05 2024年高考山东卷物理力学实验题赏析-《中学生数理化》高考理化2025年3月刊

2024年高考山东卷物理力学实验题赏析 ■山东省滨州市教育科学研究院 李宝江 物理是一门以实验为基础的自然学科, 现实中的物理实验很多情况下会因受阻力作 用的影响而产生误差,而“天宫课堂”很好地 避开了阻力作用的影响,为物理实验提供了 一个相对理想的外界环境。“天宫课堂”所涉 及的物理实验,多数是以高中的力学知识为 基础,这也为高考命题提供了很好的素材。 下面将通过对2024年高考山东卷中物理力 学实验题的剖析,探索力学实验与“天宫课 堂”相结合的常见考点与解题思路,供同学们 参考。 一、高考真题赏析 题目 在第四次“天宫课堂”中,航天员 演示了动量守恒实验。受此启发,某同学使 用如图1所示的装置进行了碰撞实验,气垫 导轨两端分别安装a、b 两个位移传感器,a 测量滑块A 与它的距离xA,b测量滑块B 与 它的距离xB。部分实验步骤如下: 图1 ①测量两个滑块的质量,分别为200.0 g 和400.0 g; ②接通气源,调整气垫导轨水平; ③拨 动 两 滑 块,使 滑 块 A、B 均 向 右 运动; ④导出传 感 器 记 录 的 数 据,绘 制 xA、 xB 随时间t变化的图像,分别如图2甲、乙 所示。 回答以下问题: 图2 (1)根据xA-t和xB-t图像可知,两滑块 在t= s时发生碰撞。 (2)滑 块 B 碰 撞 前 的 速 度 大 小vB = m/s(保留2位有效数字)。 (3)通过分析,得出质量为200.0 g的滑 块是 (填“A”或“B”)。 解析:(1)根据x-t图像的斜率表示速度 可知,两滑块的速度在t=1.0 s时刻发生改 变,即此时两滑块发生了碰撞。 (2)根据x-t图像斜率的绝对值表示速 度大小可知,碰撞前瞬间滑块B 的速度大小 vB= 90-110 1.0 cm /s=0.20 m/s。 (3)根据xA-t图像可知,碰撞前瞬间滑 块 A 的 速 度 大 小vA = 60-10 1.0 cm /s= 0.50 m/s,碰撞后瞬间滑块 A 的速度大小 vA'= 110-60 1.4 cm /s=0.36 m/s;根据xB-t 图像可知,碰撞后瞬间滑块 B 的速度大小 vB'= 20-90 1.4 cm /s=0.50 m/s。因为滑块 A 和B 碰撞过程中动量守恒,所以 mAvA+ mBvB=mAvA'+mBvB',解得 mA mB =2,所以质 22 解题篇 高考真题之赏析 高考理化 2025年3月 量为200.0 g的滑块是B。 答案:(1)1.0 (2)0.20 (3)B 点评:本题以第四次“天宫课堂”中,航天 员在网格布前用运动钢球与静止钢球碰撞的 实验为素材,考查了高中物理课程中有关动 量守恒定律的力学实验。实验中的气垫导轨 通气并调水平后,保证了两滑块间的碰撞满 足动量守恒的条件,并通过两个位移传感器 测量出两滑块运动的距离,分别绘制出了两 滑块的位移—时间图像,为分析和求解相关 问题提供了数据支持。本实验考查了同学们 对图像的理解能力和应用图像进行分析与判 断的能力,体现了高考实验题对基础性和创 新性的考查。 二、变式训练展示 变式1 在我国首次太空授课中,航天 员演示了利用牛顿第二定律测量航天员质量 的实验。受此启发,某物理兴趣小组利用轻 弹簧与刻度尺设计了一款加速度测量仪,如 图3甲所示。轻弹簧的右端固定,左端与一 小车拴接,小车与测量仪底板之间的摩擦阻 力可忽略不计。在小车上固定一指针,装置 静止时,小车上的指针恰好指在刻度尺正中 央,图中刻度尺每一小格的长度为1 cm,测 定弹簧弹力与形变量的关系图像如图3乙所 示。已知小车的质量m=0.20 kg,取重力加 速度g=10 m/s2。 图3 (1)根据F-x 图像可知,弹簧的劲度系 数k= N/m(保留2位有效数字)。 (2)用符号“↓”在图3甲中刻度尺上方 标出小车获得向右的、大小为10 m/s2 的加 速度时指针所指的刻度位置。 (3)若将小车换为一个质量更大的小车, 其他条件均不变,则该加速度测量仪的量程 将 (填“增大”或“减小”)。 解析:(1)根据F-x 图像可知,弹簧的劲 度系数k= ΔF Δx= 4 10 N/cm=40 N/m。 (2)根据牛顿第二定律得kΔx=ma,其 中k=40 N/m,m=0.20 kg,a=10 m/s2,解 得Δx=0.05 m=5 cm,即弹簧被拉长5 cm, 则指针所指的刻度位置如图4中符号“↓” 所示。 