验中高考考查的主要问题有这样几个方面.第一，注意探究的方法，尽可能创造条件完成实验；第二，在可能的情况下，可以忽略一些次要因素的影响；第三，采用恰当的方法处理实验数据，得出正确的实验结论；第四，能根据实验装置分析实验误差，并通过改进实验条件提高实验的精度.

二、正确进行实验的数据处理

《验证机械能守恒定律》的实验中是利用数据来说明机械能是否守恒，因此，数据处理是本实验的重点，也是难点，数据处理中主要涉及准确的计算、按照实验的要求合理保留有效数字、利用计算的结果得到正确的实验结论等.

【案例1】（2013·海南理综）某同学用图1所示的实验装置验证机械能守恒定律.

已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地重力加速度为g=9.80m/s2.实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图2所示.纸带上的第一个点记为O，另选连续的三个点A、B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值.回答下列问题（计算结果保留3位有效数字）

（1）打点计时器打B点时，重物速度的大小vB= m/s；

（2）通过分析该同学测量的实验数据，他的实验结果是否验证了机械能守恒定律？简要说明分析的依据.

【分析】（1）根据纸带上记录的实验数据，可以直接利用匀变速直线运动的公式计算重物速度的大小，在计算时注意单位的换算，在有效数字的处理上，注意实验的要求.

（2）试题中明确说明了纸带上的O点为第一个点，因此，v0=0，可以通过计算B点的动能得到动能的增加量，在判断实验结论时，允许实验误差的存在.

【思路】（1）由vB==知，

vB==3.90m/s.

（2）设重物质量为m，OB对应的下落过程中重力势能减少量为ΔEP=mghB=7.70mJ，动能增加量为ΔEk=mvB2=7.61mJ

结论：在误差允许范围内，可以认为相等，因此验证了机械能守恒定律.

【答案】（1）3.90；（2）ΔEP=mghB=7.70mJ，

ΔEk=mvB2=7.61mJ.

在误差允许范围内，可以认为相等，因此验证了机械能守恒定律.

【反思】本实验在进行数据处理时，有两个方面的问题需要正确理解.第一，要根据实验的要求保留3位有效数字；第二，在重物的质量m未知的情况下，在验证时可用含有m的表达式表示动能和势能的大小.

三、利用验证机械能守恒的思路进行创新实验

创新实验是新课标模式下高考的重点，其创新的思想方法必须要掌握，利用机械能守恒进行创新实验是一个新的举措，实验问题不一定很难，但创新的思想很重要.

【案例2】（2013·重庆理综）我国舰载飞机在“辽宁舰”上成功着舰后，某课外活动小组对舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣.他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水，制作了如图3所示的装置，准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系.要达到实验目的，需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的 和在橡皮条阻拦下前进的距离，还必须增加的一种实验器材是____________.忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力，重力加速度已知，根据___________定律（定理），可得到钢球被阻拦前的速率.endprint

【分析】（1）在忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力的条件下，可以认为钢球在释放时相对于水平木板的重力势能转化为钢球的动能（刚到达橡皮条），之后，钢球的动能转化为橡皮条的弹性势能，因此，既可以利用机械能守恒定律得到钢球被阻拦前的速率，也可以利用动能定理探究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系.

（2）为了获取钢球被阻拦前的速率及钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系，本实验中要利用刻度尺测量有关的长度（钢球刚释放时到水平木板的高度及钢球在橡皮条阻拦下前进的距离.

【答案】距水平木板的高度，刻度尺，机械能守恒（动能）.

【反思】本实验虽然是一个探究性实验，但实验的难度不大，在实验中不需要求推出钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系式，这在一定程度上降低了实验的难度.只要明确实验的基本原理，能进行简单的实验设计就不难得到正确的答案.

四、创设实验条件完成实验

【案例3】（2013·福建理综）在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中（装置如图4）：

（1）下列说法哪一项是正确的 __________.（填选项前字母）

A. 平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上

B. 为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量

C. 实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放

（2）图5是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为 ________m/s（保留三位有效数字）.

