2007年高考探究与设计题专题[下学期]

年高考探究与设计题专题
一、能力要求
实验与探究能力是2007年高考物理科考试大纲中要考核的能力之一，其中对设计与探究实验提出了明确的要求：能在实验过程中发现问题、提出问题，并制定解决方案；能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验。
二、探究内容
（一）、考试说明中2条
1．探究弹簧弹力与弹簧伸长长度的关系
2．探究动能定理
（二）、课程标准中7条
1．通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系（物理1）
2．通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系（物理2）
3．通过实验，探究决定导线电阻的因素（选修3-1）
4．通过探究，理解楞次定律（选修3-2）
5．通过实验，探究变压器电压与匝数的关系（选修3-2）
6．探究物体弹性碰撞的一些特点（选修3-5）
7．通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系（选修3-4）[选考]
当然高考中探究与设计题的内容不会拘泥于以上的实验当中。
三、题型归纳
（一）、探究型试题
物理探究就是对某个物理问题做出假设，制定计划，搜集证据，评估交流的过程，因此探究型试题也可围绕这几个方面。
1.提出问题型
例1：面对几根弹簧你可以提出那些值得探究的物理问题？
答案有很多，如：1、弹簧弹力与弹簧伸长长度有何关系？2、弹簧的弹性势能与弹簧伸长长度有何关系？ 3、两根弹簧串联或并联后劲度系数会怎样变化？4、弹簧的劲度系数与长度有何关系？评分标准可以根据提出问题的数量和层次灵活掌握。
点评：提出问题比解决问题更重要，因此，这类题应作为考试的重要内容，要求学生细心观察，有提出问题的能力。
2.理论探究型
例2：一同学在探究物体做直线运动时的动能变化量与外力和时间的关系时猜想动能变化量与外力和时间的平方都成正比关系，你认为他的观点对吗？并说明理由。
答案：不对；物体经外力F作用t时间从v1变化到v2,由动能定理得：
Fs=ΔEk
由运动学公式有
由以上两式得
由上式可看出动能变化量与外力成正比与时间成二次函数关系。
点评：理论探究也是探究的重要内容，这类题能考查学生的理论联系实际的能力和对物理的洞察力。
3.实验探究型
（1）提出方案型
例3、在探究弹簧弹力与弹簧伸长长度的关系时你有那些方法给待测弹簧施加弹力并测出这个弹力？
答案：可用悬挂重物法或测力计法等。
又如例4：在探究物体做直线运动时的动能变化量与外力和时间的关系时你有哪些方案给物体施加外力并测出来？
答案：方案1：可以让钩码做自由落体运动，外力等于钩码的重力；方案2：可以让弹簧秤钩住小车静止在光滑斜面上，读出弹簧秤的读数，释放后小车在斜面上自由运动时的合外力就等于弹簧秤的读数；方案3：可以用钩码钩住一个带有细绳的小车，让细绳跨过带有滑轮的长木板，在平衡摩擦力后，小车的质量远大于钩码的质量时可认为钩码的重量等于外力。……
(2)步骤设计型
例5：热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的电阻温度曲线（电阻温度曲线是指电阻的阻值R与温度t的关系在R-t坐标中所作出的图线），要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5Ω。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水杯、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5kΩ）、滑动变阻器（0~20Ω）、开关、导线若干。
⑴在图8的方框中画出实验电路图。
⑵下面是完成接线后的主要实验步骤，请在空格内填上适当的内容。
a.往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出 的值；
b.调节 ，快速测出电流表和电压表的值；
c.重复a～b，测量不同 下的数据；
d.计算出不同温度下的 值，绘出各测量温度下热敏电阻的 。
答案（1）答如图（2）.a.温度计；b.滑动变阻器 c.温度d.电阻，电阻温度曲线。
点评：此类题要求在搞清探究原理的基础上完善或设计出实验步骤。当然它还要对基本仪器的使用较熟悉，基本的实验方法较清楚。也是对学生实验过程经历的考查。
(3)数据记录与处理型
