摘 要：实例解读2018年高考力学实验题具有注重基本仪器的使用与读数、注重基本实验的创新与变化、注重实验思想与方法的迁移与应用、注重实验数据的分析与处理等特点，探索高考物理实验备考策略.
关键词：高考；力学实验；特点分析；备考启示
作者简介：许文（1966-），湖北洪湖人，中学高级教师，研究方向：物理高考与竞赛.
2018年高考物理实验题仍以力学、电学为主要内容，分两题考查，且力、电实验并重，分值在15分左右.题型一般为填空、选择、作图、简答等，考查类型以基础应用、原理迁移、创新设计为主.要求考生理解实验原理、用实验方法解决新颖灵活的相关物理问题，强化对考生创新能力及探究能力的考查.本文通过实例分析2018年高考物理力学实验题特点，探讨2019年高考力学实验备考策略.
一、考纲要求与试题概述
物理考纲中明确要求考生掌握的七个力学基本实验是：（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）探究动能定理；（6）验证机械能守恒定律；（7）验证动量守恒定律.2018年高考力学实验题考查的主要内容如下表.
从上表中可以看出，高考力学实验考查对基本实验的改进、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（用图象法分析处理实验数据）等.
二、试题特点与备考启示
1.注重基本仪器的使用与读数
2018年高考力学实验全国卷I考查了游标卡尺读数；全国卷Ⅱ、天津卷考查了弹簧测力计的使用与读数；北京卷考查了打点计时器的使用及纸带的测量与计算等.力学实验中基本仪器的使用与物理量的测量方法如下表.
表2
待测量测量器材方法说明
长度刻度尺毫米刻度尺精度为1 mm，读数时应估读到01 mm
游标卡尺（1）读数：测量值= 固定刻度上指示的毫米数+精度×游标尺对齐的格数
（2）精度：10分度的游标卡尺精度为01 mm，20分度的游标卡尺精度为005 mm，50分度的游标卡尺精度为002 mm.
（3）游标卡尺不估读
螺旋测微器（1）读数：测量值=主尺上指示的毫米数（注意半毫米刻线是否露出）+精度×转动圆筒上与主尺中心刻线所对应的刻度值（注意刻度值要估读）
（2）精度：螺旋测微器精度为001 mm
时间机械秒表读到01s （不需要估读）
打点计时器（1）t=nT（n表示打点的时间间隔的个数，T表示打点周期）
（2）打点周期与所接交流电周期相同
光电计时器光电计时器能自动记录挡光时间，显示在读数窗口
力弹簧测力计力的大小=精度×指针指示的格数（估读到最小刻度的下一位）
速度打点纸带若纸带做匀变速直线运动，则打某点时的瞬时速度等于对应的平均速度
频闪照相利用等时间间隔照片信息记录物体在不同时刻的位置
光电门（1）v0=dΔt（d表示滑块上挡光片宽度，Δt表示挡光片挡光时间）
（2）挡光片的宽度d很小，可用平均速度表示其瞬时速度
2.注重基本实验的变化与创新
21 对基本实验的实验原理与测量器材、测量手段的改进
例1 （2018全国卷Ⅰ第22题）如图1（a），一弹簧上端固定在支架顶端，下端悬挂一托盘；一标尺由游标和主尺构成，主尺竖直固定在弹簧左边；托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置，简化为图中指针.
现要测量图1（a ）中弹簧的劲度系数.当托盘内没有砝码时，移动游标，使其零刻度对准指针，此时标尺读数为1950 cm；当托盘内放有质量为0100kg的砝码时，移动游标，再次使其零刻度对准指针，标尺示数如图1（b）所示，其读数为cm.当地的重力加速度大小为980 m/s2，此弹簧的劲度系數为N/m（保留3位有效数字）.
解析 图（b）为20分度的游标卡尺，其读数：
37mm + 15×005mm = 3775mm = 3775cm；
由胡克定律得：Δmg=ΔF=kΔx，故k=ΔmgΔx=0100×980（3775-1950）×10-2N/m=537N/m
答案 3775；537
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，将基本实验中用刻度尺测量弹簧的长度改用游标卡尺测量，以提高对弹簧长度测量的精度；实验原理是胡克定律，但要求能将F = kx理解推广到ΔF = kΔx.本题还考查了对有效数字的理解与应用.
教材中的基本实验是创新之本，我们在备考复习中不应舍本求末，丢开教材中的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.
2.2 将基本实验进行组合，实现一个装置多用
例2 （2018北京卷第21题）用图2所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律.主要实验步骤如下：
a.安装好实验器材.接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次.
b.选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点O（t = 0），然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点，如图3中A、B、C、D、E、F ……所示.
c.通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E……点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5……
d.以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图4所示.
