高三物理实验复习要源于教材高于教材

王玉鸿

物理实验题在高考试卷中占有物理总分的15%左右的比例，可见实验在高考中占有重要地位.从近几年高考实验题看，考试内容已从考查课本实验的原理、步骤、数据处理、误差分析逐步过渡到考查考生运用学过的实验原理、方法解决新颖灵活的实验问题，注重对考生创新能力的考查.试题从实验原理、方法、装置、数据处理方法等多方面进行了创新，但学生遇到这种创新题往往缺乏应对能力，从历年高考看考生得分率较低.因此，物理实验能力能否提高关系到高三物理实验复习的成功与否，是高考能否取胜的关键.

1 实验复习要源于教材

1.1 重温教材实验

注重能力考查的高考，虽然不会照搬课本实验，但解答实验题所应具备的能力必须在掌握课本实验的基础上形成.通过复习课本实验的原理、方法、步骤、数据处理、误差分析等，从中汲取物理元素和思想方法，在解决实验问题时加以迁移或应用.该如何复习“探究加速度与力、质量的关系”的实验呢？我们可以以问题串的形式将几个重点问题引向深入，重点问题要能够揭示重要的物理思想或解决问题的方法.

（1）该实验探究问题的方法是什么？如何探究？（控制变量法，M一定量，改变F，研究a与F的关系；F一定时，改变M，研究a与M的关系.）

（2）该实验用到了什么实验器材，装置如何？（器材和装置如图1所示）

（3）该实验需测量哪些物理量？如何测量？（需测量小车质量、所受的合力、加速度；用天平测小车的质量M、小盘和砝码质量m、通过打点计时器打出的纸带可求得加速度.）

追问①：該实验中将小盘和砝码的重力作为小车所受的合力需满足什么条件？（一要平衡摩擦力，二要满足关系mM.）

追问②：如何平衡摩擦力？为什么要满足关系mM？（脱下细绳，接上纸带，将木板安装有打点计时器一端垫高，调整倾角至小车能匀速下滑；由mg-F=ma，F=Ma得F=mg1+mM，可知，只有当mM时，F≈mg.）

小车受多个力的作用，无法直接测量其合力，该实验通过平衡的方法，将绳子拉力作为小车所受的合力，通过近似的思想，认为小盘和砝码的重力等于绳子拉力，也就是小车所受的合力.通过这样的复习，让学生掌握化难为易，间接测量物理量的方法，领悟平衡摩擦力的巧妙.

（4）根据测得的数据，如何直观地探究a、F、M三者之间的关系？（作出a-F图象和a-1M图象，根据图象判断物理量之间的关系.）

追问：探究加速度与质量的关系时，为什么不作a-M图象，而要作a-1M图象？

（a-M图象和a-1M图象分别如图2甲、乙所示.图线甲只能看出M增大时a减小，但a与M具体是什么关系，不能得出.而图线乙是一条过原点的倾斜直线，据此可判断a与M成反比.）

利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法.在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比，那么，x就应与1y成正比.因为在处理数据时，判断正比例函数图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单和直观得多，所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理，通过对实验数据处理方法的探究，让学生感受到“化曲为直”的好处.

（5）保持小车的质量不变，探究a与F的关系，某同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的关系，图线如图3所示，图线不通过坐标原点的原因是什么，图线弯曲的原因又是什么？（图线①不通过原点是由于没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够；图线②不通过原点是由于平衡摩擦力过度或者说木板的倾角太大；两条图线均发生弯曲是由于随着砝码质量的增大，不再满足mM的条件.）

1.2 重做教材实验

实验能力的形成除了要掌握实验原理还要建立在真正的实验操作基础之上.动手操作是实验的主体，没有操作过程便没有实验，在实际操作中会遇到意想不到的问题，可以发现在理论分析中发现不了的问题.高考实验题中经常考查的实验仪器安装、仪器的使用、仪表的读数、步骤的排序、操作的纠错、画电路图、电路连线、仪器及量程选择、实验误差的处理等都与实验的实际操作有关，真正的考查了考生的实际操作能力.高三的实验复习往往是“纸上谈兵”，不愿意走实际操作这一非常重要的环节，导致学生实际操作能力较差，实际操作经验不足.如在“探究加速度与力、质量的关系”的实验，常常看到学生做实验时长木板未伸出桌面导致绳子与桌棱摩擦，绳子不与木板平行，砝码盘中砝码质量太大等等错误.

2 实验复习要高于教材

现在的高考实验题紧贴新课标的要求，对学生的理论分析能力、实验设计能力、观察能力、动手能力、数据处理能力及误差分析能力要求不断提高，试题情境新，起点高，却都落在核心知识的运用上.高考实验题以分组实验为主，要提升学生的实验能力，有必要对经典的实验题进行拓展、延伸、改进、翻新，提升学生的科学素养和创新能力.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中可以从以下几个方面进行扩展或创新.

2.1 功能延伸

教材中本实验的这套装置还可用于做什么实验？

评析 这套装置还可用于做“探究动能定理”、 “研究匀变速直线运动的规律”、“测定滑动摩擦因数”等的实验，它们可归结为“板块装置”，可一“材”多用，这样便于学生记忆和应用.

2.2 器材重组

利用已有的器材，依据科学的实验原理对实验器材进行重新组合，从而达到相同的实验目的.

