专题二十六 物理实验
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
【2011考纲解读】从2011高考考纲来看,实验设计依然为高考命题的热点之一。通过历年高考试题的
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
,不难发现,设计性实验是高考考查的难点,重点考查课本上实验的基本原理和实验方法的迁移能力。
【2011高考预测】从近几年的高考试题来看,加强了对实验创新能力的考查。重点考查电路设计问题、选择电阻设计电路问题、利用米尺和铅笔设计测量金属丝直径问题。预测高考仍然会加强对设计实验的考查,且仍然是基本实验原理和实验思想的迁移能力的考查。
【专题解读】
1、实验设计的四项基本原则
(1)科学性:设计的
方案
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应有科学的依据和正确的操作方式。
①设计方案中依据的原理应遵循物理规律,且要求选用的规律正确、简明;
②设计方案中安排的操作步骤应该合理,且操作符合实验规则要求;
③设计方案中进行数据处理及误差分析应依据科学的方法。
(2)安全性:按照设计方案操作时,应安全可靠,不会对仪器、器材造成损害。
①选用实验器材时,应考虑仪器、器材的性能及量值(如仪表的量程、用电器的额定值、弹簧的弹性限度等)的要求;
②设计实验方案时,应考虑安排保护措施。
(3)精确性:实验误差应控制在误差允许的范围内,尽量采取误差较小的方案。
①在安装实验器材或使用仪器前,应安装实验要求对器材、仪器精心调整,如在使用某些仪表前,应注意进行机械调零;
②选用合适的测量工具和合适的测量范围,使之与被测数据相匹配,如使用多用电表测量某电阻时,应选择合适的档位,使测量是的电表指针在中央刻度值附近;
③实验中应多次测量,获取多组数据,避免因操作带来的偶然误差;
④数据处理采用合适的方式,如根据题目的要求可以采用图像法、列表法等方式进行数据处理。
(4)简便性、直观性:设计实验应便于操作、读数,便于进行数据处理。
2、实验设计的设计思路
解决设计型实验问题的关键是确定实验原理,它是进行实验设计的根本依据和起点,它决定应当测量那些物理量、如何安排实验步骤、如何处理数据等。实验原理的确定,要根据问题的要求和给出的条件,回顾分组实验和演示实验,寻找能够迁移应用的实验原理,或者回顾物理原理,寻找有关的物理规律,设法创设相关的物理情景,并根据已掌握的基本仪器核对是否能够测出必须测定的物理量。
如果设计实验中没有给定(或给足)实验器材,则设计实验的基本思路如下:
(1)根据实验设计的条件和要求,构建相关的物理情景;
(2)确定实验原理;
(3)确定需要待测物理量;
(4)设计实验方案。
有时,对于同一个实验要求,可以构建不同的物理情景,导出不同的物理量的表达式,若把这些表达式作为实验设计的依据,会有不同的实验原理和实验方案。如果实验实设计是已经给足实验器材,则实验设计只能根据所给定的器材来构建物理情景,相当而言,实验原理和实验方案都会受到较大的限制。
【电学设计性实验的分析方法与技巧】
实验是物理的基础,是高考的重要内容之一,纵观近几年高考的物理实验考题,与前几年相比有较大的变化,前几年都是考查课本上的实验,而近几年来出现了一种新题型,即用课本上的实验原理、方法去重新设计实验方案的设计性物理实验。什么是设计性物理实验?它有何特点?怎么样分析和求解?下面就来研究这个问题。
一、什么是设计性物理实验
设计性物理实验,是依据课本中已经出现过的物理实验的基本原理、所使用的基本器材、以及在这些实验中学过的有关方法等,依据提供有关的实验器材以及实验要求,去设计一些新的实验方案,并按照实验设计方案及要求,完成实验有关内容。
二、设计性物理实验的特点
设计性物理实验突出考查同学们的能力,与高考的要求相符,是近几年高考实验试题的一个新特点。这类实验问题具有器材新、视角新、方案新、内容新等特点,着重考查同学们的灵活运用物理实验中学过的原理与方法去处理新问题的能力;它要求同学们对课本实验的原理、方法要有较为透彻的理解,能正确使用实验中用过的仪器,并能正确运用在这些实验中学过的方法,综合分析解决新的实验问题。
三、设计性实验的设计原则:
1、合理性:实验方案所依据的原理应当符合物理学的基本原理,实验装置或电路能够圆满完成实验的要求。
2、安全性:实验进行的过程中不会对实验装置和器材造成损坏,不会对人身造成危害。
3、便利性:实验要便于操作、便于读数、便于实验数据的处理。
4、精确性:实验结果要尽可能精确,误差要在允许的范围。
5、可重复性:实验装置可进行多次测量、可重复操作。
四、以电学设计性实验为例来分析其方法与技巧。
电学设计性实验大多数都要设计实验电路,电学实验电路分为测量电路和控制电路两部分组成:
1、测量电路
常用电学测量电路分为“内接法”和“外接法”两种,如图所示:
