把握力学实验考点促进学生深度学习

2020-11-16江苏

教学考试(高考物理) 2020年4期

江苏吕琪

2019年的《普通高中学业水平测试》(选修科目)说明中能力要求的第5点就是“实验与探究能力”，既要求学生能够独立完成实验与探究的内容，明确实验目的，理解实验的原理和方法，又要求学生能在实验中，发现问题、提出问题，对解决问题的方式和问题的答案提出假设，还要求学生能制订实验方案，对实验结果进行预测。能运用已学过的物理理论、实验方法和所给的实验仪器去解决问题，包括简单的设计性实验。

这样的能力要求与物理核心素养中实验探究素养的要求相符合，而如何培养这样的能力和素养，则应该以学生为中心，教师通过教学内容的整合，逐步进行深度学习。

一、近几年高考力学实验题命题热点分析

表1 2019全国卷力学实验题的考核内容

表2 高考物理力学实验题全国卷近3年的考核内容

表3 高考物理力学实验题江苏卷近10年的考核内容

续表

从以上表格中的考核内容可以看出，全国卷的物理力学实验考核内容倾向于匀变速直线运动的研究，例如，用打点计时器研究小车在斜面上的运动，并利用这一运动拓展测量动摩擦因数、重力加速度等物理量。而江苏卷的命题更宽泛，除了力与运动的实验，还经常考查动能定理、机械能守恒等原理和操作要求更高的实验，给考生的复习提出了较高的要求。综合看来，无论是全国卷还是江苏卷，实验情境都是学生学习中接触过的，要求学生利用已学的知识和方法，迁移解决新问题。

二、深度学习对于高考力学实验复习的指导意义

深度学习是一种基于理解的学习，是指学习者以高阶思维的发展和实际问题的解决为目标，以整合的知识为主旨，积极主动地、批判性地学习新的知识和思想，并将它们融入原有的认知结构中，且能将已有的知识迁移到新情境中的一种学习。

力学实验中常出现的小车-轨道的实验装置，可用来研究匀变速直线运动、探究“加速度与力、质量的关系”，还可以用来探究“做功与动能变化的关系”以及“验证机械能守恒定律”。通过整合这一实验装置在不同实验中的作用，比较和分析不同实验需要满足的条件，在批判性思考中体会实验探究的方法，从而在原有知识的基础上不断建构、迁移、应用新的知识。

【例1】利用图1所示装置研究小车的匀变速直线运动。实验中必要的措施是

( )

A.细线必须与长木板平行

B.先接通电源再释放小车

C.小车的质量远大于钩码的质量

D.平衡小车与长木板间的摩擦力

图1

【答案】AB

【例2】利用图2所示装置验证小车的动能定理，实验时要保证滑块受到的合力近似等于沙和小桶的总重力大小，沙和小桶的总质量应满足的实验条件是____________________，实验时要保证细线拉力就是滑块的合外力，首先要做的步骤是____________________。

图2

【答案】沙和小桶的总质量远小于滑块的质量，平衡摩擦力。

【例3】利用如图3所示的装置来验证由小车与钩码组成的系统机械能守恒。

图3

(1)为尽可能消除摩擦力对本实验的影响，使验证结果尽可能准确，则小车质量M和钩码质量m的关系应该满足________；

(2)A和B同学在做该实验时，A同学认为只要采用平衡摩擦力的方法将摩擦力平衡掉就可以了，无须满足(1)问中小车质量M和钩码质量m的关系，而B同学却否认A同学的看法，你认为A同学的看法________(选填“正确”或“不正确”)，理由是________。

【答案】(1)M≪m；(2)不正确；因为平衡摩擦力后，摩擦力仍做负功，系统机械能不守恒。

1.是否需要平衡摩擦力

例1研究小车的匀变速直线运动不需要平衡摩擦力，因为小车受到的滑动摩擦力是恒力，不会改变小车匀变速直线运动的性质。如果利用这套装置研究加速度与物体受力之间的关系，为了使细绳上的拉力FT等于物体的合外力F合，就需要平衡摩擦力，同理，例2需要平衡摩擦力，这样才能使拉力做功为合外力做功。例3的实验情境要构造一个机械能守恒的过程，即使平衡了摩擦力，摩擦力还是做负功，机械能不守恒。所以这个实验中平衡摩擦力是不能消除影响的。

