2013高考物理 熱門考點(diǎn)聚焦 專題15 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

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1、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn) 命題趨勢(shì) 近幾年,高考實(shí)驗(yàn)題發(fā)生了明顯的變化,已跳出了課本分組實(shí)驗(yàn)的范圍,不僅延伸到演示實(shí)驗(yàn)中,而且出現(xiàn)了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。關(guān)于試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽恕澳莒`活地運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題”,在理科綜合《考試說(shuō)明》中,更明確地把“設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)的能力”作為五個(gè)考試目標(biāo)中的一個(gè)目標(biāo)。 完整的設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),要經(jīng)歷多個(gè)環(huán)節(jié),在實(shí)際考查中,一般不會(huì)考查全部環(huán)節(jié),而是只考查其中的幾個(gè)環(huán)節(jié),有的題目給出條件和實(shí)驗(yàn)器材,要求闡述實(shí)驗(yàn)原理;有的給出實(shí)驗(yàn)電路圖,要求領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理,確定需測(cè)物理量及計(jì)算公式;有的則要求考生根據(jù)操作步驟及測(cè)定的物理量判斷出實(shí)驗(yàn)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(jì)型實(shí)驗(yàn)題都有一個(gè)共同點(diǎn),都是在給出實(shí)驗(yàn)器材的前提下進(jìn)行考查的,而且都以不同方式或多或少的對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)概要 中學(xué)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)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(jì)出實(shí)驗(yàn)方案。這類題對(duì)考生的要求較高,要求考生能將課本中分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)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(yùn)用,要求考生有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力。 1.設(shè)計(jì)原則 (1)正確性:實(shí)驗(yàn)原理所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理。 (2)安全性:實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施要安全

3、可靠,實(shí)施過(guò)程中不應(yīng)對(duì)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(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作,便于讀數(shù),便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 (4)精確性:在實(shí)驗(yàn)方案、儀器、儀器量程的選擇上,應(yīng)使實(shí)驗(yàn)誤差盡可能的小。 2.設(shè)計(jì)思路 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理 物理規(guī)律和原理 基本儀器的使用知識(shí) 需測(cè)物理量和所需器材 實(shí)驗(yàn)步驟 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)原理 解決設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的關(guān)鍵是確定實(shí)驗(yàn)原理,它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)和起點(diǎn),它決定應(yīng)當(dāng)測(cè)量那些物理量、如何安排實(shí)驗(yàn)步驟、如何處理數(shù)據(jù)

4、等。實(shí)驗(yàn)原理的確定,要根據(jù)問(wèn)題的要求和給出的條件,回顧分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn),尋找能夠遷移應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)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(duì)是否能夠測(cè)出必須測(cè)定的物理量。因此,掌握基本儀器的使用方法、基本的實(shí)驗(yàn)方法和基本物理原理是解答設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題的基礎(chǔ)。 點(diǎn)撥解疑 A h B C D 圖 1 【例題1】有一個(gè)同學(xué)用如下方法測(cè)定動(dòng)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(zhǎng)為L(zhǎng)1,BD是一足夠長(zhǎng)的水平面,兩面在B點(diǎn)以小弧形光滑連接?,F(xiàn)讓質(zhì)量為m的小物塊從A點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑,到達(dá)B點(diǎn)后順利進(jìn)入

