唐昌琳 张学良
[摘要]物理是实验科学，在高考中实验题占15分左右。命制实验题的素材基本来源于高中物理教学内容、科技前沿、课外探究和生活现象。高考物理实验题通过笔试的形式考查学生的实验探究能力、理解分析能力以及知识迁移能力。高考物理实验题多种多样，但考查的知识点都在大纲的要求之内，物理模型也是常见的。文章以近五年高考力学实验题为例，浅析物理实验试题的立意与创新，剖析物理力学实验题。
[关键词]探究能力；高考；力学实验题；实验教学
[中图分类号]G633.7[文献标识码]A[文章编号]16746058（2018）05003304
高考物理对实验的考查是基于教材上的实验内容，考查学生的基本实验技能、实验思想和实验方法，考查学生对实验的操作能力及数据的分析处理能力，考查学生对实验的不足之处进行改进創新的能力。多年来，广西高考理综物理部分的两道物理实验试题，都是一道力学题、一道电学题。这一格局已持续多年，说明力学、电学在高中物理中占有非常重要的地位，高中力学及电学知识是学习者大学继续学习理工科的重要基础。这两个模块对考生实验探究能力考查的效度与区分度都很好。本文将从“近五年高考力学实验考查分析、2018年高考力学实验复习策略、高考力学实验答题技巧”三个方面进行阐述。
一、近五年高考力学实验考查分析
近五年广西高考力学实验题考查的内容分别是：2013年“探究影响摩擦力大小的因素”；2014年“用频闪照相法研究物块的变速运动”；2015年“测量物块与斜面的动摩擦因数”；2016年“探究物体加速度与其所受合外力之间的关系”；2017年“验证力的平行四边形定则”。
统计分析近五年广西高考力学实验题的得分情况（见表1），发现得分率比较低。得分最高的是2013年，全区平均分5.5分，达到总分的45.83%。得分最低的是2014年，只有1.81分，为总分的30.17%。从近五年考试情况来看，没有一年达到50%，是不是力学实验题出得偏、怪、难呢？
现在笔者以2013年的力学实验题为例进行分析。
【例1】（2013年第23题）
测量小物块Q与
平板P之间动摩擦因数的实验装置如图1所示。AB是半径足够大的、光滑的四分之一圆弧轨道，与水平固定放置的
P板的上表面BC在B点相切，C点在水平地面的垂直投影为C′。重力加速度大小为g。实验步骤如下：
①用天平称出物块Q的质量m；
②测量出轨道AB的半径R、BC的长度L和CC′的长度h；
③将物块Q放在A点从静止释放，在物块Q落地处标记其落地点D；
④重复步骤③，共做10次；
⑤将10个落地点用一个尽量小的圆围住，用米尺测量圆心到C′的距离s。
（1）用实验中的测量量表示：（i）物块Q到达B点时的动能EkB=；
（ii）物块Q到达C点时的动能EkC=；
（iii）物块Q从B运动到C的过程中，物块Q克服摩擦力做的功Wf=；
（iv）物块Q与平板P之间的动摩擦因数μ=。
（2）回答下列问题：
（i）实验步骤④⑤的目的是；
（ii）已知实验测得的μ值比实际值偏大，其原因除了实验中测量的误差之外，其他的可能是（写出一个可能的原因即可）。
本题中小物块Q先在光滑圆弧上做变加速圆周运动，后在BC上做匀减速运动，最后再从C到D做平抛运动。物块在圆弧上从A到B的过程，由动能定理可以求出物块到达B时的动能EkB=mgR；物块离开C点后做平抛运动，由平抛运动知识可以求出物块在C点的速度
vc=sg2h
，然后求出在C点的动能
EkC=mgs24h
；从B到C，由动能定理可以求出克服摩擦力所做的功
Wf=mgR-mgs24h
；由功的计算公式
Wf=μmgL
，可以求出动摩擦因数
μ=RL-s24hL
；而多次实验的目的是为了减小实验
误差，实验测得的值比实际值偏大，其原因，除了实验中测量的误差之外，还存在其他的系统误差，可能是圆弧轨道存在摩擦、接缝B处不平滑等。
此题有6问需要完成，而且涉及滑动摩擦力、动能定理、平抛运动、功的计算、数据的处理及误差分析等知识，这就要求学生掌握较完整的高中力学知识，而且能够综合运用这些知识。现在来看这题有哪些陷阱，又有哪些地方容易出错。先看第一问，求物块到达B点时的动能，这一问大部分学生都能做得出来，这里利用机械能守恒定律或者动能定理就能正确解答，这也是高考命题者的策略，故意使题目的难度层层递进。关键是第二问，因物块从B到C的摩擦力不清楚，所以C点的速度只能由之后的平抛过程来求了。第三问，求物块克服摩擦力做的功，如果能把前面两问都做下来，则正确完成这一问的概率很大，因为它考查的知识点还是动能定理。第四问求物块与平板之间的动摩擦因数，对动摩擦因数的考查一般放在“探究动摩擦因数”的实验中，这里却是通过功能关系求解动摩擦因数，很多学生在高考这样特定环境下，想不到这一层，容易出错。还有最后两问，实验过程④、⑤的目的及误差分析，填写实验目的或者误差分析是比较简单的，但是也是比较难的，简单在于考查的知识范围比较小，而且能依靠对实验过程的理解写出每一步的实验目的，而难就难在它的表述，怎样简洁明了且符合答题要求，因此后面两问要得全分不是那么容易。
