由探究加速度与力、质量的关系看高考物理力学实验

韩顺利

(山东省济南市章丘区第四中学)

实验题是高考考查学生基本能力的重要手段,其考查角度已从基础知识层面逐步发展到综合性、应用性、创新性层面,考查变得非常灵活.本文结合探究加速度与力、质量的关系这一实验分析一下高考物理力学实验的考查趋势.

1 迁移类实验

这类实验题具有如下特点:它们基本上都不是课本上现成的实验,但其原理、方法以及涉及的知识均是学生学过的,即用“学过的实验方法”“用过的仪器”进行新的实验,以考查考生的基本实验能力和理解、推理、迁移的能力.

例1某实验小组利用如图1-甲所示的装置探究加速度和力、质量的关系.图中带滑轮的粗糙长木板放置于水平桌面上,两段轻绳始终与桌面平行,根据弹簧测力计可读出轻绳拉力的大小.不计滑轮的质量.

图1

(1)实验时,下列操作必要且正确的是_________.

A.用天平测出沙桶(含沙)的质量

B.将带滑轮的长木板右端适当垫高,以平衡摩擦力

C.为了减小误差,实验中要保证沙桶(含沙)的总质量远小于小车的质量

(2)某次实验中,得到如图1-乙所示的一条纸带,已知打点计时器所接交流电源的频率为50Hz,则此次实验中打点计时器打计数点2时小车运动的速度大小为_________m·s-1,小车运动的加速度大小为________m·s-2.(结果均保留两位有效数字)

(3)实验中,当弹簧测力计的示数为F时,小车的合力大小为________;改变沙桶中沙的质量,多次实验,若操作无误,则根据得到的数据作出小车的加速度a与弹簧测力计示数F的关系图像应为_________.

解析(1)实验中,轻绳的拉力可由弹簧测力计测出,不需要用天平测出沙桶(含沙)的质量,也不需要使沙桶(含沙)的质量远小于小车的质量,选项A、C错误;

实验中,根据弹簧测力计测出的拉力,求得小车所受的合力,因此需要将木板的右端适当垫高,以平衡摩擦力,选项B正确.

(2)打点计时器打下相邻计数点的时间间隔T＝,打点计时器打计数点2时小车运动的速度大小

(3)由于本实验已平衡摩擦力,当弹簧测力计的示数为F时,小车的合力大小F合＝2F.设小车的质量为M,小车运动的加速度a与弹簧测力计的示数F的关系为2F＝Ma,故a-F图像是过原点的直线,选项B、C错误,选项A 正确.

点评本实验与教材中实验相比,相同之处是都用打点计时器和纸带来记录物体的运动,有别于教材的是用弹簧测力计拉力代替了沙桶的重力,而这一改变可直接读出拉力的大小,不再需要用沙桶的重力代替拉力,也就不再需要满足沙桶质量远小于小车的质量,因此第(3)问图像中不会出现弯曲.

2 应用型实验

这类实验题具有如下特点:基本上以生活、生产和现代科技中的设备或装置为背景立意命题,且多以信息题的形式出现,要求学生能够从题给的文字、图表中捕获有效信息,运用所学的基础知识来解答.

例2如图2所示,小明同学利用拉力传感器和速度传感器探究加速度与物体受力的关系,在长木板上相距为L的A、B两点各安装一个速度传感器,分别记录小车到达A、B时的速率,主要实验步骤如下.

图2

①调整长木板的倾斜角度,平衡小车受到的摩擦力;

②释放小车,让小车依次经过A、B速度传感器,记录速度vA、vB和拉力传感器的数值F;

③增加钩码数量,重复步骤②、③,得到多组数据;

④利用以上各组数据计算出小车加速度a,并作出a-F图像.

(1)本实验有关的说法正确的是________;

A.两速度传感器之间的距离应适当远些

B.平衡小车受到的摩擦力时要挂上钩码

C.改变所挂钩码的数量时,要使所挂钩码的质量远小于小车质量

D.不必用天平测出小车和车上的拉力传感器的总质量

(2)步骤④中小车加速度a＝________(请用题中符号表示);

(3) 根据本实验作出的a-F图像最接近________.

解析(1)两速度传感器之间的距离应适当远些,增大L,可以减小误差,故选项A 正确;

平衡摩擦力时,不能将钩码通过细线挂在小车上,只让小车在木板上匀速运动,故选项B错误;

由于拉力是通过传感器测得的,故不需要满足所挂钩码的质量远小于小车质量,故选项C错误;

本题是探究加速度与物体受力的关系,所以不必用天平测出小车和车上的拉力传感器的总质量,故选项D 正确.

