第19讲 实验技能与创新原卷版.docx
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第19讲实验技能与创新原卷版
2020年高考物理二轮精准备考复习讲义
第七部分实验
第十九讲实验技能与创新
一、理清单,记住干
一力学创新型实验的特点及解法
1.特点
(1)以基本的力学模型为载体,依托运动学规律和力学规律设计实验。
(2)将实验的基本方法——控制变量法,处理数据的基本方法——图象法、逐差法,融入实验的综合分析之中。
2.分类
(1)第一类是通过实验和实验数据的分析得出物理规律。
这类实验题目需认真分析实验数据,根据数据特点掌握物理量间的关系,得出实验规律。
(2)第二类是给出实验规律,选择实验仪器,设计实验步骤,并进行数据处理。
这类实验题目需从已知规律入手,正确选择测量的物理量,根据问题联想相关的实验模型,确定实验原理,选择仪器,设计实验步骤,记录实验数据并进行数据处理。
3.解法
实验原理是创新设计型实验问题的关键,实验原理决定了应当测量哪些物理量、如何安排实验步骤等。
(1)根据题目情境,提取相应的力学模型,明确实验的理论依据和实验目的,设计实验方案。
(2)进行实验,记录数据,应用原理公式或图象法处理实验数据,结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。
二.解决电学设计型实验常用的三种方法
(1)转换法:
将不易测量的物理量转换成可以(或易于)测量的物理量进行测量,然后再反求待测物理量的值,这种方法叫转换测量法(简称转换法)。
如在测量金属丝电阻率的实验中,虽然无法直接测量电阻率,但可通过测量金属丝的长度和直径,并将金属丝接入电路测出其电阻,然后再计算出它的电阻率。
(2)替代法:
用一个标准的已知量替代被测量,通过调整标准量,使整个测量系统恢复到替代前的状态,则被测量等于标准量。
(3)控制变量法:
研究一个物理量与其他几个物理量的关系时,要使其中的一个或几个物理量不变,分别研究这个物理量与其他各物理量的关系,然后再归纳总结,如探究电阻的决定因素实验。
二、研高考,探考情
【2019·全国卷Ⅱ】如图a,某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验。
所用器材有:
铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50Hz的交流电源、纸带等。
回答下列问题:
(1)铁块与木板间动摩擦因数μ=__________(用木板与水平面的夹角θ、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示)。
(2)某次实验时,调整木板与水平面的夹角使θ=30°。
接通电源,开启打点计时器,释放铁块,铁块从静止开始沿木板滑下。
多次重复后选择点迹清晰的一条纸带,如图b所示。
图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出)。
重力加速度为9.80m/s2,可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为____________(结果保留两位小数)。
【2018·全国卷Ⅱ】某同学用图a所示的装置测量木块与木板之间的摩擦因数。
跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连,滑轮和木块之间的细线保持水平,在木块上放置砝码。
缓慢向左拉动水平放置的木板,当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时,弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小。
某次实验所得数据在下表中给出,其中f4的值从图b中弹簧秤的示数读出。
砝码的质量m/kg
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
滑动摩擦力f/N
2.15
2.36
2.55
f4
2.93
回答下列问题:
(1)f4=________N。
(2)在图c的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出fm图线。
(3)f与m、木块质量M、木板和木块之间的滑动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式f=________,fm图线(直线)的斜率的表达式k=________。
(4)取g=9.80m/s2,由绘出的fm图线求得μ=________。
(保留两位有效数字)
【2019·全国卷Ⅱ】某小组利用图a所示的电路,研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系,图中
和
为理想电压表;R为滑动变阻器,R0为定值电阻(阻值100Ω);S为开关,E为电源。
实验中二极管置于控温炉内,控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。
图b是该小组在恒定电流为50.0μA时得到的某硅二极管Ut关系曲线。
回答下列问题:
(1)实验中,为保证流过二极管的电流为50.0μA,应调节滑动变阻器R,使电压表
的示数为U1=________mV;根据图b可知,当控温炉内的温度t升高时,硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”),电压表
示数________(填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动,以使
示数仍为U1。
(2)由图b可以看出U与t成线性关系。
硅二极管可以作为测温传感器,该硅二极管的测温灵敏度为
=________×10-3V/℃(保留2位有效数字)。
三、考情揭秘
1.分析近几年的高考,考查的方向基本不变,主要体现在:
(1)基于教材中的例(电)学实验,着重考查实验原理的改进,实验步骤及误差分析。
(2)重视力(电)学实验的实验方法。
问题的设置常结合科技、生产、生活的实际。
因此,理解实验原理及掌握实验方法是解决电学实验的关键。
思想方法:
等效替代法、半偏法、控制变量法、累积法、图象法。
应考策略:
1.掌握基本仪器的原理和使用,掌握处理实验数据的基本方法,如图象法、平均值法等.
