2022年高考力学创新实验题赏析

成树明

(山东省滨州市第一中学)

近几年高考实验题基本沿用“一力一电”的模式,考查内容广泛,考法灵活,注重考查实验原理的理解和实验方法的迁移。许多力学实验题创设实际生活情景,以问题为导向,考查同学们科学思维、科学探究等物理学科的核心素养。力学创新实验题通常从实验情境、实验方法、实验器材、数据处理等方面进行创新,其实验原理大多是从教材实验中迁移过来的,关键是从题中获取有用信息,明确思路,构建模型。

一、创新实验情境

【例1】(2022·全国乙卷·22)用雷达探测一高速飞行器的位置。从某时刻(t=0)开始的一段时间内,该飞行器可视为沿直线运动,每隔1 s测量一次其位置,坐标为x,结果如下表所示:

t/s0123456x/m05071 0941 7592 5053 3294 233

回答下列问题:

(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是________;

(2)当x=507 m时,该飞行器速度的大小v=________m/s;

(3)这段时间内该飞行器加速度的大小a=________m/s2(保留2位有效数字)。

【解析】(1)根据题中表格提供的信息,可知第 1 s 内的位移x1=507 m,第2 s内的位移x2=587 m,第3 s内的位移x3=665 m,第4 s内的位移x4=746 m,第5 s内的位移x5=824 m,第6 s内的位移x6=904 m,则相邻T=1 s内的位移之差接近Δx=80 m,可判断飞行器在这段时间内做匀加速运动。相邻的相同时间间隔(T)内的位移之差(Δx)相同,是判断直线运动是匀变速直线运动的依据。

(3)方法一:逐差法

方法二:两段法

【答案】(1)相邻相等时间内位移变化量近似一个定值;(2)547;(3)79

【赏析】本题以雷达探测飞行器为载体,创设了研究匀变速直线运动的生活实践问题情境,雷达探测飞行器的位置和用打点计时器记录位置,在物理思想方法上是等效的,因此本题所创设的情境与教材上用打点计时器研究匀变速直线运动相似,是教材实验原理、实验数据处理方法在新情境中的应用。

二、创新实验方法

【例2】(2022·山东卷·13)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:

图1

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5.00 cm,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Ⅰ所示,由此可得滑块与加速度传感器的总质量为________kg。

图3

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

【解析】本题实验原理是利用胡克定律测弹簧的劲度系数、利用牛顿第二定律测物体质量。

(1)由题知,弹簧处于原长时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00 cm。拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时。结合图2中的F-t图像在纵轴上的截距,有Δx=5.00 cm,F=0.610 N,根据胡克定律得F=k·Δx,解得弹簧的劲度系数约为k=12 N/m。

【答案】(1)12;(2)0.20;(3)0.13

【赏析】本题通过天宫课堂进行情境创设,激发同学们民族自豪感,厚植爱国主义情感。试题以传感器、弹簧、气垫导轨、滑块等为实验素材,创设了测量物体质量的学习探索问题情境。本题的创新点是实验方法的创新,利用传感器直接获取弹簧弹力和物块加速度的大小随时间的变化关系,并由此得到物块的加速度大小随外力的变化规律,进而利用图线斜率求得物块的质量,是方法创新的具体化。

三、创新实验器材

【例3】(2022·湖南卷·11)小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等,设计了如图4所示的实验装置,测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下:

图4

(1)查找资料,得知每枚硬币的质量为6.05 g;

(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋,测量每次稳定后橡皮筋的长度l,记录数据如下表:

序号12345硬币数量n/枚510152025长度l/cm10.5112.0213.5415.0516.56

(3)根据表中数据在图5上描点,绘制图线;

图5

(4)取出全部硬币,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,稳定后橡皮筋长度的示数如图6所示,此时橡皮筋的长度为________cm;

图6

(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为________g(计算结果保留3位有效数字)。

【解析】(3)看清横轴与纵轴每一小格代表的值,准确地进行描点;观察所描点迹的走向趋势;如果走向为直线,画直线时应让尽可能多的点迹落在直线上,不在直线上的点迹均匀分布在直线的两侧。绘制的图线如图7所示。

(4)由题图6可知刻度尺的分度值为1 mm,因此读数时应估读到0.1 mm。橡皮筋的上端与0刻度线对齐,下端所对刻度尺的准确值为15.3 cm,估读值为0.5 mm,因此,橡皮筋的长度为l=15.35 cm。

(5)设每枚硬币的质量为m,橡皮筋的劲度系数为k,橡皮筋的原长为l0,待测冰墩墩的质量为m1。

方法一:常规思路

在作出的l-n图中取相隔较远的两点(l1,n1)、(l2,n2),由二力平衡得n1mg=k(l1-l0),n2mg=k(l2-l0),对于冰墩墩则有m1g=k(l-l0),联立解得m1=127 g。

方法二:直接取点法

在l-n图中取纵坐标l=15.35 cm点,对应的横坐标为n=21枚,因此,冰墩墩的质量为m1=21m=21×6.05 g=127 g。

【答案】(3)如图7所示;(4)15.35;(5)127

图7

【赏析】本题以橡皮筋、一元硬币等生活中常见的物品作为素材,创设了利用胡克定律测量物体(冰墩墩)质量的生活实践问题情境。主要考查了重力、弹力、胡克定律、共点力平衡、有效数字等知识点。本题以测量冰墩墩的质量为实验目的,考查的其实就是课本上探究弹力与形变量关系的实验,以生活中常见物体作为器材,贴近生活,理论与实际相结合,这是本题的创新点。

四、创新实验数据处理

【例4】(2022·湖北卷·12)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8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9所示。

图9

(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图8中直线斜率的理论值为________。

(2)由图9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

(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力,使得机械能减小,故选C。

【答案】(1)-2;(2)-2.1,0.59;(3)C

【赏析】本题以小钢球在竖直平面内摆动为素材,创设了用拉力传感器采集数据的学习探索问题情境。主要考查了力的合成与分解、向心加速度、向心力、功能关系、机械能守恒定律及其应用等知识点。本题的创新点是用拉力传感器记录小钢球摆动过程中拉力的最大值Tmax和最小值Tmin,并绘制图像处理实验数据。

近几年高考实验题不再拘泥于教材传统实验方案,但每道试题还都有教材实验的影子,突出创新。通过对以上例题的分析与赏析,可见要解答好力学创新实验题,需在做好教材分组实验的前提下,感悟实验原理,掌握仪器使用方法,改进实验方法,加强变式训练,并能依据实际问题建构模型,灵活运用所学的实验理论和方法解决实验中遇到的新问题。