雷光娟

(江蘇省青陽高級中學(xué) 江蘇 無錫 214401)

盧 煒

(江蘇省南菁高級中學(xué) 江蘇 無錫 214437)

2018年高考已經(jīng)結(jié)束,其力學(xué)實驗題為：利用滑輪測定重力加速度g. 本題是在經(jīng)典的物理模型——阿特伍德模型上的創(chuàng)新．該題考查了考生對質(zhì)量不計理想模型的建構(gòu)、熟練找到物理量之間的關(guān)系并運用所學(xué)牛頓第二定律的相關(guān)知識進行推導(dǎo)的能力,用高中校園常見的橡皮泥這一生活物品來解決實驗中遇到的實際問題的技能.這道力學(xué)實驗題是在學(xué)生很熟悉的常規(guī)實驗“探究加速度和力、質(zhì)量間關(guān)系”的基礎(chǔ)上更深層次的改編．從而引導(dǎo)學(xué)生重視實驗原理的理解、重視實驗的規(guī)范和技能的鍛煉、努力提高探究能力,同時為教師課堂實驗教學(xué)提供指導(dǎo).

本題涉及滑輪和繩子之間的摩擦，對學(xué)生應(yīng)用物理原理解決實際問題的能力進行了有效的考查．

1 高考實驗題分析

【原題】某同學(xué)利用如圖1所示的實驗裝置來測量重力加速度g.細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質(zhì)滑輪,兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘.實驗操作如下：

①用米尺量出重錘1底端距地面的高度H;

②在重錘1上加上質(zhì)量為m的小鉤碼;

③左手將重錘2壓在地面上,保持系統(tǒng)靜止.釋放重錘2,同時右手開啟秒表,在重錘1落地時停止計時,記錄下落時間;

④重復(fù)測量3次下落時間,取其平均值作為測量值t.

圖1 測量重力加速度實驗裝置示意圖

請回答下列問題:

(1)步驟④可以減小對下落時間t測量的______(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差.

(2)實驗要求小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小很多, 主要是為了______.

A.使H測得更準確

B.使重錘1下落的時間長一些

C.使系統(tǒng)的總質(zhì)量近似等于2M

D.使細繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

(3)滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差.現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差,可以怎么做?

(4)使用橡皮泥改進實驗后,重新進行實驗測量,并測出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0. 用實驗中的測量量和已知量表示g,得g=________

解析：(1)偶然誤差是指測量結(jié)果與同一待測量的大量重復(fù)測量的平均結(jié)果之差．人在讀秒表的誤差可以通過多次測量取平均值來減小.所以選偶然誤差.

(2)用秒表測量時間的時候，不可避免的誤差來自于人的反應(yīng)時間，此時可以通過增加測量時間來減小誤差，如在高度不變的情況下減小加速度，當(dāng)小鉤碼的質(zhì)量m要比重錘的質(zhì)量M小得多的時候使得條件得到滿足．在人反應(yīng)時間一定的情況下,延長測量時間能夠有效地減小相對誤差.所以選B.當(dāng)然我們還可以通過增加測量高度H來增加測量時間．

(3)繩子和滑輪摩擦阻力給實驗帶來影響,所以橡皮泥是用來平衡繩子和滑輪之間的摩擦阻力的.在重錘1 上粘上橡皮泥,調(diào)整橡皮泥質(zhì)量直至輕拉重錘1 能觀察到其勻速下落，此時摩擦阻力得到消除.

(4)設(shè)與重錘1相連的繩子的張力為T1,與重錘2相連的繩子的張力為T2，對重錘1、鉤碼、橡皮泥的整體，有

(m0+m+M)g-T1=(m0+m+M)a

對重錘2，有

T2-Mg=Ma

對與滑輪接觸的一段輕繩(質(zhì)量不計的輕繩合外力始終為零)

T1-f=T2

又因為

f=m0g

所以

根據(jù)

