论文部分内容阅读
摘 要：从2021年高考物理实验题，分析力学实验创新设计表现的三个方面：实验原理与方法的创新、测量手段与测量技术的创新、用已有的知识与方法解决新情景下的问题.
关键词：2021年高考试题;力学实验;创新设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0056-04
作者简介：许文（1966-），男，湖北洪湖人，本科，中学高级教师，研究方向：高中物理教学与物理竞赛.
实验探究作为物理学科核心素养，是高考物理命题的重要内容.在实验探究过程中可以发现不少有价值的问题，对问题进行引伸与探究，能扩大和巩固研究成果，使问题的研究向更深入发展，能很好地体现新课程探究式的学习要求和新高考的要求.本文通过实例分析2021年高考物理力学实验试题特点，探讨高考力学实验的创新设计.
1 力学基本实验与命题规律
1.1 基本实验
新高考物理考纲中明确要求考生掌握的8个力学基本实验：（1）研究匀变速直线运动;（2）探究弹力和弹簧伸长的关系;（3）验证力的平行四边形定则;（4）探究加速度与力、质量间的关系;（5）探究平抛运动特点;（6）探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系;（7）验证机械能守恒定律;（8）验证动量守恒定律.
1.2 命题特点
力学实验考查形式为多知识点覆盖和组合，考查力学实验的基本原理和方法，考查定性分析和定量计算相结合，并借助基本实验分析拓展创新实验，对学生的探究能力提出了较高要求.主要题型有：（1）基本实验仪器的使用，如弹簧测力计、打点计时器、游标卡尺等;（2）以纸带或者光电门为测量工具的实验，如研究匀变速直线运动、探究牛顿第二定律、验证机械能守恒定律等;（3）以弹簧为测量工具的实验，如探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则等.
1.3 命题预测
对基本实验进行创新拓展依然是今后高考物理实验考查的主要方向.主要表现在：（1）实验器材的等效与替换，如用气垫导轨代替长木板、光电门或频闪照相机代替打点计时器等;（2）实验结论的拓展与延伸，如通过实验装置测出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求动摩擦因数等;（3）实验数据的处理与分析;（4）试题情景的设计与创新.创新只在基本实验基础上做有限的变化，考查学生独立解决新问题的能力和知识迁移能力，体现新课程倡导的三维目标.
2 力学实验的创新设计
高考力学实验的创新与拓展表现在对基本实验的改进、迁移与创新.利用已学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，改进实验测量手段与测量技术，设计实验方案解决新的问题，突出实验原理的迁移、测量方法的迁移、数据处理方法的迁移（如用线性图像法分析处理实验数据），解答新情景问题，如测量重力加速度、测动摩擦因数等.
2.1 实验原理与方法的创新
例题1 （2021全国卷甲 22题）为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小铜块可在斜面上加速下滑，如图1所示.该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得5个连续相等时间间隔（每个时间间隔ΔT=0.20s）内小铜块沿斜面下滑的距离si（i=1，2，3，4，5），见表1.
由表1数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为.（结果均保留2位有效数字，重力加速度大小g=9.80m/s2）
答案：0.43;0.32.
点评：本题是基本实验“研究匀变速直线运动”的改变与创新，将基本实验中用打点计时器与纸带测物体做匀变速运动的加速度，改成用手机拍摄小铜块沿斜面运动的一段视频，再通过视频解析得到类似于小铜块运动的频闪照片，测量小铜块在连续相等时间内运动的位移大小，并将逐差法求加速度的方法迁移;其实小铜块的加速度是由铜块的受力与质量决定的，根据牛顿第二定律得出小铜块下滑加速度的表达式，由牛顿第二定律测小铜块与斜面间的动摩擦因数.教材中的基本实验是创新之本，如果舍弃教材中的一些基本实验而一味地追求一些创新实验，这样就会感到如空中楼阁，虚无缥缈.
例题2 （2021广东卷 11题）某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数.缓冲装置如图2所示，固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角θ=30°，弹簧固定在有机玻璃管底端.实验过程如下：先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺，再将单个质量m =200g的钢球（直径略小于玻璃管内径）逐个从管口滑进，每滑进一个钢球，待弹簧静止，记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln，数据见表2.实验过程中弹簧始终处于弹性限度内.采用逐差法计算弹簧压缩量，进而计算其劲度系数.
点评：本题是基本实验“探究弹力和弹簧伸长的关系”的改变与创新，将基本实验中弹簧竖直悬挂，在其下端挂钩码，探究弹簧的伸长量与弹力的关系，改成斜面上用小钢球压弹簧探究弹簧的压缩量与弹力的关系，并将逐差法的原理迁移求弹簧的平均压缩量，理解实验原理是解题的前提，本题实验原理是力的平衡条件与胡克定律，但要求能将F=kx理解并推广到ΔF=kΔx，解题时要注意单位换算与有效数字的理解及应用.
