专题二十设计性实验.docx
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专题二十设计性实验
专题二十设计性实验
复习目标：
（1）根据问题条件、要求，构造相关的物理情景
（2）确定实验原理，选择实验方法
（3）明确所要测定的物理量，选好实验器材，确定实验步骤
（4）做好数据记录和处理，进行误差分析
1、一艘宇宙飞船近某一新发现的行星，并进入靠近该行星表面的圆形轨道，仅受引力作用，绕行数圈后，着陆在该行星上，飞船上备有以下实验器材
A、精确秒表一只B、已知质量为m的物体一个
C、弹簧秤一个D、天平一台（附砝码）
已知宇航员在绕行时及着陆后各作了一次测量。
依据测量数据，可求出该星球的半径R及星球的质量M（已知万有引力常量为G）
（1）两次测量所选用的器材分别为__________、___________。
（有序号表示）
（2）两次测量的物理量分别是________、_________。
（3）用该数据写出半径R、质量M的表达式：
R=_____________,M=____________。
2、在为了测量一高楼的高度，某人设计了如下实验：
在一根长为度l的绳两端各拴一重球，一人站在楼顶上，手执绳上端的球无初速释放使其自由下落，另一人在楼下测量两球落地的时间差，即可根据l、△t、g计算高楼的高度。
（1）从原理上说，这个方案是否正确？
（2）从实际测量来看，你估计最大的困难是什么？
3．用如图所示的装置进行验证动量守恒的以下实验：
（1）先测出滑块A、B的质量M、m及滑块与桌面的
动摩擦因数
，查出当地的重力加速度g；
（2）用细线将滑块A、B连接，使A、B间的弹簧处
于压缩状态，滑块B紧靠在桌边；
（3）剪断细线，测出滑块B做平抛运动落地时的水
平位移为s1，滑块A沿桌面滑行距离为s2．
为验证动量守恒，写出还须测量的物理量及表示它的字母___________．如果动量守恒，须满足的关系是_________________．
4、将一个质量为m的物体挂在一个劲度系数为k的弹簧下面，如果不
考虑弹簧的质量和空气阻力，振动周期
。
为了研究周期和振子质
量的关系，设计如图所示的实验装置，将弹簧的一端固定在铁架台上，另
一端挂一只小盘，铁架台的竖直杆上固定一个可以上下移动的标志物，作
为计时标志。
改变小盘中砝码的质量m，测量全振动50次的时间并求出相
应的周期T。
某次实验得到下列数据：
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
0.729
0.803
0.876
0.941
1.016
1.086
（1）如图以横轴代表m，纵轴代表T2，作出T2—m图。
并回答为什么不用T作为纵轴而用T2作为纵轴？
__________。
（2）根据图线求解弹簧的劲度系数__________。
（3）对T2—m图作出必要的解释________________
________________________________________________。
5、用滴水法可以测定重力加速度的值，方法是：
在自来水龙头下面固定一块挡板A，使水一滴一滴连续地落到档板上，如图所示。
仔细调节水龙头，使得耳朵刚好听到前一个水滴滴在挡板上的声音的同时，下一个水滴刚好开始下落。
首先量出水龙头口离挡板的高度h，再用秒表计时。
计时方法是：
当听到某一水滴滴在挡板上的声音的同时，开启秒表计时，并数“1”，以后每听到一声水滴声，依次数“2、3……”，一直数到“n”室，按下秒表按钮停止声，读出秒表的示数t。
（1）写出用上述方法测量计算重力加速度g的表达式。
g=_____________。
（2）为了减小误差，改变h的数值，测出多组数据：
次数
高度h/cm
空中运动时间t′/s
1
20.10
0.20
2
25.20
0.23
3
32.43
0.26
4
38.45
0.28
5
44.00
0.30
6
50.12
0.32
记录在表格中（表中t′是水滴从水龙
记录在表格中（表中t′是水滴从水龙头口到A板所用的时间,即水滴在空中运动的时间）.请在图中所示的坐标字纸上作出适当的图象,并利用图象求出重力加速度g的值.