当被测电阻较大()时,采用“内接法”误差较小,当被测电阻较小()时,采用“外接法”误差较小。
2、控制电路
电学中控制电路分为“限流式”和“分压式”两种,如图所示。
甲 乙
若测量电路中电流较小,且不要求从零开始测量,滑线变阻器阻值较大时,可用“限流式”控制电路,若要求从零开始测量,并连续多测几组数据,滑线变阻器的阻值较小时,可用“分压式”控制电路。
例1、某电压表的内阻在20kΩ—50kΩ之间,现要测量其内阻,实验提供下列可选用的器材:
待测电压表V(0—3V) 电流表A1(0—200μA)
电流表A2(0—5mA) 电流表A3(0—0.6A)
滑动变阻器R(0—1kΩ) 电源E(电动势3V)
开关S
(1)为了尽量减少误差,要求测多组数据,试在图中所示
方框中画出符合要求的实验电路图(其中电源和开关及其连线已画出)。
(2)所提供的电流表中,应选用____________(填写字母代号)。
解析: (1)电路设计方案:
有内阻的电压表可以等效为它的内阻与一个理想的电压表并联,电压表内阻两端的电压可由电压表自已测出,如下图所示:
若能测出流过电流表的电流,就能求出电压表的内阻。因此,只要将电流表与电压表串联起来,就可以测出流过电压表的电流。如下图所示:
再来选择控制电路,由于题目要求为了尽量减少误差,要求测多组数据,因此只能选择分压式控制电路,实验电路图如下图所示:
(2)如何选择电流表:
电压表中的最大电流在下面的范围内:
故电流表、的量程太大,只能选用电流表
例2、从下列实验器材中选出适当的器材,设计测量电路来测量两个电流表的内阻,要求方法简捷,操作方便,可进行多次测量并有尽可能高的测量精度。
(A)待测电流表A1,量程40mA,内电阻约几十Ω
(B)待测电流表A2,量程30mA,内电阻约几十Ω
(C)电压表V,量程15V,内阻rV=15kΩ
(D)电阻箱R1,阻值范围0—9999.99Ω
(E)电阻箱R2,阻值范围0—99.99Ω
(F)滑动变阻器R3,阻值范围0—150Ω,额定电流1.5A
(G)滑动变阻器R4,阻值0—20Ω,额定电流2A
(H)电阻R0,阻值是40Ω,功率是0.5W(作保护电阻用)
(I)电池组,电动势为12V,内电阻为0.5Ω
此外还有单刀开关若干和导线若干,供需要选用。
(1)请设计一个测量电路,画出电路图。
(2)选出必要的器材,用器材前的字母表示,有____________________。
(3)需要哪些物理量,写出和的表达式。
上述两个方案不可行的根本原因是电压表的量程太大,精度不符合要求,电压表在这个题中不能用,给出电压表是一个陷井,如果不加分析就会掉入这个陷井中。
设计方案三:电压表不能用,电压无法直接测量,但有两只电流表,怎么办呢?这时我们要另辟蹊径,由串并联电路的特点可知,并联电路电压相等,因此,可将两只电流表并联起来,得到如下图所示的方案:
(方案三)
这个方案可以测出两只电流表的电流、,由并联电路电压相等可知:
上式中有两个未知量和,无法将它们都测出来,说明这个方案还不完善,还要修改。
设计方案四:由于方案三不能直接测出两只电流表的内阻,就要在两条支路中的任一条支路上串联一只电阻箱,为了方便操作,再在电阻箱的两端并联一只开关,得到如下图所示的方案:
(方案四)
这个方案是在方案三的基础上改进得到的,闭会开关S就会得到方案三,断开开关S,则有电阻箱与电流表串联,再与电流表并联,可测出电流表、的读数、,电阻箱的电阻读数R,故有:
这样就可以测出两只电流表的内阻。
再来选择控制电路,由于题目要求可进行多次测量并有尽可能高的测量精度,因此只能选择分压式控制电路。由于电流表两端能承受的电压较小,在电路中要加一个保护电阻,保护电流表并使电压的调节范围增大。由于电流表的内电阻只有几十欧姆,电阻箱选就行。分压式控制电路中滑动变阻器应选阻值较小的,选择就行。故实验电路如下图所示。
(2)由上面的分析可知,实验器材应选择:A、B、E、G、H、I
(3)开关S2闭合时,测得电流表的示数I1和I2;
由欧姆定律得:
断开开关S2,调整电阻箱的阻值为R时,测得电流表的示数为和。
由欧姆定律得:
INCLUDEPICTURE "http://stu1.huanggao.net/stu1_course/0708xia/05091748GKZT/GKZT_WL_23_02_019/images/index_clip_image073.gif" \* MERGEFORMATINET
解得:
归纳:本题测量电路的设计思路是由同学们熟悉的伏安法(方案一)开始思考,很容易想到方案二,由于电压表的量程太大,精度不符合要求,电压表在这个题中不能用,只能另辟蹊径,由串并联电路的特点可知,并联电路电压相等,想到方案三,从方案二到方案三是思维能力的飞跃,是创新能力的体现。由于方案三不完善,就自然会想到方案四。
思考题:若上题中只给你两只电压表,而没有电流表,要测其内电阻,应该如何设计测量电路呢?
