2017年高考北京物理实验题的解法研究及对教学的启示

李 宁

(北京市第九中学 北京 100041)

梁吉峰

(北京市育英学校 北京 100036)

丁庆红

(北京教育学院石景山分院 北京 100043)

1 引言

2017年高考北京理科综合中的物理实验题是高考试题中的一大亮点，与近几年的北京高考物理实验题一样，注重考查常规实验，命题的角度非常贴近高中教学实际情况，能很好地反映学生的实验能力，同时注重考查学生在常规实验基础上的深入思考能力，挖掘、深层次考查学生的探究能力，充分展现北京高考试题注重考查物理核心素养、具有创新性和选拔性考试的特点.本文对2017年高考北京理科综合中的物理实验题的解法进行了研究，反观实验教学现状，探讨了高考实验命题对教学的一些启示，对于高三复习备考以及物理实验教学具有一定的参考价值，希望起到抛砖引玉的作用.

2 考题重现

【题目】(2017年高考北京理综卷实验题第21题)如图1所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况.利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验.

(1)打点计时器使用的电源是______(选填选项前的字母).

A．直流电源 B．交流电源

(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确的操作方法是______(选填选项前的字母).

A．把长木板右端垫高 B．改变小车的质量

在不挂重物且______(选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车.若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响.

A．计时器不打点 B．计时器打点

图1 试题情境图

(3)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O.在纸带上依次取A，B，C，…若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T.测得A，B，C，…各点到O点的距离为x1，x2，x3，…，如图2所示.

图2 测量纸带

实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg.从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W=______，打B点时小车的速度v=______.

(4)以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据做出如图3所示的v2-W图像.由此图像可得v2随W变化的表达式为______.根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v2这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是______.

图3 v2-W图像

(5)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4选项中正确反映v2-W关系的是______.

图4 选项图

3 考题分析

2017年高考北京理综卷实验题第21题考查的是常规学生实验“探究动能定理”，每道小题的考查细目如表1所示.

表1 实验每道小题的考查目标

4 解法研究

(1)考查打点计时器的配套电源选取，根据打点计时器的工作原理或学生真正使用打点计时器做过实验，不难确定正确选项为B.

(2)1)考查平衡摩擦力和其他阻力的具体实验细节，如果理解平衡摩擦力和其他阻力的原理或真实做过这个实验，可以确定正确选项为A.

2)考查如何才算平衡好了摩擦力和其他阻力的具体实验细节，如果理解为何要平衡摩擦力和其他阻力或真实经历过实验过程，可以确定正确选项为B.

对平衡摩擦力和其他阻力的认识：根据实验目的，探究“动能定理”，即探究合外力对小车做的功与小车动能增量的关系，需要确定合外力做的功与小车的动能增量.小车的动能增量可以通过纸带处理数据求解速度，进一步根据动能表达式得出；合外力做的功需要求出小车所受的合外力，根据功的计算公式得出.实验中便于确定的是小车所受的拉力，如果把拉力当作合外力的话，需要满足除拉力外，其他外力的合力为零，称之为平衡摩擦力.具体平衡摩擦力的方法是将长木板的一端垫高，相当于是让小车处于斜面上，移动垫木的位置改变斜面倾角，直到小车可以匀速运动，此时小车所受的合力为零，如果再对小车施加拉力，则拉力即为小车所受的合外力，拉力做功即为合外力做的功.实验中的阻力来源有小车与木板之间的滑动摩擦力、实验中纸带与打点计时器之间的阻力、空气阻力等，故在平衡摩擦力时，需要在不挂重物且打点计时器打点的情况下，轻推一下小车.若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响.为了准确判断小车是否匀速，还需要分析打出的纸带，如果点是均匀分布，可以认为小车在做匀速运动，平衡了阻力，为进一步实验做好了准备.

(3)考查数据处理计算拉力对小车做的功W和分析纸带求速度.如果学生掌握功的概念，理解分析纸带求速度的方法，真实处理过这种实验数据则不难作答.

1)实验中，若重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg.从打O点到打B点的过程中，位移大小为x2，拉力对小车做的功

W=mgx2

2)匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这一段时间的平均速度，打B点时小车的速度

(4)1)要求“由此图像可得v2随W变化的表达式”，根据图像近似为正比例函数，应用数学知识不难写出表达式

v2=kWk=4.5～5.0

2)要求“分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是”，分析斜率k的单位

所以与图像斜率有关的物理量应是质量.

(5)要求“假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v2-W关系的是”，这个问题如何处理呢？

通过分析近几年的北京高考实验题不难发现，每年都有一问这种类型的题目，或论述，或选择，这类问题有没有处理的一般方法呢？我们不妨通过对这道实验题最后一问的分析来研究一下.具体步骤如下.