g=_______________（要求2位有效数字）
6、如图是一个实验装置，光滑斜面上高为h的A处有
一个小球自静止起滚下，抵达水平面时，立即遇到一系列
条形布帘B的阻挡，经过一定位移x后停下。
（1）小球在水平面上运动时，受到布帘阻力的作用而
减速直到停止，问其位移x可能跟哪些因素有关？
它们之
间有什么样的定量关系？
表
（一）
m/kg
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
x/m
0.08
0.17
0.23
0.32
0.41
表
（二）
h/m
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
x/m
0.15
0.23
0.30
0.37
0.45
（2）以上两表是实验兴趣小组的测量记录，他们采用的是什么科学方法来进行研究，能得
到怎样的结论？
7．某校学生在开展研究性学习的活动中，为了测量自行车在行驶中的阻力系数k——自行车所受阻力与其重力mg的比值，即
。
某学生依次做了以下几件事情：
（1）找一段平直的路面，并在路面上画一道起点线；
（2）用较快的初速度骑车驶过起点线，按下秒表，并从车架上放下一团很容易辨别的橡皮泥；
（3）自行车驶过起点线后就不再蹬自行车的踏脚板，而让其依靠惯性沿直线继续前进；
（4）待自行车停下，立即按下秒表读出行驶的时间t；
（5）用尺量出起点线到终点的距离L、车架离地的高度h及橡皮泥在地上的水平距离s；
根据上述操作，就可以得出自行车在行驶中的阻力系数k（要求用测量到的物理量来表示）。
上述操作中不需要测量的物理量是_________________。
8、为了只用一根弹簧和一把刻度尺测定某滑块与水平桌面间的动摩擦因数μ（设μ为定值），某同学经查阅资料知：
一劲度系数k的轻弹簧由伸长量为x至恢复到原长过程中，弹力所做的功为
，于是他设计了下述实验：
第1步：
如图所示，将弹簧的一端固定在竖直墙上，弹簧处于原长时另一端位置A。
现使滑块紧靠弹簧将其压缩至位置B，松手后滑块在水平桌面上运动一段距离，到达C位置时停止；
第2步：
将滑块挂在竖直放置的弹簧下，弹簧伸长后保持静止状态。
回答下列问题：
（1）你认为，该同学应该用刻度尺直接测量的物理量是（写出名称并用符号表示）
___________________________
（2）用测得的物理量表示滑块与水平桌面间动摩擦因数μ的计算式：
μ=_________。
9、“加速度计”作为测定运动物体加速度的仪器已经被广泛地应用于飞机、潜艇、导弹、航天器等装置的制导系统中，如图是“应变式加速度计”的原理图，支架A、B固定在待测系统上，滑块穿在A、B间的水平光滑杆上，并用轻弹簧固结于支架A上，其下端的滑动臂可在滑动变阻器上自由滑动，随着系统沿水平方向做变速运动，滑块相对于支架发生位移，并通过电路转换为电信号从1、2接线柱输出，已知滑块质量为m、弹簧劲度系数为k，电源电动势为E，内电阻为r，滑动变阻器总阻值R=4r，有效总长度为L，当待测系统静止时。
1、2两接线柱输出的电压U0=0.4E，取A→B方向为参考正方向。
写出待测系统沿A→B方向做变速运动时的加速度a随1、2两接线柱之间的输出电压U变化的关系式。
10、利用插针法测玻璃的折射率，实验中先将玻璃砖固定在
水平桌面的白纸上，画出玻璃砖两侧界面MN，在玻璃砖的一侧
插好P1、P2大头针后，某同学发现在P1、P2的同侧通过玻璃砖在
图所示位置也可观察到P1、P2的像。
于是他在白纸上插大头针P3，
使P3挡住P1、P2。
同样方法，他又插下大头针P4，使P4挡住P3、P2、P1，取走玻璃砖。
P1、
P2连线交MN于O点，P3、P4MN于O'点，测出P1、P2连线与MN间的夹角α=30°，玻璃砖
的厚度h=2.00cm，OO'两点间的距离l=3.00cm，则玻璃砖的折射率为_____。
11、要测量一块多用电表直流10mA档的内阻RA（约为40Ω）。
除此多用电表外，还有下列器材：
直流电源一个（电动势E约为1.5V，内阻可忽略不计），电阻一个（阻值R约为150Ω），电键一个，导线若干。
要求：
（1）写出实验步骤。
（2）给出RA的表达式。
12、有一电阻Rx，其阻值大约在40Ω~50Ω之间，需进
一步测定其阻值，现有下列器材：
电池组E（0~10V、内阻20kΩ）；
电流表A1（0~50mA、内阻20Ω）；
电流表A2（0~300mA、内阻4Ω）
滑动变阻器R1（0~100Ω、额定电流1A）
