?李樹祥

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立都必須以嚴(yán)格的物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。為了突出物理實(shí)驗(yàn)的重要性，歷年來高考對實(shí)驗(yàn)考查的力度有增無減。在近些年的高考實(shí)驗(yàn)題中，很少有與我們課本上的實(shí)驗(yàn)一模一樣的，多是立意新穎、形式多樣的對課本實(shí)驗(yàn)的改造和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，突出考查考生的綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)。面對這種情況，同學(xué)們應(yīng)該如何提高實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的效率呢？

一、重視對課本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和遷移

高考實(shí)驗(yàn)題大多源于教材，只是稍有變化。這就要求我們在復(fù)習(xí)備考時(shí)要認(rèn)真體會(huì)每個(gè)考綱規(guī)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，著重思考這些實(shí)驗(yàn)有哪些可以拓展延伸的地方，不能滿足于“知其然”，而必須“知其所以然”。例如，在探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)中，可從利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器延伸到利用位移傳感器、光電門傳感器或頻閃照相等多種方法測量速度、加速度;再如，在研究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，可以延伸到研究彈簧被壓縮或彈簧的F-x圖像等。

例1 （2014年高考全國工卷）某同學(xué)利用圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼的質(zhì)量m的對應(yīng)關(guān)系圖，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中小車（含發(fā)射器）的質(zhì)量為200g，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇了不可伸長的輕繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計(jì)算機(jī)得到，回答下列問題：

（1）根據(jù)該同學(xué)的結(jié)果，小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成 ____（選填“線性”或“非線性”）關(guān)系。

（2）由圖2可知，a-m圖像不經(jīng)過原點(diǎn)，可能的原因是____ 。

（3）若利用本實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證“在小車質(zhì)量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結(jié)論，并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，則實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取的改進(jìn)措施是 ____，鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是____.

解析：本實(shí)驗(yàn)是以現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)儀器位移傳感器為載體探究a與F、m的關(guān)系，是對教材中用懸吊重物方法探究a與F、m的關(guān)系的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（1）根據(jù)圖中描出的各點(diǎn)作出的圖像是一條曲線而不是一條直線可知，小車的加速度與鉤碼的質(zhì)量成非線性關(guān)系。

（2）根據(jù)圖2可知，當(dāng)鉤碼有一定質(zhì)量，即輕繩有一定拉力時(shí)，小車加速度仍等于0，說明小車受到的合力等于0，原因是除輕繩拉力外小車還受到摩擦力作用。

（3）實(shí)驗(yàn)應(yīng)采取的改進(jìn)措施有兩個(gè)：一個(gè)是根據(jù)圖像不過原點(diǎn)可知，需要平衡摩擦力，因此需要調(diào)整軌道傾斜度;另一個(gè)是根據(jù)圖像不是直線可知，小車受到的合力（輕繩的拉力）并不等于鉤碼的重力，因此需要減小所掛鉤碼的質(zhì)量，使得鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。

（1）由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出如圖4所示的擬合直線，圖中縱軸表示 ___。

（2）Ic的國際單位為 ____ ，由擬合直線得到Ic的值為____ （保留小數(shù)點(diǎn)后兩位）。

（3）若擺的質(zhì)量測量值偏大，則重力加速度g的測量值 ____（選填“偏大”“偏小”或“不變”）。

解析：本實(shí)驗(yàn)是課本中“用單擺測定重力加速度”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，雖然將單擺的輕質(zhì)細(xì)線改為了剛性重桿，但用圖像處理數(shù)據(jù)的方法并沒有變化。

二、明確設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的解題思路

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)通常要求考生根據(jù)給出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮推鞑模`活運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法、原理、技能，進(jìn)行創(chuàng)造性的思維，設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案、測量方法、實(shí)驗(yàn)步驟，并處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)原理的確定，它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的依據(jù)和起點(diǎn)，它決定了應(yīng)選用或還需哪些實(shí)驗(yàn)器材，應(yīng)測量哪些物理量，如何編排實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)原理的確定又往往依賴于所提供的實(shí)驗(yàn)器材（條件）和實(shí)驗(yàn)要求，它們相輔相成，互為條件。另外需要注意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精確性、安全性和可操作性。

求解設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問題的基本思路：

例3（2015年高考全國工卷）某物理小組的同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)粗測玩具小車通過凹形橋最低點(diǎn)時(shí)的速度的實(shí)驗(yàn)。所用器材有：玩具小車、壓力式托盤秤、凹形橋模擬器（圓弧部分的半徑R =0. 20 m）。

完成下列填空：

（1）將凹形橋模擬器靜置于托盤秤上，如圖5甲所示，托盤秤的示數(shù)為1.00 kg。

（2）將玩具小車靜置于凹形橋模擬器最低點(diǎn)時(shí)，托盤秤的示數(shù)如圖5乙所示，該示數(shù)為____ kg。

（3）將小車從凹形橋模擬器某一位置釋放，小車經(jīng)過最低點(diǎn)后滑向另一側(cè)。此過程中托盤秤的最大示數(shù)為m;多次從同一位置釋放小車，記錄各次的m值，如表2所示。

