2013高考物理 熱門考點聚焦 專題15 設(shè)計型實驗

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1、設(shè)計型實驗 命題趨勢 近幾年，高考實驗題發(fā)生了明顯的變化，已跳出了課本分組實驗的范圍，不僅延伸到演示實驗中，而且出現(xiàn)了設(shè)計型實驗。關(guān)于試驗能力提出了“能靈活地運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題”，在理科綜合《考試說明》中，更明確地把“設(shè)計和完成實驗的能力”作為五個考試目標中的一個目標。 完整的設(shè)計一個實驗，要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)，在實際考查中，一般不會考查全部環(huán)節(jié)，而是只考查其中的幾個環(huán)節(jié)，有的題目給出條件和實驗器材，要求闡述實驗原理；有的給出實驗電路圖，要求領(lǐng)會實驗原理，確定需測物理量及計算公式；有的則要求考生根據(jù)操作步驟及測定的物理量判斷出實驗原理……雖然考查方式不盡相同

2、，但目前高考中幾乎所有的設(shè)計型實驗題都有一個共同點，都是在給出實驗器材的前提下進行考查的，而且都以不同方式或多或少的對實驗原理作一定的提示。 由于考查環(huán)節(jié)和要求的不同，題型也不盡相同，但較多的是選擇、填空、作圖題。 知識概要 中學的設(shè)計型實驗一般要求考生根據(jù)題目提出的目的要求和給出的器材，設(shè)計出實驗方案。這類題對考生的要求較高，要求考生能將課本中分組實驗和演示實驗的實驗原理、實驗方法遷移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和規(guī)律，并能靈活運用，要求考生有較強的創(chuàng)新能力。 1．設(shè)計原則 （1）正確性：實驗原理所依據(jù)的原理應當符合物理學的基本原理。 （2）安全性：實驗方案的實施要安全

3、可靠，實施過程中不應對儀器及人身造成危害。要注意到各種電表均有量程、電阻均有最大允許電流和最大功率，電源也有最大允許電流。 （3）方便性：實驗應當便于操作，便于讀數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)處理。 （4）精確性：在實驗方案、儀器、儀器量程的選擇上，應使實驗誤差盡可能的小。 2．設(shè)計思路 實驗設(shè)計可用下面的框圖表示 題目要求和給出的條件 演示和分組實驗的實驗原理 物理規(guī)律和原理 基本儀器的使用知識 需測物理量和所需器材 實驗步驟 數(shù)據(jù)處理 實驗原理 解決設(shè)計型實驗問題的關(guān)鍵是確定實驗原理，它是進行實驗設(shè)計的根本依據(jù)和起點，它決定應當測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理數(shù)據(jù)

4、等。實驗原理的確定，要根據(jù)問題的要求和給出的條件，回顧分組實驗和演示實驗，尋找能夠遷移應用的實驗原理，或者回顧物理原理，尋找有關(guān)的物理規(guī)律，設(shè)法創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情景，并根據(jù)已掌握的基本儀器核對是否能夠測出必須測定的物理量。因此，掌握基本儀器的使用方法、基本的實驗方法和基本物理原理是解答設(shè)計型實驗題的基礎(chǔ)。 點撥解疑 A h B C D 圖 1 【例題1】有一個同學用如下方法測定動摩擦因數(shù)：用同種材料做成如圖1所使得AB、BD平面，其中AB為一斜面，其高為h、長為L1，BD是一足夠長的水平面，兩面在B點以小弧形光滑連接?，F(xiàn)讓質(zhì)量為m的小物塊從A點由靜止開始下滑，到達B點后順利進入

5、水平面，最后滑到C點而停止，并測出BC=L2，小物塊與兩個平面的動摩擦因數(shù)相同，由以上數(shù)據(jù)可以求出物體與平面間的動摩擦因數(shù)μ= 。 【點撥解疑】該題為設(shè)計型實驗，但由于給出了實驗裝置、器材和實驗情景，因此對實驗原理已有了很多提示?；仡櫫W分組實驗，沒有相關(guān)的可以遷移的原理。因此要用物理原理分析題給的實驗情景。設(shè)斜面的傾角為，根據(jù)動能定理，在全過程中 mgh –μmgcos·L1 -μmgL2=0, 題中未給出斜面傾角，尋找別的關(guān)系，有 解得 【例題2】（2001年高考理綜卷）實驗室中現(xiàn)有器材如實物圖2所示，有：電池E，電動勢約10V，內(nèi)阻約1Ω；電流表A1，量程