滑动变阻器R2（0~1700Ω、额定电流0.3A）
开关S及导线若干。
实验电路如图所示，实验中要求几组电流、电压值，在实验中应选择电流表_________
和滑动变阻器__________。
13．用伏安法测定一节干电池的电动势和内阻，提供器材如下：
（1）待测干电池一节；
（2）电压表V（量程0~3V，内阻10kΩ）
（3）灵敏电流表G（量程0~500μA，内阻100Ω）；
（4）定值电阻R1=1/11.99Ω;
（5）滑动变阻器R0（阻值0~15Ω）；
（6）开关一个、导线若干。
请画出你所设计的实验电路图。
14、在做测量电源的电动势E和内电阻r的实验时，提供的器材是：
待测电源一个，已知内阻为RV的电压表一个（量程大于电源的电动势），电阻箱一个，开关一个，导线若干。
（1）在下图的虚线框中画出实验电路图。
（2）为使测量的更加准确，多次改变电阻箱的阻值R设电压表相应的示数为U，以
为纵坐标，画出
的某种关系图线，该图线为一直线，如图所示，由图线可得到直线在纵轴的截距为m，直线的斜率为k，则E=________，r=_________。
图
15、实验室中现有器材如实物图所示，有：
电池E，电动势约10V，内阻约1Ω；
电流表A1，量程10A，内阻r1约为0.2Ω；
电流表A2，量程300mA，内阻r2约为5Ω；
电流表A3，量程250mA，内阻r3约为5Ω；
电阻值R1最大阻值999.9Ω，阻值最小改变量0.1Ω；
滑线变阻器R2，最大阻值100Ω，开关S，导线若干。
要求用图20—7所示的电路测定图中电流表A的内阻
（1）在所给的三个电流表中，哪几个可用此电路精确测出其内阻？
答：
________
（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象，在实物图上连成测量电路。
（3）你要读出的物理量是_________，用这些物理量表示待测内阻的计算公式是
______________。
16、“伏安法”测电阻时，由于电压表、电流表内阻的影响，使得测量结果总存在误差，而按如图所示电路进行测量，则由电压表、电流表内阻所造成的误差可消除。
（1）请你简要写出还未完成的主要操作步骤，并用字母表达出相应的测量值。
①闭合开关S1、开关S2接2，调节Rp和R'P，使电压表读数接近满量程，读出电流表和电压表读数I2、U2。
②保持Rp不变______________。
（2）请你推导出待测电阻Rx的表达式______________。
17、如图是用高电阻放电法测电容的实验电路图．其原理是测出
电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q，从而求出其电容C．
该实验的操作步骤如下：
（1）按电路图接好实验电路．
（2）接通电键S，调节电阻箱R的阻值，使微安表的指针
接近满刻度．记下这时的电压表读数U0＝6.2V和微安表读数
I0＝490μA．
（3）断开电键S并同时开始计时，每隔5s或10s读一次微安表的读数i，将读数记录在预先设计的表格中．
（4）根据表格中的12组数据，以t为横坐标，i为纵坐标，在坐标纸上描点（在图中用“×”表示）．根据以上实验结果和图象，可以估算出当电容器两端电压为U0时该电容器所带的电荷量Q0约为 C，从而算出该电容器的电容约为 F．
18、如图为一测量灯泡发光强度的装置.AB是一个有刻度的底座，两端可装两个灯泡。
中间带一标记线的光度计可在底座上移动，通过观察可以确定两边灯泡在光度计上的照度是否相同。
已知照度与灯泡的发光强度成正比、与光度计到灯泡的距离的平方成反比。
现有一个发光强度为I0的灯泡a和一个待测灯泡b分别置于底座两端（如图）
（1）怎样测定待测灯泡的发光强度IX？
_________________________________________________________________________。
（2）简单叙述一个可以减小实验误差的方法。
___________________________________________________________________________。
19、某同学得到一只多年未使用的变压器，它的原副线圈标记已经不清楚，匝数多少也不知道。
该同学从有电工经验的师傅那知道它是用在220V交流电压上的降压变压器，该同学在自己家中准备一些漆包线和一只多用电表，通过实验的方法测出它的匝数，并判断原副线圈。
请你说出他是如何做的。
20、硫化镉（CdS）晶体是一种光敏材料，用它做成的光敏电阻有一特性：
