从2021年高考试题谈力学实验的创新设计

摘 要：从2021年高考物理实验题，分析力学实验创新设计表现的三个方面：实验原理与方法的创新、测量手段与测量技术的创新、用已有的知识与方法解决新情景下的问题.

关键词：2021年高考试题;力学实验;创新设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0056-04

作者简介：许文（1966-），男，湖北洪湖人，本科，中学高级教师，研究方向：高中物理教学与物理竞赛.

实验探究作为物理学科核心素养，是高考物理命题的重要内容.在实验探究过程中可以发现不少有价值的问题，对问题进行引伸与探究，能扩大和巩固研究成果，使问题的研究向更深入发展，能很好地体现新课程探究式的学习要求和新高考的要求.本文通过实例分析2021年高考物理力学实验试题特点，探讨高考力学实验的创新设计.

1 力学基本实验与命题规律

1.1 基本实验

新高考物理考纲中明确要求考生掌握的8个力学基本实验：（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）探究平抛运动特点;（6）探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系;（7）验证机械能守恒定律;（8）验证动量守恒定律.

1.2 命题特点

力学实验考查形式为多知识点覆盖和组合，考查力学实验的基本原理和方法，考查定性分析和定量计算相结合，并借助基本实验分析拓展创新实验，对学生的探究能力提出了较高要求.主要题型有：（1）基本实验仪器的使用，如弹簧测力计、打点计时器、游标卡尺等;（2）以纸带或者光电门为测量工具的实验，如研究匀变速直线运动、探究牛顿第二定律、验证机械能守恒定律等;（3）以弹簧为测量工具的实验，如探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则等.

1.3 命题预测

对基本实验进行创新拓展依然是今后高考物理实验考查的主要方向.主要表现在：（1）实验器材的等效与替换，如用气垫导轨代替长木板、光电门或频闪照相机代替打点计时器等;（2）实验结论的拓展与延伸，如通过实验装置测出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求动摩擦因数等;（3）实验数据的处理与分析;（4）试题情景的设计与创新.创新只在基本实验基础上做有限的变化，考查学生独立解决新问题的能力和知识迁移能力，体现新课程倡导的三维目标.

2 力学实验的创新设计

高考力学实验的创新与拓展表现在对基本实验的改进、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的问题，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（如用线性图像法分析处理实验数据），解答新情景问题，如测量重力加速度、测动摩擦因数等.

2.1 实验原理与方法的创新

例题1 （2021全国卷甲 22题）为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小铜块可在斜面上加速下滑，如图1所示.该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得5个连续相等时间间隔（每个时间间隔ΔT=0.20s）内小铜块沿斜面下滑的距离si（i=1，2，3，4，5），见表1.

由表1数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为.（结果均保留2位有效数字，重力加速度大小g=9.80m/s2）

答案：0.43;0.32.

点评：本题是基本实验“研究匀变速直线运动”的改变与创新，将基本实验中用打点计时器与纸带测物体做匀变速运动的加速度，改成用手机拍摄小铜块沿斜面运动的一段视频，再通过视频解析得到类似于小铜块运动的频闪照片，测量小铜块在连续相等时间内运动的位移大小，并将逐差法求加速度的方法迁移;其实小铜块的加速度是由铜块的受力与质量决定的，根据牛顿第二定律得出小铜块下滑加速度的表达式，由牛顿第二定律测小铜块与斜面间的动摩擦因数.教材中的基本实验是创新之本，如果舍弃教材中的一些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.

例题2 （2021广东卷 11题）某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数.缓冲装置如图2所示，固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角θ=30°，弹簧固定在有机玻璃管底端.实验过程如下：先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺，再将单个质量m =200g的钢球（直径略小于玻璃管内径）逐个从管口滑进，每滑进一个钢球，待弹簧静止，记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln，数据见表2.实验过程中弹簧始终处于弹性限度内.采用逐差法计算弹簧压缩量，进而计算其劲度系数.

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，将基本实验中弹簧竖直悬挂，在其下端挂钩码，探究弹簧的伸长量与弹力的关系，改成斜面上用小钢球压弹簧探究弹簧的压缩量与弹力的关系，并将逐差法的原理迁移求弹簧的平均压缩量，理解实验原理是解题的前提，本题实验原理是力的平衡条件与胡克定律，但要求能将F=kx理解并推广到ΔF=kΔx，解题时要注意单位换算与有效数字的理解及应用.

2.2 测量手段与测量技术的创新

例题3 （2021湖南卷 11题）某实验小组利用图3所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系.主要实验步骤如下：

（1）用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图4所示，h=cm;

（2）接通气泵，将滑塊轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平;

（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度;

（4）在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数n和滑块对应的加速度a;

（5）在右支点下增加垫块个数（垫块完全相同），重复步骤（4），记录数据于表3.

