例谈高考力学实验命题设计



例谈高考力学实验命题设计

◇河南王春旺

力学实验是高中物理的基础实验,教材上力学实验基本上是围绕打点计时器、弹簧(包括弹簧秤和橡皮筋)展开,测量的物理量重点是力(探究弹力与弹簧伸长的关系、验证平行四边形定则、验证牛顿运动定律、探究动能定理)、速度(研究匀变速直线运动、探究动能定理、验证机械能守恒定律)和加速度(验证牛顿运动定律)．高考对力学实验的创新在于把高中物理的主干知识与实验结合,编写能够考查学生灵活运用知识能力的新颖实验题．通过对近年高考和各地模拟实验题的研究,总结了力学实验命题的设计思路.

1与摩擦、动能、牛顿定律结合的实验

物理力学实验的常规操作与牛顿运动定律、动能定理结合,以测量动摩擦因数等物理量．

图1

① 用天平称出物块Q的质量m;

② 测量出轨道AB的半径R、BC的长度L和CC′的距离h;

③ 将物块Q在A点从静止释放,在物块Q落地处标记其落点D;

④ 重复步骤,共做10次;

⑤ 将10个落地点用一个尽量小的圆围住,用米尺测量圆心到C′的距离s．

(1) 用实验中的测量量表示:

(ⅰ) 物块Q到达B点时的动能EkB=______;

(ⅱ) 物块Q到达C点时的动能EkC=______;

(ⅲ) 在物块Q从B运动到C的过程中,物块Q克服摩擦力做的功Wf=________;

(ⅳ) 物块Q与平板P之间的动摩擦因数μ=________．

(2) 回答下列问题:

(ⅰ) 实验步骤④、⑤的目的是________．

(ⅱ) 已知实验测得的μ值比实际值偏大,其原因除了实验中测量量的误差之外,其他的可能原因是________．(写出一个可能的原因即可)

(ⅱ) 物块离开C点后做平抛运动,设物块离开C点时速度为v,由平抛运动规律得s=vt,h=gt2/2,物块Q到达C点时的动能EkC=mv2/2,联立解得

EkC=mgs2/4h．

(ⅲ) 物块由A到C的运动过程,由动能定理得mgR-Wf=mv2/2, 联立解得物块克服摩擦力所做的功Wf=mgR-mgs2/4h．

(2) (ⅰ)实验步骤④ 重复实验,实验步骤⑤找出落地点,其目的是减小实验的偶然误差．

(ⅱ)已知实验测得的μ值比实际值偏大,可能原因是圆弧轨道与滑块间有摩擦．

2与物体平衡结合的实验

与物体平衡结合的实验,一般是以结点受到3个力作为情景设计,重点考查受力分析、平行四边形定则、物体平衡条件及其相关知识．

图2

简化的实验装置如图2所示,在A点固定一根细绳AP,以A为圆心、AP为半径描出1/4圆弧CD,直线AC水平,AD竖直．在B点固定小滑轮,一根细绳绕过小滑轮,一端悬挂小物块(质量m0已知),另一端连接P点．在P点悬挂不同的待测小物体,稳定时P点在圆弧CD上不同的位置．利用学过的物理知识,在圆弧CD上不同的位置标出对应的质量值,从而估测小物体的质量．

(1) 在圆弧CD上从C点至D点标出的质量值应________(填“逐渐增大”“逐渐减小”“先增大后减小” 或“先减小后增大”);

(2) 在圆弧CD上描出一点P,延长BP交竖直线AD于P′点,用刻度尺量出AP′长为l1,PP′长为l2,则在结点P点标出的质量值应为________．

图3

(2) 由上问可知

3与滑轮、连接体结合的实验

滑轮是物理实验中常用器材,连接体是物理中常用模型．与滑轮、连接体结合的创新实验重点考查隔离体法受力分析、牛顿运动定律及其相关知识．

图4

(1) 实验装置如图4,设两边沙袋的质量分别为m1、m2;

(2) 从砝码中取出质量为m′的砝码放在右边沙袋中,剩余砝码都放在左边沙袋中,发现m1下降m2上升;

(3) 用米尺测出沙袋m1从静止下降的距离h,用秒表测出沙袋m1下降时间t,则可知沙袋的加速度大小为a=________;

(4) 改变m′,测量相应的加速度a,得到多组m′及a的数据,作出____(填“a-m′” 或“a-1/m′”)图线;

(5) 若求得图线斜率k=4 m·kg-1·s-2,截距b=2 m·s-2,沙袋的质量m1=____kg,m2=____kg．(g取10 m·s-2)

(m1+m′)g-(m2+m-m′)g=(m1+m2+m)a,

解得

改变m′,测量相应的加速度a,得到多组m′和a的数据,作出a-m′图象．图线斜率

联立解得沙袋的质量m1=3 kg,m2=1.5 kg．

4与圆周运动结合的实验

圆周运动是重要的运动模型,与圆周运动相结合的力学实验重点考查竖直面内的圆周运动、动能定理或机械能守恒定律、牛顿运动定律等其相关知识．

图5

(1) 将铁架台放在电子秤上,其读数为m0.将小球放在电子秤上其读数为m．

(2) 组装好实验装置如图5所示．保持细线自然长度将小球拉至使细线处于水平位置,此时电子秤读数为________(填“m0+m”“m0”“大于m0+m”或“处于m0和m0+m之间”)．

(3) 小球松手后,向下运动,此时看到电子秤读数________(填“逐渐增大”“逐渐减小”或“保持不变”).

