張成清

物理實(shí)驗(yàn)是高中物理的一個(gè)重要組成部分，實(shí)驗(yàn)中滲透了很多物理學(xué)的基本思想和研究問題的基本方法，學(xué)好、做好物理實(shí)驗(yàn)既能幫助考生解決理論上不易理解的問題，又能開拓考生的思維，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理概念和規(guī)律的升華。近三年廣東省物理科高考考試說明中對(duì)物理實(shí)驗(yàn)有明確的要求，實(shí)驗(yàn)題的分值占物理科總分的18%，比新課標(biāo)前的比例還要大，這種高考要求告訴我們加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)的重要性。在高考復(fù)習(xí)備考的過程中，應(yīng)有計(jì)劃、有步驟進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)，使考生從復(fù)習(xí)中真正獲取解答實(shí)驗(yàn)問題的能力和方法。

從近幾年全國各地的高考物理試題中可以看到，物理實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考題，其特點(diǎn)是在高考要求的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，加入了一些創(chuàng)新因素，要求考生能利用必須掌握的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法，通過自己的理解解答相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)問題。這類實(shí)驗(yàn)跟驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和測(cè)定性實(shí)驗(yàn)相比，在實(shí)驗(yàn)的能力考查上要求要高一些，但在難度上比設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)要容易一些，因此，學(xué)生在解答這類實(shí)驗(yàn)問題時(shí)，答對(duì)率能達(dá)到60%左右，可以說，這類實(shí)驗(yàn)既能考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ帜苓_(dá)到選拔的功能，應(yīng)該是今后幾年高考的重點(diǎn)。

前幾年考生害怕電學(xué)實(shí)驗(yàn)（得分率很低），而對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)比較有心得（得分率相對(duì)較高），從廣東高考統(tǒng)計(jì)的成績來看，廣東高考的物理實(shí)驗(yàn)題考生的得分發(fā)生了一些微妙的變化，考生在力學(xué)實(shí)驗(yàn)的解答中出現(xiàn)了一些問題，其答對(duì)率反而低于電學(xué)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)以上的兩類問題，以下筆者就《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》和《探究動(dòng)能定理》這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)談?wù)剟?chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)備考策略。

一、對(duì)《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》和《探究動(dòng)能定理》的理解

《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》主要是通過某種給定的實(shí)驗(yàn)方法，采用合理的手段對(duì)某些情況下物體的機(jī)械能是否守恒進(jìn)行驗(yàn)證，在高考要求中，該實(shí)驗(yàn)主要考查的內(nèi)容有以下幾點(diǎn)。第一，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的合理性：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足守恒的條件，當(dāng)條件不能滿足時(shí)，必須改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，直到守恒的條件能滿足或者基本滿足，這是高考考查的一個(gè)考點(diǎn)；第二，實(shí)驗(yàn)器材選擇的基本要求：由于空氣阻力和其它阻力的存在，在選擇實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，必須考慮選擇物體時(shí)要盡可能使阻力的影響可以忽略，這個(gè)也是高考考查的一個(gè)考點(diǎn)；第三，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基本方法：記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何進(jìn)行合理的處理得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是高考試題的命題方向之一；第四，正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的誤差分析：實(shí)驗(yàn)是有誤差的，實(shí)驗(yàn)誤差的來源及減少實(shí)驗(yàn)誤差的措施是近幾年高考考題的熱點(diǎn)，要能找出實(shí)驗(yàn)誤差的真正所在，再通過恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)方法盡可能減少實(shí)驗(yàn)誤差。

《探究動(dòng)能定理》是一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，在新課標(biāo)的高考中，很多省的高考試題中出現(xiàn)了該探究實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)時(shí)應(yīng)引起高度的重視。該探究實(shí)驗(yàn)中高考考查的主要問題有這樣幾個(gè)方面。第一，注意探究的方法，盡可能創(chuàng)造條件完成實(shí)驗(yàn)；第二，在可能的情況下，可以忽略一些次要因素的影響；第三，采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄌ幚韺?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論；第四，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置分析實(shí)驗(yàn)誤差，并通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件提高實(shí)驗(yàn)的精度。

二、正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》的實(shí)驗(yàn)中是利用數(shù)據(jù)來說明機(jī)械能是否守恒，因此，數(shù)據(jù)處理是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理中主要涉及準(zhǔn)確的計(jì)算、按照實(shí)驗(yàn)的要求合理保留有效數(shù)字、利用計(jì)算的結(jié)果得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論等。

【案例1】某同學(xué)用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間=9.80m/s2。實(shí)驗(yàn)中該同學(xué)得到的一條點(diǎn)跡清晰的完整紙帶如圖2所示。紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)記為O，另選連續(xù)的三個(gè)點(diǎn)A、B、C進(jìn)行測(cè)量，圖中給出了這三個(gè)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離hA、hB和hC的值?；卮鹣铝袉栴}（計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字）

（1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)，重物速度的大小vB= m/s；

（2）通過分析該同學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律？簡要說明分析的依據(jù)。

【分析】（1）根據(jù)紙帶上記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以直接利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式計(jì)算重物速度的大小，在計(jì)算時(shí)注意單位的換算，在有效數(shù)字的處理上，注意實(shí)驗(yàn)的要求.