例6、一同学在探究导线的电阻与长度的关系时，用同一根导线将接入长度分别为l1、l2、做了两次，每一次记录了三组电流电压值，请帮他设计一个记录数据的表格。
答案：
接入导线的长度 电压U/V 电流I/A 计算
电阻R/ 电阻平均值R，/
l1
l2
例7、为验证小灯泡（可看成点光源）光能的球面散射规律并测定其发光效率，有同学设计并进行了如图所示的实验：将一个“6V8.0W”的小灯泡接入电路，使之正常发光，在灯泡灯丝的同一水平面、正对光线方向放一个测量光强的仪器，以测定与光源间距为d时相应的光强值I，共测得以下9组数据（见下表）。然后将表内数据分别在I-d，I-1/d和I-1/d2坐标平面内作出如下数据点，如图（a）（b）（c）所示。
d/×10-2m 6.50 7.50 8.50 9.50 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5
I/Wm-2 8.29 6.66 4.96 3.92 3.37 2.61 2.30 1.97 1.70
（1）据这三个数据点图，可以看出I与哪个量存在线性关系，因此可将I与d之间的数学关系式表达为 ，其中的常数k为 。
（2）在与光源等距的各点，认为光源向各方向发出的光强大小几乎相等。依点光源光能向周围空间360°球面均匀散射的物理模型，写出光源的发光功率P0、光强值I及相应的与光源距离d之间的关系式 。（球面面积公式S=4πr2）
（3）根据以上条件，算出小电珠的电—光转换效率η= 。
答案：（1）I=k/d2 ; 3.75×10-2W（2）P0=4πd2I （3）5.9%
（二）设计型实验
设计型实验就是要按题目的要求应用学过的知识设计出解决问题的方案，它可以是常规实验的设计，也可以是探究实验的设计。
1、原理设计形
例8、某科研人员随宇宙飞船进入太空绕地球做匀速圆周运动，为了测量物体的质量他设置了如图所示装置：将待测物体与细线一端相连，把物体放在桌面上，细线的另一端通过桌面上的光滑小孔O与弹簧秤的挂钩相连，弹簧秤再用细线与飞船壁相连。给待测物体一个初速度，使它在桌面上做匀速圆周运动，利用宇宙飞船中备有的基本测量工具就可以简接地测量物体的质量了。
（1）看成质点的待测物体它在桌面上做匀速圆运动的向心力是由________力提供的。实验时需要测量的物理量是___________________
_______________________________________。
（2）计算待测物体质量的表达式为 m = __________。
答案：（1）细线拉力。弹簧秤的示数F、圆周运动的半径R、圆周运动的周期T（或n周的时间t）。
（2） （或）。
点评：原理的设计是设计实验的出发点，实验步骤，数据记录及处理都要以原理为依据。解这一类题要根据做过的实验的原理或者学过的物理规律进行适当的迁移，是一种比较高的要求，但经过一定的提示后难度并不大。
2、步骤设计与完善形
例9、某同学设计了一个在太空站中测量物体质量的装置，如图所示，其中P是光滑水平面，A是质量为M的带夹子的已知质量金属块，Q是待测质量的物体（可以被A上的夹子固定）．已知该装置的弹簧振子做简谐运动的周期为（数量级为100s）,其中m是振子的质量，K是与弹簧的劲度系数有关的常数．
（1）为了达到实验目的还需要提供的实验器材是：__ _；
（2）简要写出测量方法及所需测量的物理量（用字母表示）
①___________________________________________________；
② ；
（3）用所测物理量和已知物理量求解待测物体质量的计算式为m= ；
答案、（1）秒表；（2）①不放Q时用秒表测出振子振动30次的时间t1；（或者测出振子的周期T1）②将Q固定在A上，用秒表测出振子振动30次的时间t2（或者测出振子的周期T2）（3）（4分）或；
3、数据处理型
例10．听说水果也能做电池，某兴趣小组的同学用一个柠檬作为电源，接了如图一所示电路。电路中R是可变电阻箱，其阻值可调且可读出其接入电路中电阻的大小。
他们多次改变电阻箱的电阻值，记录下相应的电流表示数，算出电流的倒数，数据填在图二的表中
（1）根据表中的数据，在图三中画出该实验的R-1/I关系图线
（2）利用图线可求出该柠檬电池的电动势为________V，内阻为_________Ω。
（3）完成实验后，该兴趣小组的同学初步得出了水果作为电池不实用的物理原因是：____________
答案：（1）
(2)V (9000---11000)Ω (3)电源内阻过大
以上归纳的题形包括了探究与设计题的主要题型，虽然不是全部，但只要能把握解这类题的基本方法，解这类题是不难的。
