名校物理之高考专题十六 实验设计与探究问题

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专题十六 实验设计与探究问题
【考纲要求】
近几年，高考实验题发生了明显的变化，已跳出了课本分组实验的范围，不仅延伸到演示实验中，而且出现了设计型实验。完整的设计一个实验，要经历多个环节，在实际考查中，一般不会考查全部环节，而是只考查其中的几个环节，有的题目给出条件和实验器材，要求阐述实验原理；有的给出实验电路图，要求领会实验原理，确定需测物理量及计算公式；有的则要求考生根据操作步骤及测定的物理量判断出实验原理……这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。
【重点知识梳理】
1．设计原则
（1）正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。
（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流。
（3）方便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。
（4）精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。
2．设计思路
实验设计可用下面的框图表示
[分类典型例题]
【例题1】有一个同学用如下方法测定动摩擦因数：用同种材料做成如图所使得AB、BD平面，其中AB为一斜面，其高为h、长为L1，BD是一足够长的水平面，两面在B点以小弧形光滑连接。现让质量为m的小物块从A点由静止开始下滑，到达B点后顺利进入水平面，最后滑到C点而停止，并测出BC=L2，小物块与两个平面的动摩擦因数相同，由以上数据可以求出物体与平面间的动摩擦因数μ= 。
【解析】该题为设计型实验，但由于给出了实验装置、器材和实验情景，因此对实验原理已有了很多提示。回顾力学分组实验，没有相关的可以迁移的原理。因此要用物理原理分析题给的实验情景。设斜面的倾角为，根据动能定理，在全过程中
mgh –μmgcos·L1 -μmgL2=0,
题中未给出斜面倾角，寻找别的关系，有
解得
【变式训练1】 在“用单摆测定重力加速度的实验中”①用游标卡尺测量摆球直径的情况如下图所示，读出摆球直径 cm 。
②测单摆周期时，当摆球经过____________时开始计时并计1次，测出经过该位置N次所用时间为t，则单摆周期为______________。
③若测量出多组周期T、摆长L数值后，画出T2—L图象如图，则此图线的斜率的物理意义是（ ）
A B C D
【例题2】现有一阻值为10.0Ω的定值电阻、一个开关、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值，要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源电动势，电源内阻约为几欧）要求：
（1）在右边方框中画出实验电路图：
（2）简要写出完成接线后的实验步骤；
（3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式= 。
【解析】在分组实验中有测定电源的电动势和内电阻的实验，我们从该实验知道测定电源的电动势和内电阻，至少应使电源连接不同负载两次，然后利用全电路欧姆定律求解。但现在只有一个定值电阻可用作负载；另外，应由电流表和电压表两个表，但现在只有一只电压表，而且是没有刻度值的；不过考虑到电压表电阻很大，而且题目只要求测出电源的内阻，应该有变通的办法。
（1）我们可以把断路也作为一种负载状态，实验电路如图5所示。S断开时，因电压表内阻远大于电源内阻，可认为是断路状态，S闭合时，又是一种负载状态。
（2）实验步骤如下：
①按电路图连接好电路。
②在开关S断开状态下读出电压表指针所在处的分度格数n1.
③闭合开关S，读出电压表指针所在处的分度格数n2.
