力学创新新实验的命题思路解读

王春旺

中学阶段力学实验器材主要有：打点计时器和斜面小车，气垫导轨和光电门，轻弹簧和橡皮筋，小球和滑块等。为了考查学生的实验能力和综合运用知识解决实际问题的能力，近几年高考实验命题创新思路，将实验操作、数据处理与相关主干知识点有机结合，创新了实验题的考查角度和命题情景，提高了高考题的区分度，达到了既考查物理实验探究，又考查知识综合运用的双重目的。通过对近几年高考试卷中力学实验题的分析，可归纳出力学创新实验的命题思路主要包括以下三个方面。

一、迁移大学普通物理实验器材，创新高考实验考查角度

在近几年高考实验情景中，阿特伍德机被多次采用。阿特伍德机是18世纪英国物理学家阿特伍德设计的用于测量加速度及验证物理定律的器材，其基本结构为在跨过定滑轮的轻绳两端悬挂两个物块。

例1 （2020年高考全国Ⅱ卷）一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图1所示。一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。

令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0=0. 590 m，下降一段距离后的高度h=0. 100 m;由矗。下降至h所用的时间T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小a=___m/s2（保留3位有效数字）。

从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0 g和150.0 g，当地重力加速度大小g=9. 80 m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小a'=____m/s/（保留3位有效数字）。

点评：本题是利用阿特伍德机测量小球B的加速度。若在阿特伍德机装置上小球下落或上升经过的某一位置安装光电门，则可测量出小球经过光电门时的速度，还可验证牛顿第二定律、动能定理或机械能守恒定律等。

二、利用手机视频录像和连拍功能，创新高考实验命题情景

智能手机已经成为我们日常生活中不可或缺的器件。在2020年高考中，山东卷和江苏卷分别从珠穆朗玛峰的高度测量和疫情期间“停课不停学”切人，利用手机视频录像和连拍功能，测量重力加速度。

例2（2020年高考山东卷）2020年5月，我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量，其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度，进而间接测量海拔高度。某同学受此启发就地取材设计了如下实验，测量当地重力加速度的大小。实验步骤如下：

（i）如图2所示，选择合适高度的垫块，使木板的倾角为53。，在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的刻度尺（图中未画出）。

（ii）调整手机使其摄像头正对木板表面，开启视频录像功能。将小物块从木板顶端释放，用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况。然后通过录像的回放，选擇小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点，得到小物块相对于该点的运动距离L与运动时间t的数据。

（iii）该同学选取部分实验数据，画出了2L/t 一t图像，利用图像数据得到小物块下滑的加速度大小为5.6 m/s2。

（iv）再次调节垫块，改变木板的倾角，重复实验。

回答以下问题：

（1）当木板的倾角为37。时，所绘图像如图3所示。由图像可得，小物块经过测量参考点时速度的大小为 ____ m/s;选取直线上位于坐标纸网格交叉点上的A、B两点，利用A、B两点数据得到小物块加速度的大小为____m /2。（结果均保留2位有效数字）

三，利用常用实验器材，创新考查验证物理规律或测量相关物理量

在考纲规定的力学实验中，大多数都可以利用打点计时器或气垫导轨完成，因此借助打点计时器或气垫导轨验证物理规律或测量相关物理量，往往可以达到创新实验，考查能力的目的。

例3 如图4所示的实验装置可以用来探究物体在斜面上运动的加速度及弹簧储存的弹性势能。用到的实验器材有斜劈、弹簧（劲度系数较大）、带有遮光片的滑块（总质量为m）、光电门、数字计时器（图中未画出）、游标卡尺、刻度尺。实验步骤如下：①用游标卡尺测得遮光片的宽度为d;②将弹簧放在挡板P和滑块之间，当弹簧为原长时，遮光片中心对准斜面上的A点;③将光电门固定在斜面上的B点，并与数字计时器相连;④压缩弹簧，然后用销钉把滑块固定，此时遮光片中心对准斜面上的O点;⑤用刻度尺测量A、B两点间的距离L;⑥拔去锁定滑块的销钉，记录滑块经过光电门时数字计时器显示的时间△t;⑦移动光电门位置，多次重复步骤④⑤⑥。

跟踪训练

1.实验小组利用以下方法间接测量物体的质量。如图6所示，一根轻绳跨过轻质定滑轮与两个相同的重物P、Q相连，已知重物P、Q的质量均为m，当地重力加速度为g。在重物Q的下面通过轻质挂钩悬挂待测物块Z，重物P的下端与穿过打点计时器的纸带相连。

（1）先接通频率为50 Hz的交流电源，再由静止释放系统，得到如图7所示的纸带，则系统的加速度a=_____m/s2（结果保留2位有效数字）。

（2）在忽略阻力的理想情况下，物块Z质量M的表达式为M=___ （用字母m、a、g表示）。

（3）实际情况下，空气阻力、纸带与打点计时器间的摩擦、定滑轮的滚动摩擦不可忽略，物块Z的实际质量与理论值有一定差异，这种误差是 ____ 误差（填“偶然”或“系统”）。

2.如图8所示，点光源位于S点，MN为竖直放置屏幕的横截面，P点位于点光源与屏幕之间的中点，且SP连线垂直于屏幕。将一个小球从P点由静止释放，光照射小球在屏幕上形成影子，影子在屏幕上的移动情况被数码相机连拍功能拍摄下来，图9为拍摄到影子下落过程中的部分图像，已知该数码相机每秒拍摄10次，空气阻力忽略不计。

（1）影子运动至位置C时的速度为____ m/s2，此时小球的速度为____ m/s2。（结果均保留2位有效数字）

（2）若影子的v-t图像如图10所示，则可求得当地的重力加速度g=____。

3.小鸣同学组装了一套实验装置如图11所示，拉力传感器竖直固定，一根不可伸长的细线上端固定在传感器的挂钩上，下端系着小钢球，小钢球底部固定有遮光片，传感器正下方安装有光电门，小钢球经过最低点时遮光片恰好能通过光电门。已知当地的重力加速度大小为g。小鸣的实验步骤如下：

（1）用游标卡尺测量遮光片宽度d，如图12所示，其读数为____ mm。

（2）拉起小钢球使细线与竖直方向成不同的角度，小钢球由静止释放后均在竖直面内运动，记录遮光片每次经过光电门的遮光时间△t和对应的拉力传感器示数F。

根据记录的数据绘出如图13所示的F=1/（△t）2图像，图中a为已知量。利用图13中的信息可以求得的物理量是____ 。该物理量的表达式为

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