结合上述实验步骤，请你完成下列任务：
（1）在下列仪器和器材中，还需要使用的有和（填选项前的字母）.
A.电压合适的50 Hz交流电源
B.电压可调的直流电源
C.刻度尺
D.秒表
E.天平（含砝码）
（2）在图4中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点，请在该图中标出计数点C对应的坐标点，并画出v - t图象.
（3）观察v-t图象，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是.v-t图像斜率的物理意义是.
（4）描绘v-t图象前，还不知道小车是否做匀变速直线运动.用平均速度ΔxΔt表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对Δt的要求是（选填“越小越好”或“与大小无关”）；从实验的角度看，选取的Δx大小与速度测量的误差（选填“有关”或“无关”）.
（5）早在16世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的.当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图5所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜想.请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的.
解析 （1）打点计时器需用交流电源；为了计算速度需要利用刻度尺测量长度.故需要的仪器选A、C；
（2）利用所给点迹描点连线，得图象如图6所示.其中C点坐标为（3T， v3 ）；
（3）结合图象可以看出小球速度随时间均匀变化，所以小球做匀加速运动，图象的斜率代表了运动加速度；
（4）Δt 越小，则ΔxΔt 越接近计数点的瞬时速度，所以Δt越小越好；计算速度需要用到Δx 的测量值，所以Δx大小与速度测量的误差有关.
（5）如果小球的初速度为零，其速度v ∝ t，那么它通过的位移x ∝t 2.因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化.利用滴水测时可以得到小球运动的时间，并测出小球在相应时间内运动的位移，则可以验证.
答案 （1）A、C；（2）如图6所示；（3）小车的速度随时间均匀变化，加速度；（4）越小越好，有关；（5）见解析
点评 打点计时器与纸带类实验是力学中的基本实验.本题实验装置可以研究匀变速直线运动；探究加速度与力、质量间的关系；探究做功与速度的变化、验证机械能守恒定律等.将基本实验进行组合，可实现一个装置多用.处理纸带（类纸带）问题的基本思路和方法：（1）用相等时间内的位移差是恒量求解未知位移；（2）用相等时间内的位移差Δx=aT2求加速度；（3）用瞬时速度公式计算除端点外各点的瞬时速度.
2.3 用已有的知识与方法设计实验解决新问题
例3 （2018全国卷Ⅲ第22题）甲、乙两同学通过下面的实验测量人的反应时间.实验步骤如下：
（1）甲用两个手指轻轻捏住量程为L的木尺上端，让木尺自然下垂.乙把手放在尺的下端（位置恰好处于L刻度处，但未碰到尺），准备用手指夹住下落的尺.
（2）甲在不通知乙的情况下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夹住尺子.若夹住尺子的位置刻度为L1，重力加速度大小为g，则乙的反应时间为（用L、L1和g表示）.
（3）已知当地的重力加速度大小为g=980m/s2，L=300 cm，L1=104 cm，乙的反应时间为s.（结果保留2位有效数字）
（4）写出一条提高测量结果准确程度的建议：.
解析 （2）根据题述，在乙的反应时间t内，尺子做自由落体运动下落的高度为h=L-L1，由h=12gt2，解得：t=2（L-L1）g；
（3）将题给数据代入上式得：t =020s；
（4）多次测量取平均值，或初始时乙的手指尽可能接近尺子.
答案 （2）2（L-L1）g；（3）020；（4）见解析
点评 测量反应时间是教材上的一个课外小实验.本题以教材中小实验切入，要求考生灵活运用已学过的自由落体运动的规律，分析解决实际问题，体验知识的应用价值.
3.注重物理思想方法的迁移与应用
例4 （2018江苏卷第11题）某同学利用如图7所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤.实验操作如下：
① 用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；
② 在重锤1上加上质量为m的小钩码；
③ 左手将重锤2压在地面上，保持系统静止.释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；
④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t.
请回答下列问题：
（1）步骤④可以减小对下落时间t测量的（选填“偶然”或“系统”）误差.
（2）实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了.
A.使H测得更准确
B.使重锤1下落的时间长一些
C.使系統的总质量近似等于2M
D.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等
（3）滑轮的摩擦阻力会引起实验误差.现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？
（4）使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0.用实验中的测量量和已知量表示g，得g=.
解析 （1）多次测量取平均值，是减小偶然误差的一种有效方法.
（2）本实验中重锤做初速度为零的匀加速直线运动，实验原理是通过牛顿第二定律计算重锤下落的加速度，再结合运动学公式求重力加速度.由于H值较小，为使时间t测量较准确，应使重锤下落时间长一些，故选B.
（3）为平衡细绳与滑轮间的摩擦力，可在重锤1上粘橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1能观察到其匀速下落.