【分析】本实验中由于细线拉力做功使小车动能发生改变，问题是影响小车动能改变的因素还有摩擦力，同时也没有很好的办法计算细线拉力的大小，只能用钩码的重力替代细线拉力，因此，在实验中必须创设两个条件，才能完成实验.第一，将摩擦力的影响消除；第二，合理调整钩码质量与小车质量关系，使钩码的重力能替代细线拉力.

【思路】（1）在平衡摩擦力时，通过适当调节垫木的位置，使小车在没有任何牵引的条件下能在倾斜的木板上作匀速运动，答案A错；设钩码质量与小车质量分别为m1、m2，由F=ma可以计算出T=m1g，可见，当m1m2时，T=m1g，答案B错；为了使纸带能尽可能多记录小车的运动信息，应使小车靠近打点计时器由静止释放，答案C正确.

（2）由vB==知，vB==0.653m/s

【答案】（1）C；（2）0.653.

【反思】用图示的实验装置直接探究恒力做功与动能改变的关系有一定的难度，因为影响小车动能的因素太多，很难直接得到恒力的大小，为了完成实验，只能在现有装置的基础上进行改进，创造条件，减少或尽可能消除次要因素的影响才能完成该实验，这种实验方法在其它物理实验中也有所体现，这也是高考试题中一些创新实验考查的热点，在复习备考中要高度重视.

五、正确理解实验条件，变换思路进行探究实验

【案例4】如图6所示是某同学做“探究做功与速度变化的关系”的实验装置.他将光电门固定在直轨道上的O点，用同一重物通过细线拉同一小车，每次小车都从不同位置由静止释放，各位置A、B、C、D、E、F、G（图中只标出了O、G）离O点的距离d分别为8cm、16cm、24cm、32cm、40cm、48cm，56cm.

（1）该实验是否需要测量重物的重力 （填“需要”或“不需要”）；

（2）该实验是否必须平衡摩擦力？ （填“是”或“否”）；

（3）为了探究做功与速度变化的规律，依次得到的实验数据记录如下表所示.请在方格纸内描点作出v2-d图像；

（4）从图像得到的直接结论是 ，从而间接得到做功与物体速度变化的规律是 .

【分析】本实验是完成探究做功与速度变化的关系，小车运动的速度可以利用遮光条和宽度和通过光电门的时间较为精确的计算出来，由于引起小车速度变化的因素较多，从实验的条件来看，无法直接得到外力对小车做的功.从另一个角度看，不管小车从哪个位置由静止释放，对小车做功的合力是恒力，根据恒力做功的规律及图示的装置，可以利用小车的释放点到光电门的距离d替代外力对小车做的功，再研究小车的速度与距离d的关系也能探究做功与速度变化的关系.

【思路】（1）该实验不需要测量重物的重力，因为绳子拉力和滑动摩擦力只要是恒力就可以利用位移替代合力做功判断合力做功与速度变化的关系，不需要计算合力做功的大小；

（2）该实验不需要平衡摩擦力，原因与（1）相同；

（3）利用实验数据进行描点，再将实验点用直线连接，如图8所示；

（4）由图像可知，d与v2成正比，而d可以认为是合力做功的大小，可见，在初速度为零的条件下，力对物体做功与物体速度的平方成正比.

【答案】（1）不需要；（2）否；（3）如图8所示；（4）d与v2成正比，在初速度为零的条件下，力对物体做功与物体速度的平方成正比.

【反思】（1）用位移替代力对物体做功是一个新的尝试，可以通过探究位移与速度的关系得到力对物体做功与物体速度的关系，这里突出体现了实验思维的转换；

（2）探究实验的最大特点是其不可预测性，本题作图时，实验点可能有偏差，要舍去一些偏差较大的点，再将图线进行正确连接，才可以得到正确结论.

