把握力学实验考查热点 提升学生探究素养

夏广平

(南京市金陵中学,江苏 南京 210005)

在普通高中学业水平测试(选修科目)的《考试说明》中,明确提出“实验与探究能力”的要求,除了要求学生 “能够独立完成‘实验、探究’的内容,明确实验目的,理解实验的原理和方法”,还要求“能在实验中,发现问题、提出问题,对解决问题的方式和问题的答案提出假设;能制定实验方案,对实验结果进行预测.能运用已学过的物理理论、实验方法和所给的实验仪器去解决问题,包括简单的设计性实验”.

《考试说明》中的要求,恰对应着学生核心素养的“科学探究”素养.《课程标准(2017版)》中指出,学生要具备“提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.” 本文以高考中的力学实验为例,分析考核中的“热点”问题,谈谈如何在力学实验题的分析与解决中提升学生的探究素养.

1 近年高考力学实验题命题特点分析

表1为2018年全国各高考物理力学实验考核内容,表2为全国卷近3年高考物理力学实验考核内容,表3为江苏卷近10年高考物理力学实验考核内容.从这3张表格中可以分析发现高考力学实验的命题特点.

表1 2018年全国各高考物理力学实验考核内容

续表

表2 全国卷近3年高考物理力学实验考核内容

表3 江苏卷近10年高考物理力学实验考核内容

纵观近几年高考中的力学实验试题,可以发现:力学实验题的范围比较集中,总体是对基本实验的考核,或是对基本实验的改变与创新,包括实验原理的改变,测量方法的改变、数据处理方法的改变等.考核情境基本是在学生学习过的实验基础上,利用已学过的知识,对实验器材或实验方法加以重组,改进实验测量手段与测量技术,设计实验方案解决新问题,突出用学习过的实验方法、实验器材来解决新问题.

分析各年、各地试卷,有一些热点情境与热点问题出现频率相当之高．本文例举其中3个进行讨论:测重力加速度问题、测动摩擦因数问题、平衡摩擦力问题与质量关系问题．

2 例谈高考力学实验典型热点问题

2.1 测重力加速度问题

图1

例1.(利用连接体运动规律测重力加速度)(2018年江苏卷)某学生利用如图1所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮,两端各悬挂一只质量为M的重锤.实验操作如下.

① 用米尺量出重锤1底端距地面的高度H;

② 在重锤1上加上质量为m的小钩码;

③ 左手将重锤2压在地面上,保持系统静止.释放重锤2,同时右手开启秒表,在重锤1落地时停止计时,记录下落时间;

④ 重复测量3次下落时间,取其平均值作为测量值t.

请回答下列问题.

(1) 步骤④ 可以减小对下落时间t测量的________(填“偶然”或“系统”)误差.

(2) 滑轮的摩擦阻力会引起实验误差.现提供一些橡皮泥用于减小该误差,可以怎么做?

(3)使用橡皮泥改进实验后,重新进行实验测量,并测出所用橡皮泥的质量为m0.用实验中的测量量和已知量表示g,得g=________.

图2

例2.(利用自由落体运动测重力加速度)(2017年新疆建设兵团二中模拟)某兴趣小组的学生准备用如图2所示的实验器材测定小球下落时的重力加速度,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.实验步骤如下.

(1) 使用游标卡尺测量出小球的直径D.

(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的时间为Δt,则小球经过光电门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、v4个物理量之间的关系为h=________.

小结:从2018年考题看,同一年有江苏、海南两地试卷考核了重力加速度的测量;从江苏省考题看,近10年考核了两次.测量重力加速度的方法很多,除上述两例的方法外,还有用弹簧秤和已知质量的钩码测量、用斜面上物体运动测量、用单摆或圆锥摆测量、用滴水法或闪光相片测量等,因此考题情境比较丰富．这些测量重力加速度的方法,有的较粗略,有的较精确,有的可以实际操作,有的其实是不易操作但原理上是合理的“理想实验”,这些方法多数是力学知识的综合运用,对这些问题的分析有利于加深学生对基础知识的理解,培养学生发散性思维.

2.2 测动摩擦因数问题

例3.(利用平衡条件测定动摩擦因数)(2018年全国卷Ⅱ)某学生用图3 (a)所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数.跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连,滑轮和木块间的细线保持水平,在木块上方放置砝码.缓慢向左拉动水平放置的木板,当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时,弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小.某次实验所得数据在表4中给出,其中f4的值可从图(b)中弹簧秤的示数读出.回答下列问题.

图3

表1

(1)f4=________N;

(2) 在图(c)的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f-m图线;

(3)f与m、木块质量M、木板与木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式为f=________,f-m图线(直线)的斜率的表达式为k=________;

(4) 取g=9.80 m/s2,由绘出的f-m图线求得μ=________.(保留2位有效数字)

解析: (1) 2.75.(2) 如图4所示.(3) 由实验原理可得f=μ(M+m)g, 因此f-m图线的斜率为k=μg. (4) 0.40.

图4

例4.(利用动能定理测定动摩擦因数)(2017年焦作模拟)某物理兴趣实验小组的学生在测量一铁块与一长木板之间的动摩擦因数时,该小组的同学首先将待测定的长木板水平固定,将另一长木板倾斜固定,两长木板间用一小段光滑的轨道衔接,如图5(甲)所示.请回答下列问题.

图5

(1) 将铁块由距离水平面h高度处由静止释放,经测量在粗糙的长木板上滑行的距离为x时速度减为0,如果保持斜面的倾角不变,改变铁块释放的高度,并测出多组数据,忽略铁块与倾斜的长木板之间的摩擦力.现以h为横坐标、x为纵坐标,则由以上数据画出的图像的特点应为______.

