例谈2021年高考物理力学实验的创新与拓展

华中科技大学附属中学(430074) 许 文

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，使问题的研究更深入发展，能很好地体现出新课程探究式的学习要求，体现出新高考的要求。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与拓展。

1 力学基本实验与命题规律

1.1 基本实验

物理考纲中明确要求考生掌握的八个力学基本实验：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 力学实验的创新与拓展

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(如用线性图象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、方法的迁移

例1：(2021年全国高考卷甲第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=0.20 s)内小铜块沿斜面下滑的距离Si(i=1，2，3，4，5)，见表1。

图1 测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数

s1s2s3s4s55.87 m7.58 cm9.31 cm11.02 cm12.74 cm

由表中数据可得，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=9.80 m/s2)

对小铜块沿斜面下滑，由牛顿第二定律有：mgsinα-μmgcosα=ma，即：a=g(sinα-μcosα)，解得μ= 0.32。

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，如果丢开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。

2.2 改变测量手段与测量技术

例2：(2021年湖南高考卷第11题)某实验小组利用图2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：

图2 探究加速度与物体所受合外力实验装置

(1)用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图3所示，h=________cm；

图3 游标卡尺示数

(2)接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，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)，记录数据见表2。

表2 实验数据

根据表2中数据在a-n坐标系上描点，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=10 mm+2×0.1 mm =10.2 mm=1.02 cm；

图4 a-n图像

由图4知，n=4时a4=0.345 m/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，相对传统用打点讲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。从题目给出的表中测量数据看，似乎看不出加速度大小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。

3 用已有的知识与方法解决新问题

例3：(2021年全国高考卷乙第22题)某同学利用图5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0.05 s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图6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5 cm。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图6中标出。

图5 研究平抛运动的规律装置

图6 频闪仪拍摄得到的照片

完成下列填空(结果均保留2为有效数字)：

(1)小球运动到图6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6中数据可得，当地重力加速度的大小为________m/s2。

9.7 m/s2。

答案：(1)1.0 m/s；(2)2.0 m/s；(3)9.7 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度，体现学以致用的学习理念，培养物理核心素养。

4 两个典型的力学创新拓展实验

尽管力学创新拓展实验表现为多方面，主要是用到学过的基本物理知识，创新情景，拓展方法，迁移原理，解决新的物理问题。从多年的物理高考可以看出，测量重力加速度与动摩擦因数这两个力学拓展实验，应引起学生高考备考足够重视。

(1)几种测定重力加速度实验的创新与拓展方案(见表3)

表3 几种测定重力加速度实验的创新与拓展方案

(2)几种测定动摩擦因数实验的创新与拓展方案(见表4)

表4 几种测定动摩擦因数实验的创新与拓展方案

5 小结

总之，实验创新与拓展表现在以下3个方面：①实验方法的迁移，即将基本的实验方法和物理原理合理迁移，设计出测量不同的物理量、探究不同问题的实验方案，教材中所学过的物理规律、物理公式中只要含有某一物理量，则该规律、公式就可作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验方法设计；②实验数据处理方法的创新与拓展，如数据探究性实验主要是通过实验提供的数据信息，分析各数据中的内在联系，找出数据中所包含的物理规律，常用的数据处理方法有平均值法、图像法、逐差法、比较法等；③熟练掌握基本器材使用方法、实验原理、实验步骤、数据处理以及误差分析的同时，应着力领悟实验的设计思想、所运用的科学方法、规范的操作程序，并从实际出发做合理的变通和创新改进，通过改变实验目的和要求、实验控制的条件、实验仪器等方法，以培养学生运用实验的思想方法和设计创新实验的能力。