（2）試題中明確說明了紙帶上的O點(diǎn)為第一個(gè)點(diǎn)，因此，v0=0，可以通過計(jì)算B點(diǎn)的動(dòng)能得到動(dòng)能的增加量，在判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)，允許實(shí)驗(yàn)誤差的存在.

【思路】（1）由vB=知，vB=3.90m/s.

（2）設(shè)重物質(zhì)量為m，OB對(duì)應(yīng)的下落過程中重力勢(shì)能減少量為ΔEP=mghB=7.70mJ，動(dòng)能增加量為ΔEk=mvB 2 =7.61mJ.

結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為相等，因此驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.

【答案】（1）3.90；（2）ΔEP=mghB=7.70mJ，ΔEk=mvB 2 =7.61mJ.

在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為相等，因此驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.

【反思】本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，有兩個(gè)方面的問題需要正確理解。第一，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求保留3位有效數(shù)字；第二，在重物的質(zhì)量m未知的情況下，在驗(yàn)證時(shí)可用含有m的表達(dá)式表示動(dòng)能和勢(shì)能的大小。

三、利用驗(yàn)證機(jī)械能守恒的思路進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是新課標(biāo)模式下高考的重點(diǎn)，其創(chuàng)新的思想方法必須要掌握，利用機(jī)械能守恒進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是一個(gè)新的舉措，實(shí)驗(yàn)問題不一定很難，但創(chuàng)新的思想很重要。

【案例2】我國艦載飛機(jī)在“遼寧艦”上成功著艦后，某課外活動(dòng)小組對(duì)艦載飛機(jī)利用阻攔索著艦的力學(xué)問題很感興趣。他們找來了木板、鋼球、鐵釘、橡皮條以及墨水，制作了如圖3所示的裝置，準(zhǔn)備定量研究鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離與被阻攔前速率的關(guān)系。要達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，需直接測(cè)量的物理量是鋼球由靜止釋放時(shí)的 和在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離，還必須增加的一種實(shí)驗(yàn)器材是 。忽略鋼球所受的摩擦力和空氣阻力，重力加速度已知，根據(jù) 定律（定理），可得到鋼球被阻攔前的速率。

【分析】（1）在忽略鋼球所受的摩擦力和空氣阻力的條件下，可以認(rèn)為鋼球在釋放時(shí)相對(duì)于水平木板的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鋼球的動(dòng)能（剛到達(dá)橡皮條），之后，鋼球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮條的彈性勢(shì)能，因此，既可以利用機(jī)械能守恒定律得到鋼球被阻攔前的速率，也可以利用動(dòng)能定理探究鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離與被阻攔前速率的關(guān)系。

（2）為了獲取鋼球被阻攔前的速率及鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離與被阻攔前速率的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)中要利用刻度尺測(cè)量有關(guān)的長度（鋼球剛釋放時(shí)到水平木板的高度及鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離。

【答案】距水平木板的高度，刻度尺，機(jī)械能守恒（動(dòng)能）。

【反思】本實(shí)驗(yàn)雖然是一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)的難度不大，在實(shí)驗(yàn)中不需要求推出鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離與被阻攔前速率的關(guān)系式，這在一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)的難度。只要明確實(shí)驗(yàn)的基本原理，能進(jìn)行簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就不難得到正確的答案.

四、創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件完成實(shí)驗(yàn)

【案例3】“探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中（裝置如圖4）：

（1）下列說法哪一項(xiàng)是正確的 。（填選項(xiàng)前字母）

A. 平衡摩擦力時(shí)必須將鉤碼通過細(xì)線掛在小車上

B. 為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)大于小車質(zhì)量

C. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器由靜止釋放

（2）圖5是實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶的一部分，選取O、A、B、C計(jì)數(shù)點(diǎn)，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率為50Hz，則打B點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度大小為

m/s（保留三位有效數(shù)字）。

【分析】本實(shí)驗(yàn)中由于細(xì)線拉力做功使小車動(dòng)能發(fā)生改變，問題是影響小車動(dòng)能改變的因素還有摩擦力，同時(shí)也沒有很好的辦法計(jì)算細(xì)線拉力的大小，只能用鉤碼的重力替代細(xì)線拉力，因此，在實(shí)驗(yàn)中必須創(chuàng)設(shè)兩個(gè)條件，才能完成實(shí)驗(yàn)。第一，將摩擦力的影響消除；第二，合理調(diào)整鉤碼質(zhì)量與小車質(zhì)量關(guān)系，使鉤碼的重力能替代細(xì)線拉力。

