摘 要：實(shí)例解讀2018年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題具有注重基本儀器的使用與讀數(shù)、注重基本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與變化、注重實(shí)驗(yàn)思想與方法的遷移與應(yīng)用、注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理等特點(diǎn)，探索高考物理實(shí)驗(yàn)備考策略.

關(guān)鍵詞：高考；力學(xué)實(shí)驗(yàn)；特點(diǎn)分析；備考啟示

作者簡(jiǎn)介：許文（1966-），湖北洪湖人，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理高考與競(jìng)賽.

2018年高考物理實(shí)驗(yàn)題仍以力學(xué)、電學(xué)為主要內(nèi)容，分兩題考查，且力、電實(shí)驗(yàn)并重，分值在15分左右.題型一般為填空、選擇、作圖、簡(jiǎn)答等，考查類型以基礎(chǔ)應(yīng)用、原理遷移、創(chuàng)新設(shè)計(jì)為主.要求考生理解實(shí)驗(yàn)原理、用實(shí)驗(yàn)方法解決新穎靈活的相關(guān)物理問題，強(qiáng)化對(duì)考生創(chuàng)新能力及探究能力的考查.本文通過實(shí)例分析2018年高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)題特點(diǎn)，探討2019年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)備考策略.

一、考綱要求與試題概述

物理考綱中明確要求考生掌握的七個(gè)力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)是：（1）研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)；（2）探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系；（3）驗(yàn)證力的平行四邊形定則；（4）探究加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系；（5）探究動(dòng)能定理；（6）驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律；（7）驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.2018年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查的主要內(nèi)容如下表.

從上表中可以看出，高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)考查對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、遷移與創(chuàng)新.利用已學(xué)過的知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材或?qū)嶒?yàn)方法加以重組，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段與測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案解決新問題，突出實(shí)驗(yàn)原理的遷移、測(cè)量方法的遷移、數(shù)據(jù)處理方法的遷移（用圖象法分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）等.

二、試題特點(diǎn)與備考啟示

1.注重基本儀器的使用與讀數(shù)

2018年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)全國(guó)卷I考查了游標(biāo)卡尺讀數(shù)；全國(guó)卷Ⅱ、天津卷考查了彈簧測(cè)力計(jì)的使用與讀數(shù)；北京卷考查了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用及紙帶的測(cè)量與計(jì)算等.力學(xué)實(shí)驗(yàn)中基本儀器的使用與物理量的測(cè)量方法如下表.

表2

待測(cè)量測(cè)量器材方法說明

長(zhǎng)度刻度尺毫米刻度尺精度為1 mm，讀數(shù)時(shí)應(yīng)估讀到01 mm

游標(biāo)卡尺（1）讀數(shù)：測(cè)量值= 固定刻度上指示的毫米數(shù)+精度×游標(biāo)尺對(duì)齊的格數(shù)

（2）精度：10分度的游標(biāo)卡尺精度為01 mm，20分度的游標(biāo)卡尺精度為005 mm，50分度的游標(biāo)卡尺精度為002 mm.

（3）游標(biāo)卡尺不估讀

螺旋測(cè)微器（1）讀數(shù)：測(cè)量值=主尺上指示的毫米數(shù)（注意半毫米刻線是否露出）+精度×轉(zhuǎn)動(dòng)圓筒上與主尺中心刻線所對(duì)應(yīng)的刻度值（注意刻度值要估讀）

（2）精度：螺旋測(cè)微器精度為001 mm

時(shí)間機(jī)械秒表讀到01s （不需要估讀）

打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（1）t=nT（n表示打點(diǎn)的時(shí)間間隔的個(gè)數(shù)，T表示打點(diǎn)周期）

（2）打點(diǎn)周期與所接交流電周期相同

光電計(jì)時(shí)器光電計(jì)時(shí)器能自動(dòng)記錄擋光時(shí)間，顯示在讀數(shù)窗口

力彈簧測(cè)力計(jì)力的大小=精度×指針指示的格數(shù)（估讀到最小刻度的下一位）

速度打點(diǎn)紙帶若紙帶做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，則打某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度等于對(duì)應(yīng)的平均速度

頻閃照相利用等時(shí)間間隔照片信息記錄物體在不同時(shí)刻的位置

光電門（1）v0=dΔt（d表示滑塊上擋光片寬度，Δt表示擋光片擋光時(shí)間）

（2）擋光片的寬度d很小，可用平均速度表示其瞬時(shí)速度

2.注重基本實(shí)驗(yàn)的變化與創(chuàng)新

21 對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理與測(cè)量器材、測(cè)量手段的改進(jìn)

例1 （2018全國(guó)卷Ⅰ第22題）如圖1（a），一彈簧上端固定在支架頂端，下端懸掛一托盤；一標(biāo)尺由游標(biāo)和主尺構(gòu)成，主尺豎直固定在彈簧左邊；托盤上方固定有一能與游標(biāo)刻度線準(zhǔn)確對(duì)齊的裝置，簡(jiǎn)化為圖中指針.

