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 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)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)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(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)施過程中不應(yīng)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(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(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、長為L1，BD是一足夠長的水平面，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，因此對實(shí)驗(yàn)原理已有了很多提示?；仡櫫W(xué)分組實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)情景。設(shè)斜面的傾角為，根據(jù)動(dòng)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(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(dǎo)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(gè)電流表中，那幾個(gè)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(gè)作為測量對象，在實(shí)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(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(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(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(gè)開關(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刻度值，要求設(shè)計(jì)一個(gè)能測定某電源內(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，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）簡要寫出完成接

9、線后的實(shí)驗(yàn)步驟； （3）寫出用測得的量計(jì)算電源內(nèi)阻的表達(dá)式= 。 【點(diǎn)撥解疑】在分組實(shí)驗(yàn)中有測定電源的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)，我們從該實(shí)驗(yàn)知道測定電源的電動(dòng)勢和內(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(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在開關(guān)S斷開狀態(tài)下讀出電壓表指針?biāo)谔幍姆侄雀駭?shù)n1. ③閉合開關(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(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)際問題為背景的實(shí)驗(yàn)題，顯然無法通過遷移課本實(shí)驗(yàn)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(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)過的圈數(shù)；而，所以。可見，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(dá)式如上面兩式所示。 針對訓(xùn)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(hù)電阻，阻值未知。電源E的電動(dòng)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(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，因此可以通過在地面上測量閉合試探小線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢來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量時(shí)，在地面上a、c兩處測得試探線圈中的電動(dòng)勢為零，b、d兩處的電動(dòng)勢不為零，當(dāng)線圈平面與地面成45°夾角時(shí)，在b、d兩處測得試探線圈中的電動(dòng)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(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(biāo)明所用器材的代號(hào)。 （2）若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計(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（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(fù)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(gè)圖中任一個(gè)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。