被光照射时电阻很小，当将光遮住时电阻很大。
用它来控制照明灯，要求白天灯不亮，夜晚灯亮。
请将图20—9所示元件连接成符合上述要求的电路。
图是电磁铁上方是带铁块的铜片，其右端上下各有一组开关，当电磁铁中无电流时，弹簧将铜片拉起，使其上方的开关（双箭头a、b表示）闭合；当电磁铁中有电流时，铁块受磁力作用拉下铜片，下方的开关（双箭头c、d表示）闭合。
21、图为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对
温度很敏感）的I—U关系曲线图。
（1）为了通过测量得到图所示I—U关系的完整曲线，在图甲和图乙两个电路中应选择的是图_________；简要说明理由：
___________________________________________
_____________________________________________________。
（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0—100Ω）。
（2）在图丙电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。
由热敏电阻的I—U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_________V；电阻R2的阻值为____________Ω。
图甲图乙图丙
（3）举出一个可以应用热敏电阻的例子：
________________________________________________________________________。
22、有一电器的铭牌上标明额定电压为100V，额定功率因字迹不清而无法辨认，该用电器有显示是否处于正常工作状态的指示灯，给你一个电阻值0—100Ω的滑动变阻器和电压为220V的恒压电源，为了确保用电器能安全地调节到正常工作状态：
（1）试在图的方框内画出正确的电路图。
（2）若在正确的连接电路中，当用电器正常工作时，通过电源的电流强度为2.4A，求用电器的功率。
23、电源的输出功率P跟外电路的电阻R有关．下左图是研究它们的关系的实验电路．为了便于进行实验和保护蓄电地，给蓄电池串联了一个定值电阻R0，把它们一起看作电源（图中虚线框内部分）．于是电源的内电阻就是蓄电池的内电阻和定值电阻R0之和，用r表示．电源的电动势用E表示．
（1）写出电源的输出功率P跟E、r、R的关系式：
．（电流表与电压表都看作理想电表）
（2）在下右图的实物图中按照下左图画出连线，组成实验电路．
（3）下表中给出了6组实验数据，根据这些数据．在图中的方格纸中画出P－R关系图线．根据图线可知，电源输出功率的最大值是_____________W，当时对应的外电阻是_____________Ω．
（4）由表中所给出的数据，若已知跟电源串联的定值电阻的阻值为R0＝4.5Ω，还可以求得该电源的电动势E=_________V，内电阻r0=__________Ω．
24、如图，甲为在10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图，箱内的电阻R1=2kΩ，R2=1.5kΩ，R3=4kΩ，Rt为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示，当a、b端电压Uab＜0，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高；当Uab＞0时，电压鉴别器使S断开，停止加热．则恒温箱内的温度大约恒定在 ℃．
25、有一根细长而均匀的金属材料样品，截面为外方（正方形）
内圆，如图所示。
此金属材料质量约为0.1~0.2kg，长约为30cm，
电阻约为10Ω。
已知这种金属的电阻率为ρ，密度为ρ0。
因管线
内径太小，无法直接测量。
请根据下列提供的器材，设计一个实
验方案测量其内径d。
A．毫米刻度尺B．螺旋测微器
C．电流表（60mA10Ω）D．电流表（3A0.1Ω）
E．电压表（3V6kΩ）F．滑动变阻器（2kΩ0,5A）
G．滑动变阻器（10Ω2A）H．直流稳压电源（6V0.05Ω）
I．开关一个,带夹子的导线若干
（1）除待测金属材料外,应选用的实验器材有_______________________（只填代号字母）
（2）画出你所设计方案的实验电路图,并把所选仪器连成实际测量电路.