设计思路:只有电压表,而没有电流表,要测其内电阻,电压表内阻两端的电压可由电压表测出,关键是电流无法直接测出,由串并联电路的特点可知,串联电路电流强度相等,故可以把两只电压表串联起来,得到如下图所示的方案:
(方案一)
由于两只电压表的示数、可以直接读出,由欧姆定律得:
上式中有两个未知量,无法都有测出来,与上题相似,在任意一只电压表的两端并联一只电阻箱就可以解决问题,得到如下图所示的方案:
(方案二)
在方案二中闭合并关S就变成方案一,断开开关S后,测出两只电压表的示数为、,电阻箱的示数为,由欧姆定律得:
由上述两式解得:
只要测出电压表的两次示数和电阻箱的示数,就可以测出两只电压表的内阻。
小结:测电表内电阻的几种情况:
[来源:学。科。网Z。X。X。K]
3、两只同种电表的内阻都未知,则需要一只电阻箱才能测出它们的内阻:
(1)测电流表的内阻:
(2)测电压表的内阻:
电学设计性实验突出考查同学们的能力,与高考的要求相符,是近几年高考实验试题的一个新特点。这类实验问题虽然有一定的难度,但是只要同学们对课本实验的原理、方法要有较为透彻的理解,能正确使用实验中用过的仪器,不断提高灵活运用物理实验中学过的原理与方法去处理新问题的能力,这类问题就会迎刃而解。
1、(2010·全国卷1)23.(16分)一电流表的量程标定不准确,某同学利用图1所示电路测量该电流表的实际量程
。
所用器材有:量程不准的电流表
,内阻
=10.0
,量程标称为5.0mA;标准电流表
,内阻
=45.0
,量程1.0mA;标准电阻
,阻值10.0
;滑动变阻器R,总电阻为300.0
;电源E,电动势3. 0V,内阻不计;保护电阻
;开关S;导线。
回答下列问题:
(1)在答题卡上(图2所示)的实物图上画出连线。
(2)开关S闭合前,滑动变阻器的滑动端c应滑动至 端。
(3)开关S闭合后,调节滑动变阻器的滑动端,使电流表
满偏;若此时电流表
的读数为
,则
的量程
= 。
(4)若测量时,
未调到满偏,两电流表的示数如图3所示,从图中读出
的示数
= ,
的示数
= ;由读出的数据计算得
= 。(保留3位有效数字)
(5)写出一条提高测量准确度的建议: 。
【答案】⑴连线如图
⑵阻值最大
⑶
⑷6.05mA
【解析】⑴连线如图
⑵在滑动变阻器的限流接法中在接通开关前需要将滑动触头滑动到阻值最大端
⑶闭合开关调节滑动变阻器使待测表满偏,流过的电流为Im。根据并联电路电压相等有
得
⑷待测表未满偏有
,将A2的示数0.66mA和其他已知条件代入有
Ma
但图中A1的示数3.0mA量程为5.0mA,根据电流表的刻度是均匀的,则准确量程为6.05mA
⑸略
2、(2010·全国卷2)23.(13分)如图,一热敏电阻RT 放在控温容器M内:
eq \o\ac(○,A)为毫安表,量程6mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9Ω;S为开关。已知RT 在95℃时阻值为150Ω,在20℃时的阻值约为550Ω。现要求在降温过程中测量在95℃~20℃之间的多个温度下RT 的阻值。
(1) 在图中画出连线,完成实验原理电路图
(2) 完成下列实验步骤中的填空
1 依照实验原理电路图连线
2 调节控温容器M内的温度,使得RT 温度为95℃
3 将电阻箱调到适当的初值,以保证仪器安全
4 闭合开关。调节电阻箱,
记录
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电流表的示数I0 ,并记录 。
⑤ 将RT 的温度降为T1 (20℃<T1<95℃);调节电阻箱,使得电流表的读数 ,记录 。
⑥ 温度为T1 时热敏电阻的电阻值RT1 = 。
⑦ 逐步降低T1 的数值,直至20℃为止;在每一温度下重复步骤⑤⑥
答案:
(1)电路图如图:
(2)d、电阻箱的读数
e、仍为
电阻箱的读数为
f、
解析:(1)由于本实验只有一个可以用来测量或观察的电流表,所以应该用“替代法”的思维考虑用电流表观察保证电路的电阻不变,因此将热敏电阻、电阻箱和电流表串联形成测量电路。而且热敏电阻的95℃和20℃的阻值是已知的,所以热敏电阻的初始温度为95℃,则电流表数不变时电阻箱与热敏电阻的串联电路电阻保持150Ω加电阻箱的初值之和不变。如果热敏电阻的初始温度为20℃,则电流表示数不变时,电阻箱与热敏电阻的串联电路电阻保持550Ω加电阻箱的初值之和不变,则可以测量任意温度下的电阻。
(2)实验步骤为:
a、依照实验原理电路图连线
b、调节控温电容M内的温度,使得
的温度为95℃
c、将电阻箱调到适当的初值,保证仪器安全
d、闭合开关,调节电阻箱,记录电流表的示数
,并记录电阻箱的初值
e、将
的温度降低为
,调节电阻箱,使得电流表的读数仍为
,记录电阻箱的读数为
f、温度为
时,热敏电阻的电阻值
g、将
的温度逐渐降低直到为止,在每一温度下重复步骤e- f
3.(2010·新课标卷)23.(11分)用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻
,在给定温度范围内,其阻值随温度的变化是非线性的.某同学将
和两个适当的固定电阻
、
连成图1虚线框内所示的电路,以使该电路的等效电阻
的阻值随
所处环境温度的变化近似为线性的,且具有合适的阻值范围.为了验证这个设计,他采用伏安法测量在不同温度下
的阻值,测量电路如图1所示,图中的电压表内阻很大.
的测量结果如表l所示.
回答下列问题
(2)为了检验
与t之间近似为线性关系,在坐标纸上作
-t关系图线
(3)在某一温度下,电路中的电流表、电压表的示数如图3、4所示.电流表的读数为____,电压表的读数为___.此时等效电阻
的阻值为___:热敏电阻所处环境的温度约为____.
答案:(1)如图所示(2)如图所示(3)115.0mA,5.00V,43.5Ω,64.0℃
解析:(1)根据电路图连接实物。
(2)根据数据描出点,作出直线。
(3)
,
,
,对照图找出相应的温度为64.0℃。
4.(2010·上海物理)26.在用DIS描绘电场等势线的实验中
(1)电源通过正负电极a、b在导电物质上产生的稳恒电流分布模拟了二个_____产生____;用____探测等势点。
(2)(单选题)在安装实验装置时,正确的做法是 ( )
(A)在一块平整木板上依次放复写纸、白纸、导电纸
(B)导电纸有导电物质的一面应该向上
(C)连接电源正负极的电极a、b必须与导电物质保持绝缘
(D)连接电极a、b的电源电压为交流4~6V
【解析】
(1)点电荷,电场,DIS
(2)B
A 应依次放白纸、复写纸、导电纸
B 应电极a、b必须与导电物质保持导电。
C应连接电极a、b的电源电压为为直流4-6V
5、(2010·上海物理)29.(6分)某同学利用DIS,定值电阻
、电阻箱
等实验器材测量电池a的电动势和内阻,实验装置如图1所示,实验时多次改变电阻箱的阻值,记录外电路的总电阻阻值R,用电压传感器测得端电压U,并在计算机上显示出如图2所示的
关系图线a,重复上述实验方法测量电池b的电动势和内阻,得到图2中的图线b.