物理实验的复习不仅需要掌握常规的实验原理、方法和数据处理的能力，更重要的是能根据实验的器材和条件能解决一些创造性实验问题，提高自身“阅读”实验的能力.2012年、2013年的广东高考实验题作出了一些调整，着重考查实验的细节、过程及“阅读”实验的能力，你必须要知道别人为什么要这样完成某实验（“阅读”实验），这种调整降低了实验的难度，使实验题的得分率有所提高，在高考复习备考过程中，要注意这样一些变化，提高实验的复习效率，以获取最好的复习效果.

（作者单位：广东番禺中学）

责任编校 李平安endprint

【分析】（1）在忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力的条件下，可以认为钢球在释放时相对于水平木板的重力势能转化为钢球的动能（刚到达橡皮条），之后，钢球的动能转化为橡皮条的弹性势能，因此，既可以利用机械能守恒定律得到钢球被阻拦前的速率，也可以利用动能定理探究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系.

（2）为了获取钢球被阻拦前的速率及钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系，本实验中要利用刻度尺测量有关的长度（钢球刚释放时到水平木板的高度及钢球在橡皮条阻拦下前进的距离.

【答案】距水平木板的高度，刻度尺，机械能守恒（动能）.

【反思】本实验虽然是一个探究性实验，但实验的难度不大，在实验中不需要求推出钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系式，这在一定程度上降低了实验的难度.只要明确实验的基本原理，能进行简单的实验设计就不难得到正确的答案.

四、创设实验条件完成实验

【案例3】（2013·福建理综）在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中（装置如图4）：

（1）下列说法哪一项是正确的 __________.（填选项前字母）

A. 平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上

B. 为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量

C. 实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放

（2）图5是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为 ________m/s（保留三位有效数字）.

【分析】本实验中由于细线拉力做功使小车动能发生改变，问题是影响小车动能改变的因素还有摩擦力，同时也没有很好的办法计算细线拉力的大小，只能用钩码的重力替代细线拉力，因此，在实验中必须创设两个条件，才能完成实验.第一，将摩擦力的影响消除；第二，合理调整钩码质量与小车质量关系，使钩码的重力能替代细线拉力.

【思路】（1）在平衡摩擦力时，通过适当调节垫木的位置，使小车在没有任何牵引的条件下能在倾斜的木板上作匀速运动，答案A错；设钩码质量与小车质量分别为m1、m2，由F=ma可以计算出T=m1g，可见，当m1m2时，T=m1g，答案B错；为了使纸带能尽可能多记录小车的运动信息，应使小车靠近打点计时器由静止释放，答案C正确.

（2）由vB==知，vB==0.653m/s

【答案】（1）C；（2）0.653.

【反思】用图示的实验装置直接探究恒力做功与动能改变的关系有一定的难度，因为影响小车动能的因素太多，很难直接得到恒力的大小，为了完成实验，只能在现有装置的基础上进行改进，创造条件，减少或尽可能消除次要因素的影响才能完成该实验，这种实验方法在其它物理实验中也有所体现，这也是高考试题中一些创新实验考查的热点，在复习备考中要高度重视.

五、正确理解实验条件，变换思路进行探究实验

【案例4】如图6所示是某同学做“探究做功与速度变化的关系”的实验装置.他将光电门固定在直轨道上的O点，用同一重物通过细线拉同一小车，每次小车都从不同位置由静止释放，各位置A、B、C、D、E、F、G（图中只标出了O、G）离O点的距离d分别为8cm、16cm、24cm、32cm、40cm、48cm，56cm.

（1）该实验是否需要测量重物的重力 （填“需要”或“不需要”）；

（2）该实验是否必须平衡摩擦力？ （填“是”或“否”）；

（3）为了探究做功与速度变化的规律，依次得到的实验数据记录如下表所示.请在方格纸内描点作出v2-d图像；

（4）从图像得到的直接结论是 ，从而间接得到做功与物体速度变化的规律是 .

