新课标高考力学实验题的命题特点及备考对策

江苏 秋 飏

新课标高考力学实验题的命题特点及备考对策

江苏 秋 飏

新课标高考实验命题中，一力一电的命题布局稳定，但是追求创新变化的命题态势持续不变，而且这些创新型问题都能在教材中找到原型，所以本文选摘经典问题结合教材内容感悟高考命题的变化及对策。

一、由测定重力加速度谈实验命题的创新与对策

【例1】（2016·张掖第一次诊断）物理小组的同学用如图1所示的实验器材测定重力加速度，实验器材有：底座、带有标尺的竖直杆、光电门1和2组成的光电计时器（其中光电门1更靠近小球释放点），小球释放器（可使小球无初速度释放）、网兜。实验时可用两光电门测量小球从光电门1运动至光电门2的时间t，并从竖直杆上读出两光电门间的距离h。

图1

（1）使用游标卡尺测量小球的直径如图2所示，则小球直径为________cm。

图2

（2）改变光电门1的位置，保持光电门2的位置不变，小球经过光电门2的速度为v，不考虑空气阻力，小球的加速度为重力加速度g，则h、t、g、v四个物理量之间的关系为h＝________。

【解析】（1）小球的直径为d＝11 mm＋16×0．05 mm＝11．80 mm＝1．180 cm。

（2）不考虑空气阻力，小球可以看成从2到1的匀减速直线运动，故有

【感悟】（1）10分度、20分度和50分度的游标卡尺的读数规则都是测量长度L＝N（主尺上读的毫米数）＋k（mm）（游标尺上第k格与主尺上的刻线对齐时），不同的是最小刻度值分别为0．1 mm、0．05 mm和0．02 mm。易错点是将图2中的游标尺上最左端的线与0刻度线混淆读错。

（2）重力加速度的测定是实验创新的高频点，结合本例可以拓展，如表1所示。

表1

续表

除以上所述外，利用竖直上抛运动、平抛运动等都可以测定重力加速度，希望读者引申拓展。

二、由测定动摩擦因数谈实验命题的创新与对策

【例2】（2016·辽宁省沈阳市东北育才学校第八次模拟）物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数。实验装置如图3甲所示，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接。打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz。开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速直线运动，在纸带上打出一系列小点。

图3

（1）图乙给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图3乙所示。可以测出1～6每个点的瞬时速度，画出v－t图象，进而得到a，其中计数点3的瞬时速度的大小v3＝________m/s（保留三位有效数字）。

（2）可以去除一个数据，利用逐差法处理数据，如果去除的是2．88 cm这一数据，计算出滑块的加速度a＝________m/s2（保留三位有效数字）。

（3）为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有________（填入所选物理量前的字母，完全选对才得分）；还需要使用的仪器是__________。

A．木板的长度l

B．木板的质量m1

C．滑块的质量m2

D．托盘和砝码的总质量m3

E．利用秒表测量滑块运动的时间t

（4）滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________（用被测物理量的字母表示，重力加速度为g）。与真实值相比，测量的动摩擦因数________（填“偏大”或“偏小”）。

【解析】（1）每相邻两计数点间还有4个计数点，说明相邻的计数点时间间隔为0．1 s，计数点3的瞬时速度的大小

（2）如果去除的是2．88 cm这一数据，计算出滑块的加速度

（3）要测量动摩擦因数，由Ff＝μFN，可知要求μ，需要知道摩擦力和压力的大小，压力就是滑块的重力，所以需要知道滑块的质量，摩擦力要根据铁块的运动来求得，滑块做的是匀加速运动，拉滑块运动的是托盘和砝码，所以也要知道托盘和砝码的质量，故A、B、E项错误，C、D项正确。

（4）以整个系统为研究对象，由牛顿第二定律得m3gμm2g＝（m3＋m2）a，解得；由于根据牛顿第二定律列方程的过程中，即考虑了木块和木板之间的摩擦，没有考虑细线和滑轮以及空气阻力等，故导致摩擦因数的测量偏大。

【答案】（1）0．264 （2）0．496 （3）CD 天平

【感悟】在数据分析方面可以表现为数据处理和图象分析两个方面，具体如表2所示。

表2

【例3】（2016·湖北省襄阳市第五中学模拟）某同学用如图4甲所示的装置测量滑块与水平桌面之间的动摩擦因数。实验过程如下：

图4

（1）如图乙所示，用游标卡尺测量出固定于滑块上的遮光条的宽度d＝________mm。在桌面上合适位置固定好弹簧和光电门，将光电门与数字计时器（图中未画出）连接。

（2）用滑块把弹簧压缩到某一位置，测量出滑块到光电门的距离x。释放滑块，测出滑块上的遮光条通过光电门所用的时间t，则此时滑块的速度v＝________。

（3）通过在滑块上增减砝码来改变滑块的质量m，仍用滑块将弹簧压缩到（2）中的位置，重复（2）的操作，得出一系列滑块质量m与它通过光电门时的速度v的值。根据这些数值，作出v2－m－1图象如图丙所示。已知当地的重力加速度为g。由图象可知，滑块与水平桌面之间的动摩擦因数μ＝________，弹性势能Ep＝________。