但是这道题不偏、不怪、也不难，题中涉及三个运动模型：光滑竖直面内的圆周运动、粗糙水平面上的匀减速运动、平抛运动都是学生学过的最常见的运动形式。这三个运动形式的组合是对课本实验的创新。解决此题，需要学生能较好把握高中物理知识，并能迁移运用，此题的知识内容包括了高中力学大部分的知识点，因此学生学习的过程中不能对知识点有遗漏。值得一提的是，实验步骤中的第⑤项，为了减小实验的偶然误差，通过多次实验找平均落点的方法。这个方法在研究物体的平抛运动及利用平抛运动验证动量守恒定律等实验中都要使用，当然还可迁移到其他物理量的测量中去。
2014年至2017年的力学实验题，广西平均得分就更低了，2014至2016年连续三年考了加速度的计算，加速度的计算方法多样，可以从运动求解，也可以从牛顿第二定律求解。2017年考查弹簧测力计的读数及验证力的平行四边形定则，该实验题也有创新之处，求两个分力F1、F2的合力F合与拉力F的夹角的正切值，这就是高考题的新颖之处，打破常规，灵活变通。
二、2018年高考力学实验复习策略
从2017年开始，高考物理重新将选修3-5列为必考内容，2017年在选择题中考了动量定理。动量单独拿出来作为计算题考的概率是有的，在实验中考的概率也有。对动量的考查，一方面是像之前全国统考时期一样放在力学问题中，在综合题中考查；另一方面在力学实验中考查验证动量守恒定律。高中对力学的考查要求基本恢复到新课改之前的情況。
近五年来，除了2013年同时考查了能量和运动外，其余四年的力学实验题都是对力或运动的考查，没有对能量、动量进行考查，至于2018年的力学实验题，有可能会对动能定理、机械能守恒、动量守恒、探究弹力和弹簧伸长量的关系进行考查，当然也可能重复考查运动与力。
高考力学实验主要考查学生的知识、能力、科学素养，注重理论联系实际，所以力学实验不会超纲。高考力学实验考查的内容是“研究匀变速直线运动”“探究弹力和弹簧伸长量的关系”“验证力的平行四边形定则”“验证牛顿运动定律”“探究动能定理”“验证机械能守恒定律”“验证动量守恒定律”这七个实验，注重考查学生的分析推理能力、计算能力及创新思维能力。学生在复习的过程中，要全面掌握力学知识、力学规律，并且要能够综合运用。如下面一道西南名校联考的力学实验题。
【例2】如图2，为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个滑块的碰撞是否为弹性碰撞，某同学选取两个体积相同、质量不同、与水平面的动摩擦因数相同的滑块A、B，按下述步骤做实验：
①用天平测出两个滑块的质量分别为mA、mB；
②将图示装置固定在水平面上，使圆弧形轨道末端与切线水平相接；
③先不放滑块B，让滑块A多次从圆弧轨道上某一位置
由静止释放，记下其在水平面上滑行距离的平均值x0；
④将滑块B静止置于轨道下端水平部分，仍将滑块A
从轨道上同一位置由静止释放，与滑块B碰撞，重复多次。
（1）为确保实验中滑块A不反向运动，mA、mB应满足的关系是。
（2）实验中，还需要测量的量是。
（3）用测得的物理量来表示，只要满足关系式，则说明碰撞过程中动量是守恒的。
（4）用测得的物理量来表示，只要满足关系式，则说明两滑块的碰撞是弹性碰撞。
这是验证动量守恒的实验，第一小问滑块A不反弹，则要知道A、B两个物体碰撞后以什么样的速度运动，这就要求学生理解掌握选修3-5第十六章的知识，一个质量为m1的物体以速度v1与另一个质量为m2的静止物体碰撞，如果是弹性碰撞，则碰撞后的小球速度分别为：
v′1=m1-m2m1+m2v1；
v′2=2m1m1+m2v1
。因此要确保A不反向运动，应该满足mA>mB（这一结论亦适用于非弹性碰撞）。既然是验证动量守恒，则需要知道动量守恒的公式：
mAvA=mAv′A+mBv′B
，这就要算出碰撞之前滑块A的速度vA，及碰撞之后滑块A、B的速度v′A、v′B，因此要测量碰撞之后A、B物体在水平面上滑行的距离xA，xB，由动能定理可以算出vA=
2μgx0
、v′A=2μgxA
、v′B=2μgxB
，最后满足
mAx0=mAxA+mBxB
，则说明碰撞过程中动量守恒。如果是弹性碰撞，需同时满足
