专题十六 实验设计与探究问题

专题十六 实验设计与探究问题【考纲要求】近几年，高考实验题发生了明显的变化，已跳出了课本分组实验的范围，不仅延伸到演示实验中，而且出现了设计型实验。

完整的设计一个实验，要经历多个环节，在实际考查中，一般不会考查全部环节，而是只考查其中的几个环节，有的题目给出条件和实验器材，要求阐述实验原理；有的给出实验电路图，要求领会实验原理，确定需测物理量及计算公式；有的则要求考生根据操作步骤及测定的物理量判断出实验原理……这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。

【重点知识梳理】 1．设计原则（1）正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。

（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。

要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流。

（3）方便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。

（4）精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。

2．设计思路实验设计可用下面的框图表示[分类典型例题]【例题1】有一个同学用如下方法测定动摩擦因数：用同种材料做成如图所使得AB 、BD 平面，其中AB 为一斜面，其高为h 、长为L 1，BD 是一足够长的水平面，两面在B 点以小弧形光滑连接。

现让质量为m 的小物块从A 点由静止开始下滑，到达B 点后顺利进入水平面，最后滑到C 点而停止，并测出BC =L 2，小物块与两个平面的动摩擦因数相同，由以上数据可以求出物体与平面间的动摩擦因数μ= 。

【解析】该题为设计型实验，但由于给出了实验装置、器材和实验情景，因此对实验原理已有了很多提示。

没有相关的可以迁移的原理。

因此要用物理原理分析题给的实验情景。

设斜面的倾角为θ，根据动能定理，在全过程中 mgh –μmgcos θ·L 1 -μmgL 2=0,题中未给出斜面倾角θ，寻找别的关系，有 2211c o sh L L -=θ解得2221L h L h +-=μ【变式训练1】 在―用单摆测定重力加速度的实验中‖①用游标卡尺测量摆球直径的情况如下图所示，读出摆球直径 cm 。

②测单摆周期时，当摆球经过____________时开始计时并计1次，测出经过该位置N 次所用时间为t ，则单摆周期为______________。

③若测量出多组周期T 、摆长L 数值后，画出T 2—L 图象如图，则此图线的斜率的物理意义是（ ）A gB g 1C g 24πD 24πg【例题2】现有一阻值为10.0Ω的定值电阻、一个开关、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值，要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源电动势，电源内阻约为几欧）要求： （1）在右边方框中画出实验电路图： （2）简要写出完成接线后的实验步骤；（3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式r = 。

【解析】在分组实验中有测定电源的电动势和内电阻的实验，我们从该实验知道测定电源的电动势和内电阻，至少应使电源连接不同负载两次，然后利用全电路欧姆定律求解。

但现在只有一个定值电阻可用作负载；另外，应由电流表和电压表两个表，但现在只有一只电压表，而且是没有刻度值的；不过考虑到电压表电阻很大，而且题目只要求测出电源的内阻，应该有变通的办法。

（1）我们可以把断路也作为一种负载状态，实验电路如图5所示。

S 断开时，因电压表内阻远大于电源内阻，可认为是断路状态，S 闭合时，又是一种负载状态。

（2）实验步骤如下： ①按电路图连接好电路。

②在开关S 断开状态下读出电压表指针所在处的分度格数n 1. ③闭合开关S ，读出电压表指针所在处的分度格数n 2.（3）设电压表每一小分度表示的电压为U 0。

S 断开时，有 E=n 1U 0 S 闭合时，有r R U n U n E 0002+=解以上两式，得R n n n r 221-= 【变式训练2】 在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中，备有下列器材：A ．待测的干电池（电动势约为1. 5 V ，内电阻小于1. 0Ω)B ．电流表G （满偏电流3 mA ，内阻Rg=10Ω)C ．电流表A(0～0. 6 A ，内阻0.1Ω)图5D ．滑动变阻器R 1(0～20Ω,10 A) E.滑动变阻器R 2(0～200Ω,l A)F ．定值电阻R 0 (990Ω) G ．开关和导线若干(1)某同学发现上述器材中虽然没有电压表，但给出了两个电流表，于是他设计了如图所示中甲的（a)、 (b)两个参考实验电路，其中合理的是 图所示的电路；在该电路中，为了操作方便且能准确地进行测量，滑动变阻器应选 （填写器材前的字母代号）．(2)图乙为该同学根据（1)中选出的合理的实验电路利用测出的数据绘出的I 1—I 2图线（I 1为电流表G 的示数，I 2为电流表A 的示数），则由图线可以得被测电池的电动势E= V ，内阻r= Ω。

