对一个物理高考实验题的教学剖析与思考

陈海

在高考备考的教学过程中，有一个往年的高考试题引起我的兴趣。在兴趣的驱使下，我对这一试题进行较深入的分析，并提出自己的教学看法与思考，同大家交流。

试题：（2014高考新课标全国卷1的第22题）某同学利用图（a）所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图（b）所示。实验中小车（含发射器）的质量为200 g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题：

1.根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 （填“线性”或“非线性”）关系。

2.由图（b）可知，a-m图线不经过原点，可能的原因是 。

3.若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是 ，钩码的质量应满足的条件是 。

这一题目考查的是必修1中探究加速度与力、质量的关系的实验。该试题取材于教材的实验，但在设问上有一定的创新，也有一定的深度和层次。对于这一题目，要求学生对实验的原理理解透彻，并动手参与实验探究方能较好地完成本题的设问。教材中安排的学生实验为探究实验，其目的是培养学生的合作学习能力、辨别分析能力、设计创设的能力。2014高考新课标全国卷1的这一试题恰好充分考查本探究实验能力培养的目标。教材中探究加速度与力、质量的关系的实验应用控制变量法的实验方法来验证加速度a、合外力F、物体质量M三者之间的关系，在处理数据的过程中应用a-F图象、a-M图象、a-1/M图象进行分析，其中a-M图象为非线性图象。本考题的第一问就是针对a-M图象进行设问的，属于容易得分的问题。本实验还有一个要求：学生在做实验过程中要注意的事项，即对实验装置进行平衡摩擦力，这一步骤学生容易遗忘或处理不当，平衡不到位或过度平衡摩擦，在应用a-F图象处理数据时都会出现不过原点的特征，如没平衡摩擦或平衡摩擦不到位时a-F图象与F轴交于正半轴，过度平衡摩擦时a-F图象与a轴交于正半轴。本试题的第二问就是结合这一特点进行设问的。虽然看似简单，但问题具有开放性，给学生更大的想象空间，但难度同时也有所增加。教材中，当小车和砝码的总质量远大于钩码的质量，本实验将钩码的重力近似为小车的合外的大小，当小车和砝码的总质量不满足远大于钩码的质量的条件时，在a-1/M图象中1/M较大时就无法满足成一条直线的特征。这个高考试题中的第三设问就涉及平衡摩擦和小车同砝码的总质量远大于钩码的质量的问题。

这个试题考查内容比较常规，但要答好这一试题，要求学生必须认真参与实验，并对实验进行深入的思考；要求学生必须掌握好该实验应用到的物理思想——控制变量法；要求学生必须掌握好物理实验数据的处理方法。只有脚踏实地才能较好地掌握好本实验，较好地答对这一题目的设问。对于该试题有层次的设问，能有效地让学生在脑海里再现本实验过程，充分体现新课程的理念。

本题解题思路分析：本试题通过DIS系统分析加速度与合力的关系，进而考查实验的相关问题。本题总体难度不大。由题中图（b）容易看出，将图中各点可以画成光滑的曲线，表明小车加速度与钩码的质量关系是非线性。第（2）问图中的a-m图线没有过原点，表明小车加速度为零，但受到的拉力（钩码的重力）却不为零，这是因为没有平衡摩擦力，合力的大小小于钩码的重力。由此可见，图线没过原点可能由于没有平衡轨道的摩擦阻力或平衡不够造成的。第（3）问如果要将钩码所受重力mg视为小车受到的合外力，条件是每次做实验的时候，钩码的质量要远远小于小车及砝码的总质量，其次要平衡摩擦力即将轨道的右端垫高，利用小车沿斜面重力的分力平衡轨道受到的滑动摩擦力，再者是要保证细绳与轨道平面平行。学生在分析的过程中常会思考不周而失分，也可能对实验的原理理解不透彻，特别最后一问容易失分。

本题的创新之处是使用了DIS系统分析数据，位移传感器代替了传统的打点计时器打纸带计算加速度的方法，学生会感觉新鲜，但理解上应该不存在障碍。再者，在试题的设问上，有一定的开放性，要求学生对整个实验的原理全面理解，对语言的组织能力也有较大的要求。由于本试题在两题实验题排在第一小题，因此在难度上相对小一些，这也是合情合理的。

在讲授该题时，应该先让学生回忆探究加速度与力、质量的关系实验的相关知识点，再进一步引导学生进行审题，找出题眼。由于题意简单，容易入手，学生读完这一题目，很快在脑海里面形成一个该实验的物理模型，审完题目中的第一问，引导学生回忆实验相关的a-F图象、a-M图象、a-1/M图象，其实很容易做到，因为学生或多或少对图象还有印象。对于第二问，难度较大，在讲解时，应该引导学生分析实验中产生误差的因素，即图象不过原点的原因。第三问，相对前两问难度有一定的提升，主要是开放性的設问，学生刚审完这一问开始会有些蒙，因此在分析时应该引导学生对实验条件——钩码的重力远大于小车和砝码的重力。学生如果明白这一点，再有点语言功底，要答好这一题应该不难了。对于钩码要满足的条件学生较容易解答出来，但对改进措施的解答就要求学生对该实验涉及的实验误差有比较深刻的理解，方能较完整地解答出来。

该实验的考查也是一个较热的考点。往年也较多出现，如2012年大纲版全国卷，2012年安徽高考卷等。

总而言之，验证牛顿第二定律的实验由于其特殊物理学史的地位，因此该实验不仅是教学中的重要知识点，也是考试中备受青睐的重要考点。因此，在教学中不仅要教学生物理思想、物理方法，更要积极研究备考策略。

编辑 谢尾合