《领跑高中》物理二轮复习 教材迁移情境 教材情境4 基于教材实验的“科学实验”命题（教师用书）

教材情境4 基于教材实验的“科学实验”命题
　　情境解读：从近几年的高考物理实验题的设置来看，特别重视实验能力的培养和提高。因此要做好教材中规定的基本实验，充分理解和掌握实验的内容，在此基础上，能利用已学知识、原理和方法在题设的条件和情境下，按照题设的要求制定出实验方案、选择实验器材、安排实验步骤、设计实验数据的处理方法及实验误差分析，逐渐提高实验迁移能力、解决简单新颖情境实验的能力。
【真题1】　（2024·海南高考14题节选）为验证两个互成角度的力的合成规律，某组同学用两个弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、木板、刻度尺、白纸、铅笔、细线和图钉等器材，按照如下实验步骤完成实验。
（Ⅰ）用图钉将白纸固定在水平木板上；
（Ⅱ）如图甲、乙所示，橡皮条的一端固定在木板上的G点，另一端连接轻质小圆环，将两细线系在小圆环上，细线另一端系在弹簧测力计上，用两个弹簧测力计共同拉动小圆环到某位置，并标记圆环的圆心位置为O点，拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点，大小分别为F1＝3.60 N、F2＝2.90 N；改用一个弹簧测力计拉动小圆环，使其圆心到O点，在拉力F的方向上标记P3点，拉力的大小为F＝5.60 N，请完成下列问题：
①在图乙中按照给定的标度画出F1、F2和F的图示，然后按平行四边形定则画出F1、F2的合力F'。
答案：①见解析图
②比较F和F'，写出可能产生误差的两点原因：　没有做到弹簧测力计、细线、橡皮条都与木板平行；读数时没有正视弹簧测力计　。
解析：①根据F1、F2与F的方向和大小作出的力的图示如下图所示。②由图可知F与F'不完全重合，该误差的原因可能是没有做到弹簧测力计、细线、橡皮条都与木板平行；读数时没有正视弹簧测力计。
衔接分析
　　本题来源于人教版必修第一册P73，实验“探究两个互成角度的力的合成规律”，考查教材原型实验的实验目的、实验原理、实验操作及产生误差的原因。
【真题2】　（2024·广西高考11题）单摆可作为研究简谐运动的理想模型。
（1）制作单摆时，在图甲、图乙两种单摆的悬挂方式中，选择图甲方式的目的是要保持摆动中　摆长　不变；
（2）用游标卡尺测量摆球直径，测得读数如图丙，则摆球直径为　1.06　cm；
（3）若将一个周期为T的单摆，从平衡位置拉开5°的角度释放，忽略空气阻力，摆球的振动可看为简谐运动。当地重力加速度为g，以释放时刻作为计时起点，则摆球偏离平衡位置的位移x与时间t的关系为　x＝cos t　。
解析：（1）选择图甲方式的目的是要保持摆球摆动中摆长不变。（2）摆球直径为d＝10 mm＋6×0.1 mm＝10.6 mm＝1.06 cm。（3）根据单摆的周期公式T＝2π可得单摆的摆长为L＝，从平衡位置拉开5°的角度处释放，可得振幅为A＝Lsin 5°，以该位置为计时起点，根据简谐运动规律可得摆球偏离平衡位置的位移x与时间t的关系为x＝Acos ωt＝cos t。
衔接分析
　　本题来源于人教版物理选择性必修第一册P51，实验：用单摆测量重力加速度，考查教材原型实验的实验原理及游标卡尺的读数。
【真题3】　（2024·北京高考16题）如图甲所示，让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。
（1）关于本实验，下列做法正确的是　AC　（填选项前的字母）。
A.实验前，调节装置，使斜槽末端水平
B.选用两个半径不同的小球进行实验
C.用质量大的小球碰撞质量小的小球
（2）图甲中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，首先，将质量为m1的小球从斜槽上的S位置由静止释放，小球落到复写纸上，重复多次。然后，把质量为m2的被碰小球置于斜槽末端，再将质量为m1的小球从S位置由静止释放，两球相碰，重复多次。分别确定平均落点，记为M、N和P（P为质量为m1的小球单独滑落时的平均落点）。
a.图乙为实验的落点记录，简要说明如何确定平均落点：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；
答案：见解析
b.分别测出O点到平均落点的距离，记为OP、OM和ON。在误差允许范围内，若关系式　m1·OP＝m1·OM＋m2·ON成立，即可验证碰撞前后动量守恒。
