研题归纳， 轻松应对力学实验二轮复习备考

熊亮 洪华标

在智能时代，以信息化、数字化、智能化为特征的前沿技术带来了诸多新的实验器材和实验方法的创新，同时，在智能时代，要求人才需具备数字学习能力、计算思维、设计思维、思辨能力、人机协作等。我们面对智能时代背景下高考物理力学实验的变化，我们如何整理复习思路应对呢？下面我们以2022年部分省份物理高考力学实验真题为例加以介绍。

一、坚持以新课标要求为导向，理清实验题命题思路，培养实验基本能力。

从新课标要求来看，高中物理实验需掌握的实验基本能力有下：明确实验要解决的问题（实验目的）、明确所需测量的物理量、会设计实验方案，能正确选择和操作实验仪器并获得实验数据，选用恰当的方法处理实验数据，分析误差来源并提出减小误差的方法、用专业科学术语撰写实验报告。下面以2022年高考物理广东卷第11题为例，分析高考对实验基本能力的考察。

【例1】（广东卷第11题）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（a）所示的装置，实验过程如下：

（1）让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電门。

（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（b）所示，小球直径d=______mm。

（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。

考查分析：

①从第一句话可知本实验要解决的问题是：求物体碰撞后的机械能损失；

②从实验过程（1）可知本实验所需测量物理量：机械能变化可能要测量的物理量有重力势能、弹性势能和动能变化，本题采用控制变量法，即探究小球碰撞前后相同高度处测量动能，即重力势能不变，且不考虑弹性势能变化，仅需探究动能变化引起的机械能变化。本题中物体动能的变化由于速度的变化，即所需测量物理量为速度；

③从实验过程（2）（3）可知本实验选择所需实验仪器并通过正确操作获得实验数据：通过光电门测量平均速度代替瞬时速度的方法测量碰撞前后的动能损失量；

④从实验过程（4）可知实验数据处理方式：演绎推理；

⑤从实验过程（5）可知本实验误差分析考察的是系统误差分析，主要包括光电门测量精度和平均速度代替瞬时速度引起的实验误差，空气阻力做功引起的误差。

从以上分析可知，高考紧紧围绕课程标准命题，全方位地考察学生基本实验技能。为此，在复习阶段，我们应理清实验过程，打牢实验基本技能。

二、学会总结归纳，找到实验之间的相同之处，让学习更加高效。

相同的实验发生装置可以实现不同的实验目的比如自由落体运动可以测量重力加速度，也可以运用物体自由落体验证机械能守恒，只是所需测量物理量有所不同。同样，不同实验发生装置，也可以实现相同的目的，比如可以通过物体作圆周运动方式来验证机械能守恒定律。找到实验之间共性，可以让物理实验复习更加高效。

1.以2022年辽宁卷和江苏卷为例，探讨在物体做自由落体运动下，通过测量不同的物理量来求得重力加速度。

【例2】（辽宁卷第12题）某同学利用如图所示的装置测量重力加速度，其中光栅板上交替排列着等宽度的遮光带和透光带（宽度用d表示）。实验时将光栅板置于光电传感器上方某高度，令其自由下落穿过光电传感器。光电传感器所连接的计算机可连续记录遮光带、透光带通过光电传感器的时间间隔Δt。

（1）除图中所用的实验器材外，该实验还需要______（填“天平”或“刻度尺”）；

（2）该同学测得遮光带（透光带）的宽度为4.50cm，记录时间间隔的数据如表所示，

根据上述实验数据，可得编号为3的遮光带通过光电传感器的平均速度大小为v3=______m/s（结果保留两位有效数字）；

（3）某相邻遮光带和透光带先后通过光电传感器的时间间隔为Δt1、Δt2，则重力加速度g=______（用d、Δt1、Δt2表示）；

（4）该同学发现所得实验结果小于当地的重力加速度，请写出一条可能的原因：______。

【例3】（江苏卷第11题） 小明利用手机测量当地的重力加速度，实验场景如图1所示，他将一根木条平放在楼梯台阶边缘，小球放置在木条上，打开手机的“声学秒表”软件，用钢尺水平击打木条使其转开后，小球下落撞击地面，手机接收到钢尺的击打声开始计时，接收到小球落地的撞击声停止计时，记录下击打声与撞击声的时间间隔t，多次测量不同台阶距离地面的高度h及对应的时间间隔t。

（1）现有以下材质的小球，实验中应当选用______。

A．钢球B.乒乓球C.橡胶球

（2）用分度值为1mm的刻度尺测量某级台阶高度h的示数如图2所示，则h=______cm。

（3）作出2h－t2图线，如图3所示，则可得到重力加速度g=______m/s2。

（4）在图1中，将手机放在木条与地面间的中点附近进行测量，若将手机放在地面A点，设声速为v，考虑击打声的传播时间，则小球下落时间可表示为t′=______（用h、t和v表示）。

（5）有同学认为，小明在实验中未考虑木条厚度，用图像法计算的重力加速度g必然有偏差。请判断该观点是否正确，简要说明理由______。

通过对比分析例2和例3可以知道，两道实验题均是测量重力加速度，而且采用的实验发生装置均是物体自由下落。但是例2采用的是光电传感器测量物体连续通过两段相等位移所用时间（光电传感器与光电门作用相同，即可用平均速度代替瞬时速度），可知，本实验可通过匀变速直线运动初末速度关系求重力加速度。而例4采用的是通过声学秒表记录物体从开始运动到落地所用时间，再测量得到物体下落高度依据自由落体下落高度与时间关系即可求得重力加速度，实现了与例3相同的实验目的。

