高考总复习专题五物理实验.docx
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高考总复习专题五物理实验
专题五
明确有效数字、误差意义，知道减小误差的一般方法，掌握误差分析的方法；
熟知常用仪器的使用方法和读数要求，能根据实验要求选取适当的实验仪器及其量程；
理解高考大纲要求的实验的基本原理，掌握实验方法、数据处理方法，并能对实验结果进行误差分析；
重点掌握纸带问题的处理方法、伏安法测电阻时电流表的内外接法、图像法处理数据的方法．
第10讲 力学实验
1．[2014·新课标全国卷Ⅰ]某同学利用图10 1所示
实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图10 2所示．实验中小车（含发射器）的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：
图10 1
图10 2
（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成________（选填“线性”或“非线性”）关系．
（2）由图（b）可知，a m图线不经过原点，可能的原因是________．
（3）若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是________，钩码的质量应满足的条件是________．
【考题定位】
难度等级：
中等
出题角度：
本题考查了“验证牛顿第二定律”的实验，基本方法来源于教材实验的拓展，综合考查学生对实验的方法、原理、数据处理和误差来源等知识的理解和应用，同时考查学生处理图像的能力．
2．[2015·全国卷Ⅱ]某同学用图103（a）所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数．已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图（b）所示，图中标出了5个连续点之间的距离．
（a） （b）
图10 3
（1）物块下滑时的加速度a＝________m/s2，打C点时物块的速度v＝________m/s；
（2）已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是______（填正确答案标号）．
A．物块的质量 B．斜面的高度 C．斜面的倾角,
【考题定位】
难度等级：
中等
出题角度：
本题是对“研究匀变速直线运动的规律”实验的拓展应用，考查考生利用运动数据结合牛顿运动定律求解运动问题和受力问题的能力.
考点一 测量与验证性实验
1[2015·浙江卷]甲同学准备做“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验．
图10 4
（1）图10 4中A、B、C、D、E表示部分实验器材，甲同学需在图中选用的器材________；乙同学需在图中选用的器材________．（用字母表示）
（2）乙同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图10 5所示的两条纸带①和②.纸带________的加速度大（填“①”或“②”），其加速度大小为________．
图10 5
导思
①实验需要利用什么物理过程验证什么关系或探究哪些物理量之间的关系？
②要验证上述关系或探究上述物理量之间的关系需要进行什么实验操作？
需要测量哪些物理量？
③怎样利用打点纸带计算加速度？
归纳
测量性实验先直接测量与待测量相关的物理量，再推导计算间接得到待测量．联系直接测量量和待测量间的关系是此类实验的实验原理．
解决验证性实验相关问题的关键是根据题目给定的实验条件、实验过程、实验情景领会命题意图，找出实验中应测定的
物理量，明确在误差允许的范围内通过怎样的定量关系才能达到实验目的．
变式用一根弹簧和一支弹簧测力计做“求合力”实验．
（1）用如图10 6甲所示装置测定弹簧的劲度系数，挂钩码时不能超过弹簧的____________；
（2）改变所挂钩码个数，把测出的多组数据绘成如图乙所示的弹力F跟伸长量x的关系图线，则弹簧的劲度系数为________N/cm；
（3）用这根弹簧和弹簧测力计都与橡皮筋成135°角来拉橡皮筋，弹簧测力计示数如图丙所示，则此时弹簧的伸长量为________cm；
（4）用力的图示以这两个分力为邻边作平行四边形，得出合力的大小F合，若实验误差较小可以忽略不计，则F合＝________N（结果保留3位有效数字）．
图10 6
考点二 探究性实验
2[2015·福建卷]某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验．
（1）图10 7甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.73cm；图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度，此时弹簧的伸长量Δl为________cm；
（2）本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是________；（填选项前的字母）
图10 7
A．逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重
B．随意增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重
（3）图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线OA，造成这种现象的主要原因是_______________________________________________．
导思
①图甲、乙中，标尺每一小格表示的长度是多少？
②标尺刻度数顺序是由上向下还是由下向上排列？
③图像中的OA段说明弹力F与弹簧的伸长量Δl之间是什么关系？
归纳
探究性实验旨在通过实验探索某种物理规律、研究某个物理问题，要求学生将自己掌握的物理知识和实验技能应用到新的实验情境中，由题给条件自行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律．
变式某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系，选取的实验装置如图10 8所示，实验主要步骤如下：
图10 8
（1）实验时，为使小车只在橡皮筋作用下运动，在未连接橡皮筋时将木板的左端用小木块垫起，使木板倾斜合适的角度，打开打点计时器，轻推小车，得到的纸带应该是______（填“甲”或“乙”）．
图10 9
（2）使小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出，沿木板滑行，这时橡皮筋对小车做的功为W；
（3）再用完全相同的2条、3条……橡皮筋作用于小车，每次由静止释放小车时橡皮筋的________（填写相应实验条件），使橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W……
（4）分析打点计时器打出的纸带，分别求出小车每次获得的最大速度v1、v2、v3……
（5）作出W v图像，则下列图像符合实际的是________．
图10 10
考点三 创新性实验
3如图10 11甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验．有一直径为d、质量为m的金属小球由A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为H（H≫d），光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g.则：
（1）如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径d＝________cm.
