浙江

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是永恒的主題。通過書面的實(shí)驗(yàn)考試，既能考查平時實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效，又能考查學(xué)生實(shí)際操作的能力，這是眾多考試命題者(尤其是高考命題者)所傾注心血、絞盡腦汁的課題。在每年的高考實(shí)驗(yàn)試題中，都會出現(xiàn)一些創(chuàng)新性的好題，特別是高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題中，除了考查平時要求的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)外，還在以下六個方面進(jìn)行了拓展和創(chuàng)新，這些試題既考查了實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，又指明了今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向。

一、選用新器材

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過增加一些現(xiàn)代科技產(chǎn)品，從而改變實(shí)驗(yàn)條件，以求提高實(shí)驗(yàn)效果。特別是傳感器、高新產(chǎn)品等新器材的加入，改善了之前實(shí)驗(yàn)精度的不足，之前不能完成的實(shí)驗(yàn)也可以正常進(jìn)行。解答這類問題時，要注意弄清新器材對實(shí)驗(yàn)帶來的新影響，再結(jié)合平時掌握的實(shí)驗(yàn)知識和相關(guān)的物理規(guī)律，問題往往都會迎刃而解。

【例1】(2020年江蘇卷)疫情期間“停課不停學(xué)”，小明同學(xué)在家自主開展實(shí)驗(yàn)探究。用手機(jī)拍攝物體自由下落的視頻，得到分幀圖片，利用圖片中小球的位置來測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，?shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

(1)家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球，其中最適合用作實(shí)驗(yàn)中下落物體的是________。

(2)下列主要操作步驟的正確順序是____________。(填寫各步驟前的序號)

①把刻度尺豎直固定在墻上

②捏住小球，從刻度尺旁靜止釋放

③手機(jī)固定在三角架上，調(diào)整好手機(jī)鏡頭的位置

④打開手機(jī)攝像功能，開始攝像

(4)在某次實(shí)驗(yàn)中，小明釋放小球時手稍有晃動，視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向。從該視頻中截取圖片，________(填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度。

【點(diǎn)評】本題用手機(jī)代替打點(diǎn)計(jì)時器，具有計(jì)時和確定小球位置的功能，手機(jī)是現(xiàn)代人必備的通訊工具，該實(shí)驗(yàn)在本質(zhì)上與課本上的學(xué)生實(shí)驗(yàn)沒有多大區(qū)別，因此解答此題入手較容易。

二、結(jié)果有延伸

在考查課本要求的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)的原理、條件、知識作一些延伸，既可以考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力，又可以考查學(xué)生的知識應(yīng)變能力，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)考查的大方向。解答這類實(shí)驗(yàn)試題時，要注意理清實(shí)驗(yàn)結(jié)果的延伸所涉及的物理知識與物理規(guī)律，然后再運(yùn)用這些知識解決相關(guān)問題。

【例2】(2019年北京卷)用如圖3所示裝置研究平拋運(yùn)動。將白紙和復(fù)寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點(diǎn)飛出，落在水平擋板MN上。由于擋板靠近硬板一側(cè)較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側(cè)面會在白紙上擠壓出一個痕跡點(diǎn)。移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復(fù)，白紙上將留下一系列痕跡點(diǎn)。

圖3

(1)下列實(shí)驗(yàn)條件必須滿足的有________。

A.斜槽軌道光滑

B.斜槽軌道末段水平

C.擋板高度等間距變化

D.每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球

(2)為定量研究，建立以水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸的坐標(biāo)系。

a.取平拋運(yùn)動的起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將鋼球靜置于Q點(diǎn)，鋼球的________(填“最上端”“最下端”或“球心”)對應(yīng)白紙上的位置即為原點(diǎn)；在確定y軸時________(填“需要”或“不需要”)y軸與重垂線平行。