2.掌握基本的实验目的、实验原理和实验思想.重视实验的迁移和创新问题,如由伏安法测电阻衍生的等效替代法、半偏法、差值法等测电阻方法.
四、定考点,定题型
超重点突破1实验目的创新——测定动摩擦因数
测定动摩擦因数的实验一般结合在“研究匀变速直线运动”“验证牛顿运动定律”或“探究动能定理”等实验中考查。
实验的原理是:
利用打点计时器等器材测出物体做匀变速直线运动的加速度,再利用牛顿第二定律计算动摩擦因数,或者利用平衡条件、动能定理或能量守恒定律等计算动摩擦因数。
实验方法
创新思维
实验原理
将研究运动物体转化为研究静止物体
利用F弹=Ff=μFN求μ
让物块先做加速运动,当重物掉到地面上之后物块做匀减速直线运动
减速运动中,利用逐差法求加速度,利用F=μmg=ma进一步求μ
将动摩擦因数的测量转化为角度的测量
利用a=gsinθ-μgcosθ求μ(a通过逐差法求解)
将动摩擦因数的测量转化为加速度的测量
利用v
-v
=2as求加速度,再利用动力学知识得到μ=
【例1】(2019·江西南昌二模)物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数。
实验装置如图甲所示。
一表面粗糙的木板固定在水平桌面上,一端装有定滑轮;木板上有一滑块,其一端与电磁打点计时器的纸带相连,另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接。
打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz,开始实验时,在托盘中放入适量砝码,滑块开始向右运动,在纸带上打出一系列小点。
(1)图乙中给出的是实验中获取的一条纸带的一部分:
0、1、2、3、4、5、6、7是计数点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),计数点间的距离如图乙所示。
根据图中数据计算滑块的加速度a=________m/s2(保留三位有效数字)。
(2)为测量动摩擦因数,还需要测量的物理量有________(填入所选物理量前的字母)。
A.木块的长度L
B.木板的质量m1
C.滑块的质量m2
D.托盘和砝码的总质量m3
E.滑块运动的时间t
(3)滑块与木板间的动摩擦因数μ=________________(用上述物理量的符号表示,重力加速度为g)。
超重点突破2实验目的创新------测定重力加速度
重力加速度的测定是力学实验的创新热点,常见方案有以下几种:
【例2】.(2019·河北衡水中学三模)如图甲所示为阿特武德机的示意图,它是早期测量重力加速度的器械,由英国数学家和物理学家阿特武德于1784年制成。
他将质量均为M的两个重物用不可伸长的轻绳连接后,放在光滑的轻质滑轮上,处于静止状态。
再在一个重物上附加一质量为m的小物块,这时,由于小物块的重力而使系统做初速度为零的缓慢加速运动,测出加速度。
完成一次实验后,换用不同质量的小物块,重复实验,测出不同m时系统的加速度。
(1)所产生的微小加速度可表示为a=________(用M、m、重力加速度g表示)。
(2)若选定如图甲所示左侧重物从静止开始下落的过程进行测量,想要求出重物的质量M,则需要测量的物理量有________。
A.小物块的质量m
B.重物下落的距离及下落这段距离所用的时间
C.绳子的长度
D.滑轮半径
(3)经过多次重复实验,得到多组a、m数据,作出
图象,如图乙所示,已知该图象斜率为k,纵轴截距为b,则可求出当地的重力加速度g=________,并可求出每个重物质量M=________。
