高考力学实验复习串讲
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[摘 要]力学实验是每年高考的必考点，也是学生得分率比较低的一个地方，而考纲规定要考的力学实验有七个之多，为了有效提升力学实验的复习效率，第三轮复习时，可以将整个力学实验串起来讲。可从实验原理、实验器材的使用、实验数据处理、近年全国高考力学实验的考查情况以及实验误差分析五个方面对力学实验做一个系统的归纳。
[关键词]力学实验;实验原理;数据处理
[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2019）08-0042-02
每年高考一个力学实验、一个电学实验是必然会出现的，但从历年高考情况来看实验是大多数考生的一个痛点。高考实验题往往来源于教材而又高于教材，因此，理解教材中的实验原理，并运用实验原理分析解决实验问题是提高高考得分率的关键。细细数来，高考考纲中规定的力学实验有7个，分别是：实验一、研究匀变速直线运动;实验二、探究弹力和弹簧伸长的关系;实验三、验证力的平行四边形定则;实验四、验证牛顿运动定律;实验五、探究动能定律;实验六、验证机械能守恒定律;实验七、验证动量守恒定律。在复习力学实验的时候，教师应帮助学生理顺各实验之间的联系，以提高学生解答力学实验题的能力。接下来从以下五个方面来谈谈高三后期力学实验复习。
一、力学实验原理
纵观考纲要求的七个力学实验，各个实验的原理均有不同，但细细梳理发现这些实验可以归纳为运动类和形变类。下面就这两类实验谈谈实验原理的共同之处。
1.运动类
运动类的实验有“研究匀变速直线运动”“验证牛顿运动定律”“探究动能定律”“验证机械能守恒定律”“验证动量守恒定律”。运动类实验占考纲规定实验的5/7。这些实验的基本原理、实验目的各有不同，但是不难发现这些实验需要测量的物理量都是与运动相关的长度、速度和加速度，因此，这类实验的过程有着很大的相似之处。实验中基本原理以及需要注意的问题也非常相似，如驗证牛顿第二定律和探究动能定律都有可能涉及通过适当垫高木板的一端来平衡摩擦，使拉力等于小车（物块）所受的合力;为了使拉力等于悬挂物的重力;一是要使绳与木板平行，二是保证小车（物块）的质量远大于悬挂物的质量，且都可以采用在小车（物块）侧添加力传感器来回避这种方式带来的系统误差。又如，验证机械能守恒定律和验证动量守恒定律都涉及量的守恒，它们要测量的量也很相近，还都可以采用平抛等方式把速度转换成水平位移等其他量来实现。
2.形变类
形变类实验有“探究弹力和弹簧伸长的关系”“验证力的平行四边形定则”。其中第一个实验直接探究弹簧弹力与形变量的关系，原理较简单。第二个实验变化的方式很多，但原理基本相同，常通过一个力作用在物体（橡皮筋）上产生的效果和两个力一起作用在物体（橡皮筋）上所产生的作用效果相同，利用图示法，根据平行四边形定则作出两个力作用时的合力，再将其与一个力作用时的力图示重合度进行比较，从而验证平行四边形定则。
二、实验器材及使用
根据力学实验原理中需要测量的物理量，其常用的物理实验器材有以下几类：
1.长度测量类。常用测量工具有刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器。长度的测量只需掌握这三种工具的使用方法即可。游标卡尺、螺旋测微器考题出现的频率较高。
2.力测量类。仅涉及弹簧秤或力的传感器的使用，弹簧秤的读数应注意估读，力的传感器可直接读数。
3.速度测量类。涉及的工具或方法较多，变化也多，是高考命题热点。测速度的器材和方法有：
（1）打点计时器法、频闪照相法是测量物体运动速度的两种常用方法，利用其中一套装置便可以完成研究匀变速直线运动、验证牛顿运动定律、探究动能定律、验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律五个实验中的速度测量。一套装置能够完成五个实验的速度测量，因此，打点计时器法或频闪照相法成了高考命题者关注的一个知识点。在教学中，教师要让学生理解这两种装置的工作原理及操作使用的注意事项。如，在利用打点计时器的实验中常涉及的先通电再释放纸带，无论哪一个实验都是如此。
（2）光电门测速是利用挡光片的宽度除以挡光时间测速度，即[v=dΔt ]。
