張林

[摘? ?要]力學(xué)實(shí)驗(yàn)是每年高考的必考點(diǎn)，也是學(xué)生得分率比較低的一個(gè)地方，而考綱規(guī)定要考的力學(xué)實(shí)驗(yàn)有七個(gè)之多，為了有效提升力學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)效率，第三輪復(fù)習(xí)時(shí)，可以將整個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)串起來(lái)講?？蓮膶?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材的使用、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、近年全國(guó)高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查情況以及實(shí)驗(yàn)誤差分析五個(gè)方面對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)做一個(gè)系統(tǒng)的歸納。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)原理;數(shù)據(jù)處理

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）08-0042-02

每年高考一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、一個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)是必然會(huì)出現(xiàn)的，但從歷年高考情況來(lái)看實(shí)驗(yàn)是大多數(shù)考生的一個(gè)痛點(diǎn)。高考實(shí)驗(yàn)題往往來(lái)源于教材而又高于教材，因此，理解教材中的實(shí)驗(yàn)原理，并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)原理分析解決實(shí)驗(yàn)問題是提高高考得分率的關(guān)鍵。細(xì)細(xì)數(shù)來(lái)，高考考綱中規(guī)定的力學(xué)實(shí)驗(yàn)有7個(gè)，分別是：實(shí)驗(yàn)一、研究勻變速直線運(yùn)動(dòng);實(shí)驗(yàn)二、探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系;實(shí)驗(yàn)三、驗(yàn)證力的平行四邊形定則;實(shí)驗(yàn)四、驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律;實(shí)驗(yàn)五、探究動(dòng)能定律;實(shí)驗(yàn)六、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律;實(shí)驗(yàn)七、驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。在復(fù)習(xí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師應(yīng)幫助學(xué)生理順各實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系，以提高學(xué)生解答力學(xué)實(shí)驗(yàn)題的能力。接下來(lái)從以下五個(gè)方面來(lái)談?wù)劯呷笃诹W(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)。

一、力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理

縱觀考綱要求的七個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理均有不同，但細(xì)細(xì)梳理發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)可以歸納為運(yùn)動(dòng)類和形變類。下面就這兩類實(shí)驗(yàn)談?wù)剬?shí)驗(yàn)原理的共同之處。

1.運(yùn)動(dòng)類

運(yùn)動(dòng)類的實(shí)驗(yàn)有“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”“探究動(dòng)能定律”“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”。運(yùn)動(dòng)類實(shí)驗(yàn)占考綱規(guī)定實(shí)驗(yàn)的5/7。這些實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康母饔胁煌?，但是不難發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理量都是與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的長(zhǎng)度、速度和加速度，因此，這類實(shí)驗(yàn)的過(guò)程有著很大的相似之處。實(shí)驗(yàn)中基本原理以及需要注意的問題也非常相似，如驗(yàn)證牛頓第二定律和探究動(dòng)能定律都有可能涉及通過(guò)適當(dāng)墊高木板的一端來(lái)平衡摩擦，使拉力等于小車（物塊）所受的合力;為了使拉力等于懸掛物的重力;一是要使繩與木板平行，二是保證小車（物塊）的質(zhì)量遠(yuǎn)大于懸掛物的質(zhì)量，且都可以采用在小車（物塊）側(cè)添加力傳感器來(lái)回避這種方式帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。又如，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律和驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律都涉及量的守恒，它們要測(cè)量的量也很相近，還都可以采用平拋等方式把速度轉(zhuǎn)換成水平位移等其他量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.形變類

形變類實(shí)驗(yàn)有“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系”“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”。其中第一個(gè)實(shí)驗(yàn)直接探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系，原理較簡(jiǎn)單。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)變化的方式很多，但原理基本相同，常通過(guò)一個(gè)力作用在物體（橡皮筋）上產(chǎn)生的效果和兩個(gè)力一起作用在物體（橡皮筋）上所產(chǎn)生的作用效果相同，利用圖示法，根據(jù)平行四邊形定則作出兩個(gè)力作用時(shí)的合力，再將其與一個(gè)力作用時(shí)的力圖示重合度進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證平行四邊形定則。