（3）用已知的物理常量和所测得的物理量,推导出计算金属管线内径d的表达式。
专题二十参考答案
1．
（1）A，BC
（2）周期T，重力F（3）
，
2．
（1）由
可知这个方案是正确的
（2）最大的困难是时间差△t的测量难以精确。
3．桌面离地面高度h
4．
（1）图线简单，呈线形关系
（2）2.8N/m（3）图线不经过原点,没有考虑砝码盘的质量5．
（1）2h（n-1）2/t2
（2）9.64m/s26．采用的是控制变量发来研究,x=kmg7．方案一：
自行车驶过起点线后，若不再蹬其脚踏板，它做匀减速直线运动。
以自行车和人为研究对象，设其初速度为v0，运动的加速度大小为a，并取运动方向为正方向，设其总质量为m，根据牛顿运动定律及运动学公式有：
—f=m（—a）；0—v02=2（—a）L；对橡皮泥来说，设其下落时间为t1，v0=s/t1，h=gt12/2，得k=s2/4hL，由此可知不需要测量的物理量是自行车的行驶时间t。
方案二：
根据方案一的测量结果也可得出：
k=s
/2ght。
不需要测量的物理量是自行车的行驶路程L。
8．
（1）AB间距离x1，BC间距离s，弹簧竖直悬挂时伸长的长度x2
（2）（2x1-s）/2x29．
10．1.4411．
（1）用多用电表的直流电压挡测量电源电动势E；用多用电表的欧姆挡测电阻值R；将多用电表置于10mA挡，与电阻R及电键串联后接，接在电源两端，合上电键，记下多用电表读数I
（2）
12．A2，R113．见下图
14．见下图（a）或（b）
（2）对电路a，
为横坐标，
；对电路b，R为横坐标，
，
15．
（1）A2，A3
（2）见下图（3）电流A2、A3的示数I2、I3和电阻箱R1的阻值Rx，
16．
（1）S1闭合，将S2接1，调节RP′，使电压表和电流表尽量接近满量程，读出此时电压表和电流表的读数U1、I1
（2）
17．用一条光滑曲线将坐标系中的点依次相连，得到放电曲线，曲线跟横轴所围的面积就表示放电过程放出的电荷量．每小方格代表的电荷量为q=2.5×10－4C．用四舍五入的方法数得小方格有32个，因此Q0=8×10－3C．根据C=Q0/U0，得电容为C=1.3×10－3F．18．
（1）接通电源，移动光度计，使两边的照度相同，测出距离r1和r2，即可得待测灯泡的发光强度
（2）测量多次求平均值19．先用欧姆挡测每组线圈的电阻，电阻大的是原线圈，电阻小的是副线圈。
测定匝数的方法是：
取一根绝缘的细导线在变压器线圈上绕几圈作为一个已知匝数的副线圈，将原线圈接在220V的交流电上，用交流电压挡测出副线圈两断的电压，再根据电压与匝数成正比的关系就可算出原、副线圈的匝数。
20．如下图21．
（1）图甲，其电路可从0V调到所需电压，调节范围较大
（2）5.2，111.8（或者111.6~112.0范围内）（3）热敏温度计22．
（1）如下图
（2）40W23．
（1）P=E2R/（R+r）2
（2）图略 （3）图略，0.80 5.0 （4）4.0 0.5 24．电热丝在工作与不工作的临界状态上，a、b电势相等．此时R2、Rt两端电压势必相等，因此就有R1/R2＝R3/Rt，由此可算得Rt＝3kΩ．从热敏电阻的R－t图像可知Rt＝3kΩ时，温度为25℃25．
（1）A、B、C、E、G、H、I
（2）实验电路图和实物连接图如下图所示（3）设长度为l，截外边长为a，电压为U，电流强度为I，
则电阻
，截面积
，故有
解得
第13题图第14题图第15题图
第20题图第22题图第25题图
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