mAvA=mAv′A+mBv′B
，
12mAv2A=
12mA·
v2′A+
12mBv2′B
两个方程，解这两个方程有：vA+v′A=v′B，最后
可得x0+xA=xB
，满足该式则说明两滑块的碰撞是弹性碰撞。做题之前对该实验过程要有明确的把握，每一步该用哪个知识点去解决，一定要心里有数。此题具有一定的连续性，某一小问做错，会影响后面的解题。此题的关键是要抓住题目中的“验证碰撞中的动量守恒和检验两个滑块的碰撞是否为弹性碰撞”这几个字，再回想教材中原实验模型，确定通过哪些关系式得出动量守恒定律及判断碰撞是否为弹性碰撞，最后迁移到该实验中。
2018年的考试大纲已经发布，高考对力学实验的考查，内容基本不变，主要还是前面提到的七个实验。高考复习时，对实验的复习不应是简单的重复，也不应是对实验过程、实验内容的死记硬背。笔者对近五年的力学实验题的分析研究发现，近五年高考中没有出现和教材中一样的实验，基本都是以学过的实验及其器材为基础，进行创新性改编，而且与教材中的主干知识联系紧密。这就要求考生运用学过的知识、使用过的仪器、做过的实验进行情景迁移、联想类比，然后灵活运用器材确定实验过程，依据物理规律找出各物理量之间的关系，正确解答实验题。要达到这一目的，在备考复习中建议完成下列几个方面的工作。
1.熟练掌握仪器的读数方法
牢记高中力学中使用到的测量仪器的读数规则：高中物理三个不需要估读的仪器分别是游标卡尺、秒表及电阻箱；而刻度尺、弹簧秤、温度计、天平、螺旋测微器都要估读。估读的方法：最小分度是“1”的，要估读到最小分度的下一位，按10等分估读；最小分度是“2”的，只能估读到最小分度的同一位，按2等分估读；最小分度是“5”的，只能估读到最小分度的同一位，按5等分估读。2017年广西力学实验题考查了“验证力的平行四边形定则”，该实验中考查了学生对弹簧测力计的读数（图3），答题过程中要知道弹簧秤的读数规则，按要求填写，才能做对。从图3中可以知道，该弹簧的最小分度是0.2N，因此依据上面的读数规则，可以正确读出该弹簧秤的读数为4.0N。
2.走进实验室
物理是一门以实验为基础的学科，因此要重视实验操作。不要狂刷实验题，把实验变成纸面上的实验。在复习阶段，虽然学生对高中物理的知识体系有了通盘的了解，但在备考复习时，还得重进实验室，在整个高中物理知识架构下，重新认识实验器材，再次动手做实验。这样不仅对实验器材有了新的认识，而且对实验过程的理解更加深刻，对实验中要注意的问题更加明确。例如，在“探究加速度与力、质量关系”的实验中，实验装置如图4所示，因小车与木板之间存在摩擦力，而该摩擦力又无法测量，因此需要平衡摩擦力，即将长木板没有滑轮的一端稍稍垫高，轻推小车，小车恰能在木板上做匀速直线运动，这时小车受到的摩擦力就被小车重力沿斜面方向的分力平衡掉了，这样绳子对小车的拉力就是小车所受的合力了。如果没有这一操作，加速度与力、质量的关系就难以确定了。这里也体现了物理实验中的重要思想——排除不可测量量。如果在该实验中要把托盘和托盘中重物的重力当成小车的拉力，也是有条件的，必须满足Mm（M为小车和砝码的总质量，m为托盘及其上面重物的质量）。这个条件可用牛顿第二定律反推出来，设绳的拉力为T，则mg-T=ma；T=Ma，计算得
T=mg1+m/M
，很显然当Mm时，T=mg。如果在绳子与小车的连接处安装一个力传感器，绳子对小车的拉力可以直接从传感器上读出，Mm这一条件就不需要了。
3.力学实验中频闪照片与纸带处理法
频闪照相法在力学实验中很常用，高考也常考，比如广西2014年高考就考了频闪照相法。频闪照相法一般在“研究自由落体运动”“研究匀变速直线运动”“研究平抛运动”这三个实验中出现，不管题型怎么出，要把握关键点，每两张照片的拍摄时间间隔相同，这与打点计时器打出纸带的方法是一样的，一般使用逐差法求加速度。用逐差法算加速度时一定要看清纸带上给出了几段，偶数段和奇数段计算方法不一样，如图5所示，假如为偶数段，若为6段，则
a=（x4+x5+x6）-（x1+x2+x3）9T2
。若为奇数段，则中间段往往不用，如为5段，则不用第三段，则
a=（x4+x5）-（x1+x2）6T2
。在求解纸带问题的过程中，经常要求某一点的瞬时速度，因此要用到“某段时间内，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度”这一结论，例如求图5所示的纸带的计数点3的瞬时速度，则
v=x3+x42T
，1至5个计数点的瞬时速度都可以用这个方法算出，之后画出v-t图像，v-t图像的斜率就是加速度。
4.