第一步，当成一道综合问题来分析：创设重物牵引小车运动的物理情境.

第二步，构建运动模型：重物竖直向下匀加速直线运动，小车沿斜面做匀加速直线运动，重物和小车是加速度大小相等的连接体，如图5所示.

图5 构建运动模型

第三步，选研究对象，受力分析,如图6所示.

图6 对研究对象受力分析

第四步，选规律，写方程.

对小车：

F=Ma

(1)

对重物：

mg-F=ma

(2)

由此可得

若重物质量满足远小于小车质量的条件，即m≪M，从理论上分析，则可认为小车所受的拉力

F=mg

(3)

若满足动能定理，则有

(4)

即

(5)

整理可得

(6)

若重物质量不满足远小于小车质量的条件，从理论上分析，则小车所受的拉力为

(7)

若满足动能定理，则有

(8)

即

(9)

整理可得

(10)

故正确答案为A.

要正确解答这道题目还需要注意如下几点：

a.题目给定的W是指拉力对小车做的功，而非重物重力做的功.

b.要求从理论上分析，而非实验上分析.

c.重物质量满足或不满足远小于小车质量的条件，对小车所受拉力有影响，拉力不同，但是拉力均为恒力，在“设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响”的前提下，拉力始终为小车所受的合外力，拉力的功为小车所受的合外力的功.

5 对中学物理教学的启示

(1)高度重视常规学生实验，精编实验讲义，在实验室动手解决问题，充分经历实验探究过程

在高三复习备考中，有人认为常规学生实验在高一和高二做过，高三没必要在这方面再浪费时间，再说即使是实验做得很熟练，考试也不一定能得到相应分数，不如高三讲实验来得实惠，这种做法尽管有一定道理，但是不符合新课改要注重培养物理核心素养、提高学生实验探究能力的要求.如何在高三教学中做好提高分数与提升能力的平衡，确实需要一线物理教师发挥教学智慧.为提高实验教学效率，建议根据学生情况编制实验学案，把考查常规实验的实验题改编成学生实验，让学生先预习，教师批阅，再让学生带着问题进实验室，经历真实实验过程，对于实验原理、器材选取、实验步骤、数据处理和误差分析等知识，根据学生掌握情况，再进行讲解，会得到更好的教学效果.

(2)做好演示实验，规范学生实验操作

教师要精挑一些实验做好演示，规范学生的实验操作，例如使用多用电表测电阻，如何机械调零，根据待测电阻情况合理选挡，红黑表笔短接调零，测量并读数,如果还需要测量其他电阻，若不需要换挡直接测量，如果需要换挡测量其他电阻需要重新短接调零.最后规范整理器材时多用电表的选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡位，红黑表笔取出，长时间不用多用电表，需要将电池取出.教师规范演示完毕，不见得学生真的会了，再让学生注意规范操作的基础上真动手，在真动手的时候，才可能做到真动脑，干巴巴的知识才可能变得生动起来，爱动脑的孩子自然要思考内部的构造是怎样的？什么原理？学习过程不断引向深入，复习效率自然提高.

(3)精选探究实验，将实验进行变式，鼓励学生探究

通过分析近几年的高考实验题最后一问，不难发现一些规律，即在常规实验的基础上，改变某些实验条件，对实验结果进行深入讨论，较高层次考查学生的实验探究能力.例如2017年考查的探究动能定理实验最后一问中提出“假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，正确反映v2-W关系的是”，常规实验考查为“若重物质量满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，正确反映v2-W关系的是”，如果在教学中加以引导，启发学生思考为什么需要满足重物质量满足远小于小车质量的条件，不满足的话，对哪个物理量有直接影响？如何进行修正？对实验结果有何影响？等等，可能很多问题都迎刃而解.

(4)以典型实验为例渗透图像法处理数据思想

在高中物理实验中有很多应用图像法处理数据的例子，对于图像我们需要重点关注图像的变化趋势、斜率、截距、面积等信息所包含的物理意义.

例如：2016年高考北京实验题考查验证机械能守恒定律的实验,最后一问中提出,“在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2-h图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒.请你分析论证该同学的判断依据是否正确.”该实验数据处理将计算验证转化为图像验证，作出v2-h关系图像，若图像是一条过原点的直线，是不是就能说明能证实机械能守恒呢？需要借助于基本关系论证一下.

又如：伏安法测电源电动势和内电阻的实验中，通过采集数据作出了电源的路端电压与流过电源的电流的关系图像,即U-I关系图像，利用图像求出电源的电动势和内电阻.不妨写出U-I的函数关系表达式，因为支配函数图像背后的是函数关系，借助所学知识写出纵坐标与横坐标的函数关系，即U= -Ir+E，不难看出图像斜率的绝对值表示内电阻r，图像与纵轴的截距表示电源电动势E.