2018年高考力学实验题特点分析与备考启示

2018-12-17许文

理科考试研究·高中 2018年10期

摘要：实例解读2018年高考力学实验题具有注重基本仪器的使用与读数、注重基本实验的创新与变化、注重实验思想与方法的迁移与应用、注重实验数据的分析与处理等特点，探索高考物理实验备考策略.

关键词：高考；力学实验；特点分析；备考启示

作者简介：许文（1966-），湖北洪湖人，中学高级教师，研究方向：物理高考与竞赛.

2018年高考物理实验题仍以力学、电学为主要内容，分两题考查，且力、电实验并重，分值在15分左右.题型一般为填空、选择、作图、简答等，考查类型以基础应用、原理迁移、创新设计为主.要求考生理解实验原理、用实验方法解决新颖灵活的相关物理问题，强化对考生创新能力及探究能力的考查.本文通过实例分析2018年高考物理力学实验题特点，探讨2019年高考力学实验备考策略.

一、考纲要求与试题概述

物理考纲中明确要求考生掌握的七个力学基本实验是：（1）研究匀变速直线运动；（2）探究弹力和弹簧伸长的关系；（3）验证力的平行四边形定则；（4）探究加速度与力、质量间的关系；（5）探究动能定理；（6）验证机械能守恒定律；（7）验证动量守恒定律.2018年高考力学实验题考查的主要内容如下表.

从上表中可以看出，高考力学实验考查对基本实验的改进、迁移与创新.利用已学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，改进实验测量手段与测量技术，设计实验方案解决新问题，突出实验原理的迁移、测量方法的迁移、数据处理方法的迁移（用图象法分析处理实验数据）等.

二、试题特点与备考启示

1.注重基本仪器的使用与读数

2018年高考力学实验全国卷I考查了游标卡尺读数；全国卷Ⅱ、天津卷考查了弹簧测力计的使用与读数；北京卷考查了打点计时器的使用及纸带的测量与计算等.力学实验中基本仪器的使用与物理量的测量方法如下表.

表2

待测量测量器材方法说明

长度刻度尺毫米刻度尺精度为1 mm，读数时应估读到01 mm

游标卡尺（1）读数：测量值= 固定刻度上指示的毫米数+精度×游标尺对齐的格数

（2）精度：10分度的游标卡尺精度为01 mm，20分度的游标卡尺精度为005 mm，50分度的游标卡尺精度为002 mm.

（3）游标卡尺不估读

螺旋测微器（1）读数：测量值=主尺上指示的毫米数（注意半毫米刻线是否露出）+精度×转动圆筒上与主尺中心刻线所对应的刻度值（注意刻度值要估读）

（2）精度：螺旋测微器精度为001 mm

时间机械秒表读到01s （不需要估读）

打点计时器（1）t=nT（n表示打点的时间间隔的个数，T表示打点周期）

（2）打点周期与所接交流电周期相同

光电计时器光电计时器能自动记录挡光时间，显示在读数窗口

力弹簧测力计力的大小=精度×指针指示的格数（估读到最小刻度的下一位）

速度打点纸带若纸带做匀变速直线运动，则打某点时的瞬时速度等于对应的平均速度

频闪照相利用等时间间隔照片信息记录物体在不同时刻的位置

光电门（1）v0=dΔt（d表示滑块上挡光片宽度，Δt表示挡光片挡光时间）

（2）挡光片的宽度d很小，可用平均速度表示其瞬时速度

2.注重基本实验的变化与创新

21 对基本实验的实验原理与测量器材、测量手段的改进

例1 （2018全国卷Ⅰ第22题）如图1（a），一弹簧上端固定在支架顶端，下端悬挂一托盘；一标尺由游标和主尺构成，主尺竖直固定在弹簧左边；托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置，简化为图中指针.

现要测量图1（a ）中弹簧的劲度系数.当托盘内没有砝码时，移动游标，使其零刻度对准指针，此时标尺读数为1950 cm；当托盘内放有质量为0100kg的砝码时，移动游标，再次使其零刻度对准指针，标尺示数如图1（b）所示，其读数为cm.当地的重力加速度大小为980 m/s2，此弹簧的劲度系數为N/m（保留3位有效数字）.