現(xiàn)要測(cè)量圖1（a ）中彈簧的勁度系數(shù).當(dāng)托盤內(nèi)沒有砝碼時(shí)，移動(dòng)游標(biāo)，使其零刻度對(duì)準(zhǔn)指針，此時(shí)標(biāo)尺讀數(shù)為1950 cm；當(dāng)托盤內(nèi)放有質(zhì)量為0100kg的砝碼時(shí)，移動(dòng)游標(biāo)，再次使其零刻度對(duì)準(zhǔn)指針，標(biāo)尺示數(shù)如圖1（b）所示，其讀數(shù)為cm.當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮?80 m/s2，此彈簧的勁度系數(shù)為N/m（保留3位有效數(shù)字）.

解析 圖（b）為20分度的游標(biāo)卡尺，其讀數(shù)：

37mm + 15×005mm = 3775mm = 3775cm；

由胡克定律得：Δmg=ΔF=kΔx，故k=ΔmgΔx=0100×980（3775-1950）×10-2N/m=537N/m

答案 3775；537

點(diǎn)評(píng) 本題是基本實(shí)驗(yàn)“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系”的改變與創(chuàng)新，將基本實(shí)驗(yàn)中用刻度尺測(cè)量彈簧的長(zhǎng)度改用游標(biāo)卡尺測(cè)量，以提高對(duì)彈簧長(zhǎng)度測(cè)量的精度；實(shí)驗(yàn)原理是胡克定律，但要求能將F = kx理解推廣到ΔF = kΔx.本題還考查了對(duì)有效數(shù)字的理解與應(yīng)用.

教材中的基本實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)新之本，我們?cè)趥淇紡?fù)習(xí)中不應(yīng)舍本求末，丟開教材中的基本實(shí)驗(yàn)而一味地追求一些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這樣就會(huì)感到如空中樓閣，虛無(wú)縹緲.

2.2 將基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)裝置多用

例2 （2018北京卷第21題）用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律.主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a.安裝好實(shí)驗(yàn)器材.接通電源后，讓拖著紙帶的小車沿長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)，重復(fù)幾次.

b.選出一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，找一個(gè)合適的點(diǎn)當(dāng)作計(jì)時(shí)起點(diǎn)O（t = 0），然后每隔相同的時(shí)間間隔T選取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，如圖3中A、B、C、D、E、F ……所示.

c.通過測(cè)量、計(jì)算可以得到在打A、B、C、D、E……點(diǎn)時(shí)小車的速度，分別記作v1、v2、v3、v4、v5……

d.以速度v為縱軸、時(shí)間t為橫軸建立直角坐標(biāo)系，在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，如圖4所示.

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)步驟，請(qǐng)你完成下列任務(wù)：

（1）在下列儀器和器材中，還需要使用的有和（填選項(xiàng)前的字母）.

A.電壓合適的50 Hz交流電源

B.電壓可調(diào)的直流電源

C.刻度尺

D.秒表

E.天平（含砝碼）

（2）在圖4中已標(biāo)出計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、D、E對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，請(qǐng)?jiān)谠搱D中標(biāo)出計(jì)數(shù)點(diǎn)C對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，并畫出v - t圖象.

（3）觀察v-t圖象，可以判斷小車做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，其依據(jù)是.v-t圖像斜率的物理意義是.

（4）描繪v-t圖象前，還不知道小車是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng).用平均速度ΔxΔt表示各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，從理論上講，對(duì)Δt的要求是（選填“越小越好”或“與大小無(wú)關(guān)”）；從實(shí)驗(yàn)的角度看，選取的Δx大小與速度測(cè)量的誤差（選填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”）.

（5）早在16世紀(jì)末，伽利略就猜想落體運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是均勻變化的.當(dāng)時(shí)只能靠滴水計(jì)時(shí)，為此他設(shè)計(jì)了如圖5所示的“斜面實(shí)驗(yàn)”，反復(fù)做了上百次，驗(yàn)證了他的猜想.請(qǐng)你結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，分析說明如何利用伽利略“斜面實(shí)驗(yàn)”檢驗(yàn)小球的速度是隨時(shí)間均勻變化的.