光电门问题
用光电门测速，在高中力学实验题中也很常见，当放置在物体上的遮光条通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当遮光条离开时停止计时，这样就记录下遮光条通过光电门的时间，根据遮光条的宽度与通过时间可计算物体通过光电门的速度。如图6所示，只要知道A、B之间的距离为l，遮光条的宽度d，物体经过光电门A和B时的遮光时间t1和t2，物体在A、B两个光电门处的速度分别为
vA=dt1
，vB=dt2，再利用速度位移公式算出物体的加速度
a=d22l
1t22-t21
。也可以通过光电门来验证机械能守恒定律，如果物体的质量为m，则只要满足
mglsinα+12m·
dt1
2=
12mdt2
2
，则说明物体下滑的过程中机械能守恒。
三、高考力学实验题的答题技巧
解答高考物理实验题是比较难的，它不像选择题，有答案可选，也不像计算题，有正确的步骤公式就有分。实验题命题形式多样，提出的问题也较多，而且问题之间连贯性很大，因此要讲究答题技巧，下面是笔者日常教学中总结的力学实验题的答题思路及技巧。
1.明确实验题的考查范围
一般力学实验题都会在题干中告知这是一个探究或者验证什么的实验，根据提示可准确联系教材中学过或做过的与之相关的实验。
【例3】（2015年广西高考力学实验题）：某同学用图7（a）所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图7（b）所示，图7（b）中标出了五个连续点之间的距离。
（1）物块下滑时的加速度a=m/s2，打C点时物块的速度v=m/s；
（2）已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是。
A.物块的质量B.斜面的高度C.斜面的倾角
题目明确告诉考生这个实验的目的是测量物块与斜面之间的动摩擦因数，再看题给的实验过程示意图是打点计时器和纸带，学生应该马上想到学过的实验“研究匀变速直线运动”“用弹簧测力计测木块间的动摩擦因数”这两个实验。该实验考查的就是加速度及动摩擦因数的计算。具体可通过纸带，运用逐差法算出物块在斜面上的加速度3.25m/s2，运用推论——做匀变速直线运动的物体中间时刻瞬时速度为整段时间内的平均速度，可算出打C点时的速度v=1.79m/s。对物块，根据牛顿第二定律，有：mgsinθ-μmgcosθ=ma，因此还需要知道斜面的倾角才能求出物块与斜面之间的动摩擦因数。
2.看清實验图像
实验题一般会有相应的实物图，或者示意图，或者图像，或者表格，其实就是告诉考生实验仪器及其组装情况，以及实验过程，考生只有在了解了这些之后，才能进行答题，否则就容易出错。同时考生也要看清题中需要你作何种图像，画图时应看清横、纵坐标轴表示的物理量、单位、标度及坐标原点。
例如，2017年北京卷：如图8所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况，利用该装置可以完成——探究动能定理的实验。第5问：假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析可知，图9中能正确反映v2-W关系的是。其中W为拉力对小车做的功，v为小车的速度。该题有一定的迷惑性，如果不找到v2与W的函数关系，凭主观猜想，在“重物质量不满足远小于小车质量的条件”的影响下，很容易错选A。根据物理规律找到二者的函数关系，问题就迎刃而解了。本题中考查的是绳子拉力对小车做功，使小车速度发生改变，根据动能定理有W=12Mv2，变形可得：v2=2WM，明显可以看出v2与W成正比，即A选项正确。
3.注重对实验过程的分析
每一个实验题都有它的设计思想和实验方法，其设计思想总包含着对已有知识的灵活运用和创造性构思。因此，对实验题的每个过程要分析透彻，每个过程适用的物理规律要明确，能做到这一点，力学实验题就不难了。
（责任编辑易志毅）
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