(1)由图线a可知电池a的电动势
=______V,内阻
=____
。
(2)若用同一个电阻R先后与电池a及电池b链接,则两电池的输出功率
_______
(填“大于”、“等于”或“小于”),两电池的效率
_____
(填“大于”、“等于”或“小于”)。
解析:(1)根据
,得
,图象a,截距b=0.5
,斜率k=0.25
,所以电动势
,内阻r=E·k=0.5Ω。
(2)从图象可知:截距
,斜率
,电动势
,内阻
,
<
,
<
,电池的输出功率
,得
小于
;电池的效率
,得
大于
。
本题考查用伏阻法(电压表和电阻箱)测电源的电动势和内阻,图像法,以及电源的输出功率及效率。
6、(2010·天津卷)9.(3)要测量电压表V1的内阻RV,其量程为2V,内阻约2KΩ。实验室提供的器材有:
电流表A,量程0.6A,内阻约0.1Ω;
电压表V2,量程5V,内阻为5KΩ;
定值电阻R1,阻值30Ω;
定值电阻R2,阻值为3KΩ;
滑动变阻器R3,最大阻值100Ω,额定电流1.5A;
电源E,电动势6V,内阻约0.5Ω;
开关S一个,导线若干。
①有人拟将待测电压表V1 和电流表A串联接入电压合适的测量电路中,测出V1 的电压和电流,再计算出RV。该方案实际上不可行,其最主要的原因是
②请从上述器材中选择必要的器材,设计一个测量电压表V1内阻RV的实验电路。要求测量尽量准确,实验必须在同一电路中,且在不增减元件的条件下完成。试画出符合要求的实验电路图(图中电源与开关已连接好),并标出所选元件的相应字母代号:
③由上问写出V1内阻RV的表达方式,说明式中各测量量的物理意义。
答案:①电流表A不能准确测量出流过电压表V1的电流;②测量电压表V1内阻
的实验电路如图所示;③
,
表示的
电压,
表示
和
串联的总电压。
7、(2010·江苏卷)10、(8分)在测量电源的电动势和内阻的实验中,由于所用的电压表(视为理想电压表)的量程较小,某同学涉及了如图所示的实物电路。
w w w.ks5 u .c om
(1) 试验时,应先将电阻箱的电阻调到____.(选填“最大值”、“最小值”或“任意值”)
(2) 改变电阻箱的阻值R,分别测出阻值
=10
的定值电阻两端的电压U,下列两组R的取值方案中,比较合理的方案是____.(选填1或2)
(3)根据实验数据描点,绘出的
图像是一条直线。若直线的斜率为k,在
坐标轴上的截距为b,则该电源的电动势E= ▲ ,内阻r= ▲ (用k、b和R0表示)
答案:(1)最大值;(2)2;(3)
解析:(1)为了安全。(2)若R=300Ω,电流约
,若R=60Ω,电流约
,后者电流读数大,误差小,所以填2。
(3) 电流
,
,得
,
图象的斜率
,截距
EMBED Equation.3 ,所以电动势
EMBED Equation.DSMT4 ,内阻
EMBED Equation.DSMT4 -R0
本题考查测电源的电动势和内阻及图象的物理意义,根据图象求物理量。难度:较难。
(福建卷)19.
(3)(6分)如图所示是一些准备用来测量待测电阻
阻值的实验器材,器材及其规格列表如下
为了能正常进行测量并尽可能减少测量误差,实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半,而且调节滑动变阻器能使电表读数有较明显的变化。请用实线代表导线,在所给的实验器材图中选择若干合适的器材,连成满足要求的测量
阻值的电路。
解析:
(3)本小题属于难题,要准确答题就需要对实验原理(伏安法、变阻器接法)、误差分析有深刻理解。由于待测电阻约1000Ω,滑动变阻器最大电阻为100Ω,要使电表读数发生变化,滑动变阻器必须使用分压式接法。当电源电动势全部加在待测电阻上时,流过的电流约为
,显然不能用电流表来测电流,而应该把其中一个电压表V1当电流表来使用。根据比值法容易判断出待测电阻是大电阻,伏安法应使用内接法。
8、(2010·广东卷)34.(2)某同学利用电压表和电阻箱测定干电池的电动势和内阻,使用的器材还包括定值电阻(
=5
)一个,开关两个,导线若干,实验原理图如图14(a).