【分析】本实验是完成探究做功与速度变化的关系，小车运动的速度可以利用遮光条和宽度和通过光电门的时间较为精确的计算出来，由于引起小车速度变化的因素较多，从实验的条件来看，无法直接得到外力对小车做的功.从另一个角度看，不管小车从哪个位置由静止释放，对小车做功的合力是恒力，根据恒力做功的规律及图示的装置，可以利用小车的释放点到光电门的距离d替代外力对小车做的功，再研究小车的速度与距离d的关系也能探究做功与速度变化的关系.

【思路】（1）该实验不需要测量重物的重力，因为绳子拉力和滑动摩擦力只要是恒力就可以利用位移替代合力做功判断合力做功与速度变化的关系，不需要计算合力做功的大小；

（2）该实验不需要平衡摩擦力，原因与（1）相同；

（3）利用实验数据进行描点，再将实验点用直线连接，如图8所示；

（4）由图像可知，d与v2成正比，而d可以认为是合力做功的大小，可见，在初速度为零的条件下，力对物体做功与物体速度的平方成正比.

【答案】（1）不需要；（2）否；（3）如图8所示；（4）d与v2成正比，在初速度为零的条件下，力对物体做功与物体速度的平方成正比.

【反思】（1）用位移替代力对物体做功是一个新的尝试，可以通过探究位移与速度的关系得到力对物体做功与物体速度的关系，这里突出体现了实验思维的转换；

（2）探究实验的最大特点是其不可预测性，本题作图时，实验点可能有偏差，要舍去一些偏差较大的点，再将图线进行正确连接，才可以得到正确结论.

物理实验的复习不仅需要掌握常规的实验原理、方法和数据处理的能力，更重要的是能根据实验的器材和条件能解决一些创造性实验问题，提高自身“阅读”实验的能力.2012年、2013年的广东高考实验题作出了一些调整，着重考查实验的细节、过程及“阅读”实验的能力，你必须要知道别人为什么要这样完成某实验（“阅读”实验），这种调整降低了实验的难度，使实验题的得分率有所提高，在高考复习备考过程中，要注意这样一些变化，提高实验的复习效率，以获取最好的复习效果.

（作者单位：广东番禺中学）

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【分析】（1）在忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力的条件下，可以认为钢球在释放时相对于水平木板的重力势能转化为钢球的动能（刚到达橡皮条），之后，钢球的动能转化为橡皮条的弹性势能，因此，既可以利用机械能守恒定律得到钢球被阻拦前的速率，也可以利用动能定理探究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系.

（2）为了获取钢球被阻拦前的速率及钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系，本实验中要利用刻度尺测量有关的长度（钢球刚释放时到水平木板的高度及钢球在橡皮条阻拦下前进的距离.

【答案】距水平木板的高度，刻度尺，机械能守恒（动能）.

【反思】本实验虽然是一个探究性实验，但实验的难度不大，在实验中不需要求推出钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系式，这在一定程度上降低了实验的难度.只要明确实验的基本原理，能进行简单的实验设计就不难得到正确的答案.

四、创设实验条件完成实验

【案例3】（2013·福建理综）在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中（装置如图4）：

（1）下列说法哪一项是正确的 __________.（填选项前字母）

A. 平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上

B. 为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量

C. 实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放

（2）图5是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为 ________m/s（保留三位有效数字）.

【分析】本实验中由于细线拉力做功使小车动能发生改变，问题是影响小车动能改变的因素还有摩擦力，同时也没有很好的办法计算细线拉力的大小，只能用钩码的重力替代细线拉力，因此，在实验中必须创设两个条件，才能完成实验.第一，将摩擦力的影响消除；第二，合理调整钩码质量与小车质量关系，使钩码的重力能替代细线拉力.