超重点突破3 测量方法创新------利用光电门测速度
力学实验中速度的测量可采用:
(1)定义法测瞬时速度,如光电门测速度;
(2)留迹法测瞬时速度,如打点计时器、频闪照相机等;
(3)转换法测瞬时速度,速度是一个不易测量的物理量,可以转化为较为容易的物理量,如位移、角度、力等,位移传感器、速度传感器等就是利用这种原理进行测量的。
【例3】(2019·福建五校高三联考)某实验小组的同学用如图甲所示的装置测量滑块与斜面间的动摩擦因数μ。
每次滑块都从斜面上由静止开始下滑,测出滑块每次下滑时遮光板到光电门所在位置的距离L及相应的遮光时间t。
(1)用游标卡尺测量遮光板的宽度d,如图乙所示,则d=________cm。
(2)为测出滑块与斜面间的动摩擦因数,本实验还需要测出或知道的物理量是________(填下列序号)。
A.滑块和遮光板的总质量m
B.斜面的倾角θ
C.当地的重力加速度g
(3)实验中测出了多组L和t的值,若要通过线性图象来处理数据求μ,则应作出的图象为________。
A.t2-L图象 B.t2-
图象
C.L2-t图象D.L2-
图象
(4)在(3)作出的线性图象中,若直线的斜率为k,则μ=________。
(用以上物理量的符号表示)
超重点突破4力传感器的应用
【例题4】某实验小组用如图8-1-19甲所示装置“探究加速度与力的关系”,已知小车的质量为M,光滑的动滑轮、砝码和砝码盘的总质量为m,细线、纸带的质量忽略不计。
打点计时器电源的频率为50Hz,实验步骤如下:
①安装好计时器、纸带,调节长木板的倾角,轻推小车后,使小车能沿长木板向下匀速运动;
②按图甲所示,安装好实验装置,其中动滑轮上方的两段细线竖直;
③挂上砝码盘,接通电源后,再放开小车,打出一条纸带,由纸带求出小车的加速度a;
④记下③步骤中力传感器的示数为F;
⑤多次改变砝码盘中砝码的质量,重复步骤③和④。
根据以上实验过程,回答以下问题:
(1)实验中打出的一条纸带如图乙所示,由该纸带可求得小车的加速度为________m/s2。
(结果保留两位有效数字)
(2)对于上述实验,下列说法正确的是________。
A.小车的加速度与砝码盘的加速度大小相等
B.小车所受合外力的大小等于力传感器示数
C.在步骤④中总有2F=mg
D.实验中不必要求m远小于M
超重点突破5电学创新实验要点归纳
1.电表的替代与改装
在没有电压表或电压表不能用;没有电流表或电流表不能用时,要用到电表的替代与改装.
(1)内阻已知的电压表相当于小量程的电流表;
(2)内阻已知的电流表则相当于小量程的电压表;
(3)灵敏电流计串大电阻改装成电压表;
(4)灵敏电流计并小电阻改装成电流表;
(5)电阻箱与电流表串联相当于电压表;
(6)电阻箱与电压表并联相当于电流表;
(7)内阻较小的电源串联定值电阻相当于内阻较大的电源.
【例题5】(2019·湖北八校高三第四次联考)某待测电阻Rx的阻值在80~100Ω之间,现要测量其阻值,实验室提供如下器材:
A.电流表A1(量程30mA,内阻r1=10Ω)
B.电流表A2(量程150mA,内阻r2约为30Ω)
C.电压表V(量程15V,内阻约为10kΩ)
D.定值电阻R0=20Ω
E.滑动变阻器R(最大电阻约10Ω)
F.电源E(电动势为4V)
G.开关S和导线若干
(1)如果用图甲来测量Rx,测得的电阻将________真实值(选填“大于”“小于”或“等于”);
(2)如果用图乙来测量Rx,测量电流表A1和A2的读数分别为I1和I2,则Rx=________;
(3)根据提供的器材要完成此实验,甲、乙两同学分别设计了如图甲、乙两种电路,你认为图________更合适.