5、水平面,最后滑到C點(diǎn)而停止,并測(cè)出BC=L2,小物塊與兩個(gè)平面的動(dòng)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(dòng)摩擦因數(shù)μ= 。 【點(diǎn)撥解疑】該題為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),但由于給出了實(shí)驗(yàn)裝置、器材和實(shí)驗(yàn)情景,因此對(duì)實(shí)驗(yàn)原理已有了很多提示。回顧力學(xué)分組實(shí)驗(yàn),沒(méi)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(shí)驗(yàn)情景。設(shè)斜面的傾角為,根據(jù)動(dòng)能定理,在全過(guò)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(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有器材如實(shí)物圖2所示,有:電池E,電動(dòng)勢(shì)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(kāi)關(guān)S;導(dǎo)線若干。 要求用圖3所示的電路測(cè)量圖中電流表A的內(nèi)阻。 (1)在所給的三個(gè)電流表中,那幾個(gè)可以用此電路精確測(cè)出其內(nèi)阻?答: 。 (2)在可測(cè)的電流表中任選一個(gè)作為測(cè)量對(duì)象,在實(shí)物圖上連成測(cè)量電路。 (3)你要讀出的物理量是 。用這些物理量表示待測(cè)內(nèi)阻的計(jì)算公式是 。 【點(diǎn)撥解疑】該題要求根據(jù)電路圖設(shè)想出實(shí)驗(yàn)原理。屬于有一定提示的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。與

7、我們學(xué)過(guò)的伏安法測(cè)電阻相比較,這里被測(cè)電阻是電流表的內(nèi)阻,它能顯示出通過(guò)自身的電流,因此只要知道其上的電壓就行,但沒(méi)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(cè)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(cè)出其內(nèi)阻,因這時(shí)圖中的電流表Aˊ應(yīng)為A2、A3中的一只,這使得電流表A1中的電流不能超過(guò)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(cè)出其內(nèi)阻。 (2)若測(cè)3,實(shí)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(cè)內(nèi)阻的計(jì)算公式是 評(píng)注:該題是分組實(shí)驗(yàn)原理遷移型的實(shí)驗(yàn)題,是高考實(shí)驗(yàn)題中常出現(xiàn)的一種。因此在做設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題時(shí),首先應(yīng)回顧分組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理,看看是否有遷移的可能。該題實(shí)際上是用比較法測(cè)電阻,比較待測(cè)電流表和電阻箱上的電流,從而比較出待測(cè)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(gè)開(kāi)關(guān)、若干根導(dǎo)線和一個(gè)電壓表,該電壓表表面上有刻度但無(wú)刻度值,要求設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)定某電源內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)方案(已知電壓表內(nèi)阻很大,電壓表量程大于電源電動(dòng)勢(shì),電源內(nèi)阻約為幾歐)要求: (1)在右邊方框中畫出實(shí)驗(yàn)電路圖: (2)簡(jiǎn)要寫出完成接

9、線后的實(shí)驗(yàn)步驟; (3)寫出用測(cè)得的量計(jì)算電源內(nèi)阻的表達(dá)式= 。 【點(diǎn)撥解疑】在分組實(shí)驗(yàn)中有測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn),我們從該實(shí)驗(yàn)知道測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻,至少應(yīng)使電源連接不同負(fù)載兩次,然后利用全電路歐姆定律求解。但現(xiàn)在只有一個(gè)定值電阻可用作負(fù)載;另外,應(yīng)由電流表和電壓表兩個(gè)表,但現(xiàn)在只有一只電壓表,而且是沒(méi)有刻度值的;不過(guò)考慮到電壓表電阻很大,而且題目只要求測(cè)出電源的內(nèi)阻,應(yīng)該有變通的辦法。 (1)我們可以把斷路也作為一種負(fù)載狀態(tài),實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。S斷開(kāi)時(shí),因電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于電源內(nèi)阻,可認(rèn)為是斷路狀態(tài),S閉合時(shí),又是一種負(fù)載狀態(tài)。 (2)實(shí)驗(yàn)步驟如下: ①

10、按電路圖連接好電路。 ②在開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)狀態(tài)下讀出電壓表指針?biāo)谔幍姆侄雀駭?shù)n1. ③閉合開(kāi)關(guān)S,讀出電壓表指針?biāo)谔幍姆侄雀駭?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(kāi)時(shí),有 E=n1U0 S閉合時(shí),有 解以上兩式,得 【例題4】(2000高考上海卷)如圖6所示為一實(shí)驗(yàn)小車中利用光電脈沖測(cè)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(dòng)時(shí),A發(fā)出的光束通過(guò)旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號(hào),被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由電子電路記錄和顯示。若實(shí)驗(yàn)顯示單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)為n,累計(jì)脈沖數(shù)為N