解析图（b）为20分度的游标卡尺，其读数：

37mm + 15×005mm = 3775mm = 3775cm；

由胡克定律得：Δmg=ΔF=kΔx，故k=ΔmgΔx=0100×980（3775-1950）×10-2N/m=537N/m

答案 3775；537

点评本题是基本实验“探究弹力和弹簧伸长的关系”的改变与创新，将基本实验中用刻度尺测量弹簧的长度改用游标卡尺测量，以提高对弹簧长度测量的精度；实验原理是胡克定律，但要求能将F = kx理解推广到ΔF = kΔx.本题还考查了对有效数字的理解与应用.

教材中的基本实验是创新之本，我们在备考复习中不应舍本求末，丢开教材中的基本实验而一味地追求一些创新实验，这样就会感到如空中楼阁，虚无缥缈.

2.2 将基本实验进行组合，实现一个装置多用

例2 （2018北京卷第21题）用图2所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律.主要实验步骤如下：

a.安装好实验器材.接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次.

b.选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点O（t = 0），然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点，如图3中A、B、C、D、E、F ……所示.

c.通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E……点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5……

d.以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图4所示.

结合上述实验步骤，请你完成下列任务：

（1）在下列仪器和器材中，还需要使用的有和（填选项前的字母）.

A.电压合适的50 Hz交流电源

B.电压可调的直流电源

C.刻度尺

D.秒表

E.天平（含砝码）

（2）在图4中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点，请在该图中标出计数点C对应的坐标点，并画出v - t图象.

（3）观察v-t图象，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是.v-t图像斜率的物理意义是.

（4）描绘v-t图象前，还不知道小车是否做匀变速直线运动.用平均速度ΔxΔt表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对Δt的要求是（选填“越小越好”或“与大小无关”）；从实验的角度看，选取的Δx大小与速度测量的误差（选填“有关”或“无关”）.

（5）早在16世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的.当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图5所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜想.请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的.

解析（1）打点计时器需用交流电源；为了计算速度需要利用刻度尺测量长度.故需要的仪器选A、C；

（2）利用所给点迹描点连线，得图象如图6所示.其中C点坐标为（3T， v3 ）；

（3）结合图象可以看出小球速度随时间均匀变化，所以小球做匀加速运动，图象的斜率代表了运动加速度；

（4）Δt 越小，则ΔxΔt 越接近计数点的瞬时速度，所以Δt越小越好；计算速度需要用到Δx 的测量值，所以Δx大小与速度测量的误差有关.

（5）如果小球的初速度为零，其速度v ∝ t，那么它通过的位移x ∝t 2.因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化.利用滴水测时可以得到小球运动的时间，并测出小球在相应时间内运动的位移，则可以验证.

答案（1）A、C；（2）如图6所示；（3）小车的速度随时间均匀变化，加速度；（4）越小越好，有关；（5）见解析

点评打点计时器与纸带类实验是力学中的基本实验.本题实验装置可以研究匀变速直线运动；探究加速度与力、质量间的关系；探究做功与速度的变化、验证机械能守恒定律等.将基本实验进行组合，可实现一个装置多用.处理纸带（类纸带）问题的基本思路和方法：（1）用相等时间内的位移差是恒量求解未知位移；（2）用相等时间内的位移差Δx=aT2求加速度；（3）用瞬时速度公式计算除端点外各点的瞬时速度.

2.3 用已有的知识与方法设计实验解决新问题

例3 （2018全国卷Ⅲ第22题）甲、乙两同学通过下面的实验测量人的反应时间.实验步骤如下：

（1）甲用两个手指轻轻捏住量程为L的木尺上端，让木尺自然下垂.乙把手放在尺的下端（位置恰好处于L刻度处，但未碰到尺），准备用手指夹住下落的尺.

（2）甲在不通知乙的情况下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夹住尺子.若夹住尺子的位置刻度为L1，重力加速度大小为g，则乙的反应时间为（用L、L1和g表示）.

（3）已知当地的重力加速度大小为g=980m/s2，L=300 cm，L1=104 cm，乙的反应时间为s.（结果保留2位有效数字）

（4）写出一条提高测量结果准确程度的建议：.

解析（2）根据题述，在乙的反应时间t内，尺子做自由落体运动下落的高度为h=L-L1，由h=12gt2，解得：t=2（L-L1）g；

（3）将题给数据代入上式得：t =020s；

（4）多次测量取平均值，或初始时乙的手指尽可能接近尺子.

答案（2）2（L-L1）g；（3）020；（4）见解析

点评测量反应时间是教材上的一个课外小实验.本题以教材中小实验切入，要求考生灵活运用已学过的自由落体运动的规律，分析解决实际问题，体验知识的应用价值.

3.注重物理思想方法的迁移与应用