创新力学实验 源于科技生活

■河南省洛阳市第二中学 王春旺

我国正在逐步推行的新高考是普通高校基于统一高考和高中学业水平考试的综合评价多元录取机制。在各地命制的新高考试卷中,“创新实验”成为命题的新亮点。通过对近几年新高考地区“创新实验”命题的研究不难发现,这些创新实验均来源于科技、生活和教材。

命题热点一：天宫课堂

热点解读：我国航天员已经开展了三次太空授课,使千万中学生受益,极大激发了青少年的科技热情。2022年6月5日,“神舟十四号”飞船搭载航天员陈冬、刘洋和蔡旭哲,成功发射,并与天和核心舱顺利对接。“神舟十四号”飞行乘组首次利用位于问天实验舱的气闸舱实施了三次出舱活动,并于2022年10月12日在问天实验舱开展了天宫课堂第三课。航天员太空授课时,为青少年展示了一系列科学实验,这些实验均可能成为高考命题的素材。

例1(2022年高考山东卷)在天宫课堂中,我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发,某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验,如图1所示。主要步骤如下:点,A点到O点的距离为5.00 cm,拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时;

图1

④计算机采集获取数据,得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像,部分图像如图2所示。

图2

回答以下问题(结果均保留两位有效数字):

(1)弹簧的劲度系数为____N/m。

(2)该同学从图2中提取某些时刻F与a的数据,画出a-F图像如图3 中直线Ⅰ所示,由此可得滑块与加速度传感器的总质量为____kg。

图3

①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上,将加速度传感器固定在滑块上;

②接通气源,放上滑块,调平气垫导轨;

③将弹簧左端连接力传感器,右端连接滑块,弹簧处于原长状态时滑块左端位于O

(3)该同学在滑块上增加待测物体,重复上述实验步骤,画出新的a-F图像如图3中直线Ⅱ所示,则待测物体的质量为____kg。

解析：(1)弹簧处于原长状态时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00 cm,拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时,则结合F-t图像得Δx=5.00 cm,F=0.610 N,根据胡克定律得F=kΔx,解得k=12 N/m。

(2)根据牛顿第二定律得F=ma,则a-F图像的斜率等于滑块与加速度传感器的总质量的倒数,结合图3 中直线Ⅰ得,解得滑块与加速度传感器的总质量m=0.20 kg。

(3)在滑块上增加待测物体的情况下,结合图3 中直线Ⅱ得3 kg-1,解得滑块、待测物体与加速度传感器的总质量m'=0.33 kg。根据m'=m+Δm,解得待测物体的质量Δm=m'-m=0.33 kg-0.20 kg=0.13 kg。

答案：(1)12 (2)0.20 (3)0.13

点评:本题以天空课堂中演示的利用牛顿第二定律测量物体质量的实验为背景材料,涉及的知识点主要有胡克定律,牛顿第二定律;涉及的实验知识主要有气垫导轨的使用,利用力传感器测量力,利用加速度传感器测量加速度,利用计算机采集获取数据,运用图像法处理实验数据等。

命题热点二： 生活中的实际问题

热点解读：在我们的日常生活中,茶杯掉在用瓷砖铺成的地板上,碎了;茶杯掉在铺着地毯的地面上,没有摔坏。乒乓球与乒乓球台碰撞前后满足一定的能量关系,弹簧被压缩后将物块弹出满足一定的能量关系等。这些生活中的实际问题都可能成为高考实验命题的素材。

例2(2022年高考广东卷)某实验小组为测量小球从某一高度释放,与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失,设计了如图4所示的装置,实验过程如下:

图4

(1)将小球从某一高度由静止释放,与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门的位置,使小球从光电门正上方释放后,在下落和反弹过程中均可通过光电门。

(2)用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图5所示,则小球的直径d=____mm。

图5

(3)测量时,应____(选填“A”或“B”,其中A 为“先释放小球,后接通数字计时器”,B为“先接通数字计时器,后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。