(3)由于实验用的是力传感器得到准确的受力,当砝码的质量不断增加,拉力增大时,加速度和F始终满足线性关系,由分析得选项A 正确,选项B、C、D错误.

点评本实验利用生活中常用的速度传感器记录物体的运动,力传感器记录拉力,和生活结合得更加密切;仔细分析来看,与教材中实验相比变化主要体现在用速度与位移的关系来求解加速度,代替教材中通过研究纸带求解加速度.本题利用力传感器获取绳的拉力,这一改变与例1中的弹簧测力计的作用如出一辙,所以不需要满足钩码质量远小于小车质量这一条件.

3 “创新”类实验

这类实验题具有如下特点:以学生在研究性学习活动中所遇到的问题为背景命题,要求学生根据题给条件设计某些实验方案,或给出一些仪器(或实验步骤)来求解某个物理量,或针对某些实验,分析其实验数据,得到规律,并对可能产生的误差进行分析.

例3某探究学习小组的同学欲以如图3-甲所示装置中的滑块为对象验证“牛顿第二定律”,装置由弹簧测力计、气垫导轨、两个光电门、滑块和砝码盘(含砝码)等组成.光电门可以测出滑块上的遮光条依次通过两个光电门的时间Δt1、Δt2,游标卡尺测出遮光条的宽度d,导轨标尺可以测出两个光电门间的距离L,另用天平测出滑块、砝码盘(含砝码)的质量分别为M和m,不计滑轮的质量和摩擦.

图3

(1)如图3-乙所示,游标卡尺测出遮光条的宽度d＝_________cm.

(2)实验操作中,下列说法正确的是________.

A.该实验装置需要平衡摩擦力

B.为减小误差,实验中一定要保证质量m远小于质量M

C.实验时,多次在同一条件下重复实验取遮光条通过两光电门时间的平均值以减小偶然误差

D.气垫导轨充气后,如果气垫导轨水平,则滑块轻放在导轨上能保持静止

(3)对质量保持不变过程,以弹簧测力计的示数F为横坐标,加速度为纵坐标,画出的a-F图像是一条直线,图线与横坐标的夹角为θ,求得图线的斜率为k,则滑块质量可表示为________.

(4)该装置中弹簧测力计的读数为F,需要验证的表达式为F＝_________.

解析(1)根据游标卡尺的读数规则有d＝20mm＋6×0.05mm＝2.030cm.

(2)气垫导轨由于阻力几乎为零,所以不必平衡阻力,选项A 错误;

弹簧测力计与细绳串联,所以拉力直接可以测量,不必满足钩码的质量远小于小车的质量,选项B错误;

实验时,多次在同一条件下重复实验取遮光条通过两光电门时间的平均值可减小偶然误差,此做法合理,选项C正确;

气垫导轨充气后,如果气垫导轨水平,则滑块轻放在导轨上时其所受合力为零,则滑块能保持静止,选项D 正确.

(3)若该装置中弹簧测力计的读数为F,则滑块所受合力为2F,滑块的加速度,则a-F图像的斜率为k,则故选项B正确.

(4)该装置中弹簧测力计的读数为F,则滑块所受合力为2F,对滑块从一个光电门运动到另一个光电门的过程,应用运动学公式可得

则需要验证的是2F＝Ma,即

点评本实验相对教材实验器材变化很多,涉及光电门和气垫导轨,光电门类似于例2中的速度传感器,仍然是用速度与位移的关系来求解加速度;气垫导轨这一变化则可以大大减小阻力,不再需要平衡摩擦力.弹簧测力计的使用同例1,所以本题不再需要满足砝码质量远小于滑块质量.

4 结束语

探究加速度与力、质量的关系这一实验的考查方式灵活多变,总结来看,变化的多是加速度的求解和合力的来源,加速度的求解变化来源于提供不同的实验器材;合力的来源变化则处处渗透着对实验原理的考查.这也是高考力学实验的考查特点,万变不离其宗,解决这类问题,需要我们平常在熟悉各种仪器的使用方法的前提下,从基本的实验原理入手,从中找出规律,通过联想、等效、类比等思维方法建立与新情境对应的物理模型,并在已学知识与物理模型之间架设桥梁,将已学知识迁移并运用到新情境中去,然后进行推理、计算,找出各物理量之间的关系并总结出其变化规律,从而把握问题的本质,使问题迎刃而解!

(完)