《驗證牛頓第二定律》實驗試題賞析

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1、《驗證牛頓第二定律》實驗試題賞析 高中物理《考試大綱》規(guī)定的力學(xué)部分的六個學(xué)生實驗中， 《驗 證牛頓第二定律》的實驗原理、研究方法（控制變量法） 、數(shù)據(jù)處理 方法（圖像法） 、誤差控制（平衡法）等，對學(xué)生的思維分析能力和 實驗操作能力提出了較高的要求， 是考綱規(guī)定的十一個學(xué)生分組實驗 （包括電學(xué)部分）中的難點之一，因而，受到命題專家的青睞，每年 命制的十八套試卷（全國、自主命題省份）都有所考查 . 本文擬根據(jù) 《考試大綱》 中的實驗?zāi)芰σ蠹皩嶒炘囶}的核心器材進行分類賞析 （為節(jié)省篇幅， 部分試題節(jié)選了試題的一部分， 部分試題省略了解析 過程） . 一、基于教材的基本實驗

2、 （ 1）完成下列實驗步驟中的填空 . ①平衡小車所受的阻力 . 小吊盤中不放物塊，調(diào)整木板右端的高 度，用手輕撥小車，直到打點計時器打出一系列的點 . ②按住小車， 在小吊盤中放入適當質(zhì)量的物塊， 在小車中放入砝 碼. ③打開打點計時器電源，釋放小車，獲得帶有點列的紙帶，在紙 帶上標出小車中砝碼的質(zhì)量m. ④按住小車，改變小車中祛碼的質(zhì)量，重復(fù)步驟③. ⑤在每條紙帶上清晰的部分，每 5個間隔標注一個計數(shù)點.測量 相鄰計數(shù)點的間距si, s2,….求出與不同m相對應(yīng)的加速度a. ⑥以祛碼的質(zhì)量m為橫坐標，1a為縱坐標，在坐標紙上做出1a-m 關(guān)系圖線.若加速度與小車和祛碼的總

3、質(zhì)量成反比，則1a與m處應(yīng)成 關(guān)系（填“線性”或“非線性”） . （ 2）完成下列填空 （）本實驗中，為了保證在改變小車中砝碼的質(zhì)量時，小車所受 的拉力近似不變，小吊盤和盤中物塊的質(zhì)量之和應(yīng)滿足的條件是. 賞析此題來源于教材， 與教材實驗裝置一致， 但實驗的一些做法 與教材不一樣，并且設(shè)問方式很有特色. 1. 教材中平衡摩擦力的方法是帶有紙帶的小車做勻速運動， 利用 小車重力沿斜面向下的分力平衡摩擦力，而本題（1）①是小吊盤與 帶有紙帶的小車一起勻速運動， 用小吊盤的重力與小車重力沿斜面向 下的分力的合力平衡摩擦力 . 2. 本題（1）⑥中，以祛碼的質(zhì)量 m為橫坐標、1a為

4、縱坐標，在 坐標紙上做出 1a-m 關(guān)系圖線，從而驗證“在外力一定的條件下，物 體的加速度與其質(zhì)量間的關(guān)系” . 與學(xué)生熟知的教材實驗的區(qū)別有二. 一是教材中處理實驗數(shù)據(jù)的方法： 以小車和車上砝碼的總質(zhì)量（ M+m） 倒數(shù)為1M+rnfe橫坐標，以加速度a縱坐標，做出a-1M+mffl像；二是 質(zhì)量僅為小車上砝碼的質(zhì)量. 這要求考生要有扎實的基礎(chǔ)知識、辨析 能力及靈活變通能力 . 3. “化曲為直”的思想仍是圖像法處理數(shù)據(jù)的主旋律. （ 2） （） 中給出了 1a-m 關(guān)系圖線，要求求出小車受到的拉力和小車的質(zhì)量. 體現(xiàn)了“規(guī)律與實驗相融，公式與圖像并美” . 該問雖是常規(guī)的“

5、數(shù) 形結(jié)合”類題目，但在寫1a=f （m）函數(shù)表達式時要特別注意此式中 的m應(yīng)是小車質(zhì)量M與小車上祛碼質(zhì)量m的和，與圖像中m的含義的 不同 . 本題考查驗證牛頓定律實驗基本原理的掌握、 運用圖像處理數(shù)據(jù) 的能力的同時， 通過“變式”變換設(shè)置了兩個難點考查考生的思維的 縝密性、靈活性和應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力 . 案例 2（ 2012 年安徽卷 節(jié)選） 圖 1 為“驗證牛頓第二定律”的 實驗裝置示意圖.砂和砂桶的總質(zhì)量為 m,小車和祛碼的總質(zhì)量為M. 實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小 . 賞析本題是對教材實驗的基本考查 . 分別考查了考生平衡摩擦及

6、 檢驗的方法和紙帶的處理 （求加速度） 的能力 . 最大的亮點是第二問： 將M遠大于m這一抽象的實驗要求具體化.考生對實驗中“當M遠大 于m時，用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小”的前 提條件背的滾瓜爛熟，但具體到實驗操作時“m和m’的取值問題， 若沒有實際做過該實驗，考生可能會顯得束手無策 . 在具體的實驗操作中，“M遠大于m’的取值條件：M是m的3? 5 倍以上 . 從此問可以看出， 命題人對中學(xué)實驗教學(xué)的期望， 是一種“能力 發(fā)展觀”，在高考中對物理實驗的考查，盡管是“紙筆測驗”，但命 題時還是力圖通過“紙筆測驗”來考查考生的包括實驗操作能力在 內(nèi)的實驗?zāi)?/p>

7、力， 他們對實驗的考查要求強調(diào)了如何“操作”， 要體現(xiàn) 的是“只有動手做過實驗才能得分”的實驗設(shè)計理念. 二、源于教材中驗證牛二律實驗原理的延伸與拓展 （ 3）小車做勻加速運動的合力是砝碼、砝碼盤的總重力，在計 算小車的合外力時未計入砝碼盤的重力，由做出的 a-F 圖像（圖略） 可得到砝碼盤的重力約為 0.08 N. 本題是對教材中驗證牛頓第二定律實驗原理的拓展和延伸， 避免 了考查原實驗. 課本上的實驗中，當滿足小車的質(zhì)量遠大于砝碼和砝 碼盤的總質(zhì)量時，細繩對小車的拉力約等于砝碼和砝碼盤的總重力 . 因此在解決此類題目時我們應(yīng)注意和教材中實驗對照， 從實驗原理和 創(chuàng)新上多

8、思考. 賞析本題將教材中基本的力學(xué)模型-- 斜面模型， 力學(xué)中的重要規(guī) 律――牛頓第二定律， 實驗的基本方法――控制變量法， 處理數(shù)據(jù)的 基本方法――圖像法， 以及實驗的探究性、 創(chuàng)新性綜合在一起全面考 查學(xué)生的綜合分析能力、 實驗設(shè)計能力及數(shù)據(jù)處理能力， 題目源于課 本，而又高于教材，充分體現(xiàn)了實驗的創(chuàng)新性 . 《考試大綱》對實驗?zāi)芰Φ囊笥忻鞔_說明“…對結(jié)論進行分析 和評價；能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并制定解決方案；…”.該實驗的 最大亮點是第（2 ）問，對消除摩擦阻力的方案的評價. 對實驗方案的 評價， 主要是從誤差分析角度利用學(xué)過的物理理論進行相關(guān)分析， 進 而達到“控制實驗條件”的目的 .