二、實(shí)驗(yàn)器材及使用

根據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理中需要測(cè)量的物理量，其常用的物理實(shí)驗(yàn)器材有以下幾類：

1.長(zhǎng)度測(cè)量類。常用測(cè)量工具有刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器。長(zhǎng)度的測(cè)量只需掌握這三種工具的使用方法即可。游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器考題出現(xiàn)的頻率較高。

2.力測(cè)量類。僅涉及彈簧秤或力的傳感器的使用，彈簧秤的讀數(shù)應(yīng)注意估讀，力的傳感器可直接讀數(shù)。

3.速度測(cè)量類。涉及的工具或方法較多，變化也多，是高考命題熱點(diǎn)。測(cè)速度的器材和方法有：

（1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法、頻閃照相法是測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度的兩種常用方法，利用其中一套裝置便可以完成研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)、驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律、探究動(dòng)能定律、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律五個(gè)實(shí)驗(yàn)中的速度測(cè)量。一套裝置能夠完成五個(gè)實(shí)驗(yàn)的速度測(cè)量，因此，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法或頻閃照相法成了高考命題者關(guān)注的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)中，教師要讓學(xué)生理解這兩種裝置的工作原理及操作使用的注意事項(xiàng)。如，在利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)中常涉及的先通電再釋放紙帶，無(wú)論哪一個(gè)實(shí)驗(yàn)都是如此。

（2）光電門測(cè)速是利用擋光片的寬度除以擋光時(shí)間測(cè)速度，即[v=dΔt ]。

（3）利用平拋運(yùn)動(dòng)或功能關(guān)系實(shí)現(xiàn)位移或高度與速度的轉(zhuǎn)化，如驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律時(shí)，就常將平拋運(yùn)動(dòng)的速度轉(zhuǎn)化為平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移來(lái)處理。

4.時(shí)間測(cè)量類。測(cè)量時(shí)間最常見的工具是秒表，但從歷年的考題來(lái)看很少考，有時(shí)需通過(guò)光電計(jì)時(shí)器或自由落體來(lái)測(cè)量時(shí)間。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用的方法有計(jì)算法、圖像法、作圖法，其中作圖法僅出現(xiàn)在驗(yàn)證力的平行四邊形定則，圖像法常用于探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系、探究物體的加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系（牛頓運(yùn)動(dòng)定律）以及探究力做功與動(dòng)能的關(guān)系（動(dòng)能定理）三個(gè)實(shí)驗(yàn)，在用圖像法處理問題時(shí)，一是要會(huì)描點(diǎn)作圖;二是要會(huì)利用圖像獲取信息解決相應(yīng)問題。相較而言，計(jì)算法的使用最為頻繁，如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上數(shù)據(jù)的處理。

考題中出現(xiàn)的紙帶上點(diǎn)間距的表述方式有兩種，兩種方式的處理方法理論上是一致的，但形式上有一定的區(qū)別。在處理紙帶上的數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

1.點(diǎn)間距為相鄰的兩點(diǎn)間的距離

如上圖，通過(guò)紙帶給定的數(shù)據(jù)，求第四點(diǎn)的速度和物體的加速度。

2.一點(diǎn)到相鄰各點(diǎn)的距離

例如，通過(guò)紙帶給定數(shù)據(jù)，求D點(diǎn)的速度和物體的加速度。

3.計(jì)時(shí)點(diǎn)與計(jì)數(shù)點(diǎn)的區(qū)別

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中還應(yīng)提醒學(xué)生注意計(jì)時(shí)點(diǎn)與計(jì)數(shù)點(diǎn)的區(qū)別，兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間隔的計(jì)時(shí)即為T的取值，以及點(diǎn)間距的單位。