2.2 测量手段与测量技术的创新
例题3 （2021湖南卷 11题）某实验小组利用图3所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系.主要实验步骤如下：
（1）用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图4所示，h=cm;
（2）接通气泵，将滑塊轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平;
（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度;
（4）在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数n和滑块对应的加速度a;
关键词：2021年高考试题;力学实验;创新设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0056-04
作者简介：许文（1966-），男，湖北洪湖人，本科，中学高级教师，研究方向：高中物理教学与物理竞赛.
实验探究作为物理学科核心素养，是高考物理命题的重要内容.在实验探究过程中可以发现不少有价值的问题，对问题进行引伸与探究，能扩大和巩固研究成果，使问题的研究向更深入发展，能很好地体现新课程探究式的学习要求和新高考的要求.本文通过实例分析2021年高考物理力学实验试题特点，探讨高考力学实验的创新设计.
1 力学基本实验与命题规律
1.1 基本实验
新高考物理考纲中明确要求考生掌握的8个力学基本实验：（1）研究匀变速直线运动;（2）探究弹力和弹簧伸长的关系;（3）验证力的平行四边形定则;（4）探究加速度与力、质量间的关系;（5）探究平抛运动特点;（6）探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系;（7）验证机械能守恒定律;（8）验证动量守恒定律.
1.2 命题特点
力学实验考查形式为多知识点覆盖和组合，考查力学实验的基本原理和方法，考查定性分析和定量计算相结合，并借助基本实验分析拓展创新实验，对学生的探究能力提出了较高要求.主要题型有：（1）基本实验仪器的使用，如弹簧测力计、打点计时器、游标卡尺等;（2）以纸带或者光电门为测量工具的实验，如研究匀变速直线运动、探究牛顿第二定律、验证机械能守恒定律等;（3）以弹簧为测量工具的实验，如探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则等.
1.3 命题预测
对基本实验进行创新拓展依然是今后高考物理实验考查的主要方向.主要表现在：（1）实验器材的等效与替换，如用气垫导轨代替长木板、光电门或频闪照相机代替打点计时器等;（2）实验结论的拓展与延伸，如通过实验装置测出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求动摩擦因数等;（3）实验数据的处理与分析;（4）试题情景的设计与创新.创新只在基本实验基础上做有限的变化，考查学生独立解决新问题的能力和知识迁移能力，体现新课程倡导的三维目标.
2 力学实验的创新设计
高考力学实验的创新与拓展表现在对基本实验的改进、迁移与创新.利用已学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，改进实验测量手段与测量技术，设计实验方案解决新的问题，突出实验原理的迁移、测量方法的迁移、数据处理方法的迁移（如用线性图像法分析处理实验数据），解答新情景问题，如测量重力加速度、测动摩擦因数等.
2.1 实验原理与方法的创新
例题1 （2021全国卷甲 22题）为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为α的斜面（已知sinα=0.34，cosα=0.94），小铜块可在斜面上加速下滑，如图1所示.该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得5个连续相等时间间隔（每个时间间隔ΔT=0.20s）内小铜块沿斜面下滑的距离si（i=1，2，3，4，5），见表1.
由表1数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为.（结果均保留2位有效数字，重力加速度大小g=9.80m/s2）
答案：0.43;0.32.
点评：本题是基本实验“研究匀变速直线运动”的改变与创新，将基本实验中用打点计时器与纸带测物体做匀变速运动的加速度，改成用手机拍摄小铜块沿斜面运动的一段视频，再通过视频解析得到类似于小铜块运动的频闪照片，测量小铜块在连续相等时间内运动的位移大小，并将逐差法求加速度的方法迁移;其实小铜块的加速度是由铜块的受力与质量决定的，根据牛顿第二定律得出小铜块下滑加速度的表达式，由牛顿第二定律测小铜块与斜面间的动摩擦因数.教材中的基本实验是创新之本，如果舍弃教材中的一些基本实验而一味地追求一些创新实验，这样就会感到如空中楼阁，虚无缥缈.
例题2 （2021广东卷 11题）某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数.缓冲装置如图2所示，固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角θ=30°，弹簧固定在有机玻璃管底端.实验过程如下：先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺，再将单个质量m =200g的钢球（直径略小于玻璃管内径）逐个从管口滑进，每滑进一个钢球，待弹簧静止，记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln，数据见表2.实验过程中弹簧始终处于弹性限度内.采用逐差法计算弹簧压缩量，进而计算其劲度系数.
点评：本题是基本实验“探究弹力和弹簧伸长的关系”的改变与创新，将基本实验中弹簧竖直悬挂，在其下端挂钩码，探究弹簧的伸长量与弹力的关系，改成斜面上用小钢球压弹簧探究弹簧的压缩量与弹力的关系，并将逐差法的原理迁移求弹簧的平均压缩量，理解实验原理是解题的前提，本题实验原理是力的平衡条件与胡克定律，但要求能将F=kx理解并推广到ΔF=kΔx，解题时要注意单位换算与有效数字的理解及应用.
2.2 测量手段与测量技术的创新
例题3 （2021湖南卷 11题）某实验小组利用图3所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系.主要实验步骤如下：
（1）用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图4所示，h=cm;
（2）接通气泵，将滑塊轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平;
（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度;
（4）在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数n和滑块对应的加速度a;