6、約10A，內(nèi)阻1約為0.2Ω；電流表A2，量程300mA，內(nèi)阻2約5Ω；電流表A3，量程250mA，內(nèi)阻3約5Ω；電阻箱R1，最大阻值999.9Ω，最小阻值改變量為0.1Ω；滑線變阻器R2，最大值100Ω；開關(guān)S；導線若干。 要求用圖3所示的電路測量圖中電流表A的內(nèi)阻。 （1）在所給的三個電流表中，那幾個可以用此電路精確測出其內(nèi)阻？答： 。 （2）在可測的電流表中任選一個作為測量對象，在實物圖上連成測量電路。 （3）你要讀出的物理量是 。用這些物理量表示待測內(nèi)阻的計算公式是 。 【點撥解疑】該題要求根據(jù)電路圖設(shè)想出實驗原理。屬于有一定提示的設(shè)計型實驗。與

7、我們學過的伏安法測電阻相比較，這里被測電阻是電流表的內(nèi)阻，它能顯示出通過自身的電流，因此只要知道其上的電壓就行，但沒有電壓表，卻有另一只電流表。根據(jù)電路圖可以看出，如果圖中表A是被測表，則其上電壓就是電阻箱上電壓，利用兩只電流表的讀數(shù)差和電阻箱上顯示的阻值可以求出該電壓，這樣就可以求出電流表的電阻。 （1）電流表A1不能精確測出其內(nèi)阻，因這時圖中的電流表Aˊ應為A2、A3中的一只，這使得電流表A1中的電流不能超過300mA，其指針的偏轉(zhuǎn)極其微小，誤差很大。而A2、A3可用此電路精確測出其內(nèi)阻。 （2）若測3，實物連線如圖4所示。 （3）根據(jù)前面的分析，要讀出的物理量是A、Aˊ兩電流表

8、的示數(shù)I、Iˊ和電阻箱的阻值R1，待測內(nèi)阻的計算公式是 評注：該題是分組實驗原理遷移型的實驗題，是高考實驗題中常出現(xiàn)的一種。因此在做設(shè)計型實驗題時，首先應回顧分組實驗的實驗原理，看看是否有遷移的可能。該題實際上是用比較法測電阻，比較待測電流表和電阻箱上的電流，從而比較出待測電流表的電阻。 【例題3】（1999年高考上海卷）現(xiàn)有一阻值為10.0Ω的定值電阻、一個開關(guān)、若干根導線和一個電壓表，該電壓表表面上有刻度但無刻度值，要求設(shè)計一個能測定某電源內(nèi)阻的實驗方案（已知電壓表內(nèi)阻很大，電壓表量程大于電源電動勢，電源內(nèi)阻約為幾歐）要求： （1）在右邊方框中畫出實驗電路圖： （2）簡要寫出完成接

9、線后的實驗步驟； （3）寫出用測得的量計算電源內(nèi)阻的表達式= 。 【點撥解疑】在分組實驗中有測定電源的電動勢和內(nèi)電阻的實驗，我們從該實驗知道測定電源的電動勢和內(nèi)電阻，至少應使電源連接不同負載兩次，然后利用全電路歐姆定律求解。但現(xiàn)在只有一個定值電阻可用作負載；另外，應由電流表和電壓表兩個表，但現(xiàn)在只有一只電壓表，而且是沒有刻度值的；不過考慮到電壓表電阻很大，而且題目只要求測出電源的內(nèi)阻，應該有變通的辦法。 （1）我們可以把斷路也作為一種負載狀態(tài)，實驗電路如圖5所示。S斷開時，因電壓表內(nèi)阻遠大于電源內(nèi)阻，可認為是斷路狀態(tài)，S閉合時，又是一種負載狀態(tài)。 （2）實驗步驟如下： ①

10、按電路圖連接好電路。 ②在開關(guān)S斷開狀態(tài)下讀出電壓表指針所在處的分度格數(shù)n1. ③閉合開關(guān)S，讀出電壓表指針所在處的分度格數(shù)n2. 圖5 （3）設(shè)電壓表每一小分度表示的電壓為U0。 S斷開時，有 E=n1U0 S閉合時，有 解以上兩式，得 【例題4】(2000高考上海卷)如圖6所示為一實驗小車中利用光電脈沖測量車速和行程的裝置示意圖。A為光源，B為光電接收器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪，D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉(zhuǎn)動時，A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號，由電子電路記錄和顯示。若實驗顯示單位時間內(nèi)脈沖數(shù)為n，累計脈沖數(shù)為N