【思路】（1）在平衡摩擦力时，通过适当调节垫木的位置，使小车在没有任何牵引的条件下能在倾斜的木板上作匀速运动，答案A错；设钩码质量与小车质量分别为m1、m2，由F=ma可以计算出T=m1g，可见，当m1m2时，T=m1g，答案B错；为了使纸带能尽可能多记录小车的运动信息，应使小车靠近打点计时器由静止释放，答案C正确.

（2）由vB==知，vB==0.653m/s

【答案】（1）C；（2）0.653.

【反思】用图示的实验装置直接探究恒力做功与动能改变的关系有一定的难度，因为影响小车动能的因素太多，很难直接得到恒力的大小，为了完成实验，只能在现有装置的基础上进行改进，创造条件，减少或尽可能消除次要因素的影响才能完成该实验，这种实验方法在其它物理实验中也有所体现，这也是高考试题中一些创新实验考查的热点，在复习备考中要高度重视.

五、正确理解实验条件，变换思路进行探究实验

【案例4】如图6所示是某同学做“探究做功与速度变化的关系”的实验装置.他将光电门固定在直轨道上的O点，用同一重物通过细线拉同一小车，每次小车都从不同位置由静止释放，各位置A、B、C、D、E、F、G（图中只标出了O、G）离O点的距离d分别为8cm、16cm、24cm、32cm、40cm、48cm，56cm.

（1）该实验是否需要测量重物的重力 （填“需要”或“不需要”）；

（2）该实验是否必须平衡摩擦力？ （填“是”或“否”）；

（3）为了探究做功与速度变化的规律，依次得到的实验数据记录如下表所示.请在方格纸内描点作出v2-d图像；

（4）从图像得到的直接结论是 ，从而间接得到做功与物体速度变化的规律是 .

【分析】本实验是完成探究做功与速度变化的关系，小车运动的速度可以利用遮光条和宽度和通过光电门的时间较为精确的计算出来，由于引起小车速度变化的因素较多，从实验的条件来看，无法直接得到外力对小车做的功.从另一个角度看，不管小车从哪个位置由静止释放，对小车做功的合力是恒力，根据恒力做功的规律及图示的装置，可以利用小车的释放点到光电门的距离d替代外力对小车做的功，再研究小车的速度与距离d的关系也能探究做功与速度变化的关系.

【思路】（1）该实验不需要测量重物的重力，因为绳子拉力和滑动摩擦力只要是恒力就可以利用位移替代合力做功判断合力做功与速度变化的关系，不需要计算合力做功的大小；

（2）该实验不需要平衡摩擦力，原因与（1）相同；

（3）利用实验数据进行描点，再将实验点用直线连接，如图8所示；

（4）由图像可知，d与v2成正比，而d可以认为是合力做功的大小，可见，在初速度为零的条件下，力对物体做功与物体速度的平方成正比.

【答案】（1）不需要；（2）否；（3）如图8所示；（4）d与v2成正比，在初速度为零的条件下，力对物体做功与物体速度的平方成正比.

【反思】（1）用位移替代力对物体做功是一个新的尝试，可以通过探究位移与速度的关系得到力对物体做功与物体速度的关系，这里突出体现了实验思维的转换；

（2）探究实验的最大特点是其不可预测性，本题作图时，实验点可能有偏差，要舍去一些偏差较大的点，再将图线进行正确连接，才可以得到正确结论.

物理实验的复习不仅需要掌握常规的实验原理、方法和数据处理的能力，更重要的是能根据实验的器材和条件能解决一些创造性实验问题，提高自身“阅读”实验的能力.2012年、2013年的广东高考实验题作出了一些调整，着重考查实验的细节、过程及“阅读”实验的能力，你必须要知道别人为什么要这样完成某实验（“阅读”实验），这种调整降低了实验的难度，使实验题的得分率有所提高，在高考复习备考过程中，要注意这样一些变化，提高实验的复习效率，以获取最好的复习效果.

（作者单位：广东番禺中学）

责任编校 李平安endprint