甲 乙
图10 11
图10 12
（2）多次改变高度H，重复上述实验，作出
随H变化的图像如图10 12所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式________时，可判断小球下落过程中机械能守恒．
（3）实验中发现动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，增加下落高度后，则ΔEp－ΔEk将________（选填“增加”“减小”或“不变”）．
导思
①小球由A到B减少的重力势能是多少？
增加的动能是多少？
②下落过程中动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp的原因是什么？
增加下落高度后，该原因产生的效果如何变化？
归纳
创新性实验可以是全新的实验，也可以是课本实验的创新改造，要求学生必须掌握基本仪器的使用方法、基本的实验方法和基本物理原理．实验原理是解决创新性实验问题的关键，是进行创新性实验设计的根本依据和起点；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项目，实验原理应根据题干的要求、条件等信息确定．
变式用如图10 13甲所示的实验装置验证质量分别为m1、m2的两物体A、B组成的系统机械能守恒．B从高处由
静止开始下落，A上拖着的纸带上打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．图10 14给出的是实验中获取的一条纸带：
0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个打下的点（图中未标出），计数点间的距离如图10 14所示．已知m1＝50g、m2＝150g，则（打点计时器打点频率为50Hz，计算结果保留两位有效数字）：
甲 乙
图10 13
图10 14
（1）在纸带上打下计数点5时系统的速度v5＝________m/s；
（2）打下计数点0～5过程中系统动能的增量ΔEk＝________J，为了简化计算，取g＝10m/s2，则系统势能的减少量ΔEp＝________J；
（3）在本实验中，若某同学作出了
v2h图像，如图10 13乙所示，其中v为系统的速度，h为从起点量起的长度，则据此得到当地的重力加速度g＝________m/s2.
【真题模型再现】“纸带类”实验中速度、加速度的计算
2012·山东卷
2012·全国卷
2012·安徽卷
2013·福建卷
2013·浙江卷
2013·四川卷
2013·广东卷
2014·全国卷
2015·浙江卷
2015·新课标全国卷Ⅱ
2015·江苏卷
（续表）
【模型核心归纳】
1．确定时间：
区别打点计时器（打点周期为0.02s）打出的点（计时点）与人为选取的计数点之间的区别与联系，若每五个点取一个计数点，则计数点间的时间间隔Δt＝0.02s×5＝0.10s.
2．求解瞬时速度：
利用做匀变速直线运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度．如图10 15所示，打点A时的瞬时速度vA＝
.
图10 15
3.求解加速度：
（1）根据Δx＝aT2求解，a＝
；
（2）用逐差法求解：
由x4－x1＝3aT2、x5－x2＝3aT2、x6－x2＝3aT2解得三个加速度，取其平均值．
（3）利用v t图像求解：
求出各点的瞬时速度，画出如图10 16所示的v t图线，图线的斜率等于加速度a.
图10 16
[注意]
（1）用纸带求解速度、加速度时，应先统一单位再进行计算，应关注题目对计算结果的有效数字、单位的要求．
（2）利用频闪照相确定速度和加速度的处理方法与打点纸带类似，注意时间间隔T与闪光频率f的关系是T＝
.
例 在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带如图10 17甲所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G共7个计数点，每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出，电火花计时器接220V、50Hz交流电源．他经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如下表：
图10 17
对应点
B
C
D
E
F
速度/（m/s）
0.141
0.185
0.220
0.254
0.30
（1）设电火花计时器的周期为T，计算vF的公式为vF＝____________．
（2）根据
（1）中得到的数据，以A点对应的时刻为t＝0，试在图乙所示坐标系中合理地选择标度，作出v t图像．利用该图像求物体的加速度a＝________m/s2.（结果保留2位有效数字）
（3）如果当时电网中交变电流的电压变成210V，而做实验的同学并不知道，那么加速度的测量值与实际值相比________________．（选填“偏大”“偏小”或“不变”）
展如图10 18所示，气垫导轨上滑块的质量为M，钩码的质量为m，遮光条宽度为d，两光电门间的距离为L，气源开通后滑块在牵引力的作用下先后通过两个光电门的时间为Δt1和Δt2.当地的重力加速度为g.