例1 小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图4所示.已知小车质量M，砝码盘质量m0，所使用的打点计时器交流电频率f.其实验步骤是

A.按图中所示安装好实验装置；

B.调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；

C.取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；

D.先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；

E.重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复B—D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度.

问：按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？（填“是”或“否”），小车受到的合外力等于.

评析 该实验的目的和器材与教材实验均相同，学生要回答这两个问题首先要理解该实验的原理，学生要善于借鉴教材实验的平衡思想和间接测量物理量的方法，考查了迁移能力.本题中先调节木板的倾角θ让小车做匀速运动，则有Mgsinθ=F+f，F=（m0+m）g，取下细绳和砝码盘后，小车所受合力

F合=Mgsinθ-f=（m0+m）g，不论（m0+m）与M什么关系，只要平衡了摩擦力，总有F合=（m0+m）g，所以无需满足（m0+m）M，同时小车所受的合力通过天平即可间接测量了.

2.3 原理创新

例2 如图5所示的实验装置可以探究加速度与物体质量、物体受力的关系.小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子.沙桶的总质量（包括桶以及桶内沙子质量）记为m，小车的总质量（包括车、盒子及盒内沙子质量）记为M.实验前将长木板安装有打点计时器的一端垫高，使小车能匀速下滑.

验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出.多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变.以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a—F图象，图象是一条过原点的直线.

①a—F图象斜率的物理意义是.

②你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理？

答：.（填“合理”或“不合理”）

③本次实验中，是否应该满足Mm这样的条件？

答：（填“是”或“否”）；

理由是.

评析 该实验的目的和装置与教材没有什么不同，因而学生常常会思维定势，简单照搬教材实验的条件和结论，误认为研究对象仍是小车.可是在验证质量不变的情况下，加速度与合外力关系时，从盒子中取出的沙子装入沙桶中，这样小车的质量是变化的，但系统的质量是不变的，故本实验的研究对象是整个系统，则a=FM+m=mgM+m，可见a—F图象斜率的物理意义是1M+m，系统的合外力就等于所悬挂沙桶的重力mg，不必满足Mm这个条件.这种形似神不似的实验题，极易造成学生新旧知识的碰撞，形成思维的火花，对开拓学生思維和培养创新能力不无裨益.

2.4 方法改进

例3 研究性学习小组的同学欲探究小车质量不变时其加速度与力的关系，该小组在实验室设计了一套如图6所示的装置，图中A为小车，B为打点计时器，C为力传感器（测绳子的拉力），P为小桶（内有砂子），M是一端带有定滑轮的水平放置的足够长的木板.不计绳子与滑轮间的摩擦.

（1）要顺利完成该实验，除图中实验仪器和低压交流电源（含导线）外，还需要的实验仪器是（填“刻度尺”、“天平”或“秒表”）.

（2）平衡摩擦力后再按上述方案做实验，是否要求砂桶和砂子的总质量远小于小车的质量？（填“是”或“否”）

评析 教材实验中把砝码和砝码盘的重力作为小车所受的合力，平衡摩擦力后仍存在系统误差，实际上小车的合力等于绳子的拉力，而拉力是小于砝码和砝码盘的重力的.本实验改进方法，用力传感器可测得小车受到的拉力，故无需再保证常规实验中质量远小于的条件了.根据实验原理可知，除了测得绳子拉力之外，还要根据纸带测得小车运动的加速度，故还需要刻度尺测量位移.

本实验中为了省去平衡摩擦力的麻烦，可以用气垫导轨来代替长木板.小车的加速度可以利用光电门或传感器来测量，借助于计算机来处理.

2.5 图象变化

例4 图7为验证牛顿第二定律的实验装置示意图.图中打点计时器的电源为50 Hz的交流电源.在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来研究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”.

（1）完成下列实验步骤中的填空：

①平衡小车所受的阻力：小吊盘中不放物块，调整木板右端的高度，用手轻拨小车，直到打点计时器打出一系列间距相等的点.

②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码.

③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有点列的纸袋，在纸袋上标出小车中砝码的质量m.

④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③.

⑤在每条纸带上清晰的部分，没5个间隔标注一个计数点.测量相邻计数点的间距s1，s2，….求出与不同m相对应的加速度a.

⑥以砝码的质量m为横坐标1a为纵坐标，在坐标纸上做出1a-m关系图线.若加速度与小车和砝码的总质量成反比，则1a与m处应成关系（填“线性”或“非线性”）.

（2）图8为所得实验图线的示意图.设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿定律成立，则小车受到的拉力为，小车的质量为.

评析 用图象法处理实验数据是物理实验中最常用的方法.它的优越性表现在：能形象直观地表达物理规律，有效地减少偶然误差对结果的影响，较方便地获得未经测量或无法直接测量的物理量数值，还能有效地避免错误.要在理论上确定两个物理量为横纵坐标的图线形状，首先要根据实验原理找到两物理量之间的函数关系，并且分析图线的斜率、截距、面积、图像中的特殊点作代表的含义.本题中设小车质量为M，根据牛顿第二定律可知，F=（M+m）a，得1a=MF+mF，1a与m为一次函数关系，是线性关系.结合图象可知，截距b=MF，得M=bF=bk.无论图象如何变化，找出横纵坐标所代表的物理量的函数表达式是关键.

总之，我们在物理实验复习过程中，既要注重基础知识的全面复习，又不能照搬课本，要注重培养学生的发散思维、创新能力，才能更好的迎接高考、适应高考.