举一反三，如若在例4中小球落地前位置放置光电传感器，测量小球落地前速度，同时测量小球自由下落的高度，依据自由落体速度与下落高度关系亦可求得物体下落加速度。

2.以2022年高考全国甲卷和2022年广东卷为例，探讨不同的碰撞方式下，测量相同的物理量来解决相同的实验问题。

【例4】（全国甲卷第10题）利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2，进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空：

（1）调节导轨水平；

（2）测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反，应选取质量为______kg的滑块作为A；

（3）调节B的位置，使得A与B接触时，A的左端到左边挡板的距离S1与B的右端到右边挡板的距离S2相等；

（4）使A以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B碰撞，分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2；

（5）将B放回到碰撞前的位置，改变A的初速度大小，重复步骤（4）。多次测量的结果如下表所示；

（6）表中的k2______（保留2位有效数字）；

（7）v1v2的平均值为______；（保留2位有效数字）

（8）理论研究表明，对本实验的碰撞过程，是否为弹性碰撞可由v1v2判断。若两滑块的碰撞为弹性碰撞，则v1v2的理论表达式为______（用m1和m2表示），本实验中其值为______（保留2位有效数字），若该值与（7）中结果间的差别在允许范围内，则可认为滑块A与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞。

通过对比例1和例4，我们不难发现：例1采用物体自由下落后与地面发生碰撞的方式运动，例4采用的是两个物体在气垫导轨上相向运动后碰撞的运动方式，从表面上看两道题在实验所需解决的问题不同，例1解决的是碰撞过程中的机械能损失，而例4要解决的问题是判断实验中的物体碰撞是否为弹性碰撞，但经过分析可知，最后判断的内容均是碰撞前后动能的变化，均需测量物体运动的速度，且两个实验均是通过运动时间间接测量得到速度。

对于例1，是大家所熟知的光電门测量物体运动速度，难度系数较低，而例2通过比值代替具体速度值测量，一定程度上提升了题目的难度。事实上，也可以通过光电门测量例4的两个物体碰撞前后的速度来论证是否为弹性碰撞。而例1也可以通过碰撞前后机械能损失来判断是否为弹性碰撞。从而实现相同的实验目的。

三、以2022年全国甲卷和2022年湖北卷为例，掌握运用公式变换方法来优化实验的方法。

【例5】（湖北卷第12题）某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值Tmin。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的Tmax－Tmin图像是一条直线，如图乙所示。

（1）若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为______。

（2）由图乙得：直线的斜率为______，小钢球的重力为______N。（结果均保留2位有效数字）

（3）该实验系统误差的主要来源是______（单选，填正确答案标号）。

A．小钢球摆动角度偏大

B．小钢球初始释放位置不同

C．小钢球摆动过程中有空气阻力

对两道题实验原理分析如下：

例2实验原理推导如下：

假设物体碰撞为弹性碰撞，即有

m1v0=－m1v1+m2v2

12m1v20=12m1v21+12m2v22

联立解得

v1v2=m2－m12m1

代入数据可得

v1v2=0.34

如若在实验误差允许范围内，则所测速度之比约为0.34，即证实验假设。在实验过程中，通过转换为比值关系，省去初速度的测量。

例5实验原理推导如下：

设初始位置时，细线与竖直方向夹角为θ，则细线拉力最小值为

Tmin=mgcosθ

到最低点时细线拉力最大，则

mgl（1－cosθ）=12mv2

Tmax－mg=mv2l

联立可得

Tmax=3mg－2Tmin

假设小球摆动过程中机械能守恒，则依据在摆动过程中最大拉力与最小拉力成线性关系，其关系斜率为-2，截距为重力的3倍，此过程中，省去了直接与机械能有关的速度等参量的测量。

因而，在实验变化过程中，可以将实验相关物理量的直接测量，转换为其相关的间接物理量或函数关系，借助函数关系，解决相关物理规律的证明。

四、关注丰富的传感器代替传统测量工具带来的实验变化，以2022年湖北卷和山东卷为例

【例6】（山东卷第12题）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，如图甲所示。主要步骤如下：

①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，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。弹簧处于原长时滑块左端位于O点。A点到O点的距离为5.00cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；

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，部分图像如图乙所示。

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）该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a—F图像如图丙中I所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为______kg。

（3）该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ，则待测物体的质量为______kg。

从例5例6，我们可以发现，均采用了传感器测量得物理量，实时记录，并绘制成图像。将所需求得物理量转换为函数关系式中得截距、斜率关系。如例6中，传统测量工具式无法无法测量非线性变化的加速度、力，借助传感器，实现了测量的同时，绘制出两者关系的正比例函数图像，在人机交互界面中完成了实验。因此，在实验复习过程中，要了解常用传感器的作用，要注意物理量之间的函数关系，熟悉运用图像解决问题。

五、小结

随着信息技术的发展，实验器材不断优化，实验不断创新，但综合2022年高考题力学实验真题看，重视实验基本技能，把握实验之间的内在联系，可以备考复习更加高效，从而在实验解答时信心倍增。

责任编辑李平安