图10 18
（1）用上述装置测量滑块加速度的表达式为________________________（用已知量表示）；
（2）用上述装置探究滑块加速度a与质量M及拉力F的关系，要使绳中拉力近似等于钩码的重力，则m与M之间的关系应满足__________；
（3）用上述装置探究系统在运动中的机械能关系，滑块从光电门1运动到光电门2的过程中满足关系式__________________________时（用已知量表示），系统机械能守恒．若测量过程中发现系统动能增加量总是大于钩码重力势能的减少量，可能的原因是________________________________________________________________________．
第11讲 电学实验
1．[2015·全国卷Ⅰ]图11 1（a）为某同学改装和校准毫安表的电路图，其中虚线框内是毫安表的改装电路．
（a） （b）
图11 1
（1）已知毫安表表头的内阻为100Ω，满偏电流为1mA；R1和R2为阻值固定的电阻．若使用a和b两个接线柱，电表量程为3mA；若使用a和c两个接线柱，电表量程为10mA.由题给条件和数据，可求出R1＝________Ω，R2＝________Ω.
（2）现用一量程为3mA、内阻为150Ω的标准电流表A对改装电表的3mA挡进行校准，校准时需选取的刻度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mA.电池的电动势为1.5V，内阻忽略不计；定值电阻R0有两种规格，阻值分别为300Ω和1000Ω；滑动变阻器R有两种规格，最大阻值分别为750Ω和3000Ω.则R0应选用阻值为________Ω的电阻，R应选用最大阻值为________Ω的滑动变阻器．
（3）若电阻R1和R2中有一个因损坏而阻值变为无穷大，利用图（b）的电路可以判断出损坏的电阻．图（b）中的R′为保护电阻，虚线框内未画出的电路即为图（a）虚线框内的电路．则图中的d点应和接线柱________（填”b”或”c”）相连．判断依据是：
________________________________________________________________________________________________．
【考题定位】
难度等级：
中等
出题角度：
通过电流表和电压表的改装及校准，考查考生对串并联电路的规律、电表改装原理、电路元件的选择及电路故障分析的理解和应用．
2．[2015·全国卷Ⅱ]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），开关两个，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．
图11 2
（2）根据设计的电路，写出实验步骤：
________________________________________________________________________.
（3）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_____________________________________．
【考题定位】
难度等级：
中等
出题角度：
考查“测量电压表内阻”的实验，考查学生对实验原理、电路设计、实验步骤的理解及进行误差分析的能力．
考点一 测量与验证性实验
1[2015·四川卷]用实验测一电池的内阻r和一待测电阻的阻值Rx.已知电池的电动势约6V，电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧．可选用的实验器材有：
电流表A1（量程0～30mA）；
电流表A2（量程0～100mA）；
电压表V（量程0～6V）；
滑动变阻器R1（阻值0～5Ω）；
滑动变阻器R2（阻值0～300Ω）；
开关S一个，导线若干条．
某同学的实验过程如下：
Ⅰ.设计如图11 3所示的电路图，正确连接电路．
图11 3
Ⅱ.将R的阻值调到最大，闭合开关，逐次调小R的阻值，测出多组U和I的值，并记录．以U为纵轴，I为横轴，得到如图11 4所示的图线．
图11 4
Ⅲ.断开开关，将Rx改接在B、C之间，A与B直接相连，其他部分保持不变．重复Ⅱ的步骤，得到另一条U I图线，图线与横轴I的交点坐标为（I0，0），与纵轴U的交点坐标为（0，U0）．
回答下列问题：
（1）电流表应选用______，滑动变阻器应选用______；
（2）由图11 4的图线，得电源内阻r＝________Ω；
（3）用I0、U0和r表示待测电阻的关系式Rx＝________，代入数值可得Rx；
（4）若电表为理想电表，Rx接在B、C之间与接在A、B之间，滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置，两种情况相比，电流
表示数变化范围________，电压表示数变化范围________．（均选填“相同”或“不同”）
导思
①通过电路的最大电流约为多少？
②采用滑动变阻器限流接法的电路中，滑动变阻器的最大电阻与待测电阻的阻值应满足怎样的关系？
③根据U I图像，如何求电源电动势和内阻？
归纳
电学测量性实验的核心是电阻的测量，如定值电阻的测量、电流表和电压表内阻的测量、电源电动势和内阻的测量，基本原理是部分电路欧姆定律或闭合电路欧姆定律．解决测量性实验问题的关键是明确实验仪器的使用、实验原理、实验方法，掌握实验的注意事项及处理实验数据的方法，会分析误差来源．
变式[2015·安徽卷]某同学为了测量一节电池的电动势和内阻，从实验室找到以下器材：
一个满偏电流为100μA、内阻为2500Ω的表头，一个开关，两个电阻箱（0～999.9Ω）和若干导线．
（1）由于表头量程偏小，该同学首先需将表头改装成量程为50mA的电流表，则应将表头与电阻箱________（填“串联”或“并联”），并将该电阻箱阻值调为________Ω.