圖4

(3)為了得到平拋物體的運(yùn)動軌跡，同學(xué)們還提出了以下三種方案，其中可行的是________。

A.從細(xì)管水平噴出穩(wěn)定的細(xì)水柱，拍攝照片，即可得到平拋運(yùn)動軌跡

B.用頻閃照相在同一底片上記錄平拋小球在不同時刻的位置，平滑連接各位置，即可得到平拋運(yùn)動軌跡

C.將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置，筆尖緊靠白紙板，鉛筆以一定初速度水平拋出，將會在白紙上留下筆尖的平拋運(yùn)動軌跡

(4)伽利略曾研究過平拋運(yùn)動，他推斷：從同一炮臺水平發(fā)射的炮彈，如果不受空氣阻力，不論它們能射多遠(yuǎn)，在空中飛行的時間都一樣。這實(shí)際上揭示了平拋物體________。

A.在水平方向上做勻速直線運(yùn)動

B.在豎直方向上做自由落體運(yùn)動

C.在下落過程中機(jī)械能守恒

(5)牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)就一次比一次遠(yuǎn)，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動，成為人造地球衛(wèi)星。

同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會從做平拋運(yùn)動逐漸變?yōu)樽鰣A周運(yùn)動，請分析原因。

【點(diǎn)評】本實(shí)驗(yàn)雖然與平時的平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)有一些差異，即鋼球做平拋運(yùn)動時位置確定的方法有所變化，但考查的都是熟悉的平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容，解決起來并不難。此題在考查常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合伽利略的推斷和牛頓的設(shè)想，將平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)拓展到對平拋運(yùn)動的研究和發(fā)射人造衛(wèi)星的原理上，既培養(yǎng)了興趣，又拓展了知識。

三、情景有拓展

以課本上的學(xué)生實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，依托相關(guān)的物理規(guī)律，對實(shí)驗(yàn)情景的設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新。解決此類問題時，要善于把握實(shí)驗(yàn)新情景的特點(diǎn)，找出與課本上實(shí)驗(yàn)的相通之處，再運(yùn)用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行解答。

【例3】(2020年7月浙江卷)做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時，如圖5是教材中的實(shí)驗(yàn)方案；如圖6是拓展方案，其實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

圖5

圖6

(Ⅰ)掛上托盤和砝碼，改變木板的傾角，使質(zhì)量為M的小車拖著紙帶沿木板勻速下滑；

(Ⅱ)取下托盤和砝碼，測出其總質(zhì)量為m，讓小車沿木板下滑，測出加速度a；

(Ⅲ)改變砝碼質(zhì)量和木板傾角，多次測量，通過作圖可得到a-F的關(guān)系。

(1)實(shí)驗(yàn)獲得如圖7所示的紙帶，計(jì)數(shù)點(diǎn)a、b、c、d、e、f間均有四個點(diǎn)未畫出，則在打d點(diǎn)時小車的速度大小vd=________m/s(保留2位有效數(shù)字)；

圖7

(2)需要滿足條件M?m的方案是________(填“圖5”“圖6”或“圖5和圖6”)；在作a-F圖像時，把mg作為F值的是________(填“圖5”“圖6”或“圖5和圖6”)。

【點(diǎn)評】本題結(jié)合課本上的驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)，在小車所受到的拉力的情景上有所創(chuàng)新，但如果平時認(rèn)真做過這個實(shí)驗(yàn)，并準(zhǔn)確掌握了這個實(shí)驗(yàn)的原理，同時能熟練應(yīng)用牛頓第二定律解決問題，那么，正確解答這道實(shí)驗(yàn)題必將順風(fēng)順?biāo)?/p>

四、原理有變化

在實(shí)驗(yàn)考查中，根據(jù)相關(guān)的物理規(guī)律，對某個實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)情景和實(shí)驗(yàn)條件的創(chuàng)新，使得在實(shí)驗(yàn)原理上有所變化，甚至運(yùn)用了完全不同于課本上的實(shí)驗(yàn)裝置和原理，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?yīng)變能力和綜合運(yùn)用物理知識的能力。解決此類問題時，要善于把握實(shí)驗(yàn)新情景和新條件的特點(diǎn)，找出與課本上實(shí)驗(yàn)的相通之處，再結(jié)合相關(guān)的物理規(guī)律，從而迅速確定實(shí)驗(yàn)的原理和方法。