①在图14(b)的实物图中,已正确连接了部分电路,请完成余下电路的连接。
②请完成下列主要实验步骤;
A.检查并调节电压表指针指零;调节电阻箱,示数如图14(c)所示,读得电阻值是____________;
B.将开关
闭合,开关
断开,电压表的示数是1.49V;
C.将开关
_______,电压表的示数是1.16V;断开开关
。
③使用测得的数据,计算出干电池的内阻是_______(计算结果保留二位有效数字)。
④由于所有电压表不是理想电压表,所以测得的电动势比实际值偏_________(填“大”或“小”)。
答案:
(2)①略;②20Ω;闭合;③0.69Ω④小
解析:①略,②闭合
后电阻箱才工作;
③S1闭合、S2断开时:RV很大,认为:
Ⅰ
S1、S2都闭合时:
Ⅱ[来源:学科网]
由Ⅰ、Ⅱ得
④误差分析解析一 ④忽略电压表电阻的影响,有
ⅰ
考虑电压表电阻的影响,设电压表的电阻为:RV则Ⅰ、Ⅱ两式变为:
两式相减并整理得:
ⅱ
ⅰ/ⅱ得:
(U1>U2)
r测
公式
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,有,即有;④根据牛顿第二定律,则有;(2) 在游标卡尺中,主尺上是3.6cm,在游标尺上恰好是第1条刻度线与主尺对齐,再考虑到卡尺是10分度,所以读数为3.6cm+0.1×1mm=3.61cm或者3.62cm也对。
4.(2009·浙江·22.Ⅱ)(9分)(1)在“探究单摆周期与摆长的关系”实验中,两位同学用游标卡尺测量小球的直径如图甲、乙所示。测量方法正确的是__________(选填“甲”或“乙”)。
(2)实验时,若摆球在垂直纸面的平面内摆动,为了将人工记录振动次数改为自动记录振动次数,在摆球运动最低点的左、右两侧分别放置一激光光源与光敏电阻与某一自动记录仪相连,该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t变化图线如图乙所示,则该单摆的振动周期为 。若保持悬点到小球顶点的绳长不变,改用直径是原小球直径2倍的另一小球进行实验,则该单摆的周期将 (填“变大”、“不变”或“变小”),图乙中的△t将 (填“变大”、“不变”或“变小”)。
答案:Ⅰ(1)如图;
(2)150,“220V 300W”
Ⅱ(1)乙(2)2t0,变大,变大
Ⅰ.解析:本题考查多用电表 和电路设计。
(1)如图所示。实验要求电压从零开始调整,滑动变阻器采用分压式接法。
(2)15×10=150Ω,P=标称300W的灯泡
Ⅱ.解析:本题考查游标卡尺和单摆的知识。
(1)应将待测物体正确地放在测脚中如乙图;(2)单摆1个周期遮光两次;单摆周期与小球质量、大小无关,但若改用直径变为原小球直径的2倍,周期变大,但遮光时间Δt变大。
5.(2009·江苏物理·11)(10分)“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。
(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸袋如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02s.从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a=______m/s2.(结果保留两位有效数字)
(2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表:[来源:学,科,网Z,X,X,K]
砝码盘中砝码总重力F(N)
0.196
0.392
0.588
0.784
0.980
加速度a(m·s-2)
0.69
1.18
1.66
2.18
2.70
请根据实验数据作出a-F的关系图像.
(3)根据提供的试验数据作出的-F图线不通过原点,请说明主要原因。
答案: (1) 0.16 (0.15也算对) ;(2)(见图);(3)未计入砝码盘的重力。
解析:(1)处理匀变速直线运动中所打出的纸带,求解加速度用公式,关键弄清公式中各个量的物理意义,为连续相等时间内的位移差,t为连需相等的时间间隔,如果每5个点取一个点,则连续两点的时间间隔为t=0.1s,(3.68-3.52)m,带入可得加速度=0.16m/s2。也可以使用最后一段和第二段的位移差求解,得加速度=0.15m/s2.[来源:Z*xx*k.Com]
(2)根据图中的数据,合理的设计横纵坐标的刻度值,使图线倾斜程度太小也不能太大,以与水平方向夹角45°左右为宜。由此确定F的范围从0设置到1N较合适,而a则从0到3m/s2较合适。设好刻度,根据数据确定个点的位置,将个点用一条直线连起来,延长交与坐标轴某一点。如图所示。
(3)处理图象问题要注意图线的斜率、交点、拐点、面积等意义,能正确理解这些量的意义则很多问题将会迎刃而解。与纵坐标相交而不过原点,该交点说明当不挂砝码时,小车仍由加速度,即绳对小车仍有拉力,从此拉力的来源考虑很容易得到答案,是因为砝码盘的重力,而在(2)问的图表中只给出了砝码的总重力,而没有考虑砝码盘的重力。
1.Ⅰ.如图所示,两个质量各为m1和m2的小物块A和B,分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端,已知m1>m2,现要利用此装置验证机械能守恒定律.
(1)若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量,则需要测量的物理量有 (在答题卡上对应区域填入选项前的编号)
①物块的质量m1、m2;
②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间;
③物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间;
④绳子的长度.
(2)为提高实验结果的准确程度,某小组同学对此实验提出以下建议:
①绳的质量要轻:
②在“轻质绳”的前提下,绳子越长越好;
③尽量保证物块只沿竖直方向运动,不要摇晃;
④两个物块的质量之差要尽可能小.
以上建议中确实对提高准确程度有作用的是 。(在答题卡上对应区域填入选项前的编号)
(3)写出一条上面没有提到的提高实验结果准确程度有益的建议
Ⅱ.一直流电压表,量程为1 V,内阻为1 000Ω,现将一阻值为5000~7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联,以扩大电压表的量程.为求得扩大后量程的准确值,再给定一直流电源(电动势E为6~7 V,内阻可忽略不计),一阻值R2=2000Ω的固定电阻,两个单刀开关S1、S2及若干线.
(1)为达到上述目的,将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图.
(2)连线完成以后,当S1与S2均闭合时,电压表的示数为0.90 V;当S1闭合,S2断开时,电压表的示数为0.70 V,由此可以计算出改装后电压表的量程为 V,电源电动势为
V.