图11 5
（2）接着该同学用改装的电流表对电池的电动势及内阻进行测量，实验电路如图11 5所示，通过改变电阻R测相应的电流I，且作相关计算后一并记录如下表：
1
2
3
4
5
6
R（Ω）
95.0
75.0
55.0
45.0
35.0
25.0
I（mA）
15.0
18.7
24.8
29.5
36.0
48.0
IR（V）
1.42
1.40
1.36
1.33
1.26
1.20
①根据表中数据，图11 6中已描绘出四个点，请将第5、6两组数据也描绘在图11 6中，并画出IR I图线；
图11 6
②根据图线可得电池的电动势E是________V，内阻r是________Ω.
考点二 究性实验
2[2015·海南卷]某同学利用图11 7（a）所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化．实验中使用的器材为：
电池E（内阻很小）、开关S1和S2、电容器C（约100μF）、电阻R1（约200kΩ）、电阻R2（1kΩ）、电压表V（量程6V）、秒表、导线若干．
（1）按图（a）所示的电路原理图将图（b）中实物图连线．
（2）先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，同时按下秒表开始计时．若某时刻电压表的示数如图（c）所示，电压表的读数为________V（保留2位小数）．
图（a）
图（b） 图（c）
图11 7
（3）该同学每隔10s记录一次电压表的读数U，记录的数据如下表所示．在下面的坐标纸上绘出U t图线．已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是________s.
时间t/s
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
电压U/V
2.14
3.45
4.23
4.51
5.00
5.18
图11 8
（4）电路中C、R2和S2构成的回路的作用是__________________________________．
导思
①电压表的最小分度是多少？
读数时如何估读？
②根据描点绘制U t图像时，应绘成折线还是平滑曲线？
③如何确定误差较大的数据点？
④“先闭合开关S2，再断开开关S2”与第（4）问有什么关系？
归纳
探究性实验主要考查实验基本原理和思想方法的迁移应用，命题特点是源于教材但又高于教材．解题时首先要审清题意，明确实验目的，联想和迁移应用相关实验原理．
变式[2015·广东卷]某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表（内阻约为3kΩ）、电流表（内阻约为1Ω）、定值电阻等．
（a）
（b） （c）
图11 9
（1）使用多用电表粗测元件X的电阻．选择“×1”欧姆挡测量，示数如图11 9（a）所示，读数为________Ω，据此应选择图中的________（填“b”或“c”）电路进行实验．
（2）连接所选电路，闭合S；滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐________（填“增大”或“减小”）；依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复实验．
（3）图11 10（a）是根据实验数据作出的U I图线，由图可判断元件________（填“X”或“Y”）是非线性元件．
（4）该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路如图（b）所示．闭合S1和S2，电压表读数为3.00V；断开S2，读数为1.00V．利用图11 10（a）可算得E＝________V，r＝________Ω（结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表）．
（a） （b）
图11 10
考点三 创新性实验
3[2015·山东卷]如图11 11甲所示的电路中，恒流源可为电路提供恒定电流I0，R为定值电阻，电流表、电压表均可视为理想电表．某同学利用该电路研究滑动变阻器RL消耗的电功率．改变RL的阻值，记录多组电流、电压的数值，得到如图乙所示的U I关系图线．
甲 乙
图11 11
回答下列问题：
（1）滑动触头向下移动时，电压表示数________（填“增大”或“减小”）．
（2）I0＝________A.
（3）RL消耗的最大功率为________W（保留一位有效数字）．
导思
①电路中电阻变化时，总电流是否变化？
路端电压是否变化？
②电压表示数与电流表示数之间的函数关系是什么？
③RL消耗的功率与通过电流表的电流之间的函数关系是什么？
归纳
创新性实验是根据已知的实验方法设计一个新的实验方案，设计实验原理是创新实验设计的根本依据和关键．应根据问题的要求和条件，确定实验原理，再通过分析与计算，找出待测量与已知量之间的函数表达式，最后设计合适的实验步骤．电学创新实验常用的方法有转换法、替代法、控制变量法等．
创新实验设计
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