【解析】（1）由图1可知，主尺示数为 5 mm，14×0．05 mm＝0．70 mm，则工件的长度为5 mm＋0．70 mm＝5．70 mm。

【感悟】以测量动摩擦因数为例，变化创新如表3所示。

表3

续表

三、由验证动量守恒定律谈实验命题的创新与对策

【例4】在实验室里为了验证动量守恒定律，一般采用如图5甲、乙所示的两种装置。

图5

（1）若入射小球质量为m1，半径为r1；被碰小球质量为m2，半径为r2，则 （ ）

A．m1＞m2，r1＞r2

B．m1＞m2，r1＜r2

C．m1＞m2，r1＝r2

D．m1＜m2，r1＝r2

（2）若采用图乙所示装置进行实验，以下所提供的测量工具中必需的是________。

A．直尺 B．游标卡尺

C．天平 D．弹簧测力计

E．秒表

（3）设入射小球的质量为m1，被碰小球的质量为m2，则在用图甲所示装置进行实验时（P为碰前入射小球落点的平均位置），所得“验证动量守恒定律”的结论为___________（用装置图中的字母表示）。

【解析】（1）为防止反弹造成入射球返回斜槽，要求入射球质量大于被碰球质量，即m1＞m2，为使入射球与被碰球发生对心碰撞，要求两小球半径相同，故C项正确。

（2）设a球碰前的速度为v1，a、b相碰后的速度分别为v′1、v′2。由于两球都从同一高度做平抛运动，当以运动时间为一个计时单位时，可以用它们平抛的水平位移表示碰撞前后的速度。因此，验证的动量守恒关系m1v1＝m1v′1＋m2v′2可表示为m1x1＝m1x′1＋m2x′2。所以需要直尺、天平，而无须弹簧测力计、秒表。由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的，两球的半径不必测量，故无需游标卡尺。

（3）得出验证动量守恒定律的结论应为m1OP＝m1OM＋m2O′N。

【答案】（1）C （2）AC （3）m1OP＝m1OM＋m2O′N

【感悟】验证动量守恒定律的四种方案如表4所示。

表4

续表

【例5】某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验。在小车A的前端和小车B的后端贴有粘扣，在木板的右端固定打点计时器，小车A后连一长纸带，木板下垫有小木块，用来平衡摩擦力。反复移动小木块位置，直到小车从木板上向下运动时可以保持匀速直线运动状态。现使小车A、B分别静止在木板的右端和中间，如图6中甲所示，给小车A一个瞬时冲量，使小车A与静止的小车B相碰黏合成一体，并继续做匀速直线运动。已知打点计时器电源频率为50 Hz，若得到一条打点纸带且计数点之间的间隔如图6中乙所示，A点为运动起点，则应选________段来计算小车A碰撞前的速度，应选________段来计算两车碰撞后的速度。若测得小车A的质量mA＝0．4 kg，小车B的质量mB＝0．2 kg，由以上数据可得小车A、B碰撞前的总动量为________kg·m/s；碰撞后的总动量为________kg·m/s；得到的结论是________（计算结果保留三位有效数字）。

图6

【解析】从纸带上的点迹和数据看到，AB段表示小车A处于加速阶段，BC段小车A处于匀速运动，CD表示小车A与小车B处于碰撞缓冲阶段，DE表示小车A、B碰后一起做匀速直线运动，故选BC段计算小车A碰撞前的速度，

碰撞前的总动量P1＝mAvA0＝0．420 kg·m/s

选DE段计算两车碰撞后的速度，

碰撞后的总动量P共＝（mA＋mB）v共＝0．417 kg·m/s，在误差允许的范围内系统动量守恒。

【答案】BC DE 0．420 0．417 在误差允许的范围内系统动量守恒

【感悟】《选修3—5》内容变为必考，对应的实验也成为重点，要引起注意。本题中要看懂碰撞前和碰撞后对应的点迹，由例4、例5看到，只要满足守恒条件的，器材方便可取、数据分析准确地设计都可以具体实施。

力学必考的七个实验中，5个都与打点类有关，所以长度的处理、速度、加速度的计算都要熟练而准确地掌握，在此基础上创新拓展。创新实验的理论依据依然是牛顿运动定律、动能定理、机械能守恒定律和动量守恒定律等，采用的基本方法有平均速度法、逐差法、平衡摩擦法、控制变量法、近似法、等效替代法、拟合法、图象法等，描迹类型有打点描迹、频闪描迹等，光电门、传感器等新器材的加入为命题增加了更多的元素。不管怎样，熟练应用基本技能是基础和保障，复习中最好将上述几个实验在不同的情景下相互比较，找出它们的共性和差异，这样能力才能在潜移默化中提高。

【即时演练】用如图所示的装置进行验证动量守恒的实验：

（1）先测出滑块A、B的质量M、m及滑块与桌面的动摩擦因数μ，查出当地的重力加速度g；

（2）用细线将滑块A、B连接，使A、B间的弹簧处于压缩状态，滑块B紧靠在桌边；

（3）剪断细线，测出滑块B做平抛运动落地时的水平位移为s1，滑块A沿桌面滑行距离为s2。

为验证动量守恒，写出还须测量的物理量及表示它的字母________；如果动量守恒，须满足的关系是________。

【解析】烧断细绳后在弹簧的弹力作用下，B、A以一定的水平速度分别向左、右运动。

A在水平桌面上向右做匀减速滑动时，克服摩擦做功，由动能定理可得；B向 左做平抛运动，必须测得抛出时桌面离地面高度h，由平抛运动规律可知vB后，如果动量守恒，必须满足关系式MvA＝mvB，即测算得vA、

【答案】桌面离地面高度h

（作者单位：江苏省江阴市第一中学）