（4）在重锤1上粘上质量为m0的橡皮泥，重锤能匀速下落，可知细绳与滑轮间的摩擦阻力大小为Ff = m0g.
再在重锤1上加上质量为m的小钩码，放手后设细绳上的拉力大小为FT，重锤下落的加速度为a.由牛顿第二定律有：（M+m+m0）g-FT-Ff=（M+m+m0）a，FT-Mg=Ma
由运动学公式有：H=12at2；联立上式解得：g=2（2M+m+m0）Hmt2
答案 （1）偶然；（2）B；（3）在重锤1上粘橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1能观察到其匀速下落；（4）2（2M+m+m0）Hmt2
点评 本实验装置是阿特伍德机实验装置，它是一种著名的力学实验装置.绳子两端的物体下落（上升）的加速度总是小于自由落体的加速度g.同自由落体相比，下落相同的高度，所花费的时间要长，这使得实验者有足够的时间从容的观测、研究，它可以用来研究匀变速运动规律与测量重力加速度.本题设计为由运动学公式求物体运动的加速度，再由动力学方程求重力加速度.为平衡细绳与滑轮间的摩擦力，减小实验误差，采用粘橡皮泥的方法来平衡摩擦力，将探究牛顿第二定律实验中平衡摩擦力的思想迁移至本实验中，较好考查学生思维的灵活性、发散性与应用性.
4.注重实验数据的分析与处理
例5 （2018全国卷Ⅱ第23题）某同学用图8（a）所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数.跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连，滑輪和木块之间的细线保持水平，在木块上方放置砝码.缓慢向左拉动水平放置的木板，当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时，弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小.某次实验所得数据在下表中给出，其中f4的值从图8（b）中弹簧秤的示数读出.
回答下列问题：
（1）f4 =N；
（2）在图8（c）的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f-m图线；
（3）f与m、木块质量M、木板和木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式为f =， f-m图线（直线）的斜率的表达式为k=；
（4）取g=980m/s2，由绘出的f-m图线求得μ=.（保留2位有效数字）
解析 （1）由图（b）知弹簧测力计的最小刻度为01N，读数需要估读到最小刻度的下一位，其读数为275N；
（2）按表中数据在图（c）坐标纸上描点，由于f=μMg+μmg，f与m是线性关系，f-m 图线为直线（如图9所示）；
（3）f=μMg+μmg，可知f-m图线（直线）的斜率k=μg
（4）由k=ΔfΔm=μg ，得μ = 040
答案 （1）275；（2）如图9；
（3）f=μMg+μmg，μg；（4）040
评析 能用适当的方法分析与处理实验数据，是一种基本实验技能.用线性图象法处理实验数据是一种常见的数据处理方法.要求理解实验原理，从实验原理出发，并通过相应的数学变形找出两被测量相关的函数关系，作出线性图象，利用图象的物理意义进行分析与求解.注意在描点拟合时要注意尽可能让点在直线上，如果有些点不在直线上也要均匀分布在直线的两侧，以减小误差.
三、实验备考策略
1.立足教材中的基本实验.熟练掌握实验原理、实验仪器的使用及实验思想与方法，重视基本仪器的使用方法和读数规则等实验技能，加强对实验数据的分析与处理能力的训练，主要表现在以下三个方面：分析推理、数据分析与处理方法、误差分析.
2.实验中体现研究性学习.在实验备考复习中根据教材内容和实验方法，选好课题，在实验中进行研究性学习，写出实验研究方案，实验器材的选取，实验研究过程，数据统计与分析，对实验方案的优点与不足之处的评估、实验误差分析等，培养创新精神和实验能力.
3.重视实验的设计与创新.重视对实验的思想方法及原理的深刻理解和熟练掌握，注重用学过的物理知识、物理规律作为理论依据，进行实验设计与创新.高考物理实验可以分为五种类型：基础型、迁移型、应用型、设计型、探究型.其中设计型实验，要按以下思路去思考：明确实验目的→ 选择实验原理→ 设计实验方案→ 分析筛选方案→ 选择实验器材→ 拟定实验步骤→ 处理实验数据→ 得出实验结论→ 分析实验误差.
4.加强实验综合度与信息量.加强实验综合训练，即重视实验练习、重视新情境的实验训练、加强实验信息的收集与处理，强调基本实验技能的动手落实.在动手中关注实验细节、拓展实验能力.
总之，高考物理实验备考复习要在熟练掌握基本器材使用、实验原理、实验步骤、数据处理以及误差分析的同时，应着力领悟实验的设计思想、所运用的科学方法、规范的操作程序，并从实际出发做合理的变通和创新改进.
参考文献：
[1]许文 经典中的变化 变化中的经典 [J].湖北招生考试，2017，11.