（3）受上述实验的启发，某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示，用两根不可伸长的等长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O点和O'点，两点间距等于小球的直径。将质量较小的小球1向左拉起至A点由静止释放，在最低点B与静止于C点的小球2发生正碰。碰后小球1向左反弹至最高点A'，小球2向右摆动至最高点D。测得小球1、2的质量分别为m和M，弦长AB＝l1、A'B＝l2、CD＝l3。
推导说明，m、M、l1、l2、l3满足　ml1＝－ml2＋Ml3关系即可验证碰撞前后动量守恒。
答案：推导过程见解析　
解析：（1）实验要求小球从斜槽末端离开后做平抛运动，因此斜槽末端需要水平，A正确；实验时需要选择半径相同的小球发生一维对心碰撞，B错误；为使碰撞后质量为m1的小球不反弹而从斜槽末端水平离开，需要用质量大的小球碰撞质量小的小球，C正确。
（2）a.利用圆规画圆，尽可能用最小的圆将某位置所有的落点圈在其中，这个圆的圆心位置即为平均落点；b.小球从斜槽末端飞出后均做平抛运动，下落高度相同，由h＝gt2可知下落时间相同，则由x＝vt可知小球落地时的水平位移与离开斜槽末端的速度成正比，又由动量守恒定律有m1vP＝m1vM＋m2vN，则有m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，故若关系式m1·OP＝m1·OM＋m2·ON成立，即可验证碰撞前后动量守恒。
（3）小球摆动过程几何关系如图，由勾股定理可知l2－h2＝－（l0－h）2，解得l2＝2l0h，则h＝，可知h∝l2，设小球在最低点时的速度大小为v，则由动能定理有mgh＝mv2，解得v2＝2gh，可知v∝∝l，规定水平向右为正方向，则小球碰撞过程由动量守恒定律有mv1＝－mv2＋Mv3，变形得ml1＝－ml2＋Ml3，故若m、M、l1、l2、l3满足ml1＝－ml2＋Ml3即可验证碰撞前后动量守恒。
衔接分析
　　本题源于鲁科版物理选择性必修第一册P18，科学验证：动量守恒定律，主要考查教材原型实验的实验原理与设计、实验步骤、实验的拓展。
【真题4】　（2024·湖北高考11题）某同学利用激光测量半圆柱体玻璃砖的折射率，具体步骤如下：
①平铺白纸，用铅笔画两条互相垂直的直线AA'和BB'，交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴AA'，并使其圆心位于O点，画出玻璃砖的半圆弧轮廓线，如图a所示。
②将一细激光束沿CO方向以某一入射角射入玻璃砖，记录折射光线与半圆弧的交点M。
③拿走玻璃砖，标记CO光线与半圆弧的交点P。
④分别过M、P作BB'的垂线MM'、PP'，M'、P'是垂足，并用米尺分别测量MM'、PP'的长度x和y。
⑤改变入射角，重复步骤②③④，得到多组x和y的数据。根据这些数据作出y-x图像，如图b所示。
（1）关于该实验，下列说法正确的是　B　（单选，填标号）。
A.入射角越小，误差越小
B.激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差
C.选择圆心O点作为入射点，是因为此处的折射现象最明显
（2）根据y-x图像，可得玻璃砖的折射率为　1.58（1.56～1.60均可）　（保留三位有效数字）。
（3）若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径，则折射率的测量结果　不变　（填“偏大”“偏小”或“不变”）。
解析：（1）在本实验中，为了减小测量误差，入射角应适当大些，因为入射角越大，折射角也越大，则入射角和折射角的测量误差都会减小，从而使折射率的测量误差减小，A错误；与插针法相比，激光的平行度好，能更准确地确定入射光线和折射光线，从而更有利于减小实验误差，B正确，选择圆心O点作为入射点，是因为便于计算，并不是因为此处的折射现象最明显，C错误。
（2）设入射角为α、折射角为β、半圆弧轮廓线半径（玻璃砖半径）为R，则由几何关系可知sin α＝＝、sin β＝＝，根据折射定律可得玻璃砖的折射率n＝＝，结合题图b可知y-x图像的斜率为该玻璃砖的折射率，故该玻璃砖的折射率n＝＝1.58。
（3）由（2）问分析可知折射率的表达式中没有半圆弧轮廓线半径R，所以轮廓线半径的测量误差对实验结果没有影响，即折射率的测量结果不变。
衔接分析
　　本题源于鲁科版物理选择性必修第一册P107，节练习第5题，考查利用激光测量玻璃的折射率。
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