解析:Ⅰ.(1)①②或①③
(2)①③
(3)例如:“对同一高度进行多次测量取平均值”;“选取受力后相对伸长尽量小的绳”;等等。
Ⅱ.(1)连线如图
(2)7 6.3
2.(1)某同学用螺旋测微器测量一铜丝的直径,测微器的示数如图所示,该铜丝的直径为 mm
(2)右图为一电学实验的实物连线图。该实验可用来测量特测电阻Rx的阻值(约500Ω)。图中两个电压表量程相同,内阻都很大。实验步骤如下:
①调节电阻箱,使它的阻值R0与待测电阻的阻值接近;将滑动变阻器的滑动头调到最右端。
②合上开关S。
③将滑动变阻器的滑动头向左端滑动,使两个电压表指针都具有明显偏转。
④记下两个电压表和的读数U1和U2。
⑤多次改变滑动变阻器滑动头的位置,记下和的多组读数U1和U2。
⑥求Rx的平均值。
回答下列问题:
(Ⅰ)根据实物连线图在虚线框内画出实验的电路原理图,其中电阻箱的符号为
滑动变阻器的符号为,其余器材用通用的符号表示。
(Ⅱ)不计电压表内阻的影响,用U1、U2和R0表示Rx的公式为
(Ⅲ)考虑电压表内阻的影响,且U1、U2、R0、 的内阻r1、的内阻r2表示Rx的公式
答案:(1)4.593(4.592或4.594也同样给分)
(2)(Ⅰ)电路原理图如图所示
(Ⅱ)
(Ⅲ)
解析:(1)螺旋测微器固定刻度部分读数为4.5mm,可动刻度部分读数为0.093mm,所以所测铜丝直径为4.593mm。
(2)不计电压表内阻,根据串联分压原理,有:
(3)可考电压表内阻影响,则R0与Rv1的并联电阻与Rx与Rv2的并联电阻串联分压,即:
解得:
。
3.如图所示,两个质量各为m1和m2的小物块A和B,分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端,已知m1>m2,现要利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)若选定物块A从静止开始下落的过程中进行测量,则需要测量的物理量有_________。
①物块的质量m1、m2;
②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间;
③物块B下落的距离及下落这段距离所用的时间;
④绳子的长度。
(2)为提高实验结果的准确程度,某小组同学对此实验提出以下建议:
①绳的质量要轻;
②在“轻质绳”的前提下,绳子越长越好;
③尽量保证物块只沿竖直方向运动,不要摇晃;
④两个物块的质量之差要尽可能小。
以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_________。
(3)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议:______________________________________________________________________________。
答案:(1) ①②或①③;(2)①③;(3)例如:“对同一高度进行多次测量取平均值”, “选取受力后相对伸长尽量小的绳子”等等。
解析:(1)通过连结在一起的A、B两物体验证机械能守恒定律,既验证系统的势能变化与动能变化是否相等,A、B连结在一起,A下降的距离一定等于B上升的距离;A、B的速度大小总是相等的,故不需要测量绳子的长度和B上升的距离及时间。(2)如果绳子质量不能忽略,则A、B组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能,从而为验证机械能守恒定律带来误差;若物块摇摆,则两物体的速度有差别,为计算系统的动能带来误差;绳子长度和两个物块质量差应相当。(3)多次取平均值可减少测量误差,绳子伸长量尽量小,可减少测量的高度的准确度。
4.在“用单摆测重力加速度”的实验中,
(1)某同学的操作步骤为:
a.取一根细线,下端系住直径为d的金属小球,上端固定在铁架台上
b.用米尺量得细线长度l
c.在摆线偏离竖直方向5°位置释放小球
d.用秒表记录小球完成n次全振动的总时间t,得到周期T=t/n
e.用公式
计算重力加速度
按上述方法得出的重力加速度值与实际值相比___(选填“偏大”、“相同”或“偏小”)。
(2)已知单摆在任意摆角θ时的周期公式可近似为
,式中T0为摆角趋近于0°时的周期,a为常数。为了用图像法验证该关系式,需要测量 的物理量有____________;若某同学在实验中得到了如图所示的图线,则图像中的横轴表示______。
答案:(1)偏小(2)T′(或t、n)、θ,
T′
解析:单摆摆长为摆线长度与小球半径之和,因该同学将偏小的摆长代入公式计算,所得重力加速度的测量值偏小于实际值;为验证该关系式,需要测量单摆在任意摆角θ时的周期T′,根据公式与图像的函数关系式可推导得到摆角θ=0时横轴的截距为T0。
5、某实验小组采用图所示的装置探究“动能定理”,图中小车中可放置砝码,实验中,小车碰到制动装置时,钩码尚未到达地面,打点针时器工作频率为50 Hz.
(1)实验的部分步骤如下:
①在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线连接小车和钩码;
②将小车停在打点计时器附近, , ,小车拖动纸带,打点计时器在纸带上打下一列点, ;
③改变钩码或小车中砝码的数量,更换纸带,重复②的操作。
(2)图是钩码质量为0.03 kg,砝码质量为0.02 kg时得到的一条纸带,在纸带上选择起始点0及A、B、C、D和E五个计数点,可获得各计数点到0的距离5及对应时刻小车的瞬时速度v,请将C点的测量结果填在表1中的相应位置.
(3)在上车的运动过程中,对于钩码、砝码和小车组成的系统, 做正功, 做负功.
(4)实验小组根据实验数据绘出了图中的图线(其中Δv2=v2-v20),根据图线可获得的结论是 .要验证“动能定理”,还需要测量的物理量是摩擦力是 .
表1纸带的测量结果
测量点
S/cm
r/(m·s-1)
0
0.00
0.35
A
1.51
0.40
B
3.20
0.45
C
D
7.15
0.54
E
9.41
0.60
答案:(1)②接通电源、释放小车 断开开关
(2)5.06 0.49 (3)钩砝的重力 小车受摩擦阻力
(4)小车初末速度的平方差与位移成正比 小车的质量
1. 在竖直放置的立柱上端有一个电磁铁,通电时,小球被吸在电磁铁上,断电时,小球自由下落,计时装置开始计时.立柱上有可以移动的光电门.当小球经过光电门时,光电计时装置能测出小球从初始位置到这个光电门所 时间t,再用刻度尺测出电磁铁到光电门的距离s.为了探究自由落体的位移s与下落时间t的关系.