（3）利用平抛运动或功能关系实现位移或高度与速度的转化，如验证动量守恒定律时，就常将平抛运动的速度转化为平抛运动的水平位移来处理。
4.时间测量类。测量时间最常见的工具是秒表，但从历年的考题来看很少考，有时需通过光电计时器或自由落体来测量时间。
三、实验数据的处理
力学实验数据处理常用的方法有计算法、图像法、作图法，其中作图法仅出现在验证力的平行四边形定则，图像法常用于探究弹簧弹力与形变量的关系、探究物体的加速度与力和质量的关系（牛顿运动定律）以及探究力做功与动能的关系（动能定理）三个实验，在用图像法处理问题时，一是要会描点作图;二是要会利用图像获取信息解决相应问题。相较而言，计算法的使用最为频繁，如打点计时器打出的纸带上数据的处理。
考题中出现的纸带上点间距的表述方式有两种，两种方式的处理方法理论上是一致的，但形式上有一定的区别。在处理纸带上的数据时应注意以下几个问题。
1.点间距为相邻的两点间的距离
如上图，通过纸带给定的数据，求第四点的速度和物体的加速度。
2.一点到相邻各点的距离
例如，通过纸带给定数据，求D点的速度和物体的加速度。
3.计时点与计数点的区别
在数据处理过程中还应提醒学生注意计时点与计数点的区别，两个计数点间隔的计时即为T的取值，以及点间距的单位。 频闪照相法数据的处理方式与纸带上数据的处理方式类似，学生只要能够掌握速度和加速度纸带类问题的处理方法，频闪照相问题也能轻松解决。
四、近年全国高考力学实验的考查情况
高考实验来源于考纲规定的实验，但不局限于这些实验，它的创新主要体现在：实验器材的等效与替代，实验结论的拓展与延伸，试题情景的设计与创新，实验数据的拓展及应用等方面。现将近五年高考全国卷力学实验题考查情况简单归纳如下：
从上表可以发现高考力学实验考查的不仅是考纲规定的七个原实验，更多的是考查原实验的原理及相关实验设备器材的运用，也就是说，考查的知识点、实验技能和方向变化不大，但考查内容呈现的方式会有所不同。打点计时器所打出的纸带上的数据处理、弹簧类问题出现的频率很高，且实验题基本上都是在原实验的基础上有一定的创新，有的学生在考试过程中一看到是陌生的创新实验就怯场，因此，得分率很低。其实只要掌握了基本的实验方法、实验原理，创新型实验并不可怕，这就要求教师在教学过程中，要培养学生的实验能力和学科素养。
五、实验误差分析
实验误差分为偶然误差和系统误差，偶然误差的处理方法相对单一，可用多次測量取平均值或作图法来减小;系统误差及成因分析是高考常见的命题点，在力学实验中常见的有：
1.把重物重力当成拉力类的问题，在设计该问题的实验中，实际上忽略了重物自身获得的加速度的影响，实际拉力都小于重物的重力。
2.验证机械能守恒定律实验中，由于空气阻力，纸带与打点计时器间的摩擦力等因素的影响，动能的增加小于减小的重力势能。
3.光电门测量的速度比真实值偏小，利用光电门测量速度实际是把平均速度当成了瞬时速度，也可以说把中间时刻的速度当成中间位置的速度，因此测量值比真实值偏小。
当然，类似的系统误差还有很多，教师在教学时应引导学生关注这类问题，授学生以渔，这样，学生自然就能找到系统误差的成因，找到减少或消除系统误差的办法。
综合以上所谈各点，回顾2018年全国卷的力学实验题（题目略），发现这些实验题都属于创新实验，在Ⅰ卷中创新性地采用游标卡尺来测量长度，但原理却仍属于考纲中列举的探究弹簧弹力与形变量的实验，巧妙地将长度的测量工具游标卡尺的读数融入其中，该题的难度系数不大。Ⅱ卷中把力学实验作为大实验进行考查，属于理论创新型实验，考查了弹簧秤的读数、图像法处理数据、函数与图像的结合等问题，对学生的实验能力要求较高，难度系数相对较大。Ⅲ卷考查的是自由落体测定反应时间，不在考纲规定的几个实验之列，但是实验原理比较简单，容易应对，第三问属于开放式提问，要求学生对该实验误差产生原因有充分的认识，能提出具体的减小误差的方案。由此可见，高考对学生的能力要求是比较高的，因此培养学生的实验能力就显得格外的重要。
[ 参 考 文 献 ]
教育部考试中心.2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲（物理）[M].北京：高等教育出版社，2018.
（责任编辑 易志毅）
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