(4) 当小球运动到最低点时,电子秤的读数为________．细线的拉力为________．

(3)小球松手后,向下运动,细线中拉力逐渐增大,此时看到电子秤读数逐渐增大．

(4)小球松手后向下运动过程,只有重力做功,由机械能守恒定律,mgL=mv2/2,当小球运动到最低点时,设细线中拉力为F,对小球由牛顿第二定律得F-mg=mv2/L,联立解得F=3mg．

5与光电门、气垫导轨结合的创新实验

光电门、气垫导轨在高中配备较普遍,利用光电门、气垫导轨进行力学实验可减小摩擦力，进而减小实验测量的误差．与光电门、气垫导轨结合的力学实验可拓宽实验思路,与大学普通物理实验接轨．

(1) 某同学用20分度游标卡尺测量小球的直径,读数如图6-甲所示,小球直径为________cm．

(2) 若小球直径为d,图6-乙所示弹射装置将小球竖直向上抛出,先后通过光电门A、B.计时装置测出小球通过A、B的时间分别为tA、tB.用刻度尺测出光电门A、B间的距离h,已知当地的重力加速度为g,只需比较______和______是否相等,就可以验证机械能是否守恒(用题目中涉及的物理量符号表示)．

图6

(2) 小球通过光电门可近似认为做匀速直线运动,所以vA=d/tA,vB=d/tB．

6与平抛运动规律结合的实验

研究平抛运动是高中物理实验之一,该类实验主要是提供一种测量水平抛出速度的方法．与平抛运动规律结合的创新实验可考查对于平抛运动规律的掌握情况,考查考生灵活运用知识的能力．

图7

(1) 如果利用图象法处理实验数据,并且要使图象是一条直线,如果用纵坐标表示x2,那么横坐标应表示________．

(2) 如果正确作出的图象斜率为k,那么,图象在纵轴的截距为________．只要满足k=________(用题中字母表示),即可验证机械能守恒定律．

要使图象是一条直线,如果纵坐标表示x2,那么横坐标应表示cosθ．

(2) 如果图象斜率为k,那么,图象在纵轴的截距为4L(H-L)(或-k)．只要满足k=4L(H-L),即可验证机械能守恒定律．

7组合嫁接实验

所谓组合嫁接实验就是将通常接触的2个或2个以上实验通过有机组合或嫁接组成一个新的实验题,以达到通过一个实验考查多个实验的目的．

图8

(1) 若轨道完全光滑,s2与h的理论关系应满足s2=________(用H、h表示)．

(2) 图9中图线①为根据实验测量结果,描点作出的s2-h关系图线;图线② 为根据理论计算得到的s2-h关系图线．对比实验结果,发现自同一高度静止释放的钢球,实际水平抛出的速率________(填“小于”或“大于”)理论值．造成这种偏差的可能原因是________．

乙实验小组利用同样装置“通过频闪照相探究平抛运动中的机械能守恒”．将质量为0.1 kg的小钢球A由斜槽某位置静止释放,由频闪照相得到如图10的小球位置示意图,O点为小球的水平抛出点．

图9　　　　　　　　　图10

(3) 根据小球位置示意图可以判断闪光间隔为________s．(保留2位小数)

(4) 以O点为零势能点,小球A在O点的机械能为____J;小球A在C点时的重力势能为____J,动能为____J,机械能为____J．(保留4位小数)

(2) 由于轨道与小球间存在摩擦,小球沿轨道运动,需要克服摩擦力做功,导致实际水平抛出的速率小于理论值．若小球的体积过大,则重力做功小于mgh,也会导致实际水平抛出的速率小于理论值．

(3) 小球在闪光时间间隔T内水平位移为3格,竖直位移差为2格,由图10可知小格边长l=0.05 m,由平抛运动规律,3l=vT,2l=gT2,解得T=0.10 s,v=1.5 m·s-1．

(4) 以O点为零势能点,小球A在O点的机械能为E=mv2/2=0.112 5 J．小球A在C点时的重力势能为Ep=mghC=0.1×10×(-0.8) J=-0.8 J,小球A在C点的机械能等于其在O点的机械能，E=0.112 5 J,根据E=Ep+Ek,解得动能为Ek=0.912 5 J．

8与弹簧弹性势能相关的实验

弹簧是高中物理中的重要模型,与生活密切相关．与弹簧弹性势能相关的创新实验,可将胡克定律、弹性势能、功能关系、机械能守恒定律等知识联系在一起,有利于知识的深化和拓展．

该同学设计实验如下:

(1) 如图11-甲所示,将轻质弹簧竖直挂起来,在弹簧的另一端挂上小铁球O,静止时测得弹簧的形变量为d．在此步骤中,目的是要确定________,用m、d、g表示为________．

图11

(2) 如图11-乙所示,将这根弹簧水平放在光滑桌面上,一端固定在竖直墙面,另一端与小铁球接触,用力推小铁球压缩弹簧.小铁球静止时测得弹簧压缩量为x,撤去外力后,小铁球被弹簧推出去,从水平桌面边缘抛出落到水平地面上．

(3) 测得水平桌面离地高为h,小铁球落地点离桌面边缘的水平距离为L,则小铁球被弹簧弹出的过程中初动能Ek1=________,末动能Ek2=________．(用m、h、L、g表示);弹簧对小铁球做的功W=________(用m、x、d、g表示)．

对比W和(Ek2-Ek1)就可以得出“外力做功与物体动能变化的关系”,即“在实验误差范围内,外力所做的功等于物体动能的变化”．

W=kx·x/2=mgx2/2d．

(作者单位：河南省洛阳市第二中学)