(4)计算小球通过光电门时的速度,已知小球的质量为m,可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE=_____(用字母m、d、t1和t2表示)。

(5)若适当调高光电门的高度,将会_____(选填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差。

解析：(2)根据螺旋测微器的读数规则可知,小球的直径d=7.5 mm+0.385 mm=7.885 mm。

(3)因为小球做自由落体运动至与橡胶材料碰撞所用的时间很短,所以测量时应该先接通数字计时器,后释放小球。

(5)若适当调高光电门的高度,将会增大小球做自由落体运动下落的高度,也会增大因空气阻力引起的测量误差。

答案：(2)7.885 (3)B (4)(5)增大

点评:本题以我们日常生活中的物体做自由落体运动为背景材料,涉及的知识点主要有自由落体运动规律,竖直上抛运动规律,动能的表达式,瞬时速度的计算,碰撞过程中损失的机械能;涉及的实验知识主要有光电门和数字计时器的使用,螺旋测微器的读数规则,误差分析等。

命题热点三：教材中的辅助栏目

热点解读：教材是高中物理学习的蓝本,也是高考命题的依据。教材中的辅助栏目,例如“科学漫步”“做一做”“STSE”等的内容都可能成为高考实验命题的素材。

例3(2021年高考辽宁卷)某同学阅读教材中的“科学漫步”栏目,对“流体的阻力(f)跟物体相对于流体的速度(v)有关”这一说法产生了兴趣,通过查阅资料得知:对于球形物体,二者间存在定量关系f=kv,k为比例系数。该同学为探究这一关系利用如图6甲所示装置测量k。具体操作如下:在柱状玻璃容器中注入某透明液体,将小球在液面处由静止释放,当小球运动到0 刻度线处开始计时,每下落10 cm 记录一次时间,得到多组下落高度h与时间t的数据,作出h-t图像如图6乙中实线所示。

(1)根据h-t图像可知,从计时开始小球近似做_____运动。

(2)已知液体密度ρ=8.0×102kg/m3,小球体积V=5.0×10-10m3,小球质量m=4.0×10-6kg,结合h-t图像得k=_____kg/s(浮力不能忽略,取重力加速度g=9.8 m/s2)。

(3)若再用一个体积V相同,密度较大的小球,重复上述实验,所得h-t图像也是一条直线,则该直线可能为图6 乙中的虚线____(选填“①”或“②”)。

解析：(1)根据h-t图像是一条过原点的倾斜直线可知,从计时开始小球的下落高度满足关系式,即小球近似做匀速直线运动。

(2)根据h-t图像的斜率表示小球的速度可知,小球在透明液体中的下落速度v=。小球在重力G=mg,浮力F=ρgV,阻力f=kv的作用下做匀速直线运动,根据平衡条件得G=F+f,解得,代入数据得k=5.3×10-4kg/s。

(3)根据平衡条件得G=F+f,解得。若再用一个体积V相同,密度较大的小球,重复实验操作,则其质量m较大,所受重力G=mg较大,所受浮力F=ρgV不变,根据可知,小球在透明液体中的下落速度v变大,h-t图像的斜率变大,该直线可能为图6乙中的虚线①。

答案：(1)匀速直线 (2)5.3×10-4(3)①

点评:本题源自于人教版教材必修第一册第63页“科学漫步”栏目中的“流体的阻力”。根据小球在液体中下落受到的阻力大于在空气中下落受到的阻力,为了便于测量,采用小球在液体中下落的方法来研究小球受到的阻力。

总之,在考查学生科学素养的新高考体系中,创新实验成为高考实验命题的主旋律。透过上述典型例题可以看出,高考试卷中的创新实验仍然遵循来源于教材,高于教材的命题原则,其目的是通过创新实验考查学生的科学思维能力和分析解决实际问题的能力,以达到选拔出创新性人才的目的。