【例题6】现有一块电流表A1,量程IA1=300mA,内阻r1约为5Ω,要把它改装成较大量程的电流表。
首先要测量其内阻的准确值。
实验室备有以下器材:
电流表A2:
量程IA2=600mA,内阻约为r2=1Ω
电压表V:
量程15V,内阻约为3kΩ;
定值电阻:
R0=5Ω;
滑动变阻器R1:
最大电阻值10Ω,额定电流为1A
滑动变阻器R2:
最大电阻值250Ω,额定电流为0.3A
电源E:
电动势为3V,内阻较小
开关和导线若干。
(1)有同学根据提供的器材,设想把电压表直接和电流表并联测量电流表A1的内阻,如图甲所示,仔细分析后发现是不可行的,其原因是
__________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(2)请你选择合适的器材,设计一个测量电流表A1内阻的电路原理图,要求电流表A1的示数从零开始变化,且能多测几组数据,尽可能减小误差。
(3)若测得电流表A1的内阻r1=5.0Ω,就可以将A1改装成0.6A和3A两个量程的电流表。
如图乙所示,则电阻Ra=________Ω,Rb=________Ω。
【例题7】某型号电池的电动势约3.7V,内阻约2Ω,现欲测定其电动势E和内阻r,给定的器材有:
待测电池E
滑动变阻器R(0~15Ω,1A)
直流电压表V(量程3V,内阻约为6kΩ)
直流毫安表mA(量程100mA,内阻Rg=5Ω)
开关S一个;导线若干。
(1)为了把毫安表改装成量程为0.6A的电流表,需要给毫安表并联一个阻值R0=________Ω的定值电阻。
(2)按图甲所示连接好电路,实验过程中要使电压表读数变大,则滑动变阻器滑片应________移动(选填“向左”或“向右”)。
(3)用该电路测量出多组数据,作出图乙所示的U-I图象(I为毫安表示数),横坐标截距为a,纵坐标截距为b,则待测电池电动势E=________,内阻r=____________(用a、b表示)。
2.电表内阻测量最常用的方法——半偏法
(1)用半偏法测电流表内阻,如图所示,电阻箱应和电流表并联,然后与大电阻滑动变阻器串联,R测 (2)若测电压表内阻,如图所示,电阻箱应和电压表串联,然后与小电阻滑动变阻器并联,且R测>R真. 【例7】电压表满偏时通过该表的电流是半偏时通过该表电流的两倍。 某同学利用这一事实测量电压表的内阻(半偏法),实验室提供的器材如下: 待测电压表V(量程3V,内阻约为3000Ω),电阻箱R0(最大阻值为99999.9Ω),滑动变阻器R1(最大阻值100Ω,额定电流2A),电源E(电动势6V,内阻不计),开关2个,导线若干。 (1)虚线框内为该同学设计的测量电压表内阻的电路图的一部分,将电路图补充完整。 (2)根据设计的电路,写出实验步骤: __________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)将这种方法测出的电压表内阻记为RV′,与电压表内阻的真实值RV相比,RV′________RV(填“>”、“=”或“<”),主要理由是 __________________________________________________________________________________________________________________________________________。 【例8】.(2019·兰州高三诊断考试)某兴趣小组在学习了多用电表后,在实验室找到一个电流表G,尝试自己动手改装一个电压表。 (1)先用半偏法测量电流表G的内阻,实验电路图如图所示,准备有下列器材: A.待测电流表G(量程1mA,内阻约几十欧) B.滑动变阻器(阻值范围0~100Ω) C.滑动变阻器(阻值范围0~20kΩ) D.电阻箱(0~999.9Ω) E.电阻箱(0~9999Ω) F.电源(电动势9V,有内阻) G.开关、导线 ①实验中要求有较高的精确度,在以上器材中,R1应选用________,R2应选用________。 ②实验要进行的步骤有: A.闭合开关S1 B.闭合开关S2 C.将R1的阻值调到最大 D.调节R1的阻值,使电流表指针满偏 E.调节R2的阻值,使电流表指针偏转到满刻度一半处 F.记下R2的阻值并断开S1 G.按图所示连接好实验电路 以上步骤,合理的顺序是____________(用步骤前的英文字母表示)。 ③若在步骤F中读得R2的阻值是50.0Ω,则电流表内阻Rg=________Ω。 (2)要将该电流表改装成量程是3V的电压表,则应串联一个阻值是________Ω的电阻。 3.等效替代法 (1)电流等效替代(如图) (2)电压等效替代() 【例题9】(2019·河南安阳二模)为了测量一电压表V的内阻,某同学设计了如图1所示的电路。 其中V0是标准电压表,R0和R分别是滑动变阻器和电阻箱,S和S1分别是单刀双掷开关和单刀单掷开关,E是电源。 (1)用笔画线代替导线,根据如图1所示的实验原理图将如图2所示的实物图连接完整。 (2)实验步骤如下: ①将S拨向接点1,接通S1,调节________,使待测表头指针偏转到适当位置,记下此时________________的读数U; ②然后将S拨向接点2,保持R0不变,调节______________,使____________________________,记下此时R的读数; ③多次重复上述过程,计算R读数的________,即为待测电压表内阻的测量值。 (3)实验测得电压表的阻值可能与真实值之间存在误差,除偶然误差因素外,还有哪些可能的原因,请写出其中一种可能的原因: ________________________。 【例题10】(2019·陕西省部分学校高三联考)某物理小组欲利用如图所示的电路测量一只有30格刻度的毫安表的量程、内阻且要得到光敏电阻的阻值与光照强度之间的关系。 实验室能提供的实验器材有: 学生电源(输出电压为U=18.0V,内阻不计)、电阻箱R(最大阻值9999.9Ω)、单刀双掷开关一只、导线若干。 (1)该小组实验时先将电阻箱的阻值调至最大,然后将单刀双掷开关接至a端,开始调节电阻箱,发现将电阻箱的阻值调为1700Ω时,毫安表恰好能够偏转10个格的刻度,将电阻箱的阻值调为800Ω时,毫安表刚好能偏转20个格的刻度,实验小组据此得到了该毫安表的最大量程为________mA,内阻Rg=________Ω。 (2)该小组查阅资料得知,光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化很大,为了安全,该小组需将毫安表改装成最大量程为0.3A的电流表,则需在毫安表两端________(选填“串联”或“并联”)一个阻值为________Ω(保留三位有效数字)的电阻。 (3)电表改装之后,该小组将单刀双掷开关接至b端,通过实验发现,流过毫安表的电流I(单位: mA)与光照强度E(单位: Lx)之间的大小关系满足I= E,由此可得到光敏电阻的阻值R(单位: Ω)与光照强度E(单位: Lx)之间的大小关系为________。 五、固成果,提能力 1.(2019·长沙二模)某探究小组为了研究小车的直线运动,用自制的“滴水计时器”计量时间。 实验前,将该计时器固定在小车旁,如图甲所示。 实验时,保持桌面水平,让小车在外力的作用下运动一段时间,滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴,图乙记录了桌面上连续6个水滴的位置及它们之间的距离。 已知滴水计时器从滴出第1个水滴开始计时,到滴出第26个水滴共用时10s。 (结果均保留两位有效数字) (1)水滴从滴到位置1至滴到位置6用时________s。 (2)小车运动过程的加速度大小为________m/s2;水滴滴到位置5时,小车的速度大小为________m/s。 2.(2018·江苏高考)某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g。 细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮,两端各悬挂一只质量为M的重锤。 实验操作如下: ①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H; ②在重锤1上加上质量为m的小钩码; ③左手将重锤2压在地面上,保持系统静止。 释放重锤2,同时右手开启秒表,在重锤1落地时停止计时,记录下落时间; ④重复测量3次下落时间,取其平均值作为测量值t。 请回答下列问题: (1)步骤④可以减小对下落时间t测量的________(选填“偶然”或“系统”)误差。 (2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多,主要是为了________。 A.使H测得更准确 B.使重锤1下落的时间长一些 C.使系统的总质量近似等于2M D.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等 (3)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差。 现提供一些橡皮泥用于减小该误差,可以怎么做? ________________________________________________。 (4)使用橡皮泥改进实验后,重新进行实验测量,并测出所用橡皮泥的质量为m0。 用实验中的测量量和已知量表示g,得g=____________。 3(2019·南昌市检测)一课外实验小组用如图a所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值,图中R0为标准电阻(R0=20.0Ω); 可视为理想电压表,S1为单刀开关,S2为单刀双掷开关,E为电源,R为滑动变阻器,采用如下步骤完成实验: (1)根据实验原理电路图连接好电路。 (2)将滑动变阻器滑动端置于________位置(填“左端”“右端”或“中间”),再闭合S1。 (3)将开关S2掷于1端,改变滑动变阻器滑动触头的位置,记下此时电压表 的示数U1;然后将S2掷于2端,记下此时电压表 的示数U2。 (4)待测电阻阻值的表达式Rx=________(用R0、U1、U2表示)。 (5)为减小偶然误差,改变滑动头的位置,测得几组U1、U2的值,作出U1与U2的关系图象如图b所示,则待测电阻Rx=________Ω。 4.(2019·陕西咸阳三模)热敏电阻包括正温度系数电阻器(PTC)和负温度系数电阻器(NTC)。 正温度系数电阻器(PTC)在温度升高时电阻值增大,负温度系数电阻器(NTC)在温度升高时电阻值减小,热敏电阻的这种特性,常常应用
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