强化训练
1、一同学做了一个《探究并联电路中总电阻与分电阻的关系》实验，现有阻值分别为R1、R2的电阻A和B，若将他们并联成一个电阻C，探究电阻C的阻值R与R1、R2的关系。
（1）同学甲的猜想是R=R1+R2 ，同学乙认为 。其中有一位同学的看法是对的，请判断出谁对谁错，并写出判断依据。
（2）为了验证理论推导的正确性，可通过实验来完成。实验所需的器材除电阻A和B，电源导线开关外，还需要的器材有 。
（3）探究探究并联电路中总电阻与分电阻的关系，实验需要一个数据记录表，请你填写记录表的测量物理名称。
（4）请写出完成实验的步骤。
2、 某探究小组设计了如下的探究橡皮筋的弹性势能与拉长量之间关系的实验：将一块
长放在桌面上调至水平，橡皮筋一端固定在墙上，另一端被静止的小车拉长d，小车释放后沿长木板运动，带动穿过打点计时器的纸带，如下图所示。打点计时器电源频率为50Hz，小车质量为0.2kg,实验进行了三组，各次小车由静止开始运动的位置不同（即橡皮筋的拉长量d不同），分别打出纸带，选择了三种类型的纸带如下图所示（图中最下面的是直尺）。
（1）根据纸带数据完成以下表格，其中Vmax为小车橡皮筋拉动的最大速度：
实验序号 1 2 3
dn（cm） 5 10 20
Vmax（m/s）
　（2）橡皮筋的弹性势能Ep与橡皮筋拉长量d之间的函数关系式是Ep= 。
　（3）要减少实验误差，该设计可改进的措施是　　　　　　　　　　　　　　。
3、密度大于液体的固体颗粒，在液体中竖直下沉，开始时是加速下沉，但随着下沉速度变大，固体所受的阻力也变大，故下沉到一定深度后，固体颗粒是匀速下沉的。
该实验是研究球形固体颗粒在水中竖直匀速下沉的速度与哪些量有关，实验数据的记录如下表：（水的密度为
次序 1 2 3 4 5 6 7
固体球的半径r×10-3(m)
固体的密度ρ(×103kg/m3)
匀速下沉的速度v(m/s) 0.55 2.20 4.95 1.10 4.40 1.65 6.60
（1）根据以上实验数据，请你推出球形固体在水中匀速下沉的速度与ｒ的关系为　　　　　　　；以及与ρ的关系为　　　　　　　　。
我们假定下沉速度与实验处的重力加速度成正比，即。由此可知，球形固体在水中匀速下沉的速度与g、ρ、r的关系为　　　　　　　　　　　。（只要求写出关系式，比例系数可用表示）。
（2）对匀速下沉的固体球作受力分析：固体球受到浮力（浮力的大小等于排开液体的重力）、重力（球体积公式以计算）、匀速下沉时球受到的阻力。试写出与及的关系式（分析和推导过程不必写）；。
4．小汽车正在走进我们的家庭，你对汽车了解多少？一辆汽车性能的优劣，其油耗标准非常重要。而影响汽车油耗标准最主要的因素是其在行进中所受到的空气阻力。人们发现汽车在高速行驶中所受到的空气阻力f（也称风阻）主要与两个因素有关：(1）汽车正面投影面积S； (2）汽车行驶速度V。某研究人员在汽车风洞实验室中通过模拟实验得到下表所列数据：
f / N V / (m/s)S / m2 20 30 40 50 60
2.0 206 464 824 1291 1860
2.5 258 580 1032 1614 2324
3.0 309 696 1239 1936 2788
3.5 361 812 1445 2258 3252
4.0 412 928 1652 2581 3717
（1）由上述数据可得汽车风阻f 与汽车正面投影面积S 及汽车行驶速度V 的关系式为f=_________（要求用K表示比例系数）。
（2）由上述数据得出K的大小和单位是________________。
（3）据推理或猜测，K的大小主要与______________、_____________等因素有关。
5、某同学用弹簧测力计、木块和细线去粗略测定一个木块跟一个固定斜面之间的动摩擦因数μ．木块放在斜面上，不加拉力时将保持静止．
实验的主要步骤是：
（1）用弹簧测力计测出木块重G；
（2）用弹簧测力计平行斜面拉动木块，使木块沿斜面向上做匀速运动，记下弹簧测力计的示数F1；
（3）用弹簧测力计平行斜面拉动木块，使木块沿斜面向下做匀速运动，记下弹簧测力计的示数F2．
请推导出求动摩擦因数μ的计算式（写出推导过程）．
6．为验证在自由落体过程中物体的机械能是守恒的，某同学利用数字实验系统设计了一个实验，实验装置如图12，图中A、B两点分别固定了两个速度传感器，速度传感器可以测出运动物体的瞬时速度。在实验中测得一物体自由下落经过A点时的速度是v1，经过B点时的速度是v2，为了证明物体经过A、B两点时的机械能相等，这位同学又设计了以下几个的步骤，你认为其中不必要或者错误是（ ）