（3）设电压表每一小分度表示的电压为U0。S断开时，有 E=n1U0
S闭合时，有解以上两式，得
【变式训练2】 在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中，备有下列器材：
A．待测的干电池（电动势约为1. 5 V，内电阻小于1. 0Ω)
B．电流表G（满偏电流3 mA，内阻Rg=10Ω)
C．电流表A(0～0. 6 A，内阻0.1Ω)
D．滑动变阻器R1(0～20Ω,10 A) E.滑动变阻器R2(0～200Ω,l A)F．定值电阻R0 (990Ω) G．开关和导线若干
(1)某同学发现上述器材中虽然没有电压表，但给出了两个电流表，于是他设计了如图所示中甲的（a)、 (b)两个参考实验电路，其中合理的是 图所示的电路；在该电路中，为了操作方便且能准确地进行测量，滑动变阻器应选 （填写器材前的字母代号）．
(2)图乙为该同学根据（1)中选出的合理的实验电路利用测出的数据绘出的I1—I2图线（I1为电流表G的示数，I2为电流表A的示数），则由图线可以得被测电池的电动势E= V，内阻r= Ω。
[能力训练]
1 ．象打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．
现利用图乙所示装置测量滑块和1m长的木板间的动摩擦因数，图中MN是水平桌面，Q计时器没有画出．此外在木板顶端的P点还悬挂着一个铅锤，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0×10－2s和2.0×10－2 s．用游标卡尺测量小滑块的宽度d，卡尺示数如图丙所示．
（1）读出滑块的宽度d=___________cm．
（2）滑块通过光电门1的速度v1=__________m/s，滑块通过光电门2的速度v2=__________m/s．（速度的计算结果均取两位有效数字）
（3）现仅提供一把米尺，已知当地的重力加速度为g，为完成测量，除了v1、v2和两个光电门之间的距离L外， 还需测量的物理量是_________________________
_______________________________________________________________________(说明各量的物理意义，同时指明代表物理量的字母，并在图中标出)．
（4）用(3)中各量求解动摩擦因数的表达式μ=__________________(用字母表示)．
2 ．图是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q，从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下：⑴按电路图接好实验电路 ⑵接通电键S，调节电阻箱R的阻值，使微安表的指针接近满刻度，记下这时的电压表读数U0=6.2V和微安表读数I0=490μA ⑶断开电键S并同时开始计时，每隔5秒钟或
10秒钟读一次微安表的读数i，将读数记录在预先设计的表格中 ⑷根据表格中的12组数据，以t为横坐标，i为纵坐标，在坐标纸上描点（图中用“×”表示）。
根据以上实验结果和图象，可以估算出当电容器两端电压为U0时该电容器所带的电荷量Q0约为___________C，从而算出该电容器的电容约为________F。
3．在做测量电源电动势E和内阻r的实验时，提供的器材是：待测电源一个，内阻为RV的电压表一个（量程大于电源的电动势），电阻箱一个，开关一个，导线若干。
为了测量得更加准确，多次改变电阻箱的电阻R，读出电压表的相应示数U，以为纵坐标，画出与R的某种关系图象（该图象为一直线）如图所示。由图象可得到直线在纵轴上的截距为m，直线的斜率为k,试根据以上信息在虚线框内画出实验电路图。根据你设 计的实验电路，在横轴箭头处应标的物理量是 （填R或1/R）
②写出E、r的表达式，E= ，r= ．
4、某同学在实验室里熟悉各种仪器的使用。他将一条形磁铁放在转盘上，如图甲所示，磁铁可随转盘转动，另将一磁感强度传感器固定在转盘旁边，当转盘（及磁铁）转动时，引起磁感强度测量值周期性地变化，该变化与转盘转动的周期一致。经过操作，该同学在计算机上得到了如图乙所示的图像。
（1）在图像记录的这段时间内，圆盘转动的快慢情况是 。
（2）圆盘匀速转动时的周期是 s。
（3）该同学猜测磁感强度传感器内有一线圈，当测得磁感强度最大时就是穿过线圈的磁通量最大时。按照这种猜测（ ）
A．在t = 0.1s 时刻，线圈内产生的感应电流的方向发生了变化
B．在t = 0.15s 时刻，线圈内产生的感应电流的方向发生了变化
C．在t趋近0.1s 时，线圈内产生的感应电流的大小达到了最大值
D．在t 趋近0.15s 时，线圈内产生的感应电流的大小达到了最大值
专题十六参考答案：
[变式训练1] ①2.06 ② ③C
[变式训练2] (1)b D或R,
(2) (1.48士0.02) 0.77(0.75～0.80)
[能力训练]
1、 (1)5.10
(2)1.0， 2.6
(3)P点到桌面的高度h；重锤在桌面上所指的点与Q点的距离a；图略
（４）
2、8.0×10-3C，1.3×10-3F
3、若横轴为R（电路为电压表和电阻箱串联，接上电源开关），则 若横轴为（电路为电压表和电阻箱并联，接上电源开关），则，
4、（1）先快慢不变，后越来越慢；
（2）0.2；
（3）A C
条形磁铁
图甲
磁感强度传感器
乙
t/s
B/mT
B/mT
-1.0
1.3
1.1
0.9
0.7
0.5
0.3
0.1
0
1.0
2.0
3.0
-3.0
-2.0
M N
cm
５　　　　　　　　　　　６　　　　　　　　　　 ７
图丙
0 5 10 15 20
P
Q
．
．
图乙
图甲
L
d
2
1
光电计时器
光电门
显示屏
a
b
图5
D
C
B
h
A
实验原理
数据处理
实验步骤
需测物理量和所需器材
基本仪器的使用知识
物理规律和原理
演示和分组实验的实验原理
题目要求和给出的条件
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