11、，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理量和數(shù)據(jù)是 ，小車速度的表達式為v= ；行程的表達式為= 。 圖6 【點撥解疑】 這是一道以實際問題為背景的實驗題，顯然無法通過遷移課本實驗中的方法來解決。但是題目給出了裝置圖，該圖及題文中的相關(guān)說明給我們一定提示，光束原來是連續(xù)的，是轉(zhuǎn)動的齒輪使光束變?yōu)槊}沖，因此脈沖情況必定與齒輪（或車輪）的轉(zhuǎn)動有關(guān)，也就與速度和行程有關(guān)。 根據(jù)速度的意義和車正常行駛的情況，應有v=2πR f，其中R為車輪的半徑，f為單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；若車輪的齒數(shù)為P，則轉(zhuǎn)一圈應有P個脈沖被B接收到，因此有，代入上式，有

12、。 同樣，根據(jù)行程的意義，應有，其中f為整個行程中車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；而，所以?？梢?，還必須測量的物理量和數(shù)據(jù)是車輪的半徑R和齒輪齒數(shù)P，速度和行程的表達式如上面兩式所示。 針對訓練 1．（1999全國）圖7為測量電阻的電路，R x為待測電阻，R的阻值己知，Rˊ為保護電阻，阻值未知。電源E的電動勢未知，K1、K2均為單刀雙擲開關(guān)。A為電流表，其內(nèi)阻不計。 圖7 （1）按圖（a）所示的電路，在圖（b）的實物圖上連線。 （2）測量R x的步驟為：將K2向d閉合，K1向__________閉合，記下電流表讀數(shù)I1，再將K2向c閉合， K1________向閉合，記電流表讀數(shù)I2

13、。計算R x的公式是R x=__________ 2．（2002年高考上海卷）已知一個區(qū)域的地下埋有一根與地表面平行的直線電纜，電纜中通有變化的電流，在其周圍有變化的磁場，因此可以通過在地面上測量閉合試探小線圈中的感應電動勢來確定電纜的確切位置、走向和深度。當線圈平面平行地面測量時，在地面上a、c兩處測得試探線圈中的電動勢為零，b、d兩處的電動勢不為零，當線圈平面與地面成45°夾角時，在b、d兩處測得試探線圈中的電動勢為零。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)：a、b、c、d恰好位于邊長為1m的正方形的四個頂角上，如圖8所示，據(jù)此可以判斷地下電纜在 兩點連線的正下方，離地表面的深度為 m。

14、 3．如圖9所示，將輕彈簧放在凹形軌道上，一端與軌道的相應端固定，軌道放在水平桌面的邊緣上，桌邊懸一重錘。利用該裝置可以找出彈簧壓縮時具有的彈性勢能與壓縮量之間的關(guān)系。 （1）為完成實驗，還需那些器材？答： 。 （2）如果在實驗中，得到彈簧壓縮量x和小球離開桌面后的水平位移s的一些數(shù)據(jù)如下表，則得到的實驗結(jié)論是： 。 實驗次數(shù) 1 2 3 4 x/cm 2.00 3.00 4.00 5.00 s/cm 29.20 45.05 60.52 75.40 4．（2

15、000年全國高考卷）從下表中選出適當?shù)膶嶒炂鞑?，設(shè)計一電路來測量電流表A1的內(nèi)阻r1，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并能測出多組數(shù)據(jù)。 （1）畫出電路圖，標明所用器材的代號。 （2）若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算r1，則所用的表達式為r1= ，式中各符號的意義是： 。 器材（代號） 規(guī)格 電流表（A1） 量程10mA、內(nèi)阻r1待測（約40Ω） 電流表（A2） 量程500μA、內(nèi)阻r2=750Ω 電壓表（V） 量程10V、內(nèi)阻r3=10kΩ 電阻（R1） 阻值約為100Ω、做保護電阻用 滑動變阻器（R2） 總阻值約為50Ω 電源（E） 電動勢1.5V、內(nèi)阻很小 開關(guān)（S2）、電線若干 參考答案： 1．1．（1）如下圖所示 （2）a，b，I 2R / I 1， 2．a(chǎn) 、c 0.71 3．（1）白紙、復寫紙、刻度尺 （2）彈性勢能與壓縮量的平方成正比 4．（1）如下圖所示的兩個圖中任一個均可 （2），I1、I2分別表示通過電流表A1和A2的電流，r1、 r2分別是它們的電阻。