對一個(gè)物理高考實(shí)驗(yàn)題的教學(xué)剖析與思考

陳海

在高考備考的教學(xué)過程中，有一個(gè)往年的高考試題引起我的興趣。在興趣的驅(qū)使下，我對這一試題進(jìn)行較深入的分析，并提出自己的教學(xué)看法與思考，同大家交流。

試題：（2014高考新課標(biāo)全國卷1的第22題）某同學(xué)利用圖（a）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（b）所示。實(shí)驗(yàn)中小車（含發(fā)射器）的質(zhì)量為200 g，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇了不可伸長的輕質(zhì)細(xì)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?；卮鹣铝袉栴}：

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 （填“線性”或“非線性”）關(guān)系。

2.由圖（b）可知，a-m圖線不經(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 。

這一題目考查的是必修1中探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。該試題取材于教材的實(shí)驗(yàn)，但在設(shè)問上有一定的創(chuàng)新，也有一定的深度和層次。對于這一題目，要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的原理理解透徹，并動手參與實(shí)驗(yàn)探究方能較好地完成本題的設(shè)問。教材中安排的學(xué)生實(shí)驗(yàn)為探究實(shí)驗(yàn)，其目的是培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力、辨別分析能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)設(shè)的能力。2014高考新課標(biāo)全國卷1的這一試題恰好充分考查本探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的目標(biāo)。教材中探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用控制變量法的實(shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證加速度a、合外力F、物體質(zhì)量M三者之間的關(guān)系，在處理數(shù)據(jù)的過程中應(yīng)用a-F圖象、a-M圖象、a-1/M圖象進(jìn)行分析，其中a-M圖象為非線性圖象。本考題的第一問就是針對a-M圖象進(jìn)行設(shè)問的，屬于容易得分的問題。本實(shí)驗(yàn)還有一個(gè)要求：學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)過程中要注意的事項(xiàng)，即對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行平衡摩擦力，這一步驟學(xué)生容易遺忘或處理不當(dāng)，平衡不到位或過度平衡摩擦，在應(yīng)用a-F圖象處理數(shù)據(jù)時(shí)都會出現(xiàn)不過原點(diǎn)的特征，如沒平衡摩擦或平衡摩擦不到位時(shí)a-F圖象與F軸交于正半軸，過度平衡摩擦?xí)ra-F圖象與a軸交于正半軸。本試題的第二問就是結(jié)合這一特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)問的。雖然看似簡單，但問題具有開放性，給學(xué)生更大的想象空間，但難度同時(shí)也有所增加。教材中，當(dāng)小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)將鉤碼的重力近似為小車的合外的大小，當(dāng)小車和砝碼的總質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量的條件時(shí)，在a-1/M圖象中1/M較大時(shí)就無法滿足成一條直線的特征。這個(gè)高考試題中的第三設(shè)問就涉及平衡摩擦和小車同砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量的問題。

這個(gè)試題考查內(nèi)容比較常規(guī)，但要答好這一試題，要求學(xué)生必須認(rèn)真參與實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入的思考；要求學(xué)生必須掌握好該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到的物理思想——控制變量法；要求學(xué)生必須掌握好物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法。只有腳踏實(shí)地才能較好地掌握好本實(shí)驗(yàn)，較好地答對這一題目的設(shè)問。對于該試題有層次的設(shè)問，能有效地讓學(xué)生在腦海里再現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)過程，充分體現(xiàn)新課程的理念。

本題解題思路分析：本試題通過DIS系統(tǒng)分析加速度與合力的關(guān)系，進(jìn)而考查實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題。本題總體難度不大。由題中圖（b）容易看出，將圖中各點(diǎn)可以畫成光滑的曲線，表明小車加速度與鉤碼的質(zhì)量關(guān)系是非線性。第（2）問圖中的a-m圖線沒有過原點(diǎn)，表明小車加速度為零，但受到的拉力（鉤碼的重力）卻不為零，這是因?yàn)闆]有平衡摩擦力，合力的大小小于鉤碼的重力。由此可見，圖線沒過原點(diǎn)可能由于沒有平衡軌道的摩擦阻力或平衡不夠造成的。第（3）問如果要將鉤碼所受重力mg視為小車受到的合外力，條件是每次做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，鉤碼的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車及砝碼的總質(zhì)量，其次要平衡摩擦力即將軌道的右端墊高，利用小車沿斜面重力的分力平衡軌道受到的滑動摩擦力，再者是要保證細(xì)繩與軌道平面平行。學(xué)生在分析的過程中常會思考不周而失分，也可能對實(shí)驗(yàn)的原理理解不透徹，特別最后一問容易失分。

本題的創(chuàng)新之處是使用了DIS系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，位移傳感器代替了傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打紙帶計(jì)算加速度的方法，學(xué)生會感覺新鮮，但理解上應(yīng)該不存在障礙。再者，在試題的設(shè)問上，有一定的開放性，要求學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理全面理解，對語言的組織能力也有較大的要求。由于本試題在兩題實(shí)驗(yàn)題排在第一小題，因此在難度上相對小一些，這也是合情合理的。

在講授該題時(shí)，應(yīng)該先讓學(xué)生回憶探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識點(diǎn)，再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行審題，找出題眼。由于題意簡單，容易入手，學(xué)生讀完這一題目，很快在腦海里面形成一個(gè)該實(shí)驗(yàn)的物理模型，審?fù)觐}目中的第一問，引導(dǎo)學(xué)生回憶實(shí)驗(yàn)相關(guān)的a-F圖象、a-M圖象、a-1/M圖象，其實(shí)很容易做到，因?yàn)閷W(xué)生或多或少對圖象還有印象。對于第二問，難度較大，在講解時(shí)，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的因素，即圖象不過原點(diǎn)的原因。第三問，相對前兩問難度有一定的提升，主要是開放性的設(shè)問，學(xué)生剛審?fù)赀@一問開始會有些蒙，因此在分析時(shí)應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)條件——鉤碼的重力遠(yuǎn)大于小車和砝碼的重力。學(xué)生如果明白這一點(diǎn)，再有點(diǎn)語言功底，要答好這一題應(yīng)該不難了。對于鉤碼要滿足的條件學(xué)生較容易解答出來，但對改進(jìn)措施的解答就要求學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)誤差有比較深刻的理解，方能較完整地解答出來。

該實(shí)驗(yàn)的考查也是一個(gè)較熱的考點(diǎn)。往年也較多出現(xiàn)，如2012年大綱版全國卷，2012年安徽高考卷等。

總而言之，驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)由于其特殊物理學(xué)史的地位，因此該實(shí)驗(yàn)不僅是教學(xué)中的重要知識點(diǎn)，也是考試中備受青睞的重要考點(diǎn)。因此，在教學(xué)中不僅要教學(xué)生物理思想、物理方法，更要積極研究備考策略。

編輯 謝尾合