(1)设计一个记录实验数据的表格
(2)为了达到实验目的,你猜想位移s可能与___ 成正比,或可能与 成正比,……根据你能猜想,为了达到实验目的,应如何处理实验数据?
2. 在《验证碰撞中动量守恒》实验中,利用的是图示的实验装置,所需验证的表达式为m1*OM=m1*ON+m2*OP ,但在实验器材中未给天平,有同学认为只需提供以下器材:打点计时器、纸带、胶带、光滑定滑轮、低压交流电源、柔软细线等,按下图就能帮助完成.请你探究一下他的实验是如何完成的?
观察
次数
时刻
磅 秤
读数(N)
1
t1
449
2
t2
450
3
t3
450
4
t4
549
5
t5
550
6
t6
551
7
t7
551
3. 某学生想了解所居住高楼内电梯运行的大致规律,他设计一个利用称体重的磅秤来进行测量和研究的方案:
①把磅秤平放在电梯的地板上,他站在磅秤上,请两位同学协助他观察磅秤示数的变化情况,并记录电梯运行时不同时刻磅秤的示数。
②将两位同学随机记录的7个数据列表.由于不知记录时刻的先后,故表格数据按从小到大的次序排列,并相应标明t1、t2……t7。(记录时电梯作平稳运动)
③对实验数据进行分析研究,了解电梯的运行情况,并粗略测定电梯的加速度。
思考回答下列问题:
(1)在测量时该学生所受的重力将__________(填“变大”、“变小”、“不变”)[来源:学科网ZXXK]
(2)如果先记录到的是较小的示数,后记录到的是较大的示数,则记录时电梯相应的运动可能是( )
A.先加速下降后减速下降
B.先减速下降后匀速下降
C.先匀速上升后减速上升
D.先减速上升后加速上升
(3)如果电梯在运行过程中经历过匀加速、匀速和匀减速三个过程,而两位同学记录的数据不知处于哪一运动阶段,则此电梯加速度的可能值为( )
A.1.0m/s2 B.1.82m/s2
C.2.22m/s2 D.2.50m/s2
(4) 由于每部电梯运行时加速度都是设定好的,如果要知道该高楼电梯的加速度,还需要测定的物理量是______________.
4. 在探究课上,赵明和李青两位同学分别设计了如甲、乙两图所示的电子秤.所用器材相同,电源电动势为E,内阻不计.可变电阻长为L,电阻为R.弹簧导电,劲度系数为k,其电阻不计.连接甲图中的电压表的导线可自由伸缩.不测量时指针P均在a处(如图中虚线所示).使电压表的示数与所称的重力对应便成为电子秤.(1)不称重时,甲、乙两图中的电压表示数分别是多大?(2)分别写出对应于甲、乙两种设计所称重力G与电压表的示数u以及E、k、L的关系式.(3)比较甲、乙两个电路,哪一个比较好?为什么?(4)设想两种设计的电子秤测重力时可能出现的问题(只要提出问题,不必解答)?
5. 在“用电压表和电流表测电池的电动势和内阻”的实验时,一般是不用新电池而用旧电池进行实验,其原因是:旧电池的内阻较大,而新电池的内阻很小,实验时,电压表的读数变化很小,从而影响测量值的精确性.如果要较为精确地测量一节新电池的内阻,可用以下给定的器材和一些导线来完成实验.
(1)用连线的方法将这些仪器连成电路.
(2)写出实验得出的新电池内阻r的表达式,并说明各字符的物理含义.
6. 右下图中的P是一根表面均匀地镀有一层很薄的电阻膜的长陶瓷管(碳膜布满圆柱体的侧面),其长度约为50cm,管的外径约为6cm,所用电阻膜材料的电阻率已知为ρ,管的两端有导电箍M、N。该电阻的长度就是陶瓷管的长度,其截面积可看作等于膜的厚度与圆周长的乘积。现有器材为:A.米尺、B.游标卡尺、C.螺旋测微器、D.电压表、E.电流表、F.电池组、G.滑动变阻器、H.电阻箱、I.电键和导线。请你设计一个测量该电阻膜厚度d的实验方案。
①所须选用的器材有:__________________(填器材前的字母即可)。
②所须测量的物理量有:_____ 、_____、 _____、 _____。
③根据实验测得的以上数据计算电阻膜厚度d的数学表达式为:d=_____________。
④在左下图的方框中画出实验电路图(MN间的电阻膜的电阻约几十kΩ,滑动变阻器的总阻值为50Ω)。并将右下图中的实物按电路图连接起来(有3根导线已经连好,不得改动)
7、 实验室有如下器材;
电流表A1,满偏电流约为500μA(有刻度无刻度值),内阻约600Ω;
电流表A2,量程为0~300μA,内电阻RA2= 1000Ω;
电流表A3,量程为0~1mA,内电阻RA3= 100Ω;
电压表V:量程0~15V,内阻13kΩ
定值电阻R0,阻值R0=1kΩ;
滑动变阻器R,最大阻值为5Ω,额定电流2A
电池:电动势3V,内阻不计
电键,导线若干;
要求设计一个电路能多测几组实验数据,比较精确地测出A1表的内阻rg和满偏电流Ig
在方框内画出测量所使用的电路图,并注明各元件符号。
应读取的物理量是_____________________
用这此物理量表示的A1表的满偏电流表达式Ig=__________;A1表的内阻表达式rg=_______
8. 某同学在资料上发现弹簧振子的周期公式为
,弹簧的弹性势能公式为