得到

點評：本題是一道江蘇高考常常涉及的連接體問題，學(xué)生常常在“驗證機械能守恒”的實驗中遇到此模型.命題人將實驗創(chuàng)新設(shè)計“測重力加速度g”是本題的一大亮點.誤差分析是實驗的一大關(guān)鍵,所以試題前兩問分別考查了偶然誤差和系統(tǒng)誤差、絕對誤差和相對誤差的相關(guān)知識，體現(xiàn)出出題人對實驗誤差分析的重視.第3問是對平衡摩擦力這一實驗要點的考查,這一問通過橡皮泥的重力來平衡滑輪的摩擦, 學(xué)生熟悉的方法是用調(diào)整傾斜木板的角度來平衡小車的摩擦力.此問的設(shè)計新穎獨特,展現(xiàn)了試卷命制人超高的水平和創(chuàng)新精神.最后一問通過對繩兩端物體使用牛頓第二定律求出重錘下落的加速度,然后用運動學(xué)知識,求出重力加速度g.這一問是整體法和隔離法在牛頓第二定律的靈活運用,準確得到重錘下落的加速度并不那么容易，這一問最大的亮點在于繩子的兩端拉力并不相等，這一問學(xué)生應(yīng)該敏感地意識到繩子是輕繩，取與滑輪相接觸的輕繩為研究對象，輕繩的質(zhì)量為零，不論其加速度是否為零，其合力始終為零. 此題對學(xué)生的物理思維、計算能力進行了考查,同時考查學(xué)生實驗中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力,也培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的實驗素養(yǎng).本題因為兩個重錘加速度方向不同，為了力求嚴謹我們還是避免使用所謂的整體法：將整個系統(tǒng)或整個過程作為研究對象．

2 對課堂實驗教學(xué)的感悟

在實驗課的教學(xué)過程中，教師應(yīng)該通過分析、演示、學(xué)生自己動手操作，讓學(xué)生弄清實驗原理，參與實驗過程，從而使學(xué)生掌握其中的物理規(guī)律和方法，而不是簡單直接地告知物理結(jié)論并要求記憶．從實驗的基本原理入手,掌握基本實驗儀器的使用規(guī)范從而正確操作實驗儀器,再進行實驗數(shù)據(jù)處理、誤差分析.教師要善于借助課本常規(guī)的實驗,鍛煉學(xué)生的實驗分析能力，重視學(xué)生的實驗操作,讓學(xué)生自己動手,這樣才能讓學(xué)生暴露出問題，而這些錯誤學(xué)生在做題時經(jīng)常會犯,只有通過實際操作暴露出問題并解決了，才會印象深刻．

在高考前的實驗復(fù)習(xí)教學(xué)中,教師應(yīng)該重新審視課本中出現(xiàn)的實驗,思考怎樣才能使學(xué)生從本質(zhì)上充分理解、把握實驗原理，掌握實驗過程．筆者認為，可以通過對實驗器材的整合和實驗方法的比較來深化學(xué)生的理解．只有真正理解了原理，學(xué)生在遇到自己熟悉的物理模型的時候才不會輕易下筆，遇到不熟悉的物理模型也不會無從下筆．例如：在“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實驗中,要讓學(xué)生能夠通過牛頓第二定律計算出繩子中的拉力,然后分析出為什么需要m?M，以及為什么需要平衡摩擦力，而不是單純地去記“平衡摩擦力”及“m?M”這兩個實驗要點.高考實驗中探究性實驗的出現(xiàn)已經(jīng)成為常態(tài),因此教師要以基本器材、基本實驗為基點,拓展問題可能呈現(xiàn)的形式,挖掘問題的視角,設(shè)置探究實驗的情境，這樣才能真正培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力，才能讓學(xué)生真正學(xué)會探究從而提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

3 結(jié)束語

對于高中物理實驗的教學(xué),教師首先應(yīng)該立足基礎(chǔ),突出問題的過程與細節(jié),重視學(xué)生的動手能力和參與程度，逐步滲透物理思想.在探究性實驗中,要鼓勵學(xué)生創(chuàng)新,讓學(xué)生大膽質(zhì)疑、猜想,勇敢地提出實驗的新方法、新措施,放手讓學(xué)生設(shè)計,允許學(xué)生失敗，時刻銘記實驗是檢驗真理的標準和準繩.這樣才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神,提高創(chuàng)造能力,鍛煉科學(xué)的思維使方式，使得學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)得到發(fā)展.