[能力训练]1 ．象打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用仪器，其结构如图甲所示，a 、b 分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a 、b 间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．现利用图乙所示装置测量滑块和1m 长的木板间的动摩擦因数，图中MN 是水平桌面，Q 计时器没有画出．此外在木板顶端的P 点还悬挂着一个铅锤，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0×10－2s 和2.0×10－2 s ．用游标卡尺测量小滑块的宽度d ，卡尺示数如图丙所示． （1）读出滑块的宽度d =___________cm ．（2）滑块通过光电门1的速度v 1=__________m/s ，滑块通过光电门2的速度v 2=__________m/s ．（速度的计算结果均取两位有效数字）（3）现仅提供一把米尺，已知当地的重力加速度为g ，为完成测量，除了v 1、v 2和两个光电门之间的距离L 外， 还需测量的物理量是________________________________________________________________________________________________(说明各量的物理意义，同时指明代表物理量的字母，并在图中标出)．（4）用(3)中各量求解动摩擦因数的表达式μ=__________________(用字母表示)．2 ．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：⑴按电路图接好实验电路 ⑵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U 0=6.2V 和微安表读数I 0=490μA ⑶断开电键S 并同时开始计时，每隔5秒钟或 10秒钟读一次微安表的读数i ，将读数记录在预先设计的表格中 ⑷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（图中用―×‖表示）。

a光电门图甲图乙0 5 10 15 20图丙５ ６ ７cmM N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U 0时该电容器所带的电荷量Q 0约为___________C ，从而算出该电容器的电容约为________F 。

3．在做测量电源电动势E 和内阻r 的实验时，提供的器材是：待测电源一个，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。

为了测量得更加准确，多次改变电阻箱的电阻R ，读出电压表的相应示数U ，以1U 为纵坐标，画出1U 与R 的某种关系图象（该图象为一直线）如图所示。

由图象可得到直线在纵轴上的截距为m ，直线的斜率为k,试根据以上信息在虚线框内画出实验电路图。

根据你设 计的实验电路，在横轴箭头处应标的物理量是 （填R 或1/R ） ②写出E 、r 的表达式，E= ，r= ．4、某同学在实验室里熟悉各种仪器的使用。

他将一条形磁铁放在转盘上，如图甲所示，磁铁可随转盘转动，另将一磁感强度传感器固定在转盘旁边，当转盘（及磁铁）转动时，引起磁感强度测量值周期性地变化，该变化与转盘转动的周期一致。

经过操作，该同学在计算机上得到了如图乙所示的图像。

（1（2）圆盘匀速转动时的周期是 s 。

（3）该同学猜测磁感强度传感器内有一线圈，当测得磁感强度最大时就是穿过线圈的磁通量最大时。

按照这种猜测（ ）A ．在t = 0.1s 时刻，线圈内产生的感应电流的方向发生了变化B ．在t = 0.15s 时刻，线圈内产生的感应电流的方向发生了变化C ．在t 趋近0.1s 时，线圈内产生的感应电流的大小达到了最大值D ．在t 趋近0.15s 时，线圈内产生的感应电流的大小达到了最大值磁感强度传感器 图甲专题十六参考答案：[变式训练1] ①2.06 ②12-N t③C [变式训练2] (1)b D 或R,(2) (1.48士0.02) 0.77(0.75～0.80) [能力训练] 1、 (1)5.10 (2)1.0， 2.6(3)P 点到桌面的高度h ；重锤在桌面上所指的点与Q 点的距离a ；图略（４）Lgab v v a h 2)(2122--=μ2、8.0×10-3C ，1.3×10-3F3、若横轴为R （电路为电压表和电阻箱串联，接上电源开关），则V KR E 1=K KR m r V-=若横轴为R 1（电路为电压表和电阻箱并联，接上电源开关），则K mR R E V V-=，K mR KR r V V-=4、（1）先快慢不变，后越来越慢； （2）0.2； （3）A C。