A．用天平测出物体的质量
B．测出A、B两点间的竖直距离
C．利用-算出物体从A点运动到B点的过程中重力势能的变化量
D．验证v22-v12与2gh是否相等
7．兴趣小组为测一遥控电动小车的额定功率，进行了如下实验：
①用天平测出电动小车的质量为0.4kg；
②将电动小车、纸带和打点计时器按如图甲所示安装；
③接通打点计时器（其打点周期为0.02s）；
④使电动小车以额定功率加速运动，达到最大速度一段时间后关闭小车电源，待小车静止时再关闭打点计时器（设小车在整个过程中小车所受的阻力恒定）。
在上述过程中，打点计时器在纸带上所打的部分点迹如图乙所示。
请你分析纸带数据，回答下列问题：
（1）该电动小车运动的最大速度为 m/s；
（2）该电动小车的额定功率为 W。
8、“东方绿舟”内有一块绿色能源探究区，同学们可以在这里做太阳能和风能的研究性实验。某学生为了测定夏季中午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，他制作了一个太阳能集热装置。实验器材有：（A）内壁涂黑的泡沫塑料箱一个底面积为1m2；（B）盛水的塑料袋一个；（C）温度计一支；（D）玻璃板一块（约1m2）。如下图12（a）所示；假设下图（b）所示为一斜坡草地，太阳光垂直照射到草地表面，（1）请你根据实验设计要求、利用上述实验器材在图（b）中画出实验设计装配图。
(2)如果已知水的比热容为c，被水吸收的热量为Q与水的质量m、水温上升量Δt间的关系是Q＝cmΔt，则为了测定中午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了需要
测量m、算出Δt外，还应测量的物理量是 。
（3）本实验会有一定误差，试写出一条产生误差的主要原因
。


9．小明在一次课外研究中对医用针头的内部直径产生兴趣，于是他设计实验对其进行测量：他先在针筒内灌满了一定容积的水（针筒内无空气），并将它绑在米尺上竖直放置（如图所示），匀速轻推活塞让水从针头中竖直向上喷出。
（1）在实验中小明还需要的测量工具是_______________。
（2）除了从针筒上读得一开始针筒内水的体积V，还需要测量的物理量有：_______________和_______________。
（3）针头内部直径的表达式：d＝_______________。
10、设计一个探究变压器电压与线圈匝数的关系的实验。
强化训练答案
1、略；2、（1）2.00，4.00，8.00　　（2）160d2　　（3）实验前应将木板左端适当垫高些，直到小车不受拉力时能沿木板匀速运动。
3、⑴， ，；⑵、
4．（1）f=KSv2； （2）0.26 Kg/m3。
（3）与 空气密度 、车的外形、车表面情况 等因素有关。
5．求μ公式推导如下：
F1＝μGcosα＋Gsinα
F2＝μGcosα－Gsinα
即，
得
6．（ AC ）；7、1.5 1. 2
8、（1）见右图。
（2）时间（T）或t 。
(3) 太阳能没有全部被水吸收，或水吸收的太阳能还有一部分损失等。（3分）
9、（1）秒表，（2）喷水的时间t，针筒吕到水柱最高点的高度h，（3） EQ \R( EQ \F(4V,t) ) ；
10．应包括：实验原理；能准确选用仪器给 ；实验步骤；说出应记录的数据；说出如何分析记录的数据。
图8
d
光强测量仪
I/W·m-2
d/×10-2m
/m-1
I/W·m-2
0
3
6
9
12
15
2.50
5.00
7.50
10.00
2.50
5.00
7.50
10.00
0
4.0
8.0
12
16
（a）
（b）
（c）
/×102m-2
I/W·m-2
0
2.50
5.00
7.50
10.00
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
弹簧秤
O
Q
A
P
外电阻R（Ω） 电流 I（mA） 电流倒数1/I (mA-1)
9000 0.0502 19.92
8000 0.0528 18.93
6000 0.0594 16.84
5000 0.0633 15.80
4000 0.0680 14.71
2000 0.0800 12.50
图二
A
R
图一
R（Ω）
1/I（mA-1）
8000
-8000
4000
-4000
0
5
10
15
20
图三
A
B
图12
打点计时器
纸带
图甲
6.01
5.99
6.00
5.78
5.35
5.04
4.71
4.40
4.07
6.00
单位：cm
图乙
图12