解析 （1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需用交流電源；為了計(jì)算速度需要利用刻度尺測(cè)量長(zhǎng)度.故需要的儀器選A、C；

（2）利用所給點(diǎn)跡描點(diǎn)連線，得圖象如圖6所示.其中C點(diǎn)坐標(biāo)為（3T， v3 ）；

（3）結(jié)合圖象可以看出小球速度隨時(shí)間均勻變化，所以小球做勻加速運(yùn)動(dòng)，圖象的斜率代表了運(yùn)動(dòng)加速度；

（4）Δt 越小，則ΔxΔt 越接近計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，所以Δt越小越好；計(jì)算速度需要用到Δx 的測(cè)量值，所以Δx大小與速度測(cè)量的誤差有關(guān).

（5）如果小球的初速度為零，其速度v ∝ t，那么它通過的位移x ∝t 2.因此，只要測(cè)量小球通過不同位移所用的時(shí)間，就可以檢驗(yàn)小球的速度是否隨時(shí)間均勻變化.利用滴水測(cè)時(shí)可以得到小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，并測(cè)出小球在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位移，則可以驗(yàn)證.

答案 （1）A、C；（2）如圖6所示；（3）小車的速度隨時(shí)間均勻變化，加速度；（4）越小越好，有關(guān)；（5）見解析

點(diǎn)評(píng) 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶類實(shí)驗(yàn)是力學(xué)中的基本實(shí)驗(yàn).本題實(shí)驗(yàn)裝置可以研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)；探究加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系；探究做功與速度的變化、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等.將基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行組合，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)裝置多用.處理紙帶（類紙帶）問題的基本思路和方法：（1）用相等時(shí)間內(nèi)的位移差是恒量求解未知位移；（2）用相等時(shí)間內(nèi)的位移差Δx=aT2求加速度；（3）用瞬時(shí)速度公式計(jì)算除端點(diǎn)外各點(diǎn)的瞬時(shí)速度.

2.3 用已有的知識(shí)與方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決新問題

例3 （2018全國(guó)卷Ⅲ第22題）甲、乙兩同學(xué)通過下面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量人的反應(yīng)時(shí)間.實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）甲用兩個(gè)手指輕輕捏住量程為L(zhǎng)的木尺上端，讓木尺自然下垂.乙把手放在尺的下端（位置恰好處于L刻度處，但未碰到尺），準(zhǔn)備用手指夾住下落的尺.

（2）甲在不通知乙的情況下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夾住尺子.若夾住尺子的位置刻度為L(zhǎng)1，重力加速度大小為g，則乙的反應(yīng)時(shí)間為（用L、L1和g表示）.

（3）已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=980m/s2，L=300 cm，L1=104 cm，乙的反應(yīng)時(shí)間為s.（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）

（4）寫出一條提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確程度的建議：.

解析 （2）根據(jù)題述，在乙的反應(yīng)時(shí)間t內(nèi)，尺子做自由落體運(yùn)動(dòng)下落的高度為h=L-L1，由h=12gt2，解得：t=2（L-L1）g；

（3）將題給數(shù)據(jù)代入上式得：t =020s；

（4）多次測(cè)量取平均值，或初始時(shí)乙的手指盡可能接近尺子.

答案 （2）2（L-L1）g；（3）020；（4）見解析

點(diǎn)評(píng) 測(cè)量反應(yīng)時(shí)間是教材上的一個(gè)課外小實(shí)驗(yàn).本題以教材中小實(shí)驗(yàn)切入，要求考生靈活運(yùn)用已學(xué)過的自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，分析解決實(shí)際問題，體驗(yàn)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值.

3.注重物理思想方法的遷移與應(yīng)用

例4 （2018江蘇卷第11題）某同學(xué)利用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)量重力加速度g.細(xì)繩跨過固定在鐵架臺(tái)上的輕質(zhì)滑輪，兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘.實(shí)驗(yàn)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(shí)右手開啟秒表，在重錘1落地時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄下落時(shí)間；

④重復(fù)測(cè)量3次下落時(shí)間，取其平均值作為測(cè)量值t.

請(qǐng)回答下列問題：

（1）步驟④可以減小對(duì)下落時(shí)間t測(cè)量的（選填“偶然”或“系統(tǒng)”）誤差.

（2）實(shí)驗(yàn)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(cè)得更準(zhǔn)確

B.使重錘1下落的時(shí)間長(zhǎng)一些

C.使系統(tǒng)的總質(zhì)量近似等于2M

D.使細(xì)繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

（3）滑輪的摩擦阻力會(huì)引起實(shí)驗(yàn)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(jìn)實(shí)驗(yàn)后，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并測(cè)出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0.用實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量量和已知量表示g，得g=.

解析 （1）多次測(cè)量取平均值，是減小偶然誤差的一種有效方法.

（2）本實(shí)驗(yàn)中重錘做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)原理是通過牛頓第二定律計(jì)算重錘下落的加速度，再結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求重力加速度.由于H值較小，為使時(shí)間t測(cè)量較準(zhǔn)確，應(yīng)使重錘下落時(shí)間長(zhǎng)一些，故選B.