同时，我们也需要关注器材的改进，若采用气垫导轨进行实验，由于空气的阻力较小，可以忽略不计，此时便不需要平衡摩擦力，而是要调节气垫导轨水平。

2.是否需要满足M(小车或滑块的质量)远小于m(所挂物的质量)

例1的情境是研究匀变速直线运动，实验设计只需要满足小车能匀加速下滑即可，不需要满足m远小于M。如果例1是研究加速度与物体受力的关系，平衡摩擦力之后，对钩码分析有mg-F=ma，对小车分析有F=Ma，两式联立得mg=(m+M)a，可知如果钩码的重力近似等于小车的拉力，需要满足m远小于M。同理，例2验证动能定理，本质是探究合外力做功与物体动能的关系，要保证小车所受拉力即合外力近似等于钩码的重力，满足M≫m。而例3中，生搬硬套就会导致截然相反的结论，为了尽可能减小摩擦力的影响，应该使拉力远大于摩擦力，所以应该使所挂物的质量m远大于M。

追溯例2本质，要满足m远小于M的条件，是为了使钩码的重力近似等于细绳中的拉力，如果进行器材改进，用力传感器或弹簧测力计直接测出绳的拉力，如例5中图4采用的装置弹簧测力计可以直接测出绳中拉力，那么就无需满足m远小于M。或者选择所挂物体和小车的系统作为研究对象，能直接测得合外力，也不需要满足m远小于M。

判断是否需要平衡摩擦力、是否需要满足m远小于M，我们要关注实验的目的，理解实验测量什么，验证什么。各实验条件对比如下表4。

表4 小车-轨道模型实验条件对比分析

3.图象问题如何选择

【例4】在研究小车的加速度a和小车的质量M的关系时，由于没有始终满足M≫m(m为沙桶及沙桶中沙的质量)的条件，得到的图象应是以下哪一个

( )

【答案】D

【例5】用如图4所示的装置探究加速度与力和质量的关系，带滑轮的长木板和弹簧测力计均水平固定。以加速度a为纵坐标，以弹簧测力计的示数F为横坐标，以下a-F图象可能正确的是

( )

图4

【答案】B

【例6】用图5所示实验装置探究“恒力做功与动能变化的关系”。实验中，小车在细绳拉动下从静止开始加速运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况，力传感器记录细绳对小车的拉力大小。

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，图中正确反映小车速度v2与拉力对小车做的功W关系的是

( )

图5

【答案】A

综上分析，解决实验中图象关系一定要结合实验的条件，推导出物理量之间的关系式，根据关系式判断图线是否过原点，斜率是否恒定，从而选择正确答案，切不可死记硬背。

4.是否一定要测量物体的质量m

【例7】探究外力做功与物体动能变化关系的实验装置如图6所示，根据实验中力传感器读数和纸带的测量数据等可分别求得外力对小车做的功和小车动能的变化量。除了图6中注明的器材外，实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和________。

图6

【答案】天平

【例8】若用图8装置用来探究恒力做功与滑块动能变化的关系，且用钩码的重力来表示滑块的合力。则对于该实验装置，你认为以下操作和要求一定要完成的是

( )

A.需要满足钩码的质量远小于滑块和遮光条的总质量

B.通过滑轮拉滑块的细绳在运动过程中必须保持与木板平行

C.要测出钩码的质量m

D.气垫导轨左端应垫高以平衡摩擦力

【答案】ABC

图7

图8

例7题干中的描述“根据实验中力传感器读数和纸带的测量数据等，可分别求得外力对小车做的功和小车动能的变化量”，既然实验要求测算出小车动能，根据公式计算小车的动能，就必须要测出小车的质量和速度。例8中用图8的装置“探究恒力做功与滑块动能变化的关系”，题干中并未明确要求测出小车动能的具体数值，如果参考教材上利用橡皮筋“探究变力做功与小车动能的关系”实验，也可以不测量钩码和小车的质量，通过挂的钩码个数不同，改变每次做功的倍数关系，即“倍分法”的思想，寻找1W，2W，3W…做功下，与小车速度v2的关系即可，笔者认为此处C选项并不必要，因此答案改为AB较为合适。

综合上述分析，可以发现以上实验中，只有表达式中质量可以约去或者利用质量的倍数关系即可得到结论时，才可以不测量物体的质量，大多数时候为了计算动能的具体数值，是需要测出物体质量的。