(2) 在实际中铁块与倾斜的长木板之间的摩擦力是不可忽略的,为了测定铁块与两长木板间的动摩擦因数,该小组的学生逐渐地减小斜面的倾角,每次仍将铁块由静止释放,但每次铁块释放位置距水平面的高度记为h,将释放点与两长木板的衔接点的水平间距记为L.将经过多次测量的数据描绘在x-h的坐标系中,得到的图线如图5(乙)所示,则铁块与倾斜的长木板之间的动摩擦因数为μ1=________,铁块与水平的长木板之间的动摩擦因数为μ2=________.(结果用图中以及题干中的字母表示)

(2) 对铁块运动的全程,运用动能定理有

mgh-μ1mgcosθx1-μ2mgx=0(θ为倾斜木板的倾角)

由几何关系得到L=x1cosθ,得到

小结:近几年测量动摩擦因数的创新实验逐渐增多,已成为高考中新的热点之一．除上述两例外,还有应用动力学方法测量、用功能关系测量等．这类探究实验注重对实验原理和实验测量方法的考查与应用,内容不拘泥于教材和考纲,重点考查学生的实验探究和创新思维能力.学生在分析“测量动摩擦因数”实验中,应首先明确实验所应用的原理,灵活运用所学力学知识认真分析各物理量之间的联系,尤其是牛顿运动定律和功能关系,在这类问题的分析解决中理解实验的思路,提升解决实验问题的能力.

2.3 平衡摩擦力问题与质量关系问题

高考力学实验大量出现“小车(滑块等)+砝码(砂、沙、重物、水等)”模型,考核内容涉及到研究匀变速运动、验证牛顿第二定律、验证机械能守恒定律、探究动能定理、验证动量守恒定律等多个实验.其中考查中最常见的两个问题,也是比较困扰学生的问题就是:用水平运动的小车和砝码的装置实验要不要平衡摩擦力?要不要满足砝码(砂、沙、重物、水)的质量m远小于小车(滑块)M?

图6

例5.某学生利用如图6装置研究小车的匀变速直线运动,实验中必须的措施是______.

(A) 细线必须与长木板平行.

(B) 先接通电源再释放小车.

(C) 小车的质量远大于钩码的质量.

(D) 平衡小车与长木板间的摩擦力.

解析:答案:(A)、(B).本题中只要保证小车做匀变速运动即可,无须保证小车质量远大于钩码的质量,选项(C)错误;同理,小车与长木板间可以有不变的摩擦力,无须平衡摩擦力,选项(D)错误.

例6.(镇江市2011届高三一模拟)某学生利用如图7所示的装置来验证由小车与钩码组成的系统机械能守恒

图7

(1) 现提供如下器材:

(A) 小车. (B) 钩码. (C) 一端带滑轮的长木板. (D) 细绳. (E) 电火花打点计时器. (F) 纸带. (G) 毫米刻度尺. (H) 游标卡尺. (I) 低压交流电源. (J) 220 V交流电源.

实验中不需要的器材是____________(填写器材前的字母),还需要的器材是____________.

(2) 为尽可能消除摩擦力对本实验的影响,使验证结果尽可能准确,则小车质量M和钩码质量m的关系应该满足____________.

(3) 小明和小军同学在做该实验时,小明认为只要采用平衡摩擦力的方法将摩擦力平衡掉就可以了,无须满足(2)问中小车质量M和钩码质量m的关系,而小军却否认小明的看法,你认为小明的看法________(选填“正确”或“不正确”),理由是________________.

解析: (1) H I；天平. (2)M≪m. (3) 不正确；因为平衡摩擦力后,摩擦力还做负功,系统机械能不守恒.

小结:从以上各例可见,要不要平衡摩擦力与要不要满足m≪M,需要引导学生关注以下4个方面.

(1) 关注实验目的.如测量什么?验证什么?如研究小车匀变速运动规律就不需要平衡摩擦力,也不需要满足m≪M,但研究牛顿第二定律时将砝码重力近似为绳子拉力,则需要满足m≪M; (2) 关注实验原理.找出物理量之间的关系,才能得到正确结论;(3) 关注实验器材.如用什么测量力?用气垫导轨还是普通平面?研究牛顿第二定律时,用力的传感器测力,则不需要满足m≪M; (4) 关注数据处理.如有没有近似?有没有忽略?摩擦力对本实验有没有影响?如例6,平衡摩擦力后,摩擦力还做负功,系统机械能不守恒,所以仅靠平衡摩擦力不能达到验证机械能守恒实验的条件．

3 结语

物理是一门以实验为基础的自然科学,实验是探索“万物之理”的基本手段和不可替代的方法之一.正因如此,实验在物理学习和物理考试中都有举足轻重的地位.概括起来,“实验与探究能力”主要考核学生以下四个方面的能力:基本原理和实验方法、仪器使用和数据分析、发现问题和制定方案、问题解决和实验设计.这四方面能力培养,恰是提高“科学探究”素养的关键所在.

高考试题的立意, 以“立德树人、服务选拔、导向教学”为主旨,关注学生物理核心素养,所以教师也要从物理核心素养的视角去分析高考实验题.近几年来高考试题中出现的物理实验题,一方面注重基本仪器的掌握与基本实验的理解,一方面注重知识的灵活应用,仪器的选择、实验的设计都对知识的综合性与灵活性有较高的要求,对能力层次的考查有所提高.这也意味着学生除了认真掌握每一个实验的原理、器材、步骤,构建起一定的实验整体知识体系外,还要有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法,从不同的角度进行思路的拓展,对基本方法和技能进行强化,加强前后联系,着力领悟实验的设计思想、所运用的科学方法、规范的操作程序,并从实际出发做合理的创新和创新改进,培养较强的实验分析能力与解决问题的能力,全面提升科学探究的素养.