圖8

【例4】(2020年全國Ⅱ卷)一細(xì)繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖8所示。一實(shí)驗(yàn)小組用此裝置測量小球B運(yùn)動的加速度。

令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0=0.590 m，下降一段距離后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的時間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為a=________m/s2(保留3位有效數(shù)字)。

從實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間=9.80 m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算可得小球B加速度的大小為a′=________m/s2(保留3位有效數(shù)字)。

可以看出，a′與a有明顯差異，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：_____________。

【點(diǎn)評】在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，測定加速度是通過小車在拉力作用下做加速運(yùn)動，用打點(diǎn)計(jì)時器記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再運(yùn)用運(yùn)動學(xué)公式求出結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)題運(yùn)用典型的連接體裝置，結(jié)合勻變速直線運(yùn)動規(guī)律和牛頓第二定律求解加速度，并對測出的加速度和理論計(jì)算得到的加速度進(jìn)行比較和分析。

五、巧用小實(shí)驗(yàn)

課本中的小實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)等作為實(shí)驗(yàn)考查的素材，結(jié)合相關(guān)的物理規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)考查內(nèi)容，這也是一類很好的考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑囶}，不僅可以考查實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力，而且也可以考查實(shí)際操作的能力。解答這類試題時，要善于分析實(shí)驗(yàn)的情景，理清實(shí)驗(yàn)的原理，注意熟練應(yīng)用相關(guān)的物理規(guī)律。

【例5】(2018全國Ⅲ卷)甲、乙兩同學(xué)通過下面的實(shí)驗(yàn)測量人的反應(yīng)時間。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)甲用兩個手指輕輕捏住量程為L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L1，重力加速度大小為g，則乙的反應(yīng)時間為________(用L、L1和g表示)。

(3)已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=9.80 m/s2，L=30.0 cm，L1=10.4 cm，乙的反應(yīng)時間為________s。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

(4)寫出一條提高測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的建議：____________________。

(4)為了提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，可以采用多次測量取平均值的方法，以減小實(shí)驗(yàn)的偶然誤差；初始時乙的手指盡可能接近尺子，以減小實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

【點(diǎn)評】本實(shí)驗(yàn)屬于課本中的一個小實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)情景熟悉，解答的難度不大，但如果沒有良好的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，要寫出一條提高測量準(zhǔn)確程度的建議并不容易。

六、創(chuàng)設(shè)新實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)設(shè)全新的實(shí)驗(yàn)問題，即非課本上要求的學(xué)生實(shí)驗(yàn)或者演示實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用所學(xué)的物理知識、實(shí)驗(yàn)方法、用過的儀器進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰瓦w移能力的目的。解答這類實(shí)驗(yàn)題，務(wù)必重視對實(shí)驗(yàn)情景和實(shí)驗(yàn)條件的分析，弄清實(shí)驗(yàn)的目的和實(shí)驗(yàn)的原理，善于發(fā)揮平時培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，善于?gòu)建實(shí)驗(yàn)問題與物理規(guī)律的關(guān)系。

【例6】(2020年全國Ⅰ卷)某同學(xué)用如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證動量定理，所用器材包括：氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計(jì)算機(jī)相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。

圖9

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)開動氣泵，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊，當(dāng)滑塊上的遮光片經(jīng)過兩個光電門的遮光時間________時，可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1、滑塊(含遮光片)的質(zhì)量m2；

(3)用細(xì)線跨過輕質(zhì)定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細(xì)線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運(yùn)動，和計(jì)算機(jī)連接的光電門能測量出遮光片經(jīng)過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運(yùn)動到B所用的時間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運(yùn)動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________；(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)

(6)某次測量得到的一組數(shù)據(jù)為：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。計(jì)算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1；(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)