（4）根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求出小車經(jīng)過凹形橋最低點(diǎn)時(shí)對橋的壓力為 ___ N;小車通過最低點(diǎn)時(shí)的速度大小為____ m/s。（重力加速度大小取9. 80 m/s2，計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

解析：本實(shí)驗(yàn)的原理是物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要向心力，且指向圓心方向的合外力提供向心力，即F徑臺(tái)=man=m v2/R，據(jù)此結(jié)合儀器讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，就比較容易解答了。

（2）根據(jù)秤盤指針可知，其量程是10 kg，因此指針?biāo)甘緮?shù)為1. 40 kg。

（4）記錄的托盤秤各次示數(shù)不相同，為減小誤差，取平均值，即m =1. 81 kg。凹形橋模擬器的重力G=m'g =9. 80 N，因此小車經(jīng)過凹形橋最低點(diǎn)時(shí)對橋的壓力N'=N=mg-m' g=7.9 N。小車受到的沿半徑方向的合力提供向心力，即7.9 N-（1. 40 kg1. 00 kg）×9.80 m/s2=（1. 40 kg-l.00 kg）.-v/R，將R=0. 20 m代人解得v=1.4 m/s。

例4 （2014年高考福建卷）某研究性學(xué)習(xí)小組利用伏安法測定某一電池組的電動(dòng)勢和內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示，其中，虛線框內(nèi)為用靈敏電流計(jì)G改裝的電流表A，V為標(biāo)準(zhǔn)電壓表，E為待測電池組，S為開關(guān)，R為滑動(dòng)變阻器，R0是標(biāo)稱值為4.0 Ω的定值電阻。

（l）已知靈敏電流計(jì)G的滿偏電流Ig=100μA、內(nèi)阻r2=2.0kΩ，若要改裝后的電流表滿偏電流為200 mA，應(yīng)并聯(lián)一只 ___Ω（保留一位小數(shù)）的定值電阻R1。

（2）根據(jù)圖6，用筆畫線代替導(dǎo)線將圖7連接成完整電路。

（3）某次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表3所示。

該小組借鑒“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)中計(jì)算加速度的方法（逐差法），計(jì)算出電池組的內(nèi)阻r=__Ω保留兩位小數(shù)）;為減小偶然誤差，逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點(diǎn)是 ___。

（4）該小組在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為探究圖6電路中各元器件的實(shí)際阻值對測量結(jié)果的影響，用一已知電動(dòng)勢和內(nèi)阻的標(biāo)準(zhǔn)電池組，通過上述方法多次測量后發(fā)現(xiàn)：電動(dòng)勢的測量值與已知值幾乎相同，但內(nèi)阻的測量值總是偏大。若測量過程無誤，則內(nèi)阻測量值總是偏大的原因是__ 。

A.電壓表內(nèi)阻的影響

B.滑動(dòng)變阻器的最大阻值偏小

C.R1的實(shí)際阻值比計(jì)算值偏小

D.R0的實(shí)際阻值比標(biāo)稱值偏大

解析：本實(shí)驗(yàn)的原理是串、并聯(lián)電路知識(shí)和歐姆定律，據(jù)此結(jié)合逐差法就可解答了。

（4）由E=U+I（R0+r）可知，由于電壓表內(nèi)阻的影響，導(dǎo)致通過電源的電流比測量值偏小，故內(nèi)阻測量值總是偏大，選項(xiàng)A正確。滑動(dòng)變阻器的阻值不會(huì)影響內(nèi)阻r的測量結(jié)果，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。電表改裝時(shí)，R1的實(shí)際阻值比計(jì)算值偏小，可導(dǎo)致通過表頭的電流偏小，電流表讀數(shù)偏小，故內(nèi)阻測量值總是偏大，選項(xiàng)C正確。由E=U+I（R0+r）可知，R0的實(shí)際阻值比標(biāo)稱值偏大，可導(dǎo)致內(nèi)阻測量值總是偏大，選項(xiàng)D正確。

總結(jié)：高考對實(shí)驗(yàn)的考查不會(huì)超出“三個(gè)掌握，五個(gè)會(huì)”的范圍，即掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、步驟、原理;會(huì)控制條件、會(huì)使用儀器、會(huì)觀察分析、會(huì)處理數(shù)據(jù)并得出相應(yīng)結(jié)論、會(huì)設(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)方案。求解設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵是明確實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)原理就是以物理規(guī)律或物理公式含有的某一物理量為研究或測量對象。因此同學(xué)們在復(fù)習(xí)備考時(shí)要抓住基本知識(shí)，在深刻理解和靈活應(yīng)用上下功夫，真正做到以不變應(yīng)萬變。

（責(zé)任編輯 張巧）