根据表中数据在图5上描点，绘制图线.

如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是m/s2（保留三位有效数字）.

解析：（1）游标卡尺读数h=10mm +2×0.1mm=10.2mm=1.02cm;

（5）设气垫导轨左、右两支点间距为L，在右支点下垫n块垫片时导轨的倾角θ满足sinθ=nhL;设滑块的质量为m，滑块在气垫导轨上下滑过程中受到的合力大小为F=mgsinθ;可得a=ghLn，可知a与n的关系为线性关系.将表中数据在a-n坐标中描点，用直线拟合，作图像如图6所示.

由图6知，n=4时a4=0.345m/s2.

答案：（1）1.02;（5）见解析图，0.345.

点评：本题是探究“加速度与合力的关系”实验，加速度的测量改由“加速度记录器”测出（实际上是光电门等传感器与电脑连接，集数据采集与处理于一体），改变了测量手段与测量技术，相对传统用打点计时器与纸带测加速度更精确、更省时，但加强了对问题探究性的考查.从题目给出表中测量数据看，似乎看不出加速度大小与a与垫块数n的关系，通过运用牛顿第二定律分析，a与n的关系是线性关系，通过表中数据描点，用直线拟合，可从图像中得出n=4时的加速度大小a4，即可体会到此实验的创新巧妙之处.本实验在创新的同时，也注重基本测量仪器的使用与读数，如游标卡尺的读数=整数毫米+格数×精确度.

例题4 （2021河北卷 12题）某同学利用图7中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系，所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块（质量为200g，其上可放钩码）、刻度尺，當地重力加速度为9.80m/s2，实验操作步骤如下：

①安装器材，调整两个光电门距离为50.00cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图7所示;

②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度;

③保持最下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤;

④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果见表4.

回答下列问题：

（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为J（保留三位有效数字）;

（2）步骤④中的数据所缺数据为;

（3）若M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图8中绘出ΔE-M图像;

若系统总机械能的减少量等于克服摩擦力做功，则为（保留两位有效数字）.

解析：（1）四个钩码重力势能的减少量为ΔEp=4mgL=0.980J;

（2）对滑块和钩码构成的系统，由能量守恒定律有：4mgL-Wf=12（4m+M）（v22-v21），

其中系统减少的重力势能为ΔEp=4mgL，增加的动能为ΔEk=12（4m+M）（v22-v21），

系统减少的机械能为ΔE =Wf，则代入数据可得ΔE4=0.588J;

（3）由功能关系可知ΔE=μMgL，可知ΔE与M为线性关系，根据表格数据描点并用直线拟合，得ΔE-M的图像如图9所示.

ΔE-M图像直线的斜率k=0.785-0.3930.4-0.2=1.96，又k=μgL;解得μ=0.40.

答案：（1） 0.980;（2） 0.588;（3）见解析图;（4）0.40.

点评：本题是“探究机械能守恒定律”的创新与拓展，研究对象由单个物体拓展到滑块与钩码所组成的系统;瞬时速度的测量方法由光电门传感器代替了传统的打点计时器;实验目的由探究机械能守恒定律创新拓展到探究机械能变化量与力做功的关系，进而拓展探究物块与木板之间的摩擦因数.用线性图像分析处理实验数据是一种常见的实验数据分析处理方法.要求理解实验原理，从实验原理出发，并通过相应的数学变形找出两被测量相关的线性函数关系，作出线性图像，利用图像的物理意义进行分析与求解.

3 用已有的知识与方法解决新情景问题

例题5 （2021全国卷乙 22题）某同学利用图10所示装置研究平抛运动的规律.实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔0.05s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图11所示（图中未包括小球刚离开轨道的图像）.图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为5cm.该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图11中标出.

完成下列填空：（结果均保留2位有效数字）

（1）小球运动到图11中位置A时，其速度的水平分量大小为m/s，竖直分量大小为m/s;

（2）根据图11中数据可得，当地重力加速度的大小为m/s2.

点评：本题是“探究平抛运动特点”实验的创新拓展.将基本实验中用纸孔与铅笔记录小球平抛运动轨迹上某点的方法改用频闪照相法，提高了描绘小球平抛运动轨迹的准确度，将探究问题引向深入，根据平抛运动的特点与规律，拓展为用此实验装置与实验原理测当地的重力加速度，体现学以致用的学习理念，培养物理核心素养.

参考文献：

[1]许文.对一道原创试题的一点探讨[J].中学物理，2019，37（07）：51-52.

（收稿日期：2021-06-17）