(式中k为弹簧的劲度系数,m为振子的质量,x为弹簧的形变量)。为了验证弹簧的弹性势能公式,他设计了如图甲所示的实验:轻弹簧的一端固定在水平光滑木板一端,另一端连接一个质量为M的滑块,滑块上竖直固定一个挡光条,每当挡光条挡住从光源A发出的细光束时,传感器B因接收不到光线就产生一个电信号,输入电脑后经电脑自动处理就能形成一个脉冲电压波形;开始时滑块静止在平衡位置恰好能挡住细光束。在木板的另一端有一个弹簧枪,发射出质量为m,速度为v0的一个弹丸,弹丸击中木块后留在木块中一起做简谐振动。
⑴系统在振动过程中,所具有的最大动能Ek=
;
⑵系统振动过程中,在电脑上所形成的脉冲电压波形如图乙所示,由图可知该系统的振动周期大小为:T= ;
⑶如果再测出滑块振动的振幅为A,周期设为T,利用资料上提供的两个公式,结合实验中给出的已知条件求出系统振动过程中弹簧的最大弹性势能为:
Ep= ;
通过本实验,根据机械能守恒,如发现Ek=Ep,即验证了弹簧的弹性势能公式的正确性。
1.答案:(1)表格如下:(2分)
位置
1
2
3
4
5
6
t/s
s/m
(2)t t2 (每空1分)处理方法:尝试作出s—t图,看是否是直线,若不是再作出s—t2图。
解析:(1)本实验探究目的是寻求自由落体的位移s与下落时间t的关系,所以设计表格必须具备这两项,同时应注意到实验的精确性,设计表格如下:
位置
1
2
3
4
5
6
t/s
s/m
(2)为了达到实验目的,猜想位移s可能与t或t2成正比。尝试作出s—t图,看是否是直线,若不是再作出s—t2图。
2 、答案:利用纸带数据分析得m1带动m2的加速度a ,又由牛顿第二定律得:
a=
解得
再由m1*OM=m1*ON+m2*OP
得m1(OM-ON)=m2*OP
即验证表达式变为
(g+a) * (OM-ON)=(g-a) *OP
3、答案:(1)不变 (2)AD (3)ABC (4)某学生的质量
解析:(1)无论是超重还是失重,物体的重力均不发生变化。
(2)磅秤示数变化,说明电梯不可能匀速运动,排除BC选项。因该学生体重与磅秤示数大小关系不确定,使电梯有超重和失重两种可能,故选项AD正确。
(3)据
得
,取表中数据计算可判断ABC均可能,但D项不可能。
(4)还需测定该学生的质量。
4、答案:(1)甲:0,乙:E
(2)甲:G=kL/E,乙:G=kL(E-U)/E
(3)甲好,重力与电压表示数成正比,表的刻度均匀
(4)重力太小读不出;重力太大超出量程.
解析:从图上可以看出,随着重力的增加,弹簧就要缩短,带着指针下移,电路发生变化,电压表读数也相应变化,从电压表的读数就可以知道重力的大小。
甲图的电压表是测量ap电阻之间的电压U1。U1:E=x1:L,G1=kx1
乙图的电压表是测量bp电阻之间的电压U2。U2:E=(L-x2):L,G2=kx2
(2)新电池内阻的表达式是
,式中U1、U2、I1、I2分别是滑线变阻器阻值改变时电压表和电流表对应的读数,R0是接入电路的电阻箱的阻值(此值直接从电阻箱上读出,一般为几殴姆)
解析:由于新电池的内阻比较小,为了便于较准确的测量,需要给新电池串联一个已知阻值的电阻,然后按照测量旧电池的方法来测量即可。在本实验中,已知阻值的电阻可以用电阻箱来代替即可。
6、答案:①A、B、D、E、F、G、I
②MN间距离L、管的外径D、电流I、电压U
③
④内接,分压。
解析: eq \o\ac(○,1)根据设计原理,首先需测量膜的电阻,应选择器材是D、E、F、G、I,其次由电阻定律求解膜的厚度d就还需测出膜的长度和直径,要选择器材A、B,故本题所须选用器材是A、B、D、E、F、G、I。
eq \o\ac(○,2)所须测量的物理量有MN间距离L、管的外径D、电流I、电压U。
eq \o\ac(○,3)据欧姆定律、电阻定律和膜的截面积计算公式可列出三式
,
和
,联立求解得出膜的厚度为:
eq \o\ac(○,4)被测膜的电阻较大,应用电流表内接法,考虑到实验的精确性和安全性要求,滑动变阻器宜选用分压式接法。
7、答案: ①电流表A1的刻度总格数N
当电流表的指针指n格时,电流表A2的读数I2,电流表A3的读数I3
②
③
解析: eq \o\ac(○,1)要求多测几组实验数据,滑动变阻器应该用分压式接法;待测电阻较小,电流表该外接;
被测电流表A1的满偏电压太低(Igrg=0.3V)题中给定电压表精度满足不了要求,可以用已知阻值的电流表代替电压表功能;综合考虑各方面要求,设计电路如图所示,其中的定值电阻R0起保护作用。
eq \o\ac(○,2)应读取的物理量是电流表A1的刻度总格数N、当电流表的指针指n格时,电流表A2的读数I2、电流表A3的读数I3
eq \o\ac(○,3)电流表A1指针偏转n格时流过电流为(I3-I2),则满偏N格时的电流为
。
据欧姆定律知A1表的内阻为
。
8、答案:(1)
(2)2T0
(3)
解析:(1)弹丸击中滑块后留在滑块中与滑块一起做简谐振动。由碰撞过程动量守恒有
振动系统最大动能为
联立解得
(2)振子从平衡位置开始完成一次全振动,需要再经过平衡位置两次,因而产生两个脉冲电压,由乙图可知系统振动周期为
(3)据资料提供公式得系统周期为
系统最大弹性势能为
联立两式解得
R2
R1
+
M
N
P
mA
V
B
A
v0
甲
u
t
T0
2T0
3T0
乙
O
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
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