图4 (3)将小车换为一个质量更大的小车,其 他条件均不变,根据牛顿第二定律kΔx=ma 可知,当弹簧有相同形变量时小车的加速度 较小,因此该加速度测量仪的量程将减小。 答案:(1)40 (2)如图4中符号“↓”所 示 (3)减小 点评:本题依据我国首次太空授课中利 用牛顿第二定律测量航天员质量的实验进行 改编,利用轻弹簧与刻度尺设计了一款加速 度测量仪,意在借助考查牛顿第二定律的实 验,考查同学们对实验原理的理解和对具体 问题深入思考的逻辑推理能力。 变式2 在第四次“天宫课堂”中,航天 员演示了动量守恒实验。受此启发,某同学 使用如图5所示的实验装置验证动量守恒定 律。气垫导轨上安装了两个与计算机相连的 光电门1、2,计算机既能显示挡光时间,也能 显示滑块在两个光电门间运动的时间。两滑 块上均固定一相同的竖直遮光条。 图5 (1)实验前,接通气源后,在导轨上轻放 一个滑块,给滑块一初速度,使它从导轨左端 向右运动,发现 ,说明导轨已调平。 32 解题篇 高考真题之赏析 高考理化 2025年3月 (2)测出滑块 A 和遮光条的总质量为 mA,滑块B 和遮光条的总质量为mB,遮光条 的宽度用d 表示。接通气源后,将滑块A 静 置于两光电门之间,将滑块B 置于光电门2 右侧,推动滑块 B,使其获得水平向左的速 度,滑块B 经过光电门2与滑块A 发生碰撞 被弹回,再次经过光电门2。光电门2先后记 录的挡光时间为Δt1、Δt2,光电门1记录的挡 光时间为Δt3。要验证两滑块碰撞前后动量 守恒,需验证关系式 成立。 (3)现取走滑块B,再提供细线、质量为 m(m≪mA)的槽码、可固定在气垫导轨左端 且高度可调的轻质定滑轮,已知重力加速度 为g。利用上述器材验证动量定理,则实验 还需要测量的物理量有 ,这些物理量应 满足的关系式为 。 (4)请写出一条能够减小(3)中实验系统 误差的方法: 。 解析:(1)若导轨已调水平,则滑块通过 光电门1和光电门2所用的时间相等,说明 滑块经过光电门时的速度相等,即滑块做匀 速直线运动。 (2)设滑块 B 碰前瞬间的速度大小为 v0,碰后瞬间的速度大小为vB,滑块 A 碰后 瞬间的速度大小为vA,取水平向左为正方 向,为验证两滑块碰撞前后动量守恒,只需证 明关系式mBv0=mAvA-mBvB 成立即可,其 中v0= d Δt1 ,vB= d Δt2 ,vA= d Δt3 ,代入并化简 得 mB Δt1 = mA Δt3 - mB Δt2 。 (3)实验中,细线跨过定滑轮连接槽码和 滑块A,槽码拉着滑块 A 向下运动,实验装 置如图6所示。槽码的质量远远小于滑块A 的质量,因此可以用槽码的重力代替细线的 拉力。为验证动量定理,即需证明关系式I= Δp 成立,其中I=mg·Δt,Δp=mA(v2- v1)=mA d t2 - d t1 ,因此还需要测量的物理 量有遮光条通过光电门1、2的时间t1、t2,以 及这两次遮光的时间间隔Δt;需要探究的表 达式为mg·Δt=mA d t2 - d t1 。 图6 (4)实验中,由槽码、细线、滑块 A 和遮 光条组成的系统向下做加速运动,可知槽码 的重力略大于细线的拉力,所以系统误差主 要由细线的拉力略小于槽码的重力而引起, 所以选 用 质 量 更 大 的 滑 块 或 采 用 关 系 式 Δp=(mA+m)Δv计算动量的变化量等可减 小系统误差。 答案:(1)滑块通过光电门1和光电门2 的时间相等 (2) mB Δt1 = mA Δt3 - mB Δt2 (3)遮光 条通过光电门1、2的时间t1、t2,以及这两次 遮 光 的 时 间 间 隔 Δt mg · Δt = mA d t2 - d t1 (4)选用质量更大的滑块(采 用关系式Δp=(mA+m)Δv 计算动量的变 化量,合理即可) 点评:本题与高考真题相似,都是依托第 四次“天宫课堂”中航天员演示的动量守恒实 验进行改编,但是本题不仅考查了对动量守 恒定律的验证,还考查了对动量定理的验证, 并且要求考生分析实验系统误差的产生原 因,写出减小系统误差的方法,具有一定的综 合性,意在考查同学们的理解能力和推理论 证能力。 总结:近几年高考山东卷中的物理力学 实验题经常以“天宫课堂”为背景材料,因此 以2024年高考山东卷中的物理力学实验题 为例,并配以相应的变式训练,意在向同学们 展示与“天宫课堂”相结合的有关动量定理、 动量守恒定律和牛顿第二定律实验的考查思 路与方法,希望同学们在高三复习备考中能 够对这类创新型实验题进行专题训练,达到 对有关实验深入理解和综合应用的目的。 (责任编辑 张 巧) 42 解题篇 高考真题之赏析 高考理化 2025年3月