【思路】（1）在平衡摩擦力時(shí)，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)墊木的位置，使小車在沒有任何牽引的條件下能在傾斜的木板上作勻速運(yùn)動(dòng)，答案A錯(cuò)；設(shè)鉤碼質(zhì)量與小車質(zhì)量分別為m1、m2，由F=ma可以計(jì)算出T=m1g，可見，當(dāng)m1？塏m2時(shí)，T=m1g，答案B錯(cuò)；為了使紙帶能盡可能多記錄小車的運(yùn)動(dòng)信息，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器由靜止釋放，答案C正確。

【答案】（1）C；（2）0.653。

【反思】用圖示的實(shí)驗(yàn)裝置直接探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系有一定的難度，因?yàn)橛绊懶≤噭?dòng)能的因素太多，很難直接得到恒力的大小，為了完成實(shí)驗(yàn)，只能在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)造條件，減少或盡可能消除次要因素的影響才能完成該實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方法在其它物理實(shí)驗(yàn)中也有所體現(xiàn)，這也是高考試題中一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考查的熱點(diǎn)，在復(fù)習(xí)備考中要高度重視。

五、正確理解實(shí)驗(yàn)條件，變換思路進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)

【案例4】如圖6所示是某同學(xué)做“探究做功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。他將光電門固定在直軌道上的O點(diǎn)，用同一重物通過細(xì)線拉同一小車，每次小車都從不同位置由靜止釋放，各位置A、B、C、D、E、F、G（圖中只標(biāo)出了O、G）離O點(diǎn)的距離d分別為8cm、16cm、24cm、32cm、40cm、48cm，56cm。

（1）該實(shí)驗(yàn)是否需要測(cè)量重物的重力 （填“需要”或“不需要”）；

（2）該實(shí)驗(yàn)是否必須平衡摩擦力？ （填“是”或“否”）；

（3）為了探究做功與速度變化的規(guī)律，依次得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表所示。請(qǐng)?jiān)诜礁窦垉?nèi)描點(diǎn)作出v2-d圖象；

（4）從圖像得到的直接結(jié)論是 ，從而間接得到做功與物體速度變化的規(guī)律是 。

【分析】本實(shí)驗(yàn)是完成探究做功與速度變化的關(guān)系，小車運(yùn)動(dòng)的速度可以利用遮光條的寬度和通過光電門的時(shí)間較為精確的計(jì)算出來，由于引起小車速度變化的因素較多，從實(shí)驗(yàn)的條件來看，無法直接得到外力對(duì)小車做的功。從另一個(gè)角度看，不管小車從哪個(gè)位置由靜止釋放，對(duì)小車做功的合力是恒力，根據(jù)恒力做功的規(guī)律及圖示的裝置，可以利用小車的釋放點(diǎn)到光電門的距離d替代外力對(duì)小車做的功，再研究小車的速度與距離d的關(guān)系也能探究做功與速度變化的關(guān)系。

【思路】（1）該實(shí)驗(yàn)不需要測(cè)量重物的重力，因?yàn)槔K子拉力和滑動(dòng)摩擦力只要是恒力就可以利用位移替代合力做功判斷合力做功與速度變化的關(guān)系，不需要計(jì)算合力做功的大??；

（2）該實(shí)驗(yàn)不需要平衡摩擦力，原因與（1）相同；

（3）利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)，再將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)用直線連接，如圖所示；

（4）由圖象可知，d與v2成正比，而d可以認(rèn)為是合力做功的大小，可見，在初速度為零的條件下，力對(duì)物體做功與物體速度的平方成正比.

【答案】（1）不需要；（2）否；（3）如上圖所示；（4）d與v2成正比，在初速度為零的條件下，力對(duì)物體做功與物體速度的平方成正比。

【反思】（1）用位移替代力對(duì)物體做功是一個(gè)新的嘗試，可以通過探究位移與速度的關(guān)系得到力對(duì)物體做功與物體速度的關(guān)系，這里突出體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)思維的轉(zhuǎn)換；

（2）探究實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)是其不可預(yù)測(cè)性，本題作圖時(shí)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)可能有偏差，要舍去一些偏差較大的點(diǎn)，再將圖線進(jìn)行正確連接，才可以得到正確結(jié)論。

物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)不僅需要掌握常規(guī)的實(shí)驗(yàn)原理、方法和數(shù)據(jù)處理的能力，更重要的是能根據(jù)實(shí)驗(yàn)的器材和條件能解決一些創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)問題，提高自身“閱讀”實(shí)驗(yàn)的能力。近幾年的高考實(shí)驗(yàn)題作出了一些調(diào)整，著重考查實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)、過程及“閱讀”實(shí)驗(yàn)的能力，你必須要知道別人為什么要這樣完成某實(shí)驗(yàn)（“閱讀”實(shí)驗(yàn)），這種調(diào)整降低了實(shí)驗(yàn)的難度，使實(shí)驗(yàn)題的得分率有所提高，在高考復(fù)習(xí)備考過程中，要注意這樣一些變化，提高實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)效率，以獲取最好的復(fù)習(xí)效果。

責(zé)任編輯 李平安