11、,則要測(cè)出小車的速度和行程還必須測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)是 ,小車速度的表達(dá)式為v= ;行程的表達(dá)式為= 。 圖6 【點(diǎn)撥解疑】 這是一道以實(shí)際問(wèn)題為背景的實(shí)驗(yàn)題,顯然無(wú)法通過(guò)遷移課本實(shí)驗(yàn)中的方法來(lái)解決。但是題目給出了裝置圖,該圖及題文中的相關(guān)說(shuō)明給我們一定提示,光束原來(lái)是連續(xù)的,是轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(yīng)有v=2πR f,其中R為車輪的半徑,f為單位時(shí)間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù);若車輪的齒數(shù)為P,則轉(zhuǎn)一圈應(yīng)有P個(gè)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(yīng)有,其中f為整個(gè)行程中車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù);而,所以??梢?jiàn),還必須測(cè)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(dá)式如上面兩式所示。 針對(duì)訓(xùn)練 1.(1999全國(guó))圖7為測(cè)量電阻的電路,R x為待測(cè)電阻,R的阻值己知,Rˊ為保護(hù)電阻,阻值未知。電源E的電動(dòng)勢(shì)未知,K1、K2均為單刀雙擲開(kāi)關(guān)。A為電流表,其內(nèi)阻不計(jì)。 圖7 (1)按圖(a)所示的電路,在圖(b)的實(shí)物圖上連線。 (2)測(cè)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(jì)算R x的公式是R x=__________ 2.(2002年高考上海卷)已知一個(gè)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(chǎng),因此可以通過(guò)在地面上測(cè)量閉合試探小線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定電纜的確切位置、走向和深度。當(dāng)線圈平面平行地面測(cè)量時(shí),在地面上a、c兩處測(cè)得試探線圈中的電動(dòng)勢(shì)為零,b、d兩處的電動(dòng)勢(shì)不為零,當(dāng)線圈平面與地面成45°夾角時(shí),在b、d兩處測(cè)得試探線圈中的電動(dòng)勢(shì)為零。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn):a、b、c、d恰好位于邊長(zhǎng)為1m的正方形的四個(gè)頂角上,如圖8所示,據(jù)此可以判斷地下電纜在 兩點(diǎn)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(yīng)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(shí)具有的彈性勢(shì)能與壓縮量之間的關(guān)系。 (1)為完成實(shí)驗(yàn),還需那些器材?答: 。 (2)如果在實(shí)驗(yàn)中,得到彈簧壓縮量x和小球離開(kāi)桌面后的水平位移s的一些數(shù)據(jù)如下表,則得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是: 。 實(shí)驗(yàn)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(guó)高考卷)從下表中選出適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)一電路來(lái)測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1,要求方法簡(jiǎn)捷,有盡可能高的測(cè)量精度,并能測(cè)出多組數(shù)據(jù)。 (1)畫出電路圖,標(biāo)明所用器材的代號(hào)。 (2)若選測(cè)量數(shù)據(jù)中的一組來(lái)計(jì)算r1,則所用的表達(dá)式為r1= ,式中各符號(hào)的意義是: 。 器材(代號(hào)) 規(guī)格 電流表(A1) 量程10mA、內(nèi)阻r1待測(cè)(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(hù)電阻用 滑動(dòng)變阻器(R2) 總阻值約為50Ω 電源(E) 電動(dòng)勢(shì)1.5V、內(nèi)阻很小 開(kāi)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(fù)寫紙、刻度尺 (2)彈性勢(shì)能與壓縮量的平方成正比 4.(1)如下圖所示的兩個(gè)圖中任一個(gè)均可 (2),I1、I2分別表示通過(guò)電流表A1和A2的電流,r1、 r2分別是它們的電阻。

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