頻閃照相法數(shù)據(jù)的處理方式與紙帶上數(shù)據(jù)的處理方式類似，學(xué)生只要能夠掌握速度和加速度紙帶類問題的處理方法，頻閃照相問題也能輕松解決。

四、近年全國(guó)高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查情況

高考實(shí)驗(yàn)來(lái)源于考綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)，但不局限于這些實(shí)驗(yàn)，它的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：實(shí)驗(yàn)器材的等效與替代，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的拓展與延伸，試題情景的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的拓展及應(yīng)用等方面?，F(xiàn)將近五年高考全國(guó)卷力學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查情況簡(jiǎn)單歸納如下：

從上表可以發(fā)現(xiàn)高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)考查的不僅是考綱規(guī)定的七個(gè)原實(shí)驗(yàn)，更多的是考查原實(shí)驗(yàn)的原理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材的運(yùn)用，也就是說(shuō)，考查的知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)技能和方向變化不大，但考查內(nèi)容呈現(xiàn)的方式會(huì)有所不同。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打出的紙帶上的數(shù)據(jù)處理、彈簧類問題出現(xiàn)的頻率很高，且實(shí)驗(yàn)題基本上都是在原實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上有一定的創(chuàng)新，有的學(xué)生在考試過(guò)程中一看到是陌生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)就怯場(chǎng)，因此，得分率很低。其實(shí)只要掌握了基本的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)并不可怕，這就要求教師在教學(xué)過(guò)程中，要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯W(xué)科素養(yǎng)。

五、實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差，偶然誤差的處理方法相對(duì)單一，可用多次測(cè)量取平均值或作圖法來(lái)減小;系統(tǒng)誤差及成因分析是高考常見的命題點(diǎn)，在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的有：

1.把重物重力當(dāng)成拉力類的問題，在設(shè)計(jì)該問題的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際上忽略了重物自身獲得的加速度的影響，實(shí)際拉力都小于重物的重力。

2.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中，由于空氣阻力，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦力等因素的影響，動(dòng)能的增加小于減小的重力勢(shì)能。

3.光電門測(cè)量的速度比真實(shí)值偏小，利用光電門測(cè)量速度實(shí)際是把平均速度當(dāng)成了瞬時(shí)速度，也可以說(shuō)把中間時(shí)刻的速度當(dāng)成中間位置的速度，因此測(cè)量值比真實(shí)值偏小。

當(dāng)然，類似的系統(tǒng)誤差還有很多，教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注這類問題，授學(xué)生以漁，這樣，學(xué)生自然就能找到系統(tǒng)誤差的成因，找到減少或消除系統(tǒng)誤差的辦法。

綜合以上所談各點(diǎn)，回顧2018年全國(guó)卷的力學(xué)實(shí)驗(yàn)題（題目略），發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)題都屬于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，在Ⅰ卷中創(chuàng)新性地采用游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度，但原理卻仍屬于考綱中列舉的探究彈簧彈力與形變量的實(shí)驗(yàn)，巧妙地將長(zhǎng)度的測(cè)量工具游標(biāo)卡尺的讀數(shù)融入其中，該題的難度系數(shù)不大。Ⅱ卷中把力學(xué)實(shí)驗(yàn)作為大實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考查，屬于理論創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，考查了彈簧秤的讀數(shù)、圖像法處理數(shù)據(jù)、函數(shù)與圖像的結(jié)合等問題，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ筝^高，難度系數(shù)相對(duì)較大。Ⅲ卷考查的是自由落體測(cè)定反應(yīng)時(shí)間，不在考綱規(guī)定的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)之列，但是實(shí)驗(yàn)原理比較簡(jiǎn)單，容易應(yīng)對(duì)，第三問屬于開放式提問，要求學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生原因有充分的認(rèn)識(shí)，能提出具體的減小誤差的方案。由此可見，高考對(duì)學(xué)生的能力要求是比較高的，因此培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰惋@得格外的重要。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

教育部考試中心.2018年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱（物理）[M].北京：高等教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 易志毅）