三维设计2012高考物理二轮复习课件(广东专版)：第一部分专题13设计性实验

到小球落地和滑块撞击挡板的声音。用刻度尺测出小球下落 的高度H、滑块释放点与挡板处的高度差h和沿斜面运动的位 移x。(空气阻力对本实验的影响可以忽略) (1)滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为_______。 (2)滑块与斜面间的动摩擦因数为________。 (3)以下能引起实验误差的是________。 A．滑块的质量 B．当地重力加速度的大小 C．长度测量时的读数误差 D．小球落地和滑块撞击挡板不同时
序号 电流表G(I1/mA) 电流表A(I2/A)
1
2
3
4
5
6
1.37 1.35 1.26 1.24 1.18 1.11
0.12 0.16 0.21 0.28 0.36 0.43
图9－2－1 (4)根据图线求出电源的电动势E＝__________ V(保留三位
有效数字)，电源的内阻r＝__________ Ω(保留两位有 效数字)。
(1)为了能准确地进行测量，同时为了操作方便，实验中应 选用的滑动变阻器是________(填写器材编号)。 (2)画出他们采用的实验原理图。(标注所选择的器材符号) (3)该小组根据实验设计的原理图测得的数据如下表，为了 采用图像法分析处理数据，请你在如图9－2－1所示的坐标 纸上选择合理的标度，作出相应的图线。
专题十三 实验 二 设计性实验
抓
研
提
基
考
能
础
向
力
一、对设计性实验的认识 所谓设计性实验，就是题目要求学生运用学过的实验
方法，自行设计一个新的实验方案，它要求学生设计实验 原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方 法以及分析实验误差等。主要考查该学生是否理解实验原 理和实验仪器的使用，是否具有灵活运用实验知识的能力， 是否具有在不同情况下迁移知识的能力。
[自主尝试] (1)利用表格中的数据，描点作图。 (2)根据所画出的图像，读出电压2.00 V对应的电阻值为20 Ω。 (3)由闭合电路欧姆定律可知，内阻增大，则干路电流减小，电 路中电压表的读数就会减小，根据图像，电压小，则电阻小， 所以测量值偏小；为了测量准确，需要增大电流，所以可减小 滑动变阻器阻值的大小，根据实验数据表格，改变滑动变阻器 阻值，使电压表读数为1.50 V，就可以实现准确测量。
(3)由 a＝M＋1m＋′μ＋g mm－μg，得 a＋μg＝M＋1m＋′μ＋g mm。取 a1＝ 0.23 m/s2，m1＝0.064 kg；a2＝0.39 m/s2，m1＝0.068 kg。则aa21＋＋μμgg＝mm12， 解得 μ＝0.23。 [答案] (1)位移 s 时间 t a＝2t2s (2)m＋m′ 滑块上 (3)0.23(0.21～0.25)
[自主尝试] (1)为了便于调节，滑动变阻器的阻值不能太 大，选择R1比较合适。 (2)由闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir可知，只要能测出两组路 端电压和电流即可列方程求解。但题目中给出的电压表量 程太大，无法准确读数，所以不能选用。因为电流表G的 内阻已知，可以考虑把G和定值电阻R3串联作电压表使用。 实验原理图如图甲所示。
(3)取纵轴表示 I1，横轴表示 I2，作出的图线如图乙所示。 (4)由于 R3 支路电阻远大于滑动变阻器 R1 所在支路电阻，所以干路 电流近似等于 I2，根据闭合电路欧姆定律 E＝U＋Ir 可知：E＝I1(R3 ＋Rg)＋I2r，即 I1＝R3＋E Rg－R3＋r RgI2，由图像知直线与纵轴的截距 为R3＋E Rg＝1.48 mA，解得 E＝1.48 V，直线斜率的绝对值为R3＋r Rg＝ 1.48－10..0560×10－3，解得 r＝0.84 Ω
4.方便性原则：实验选用器材和电路要便于操作、方便 调节、读数误差小、实验数据便于处理。例如，使 用分压电路时，要使得电压变化与滑动变阻器的触 头移动的距离能成近似的正比关系，这样调整起来 就很方便，这就要求滑动变阻器的总阻值要远小于 用电器的电阻。
四、设计性实验的设计思路 解决设计性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。它决定应当测量哪些物 理量、如何安排实验步骤等项目。实验原理的确定：一是 根据问题的要求，二是根据问题的条件。
如果问题中没有给定(或给足)实验器材，实验设计 的基本思路是： (1)根据问题的条件和要求，构思相关的物理情境； (2)确定实验原理； (3)确定需测量的物理量； (4)制订实验方案。
将ag＝Hx 代入可得：μ＝h－xH2
1 x2－h2
(3)由动摩擦因数的表达式可知选 C、D 两项能引起实xH2)
1 x2－h2
(3)CD
(2011·重庆高考)某同学设计了如图9－2－3所示的装 置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和 砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数μ。滑块和托盘 上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为 m′，托盘和盘中砝码的总质量为m。实验中，滑块在水平轨 道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，重力加速度g取 10 m/s2。
[自主尝试] (1)同时听到声音说明小球与木块运动时间相同， 设都为 t，则小球做自由落体运动，H＝12gt2，木块沿斜面下滑 做匀加速直线运动，x＝12at2， 由以上两式可得ag＝Hx 。
(2)对木块进行受力分析如图所示，由牛顿第二定律得沿斜面方向：
mgsinθ－Ff＝ma 垂直斜面方向：FN－mgcosθ＝0 又有：Ff＝μFN 由以上三式解得 a＝gsinθ－μgcosθ，
有时，对同一个问题，可以构想出不同的物理情境， 导出物理量的不同表达形式，以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。
如果问题已经给出实验器材，则实验设计时只能按所 给的器材来构造物理情境。相对而言，这种情况下的实验 原理和实验方案都会受到较大的限制。
有一节干电池，电动势大约为1.5 V，内电阻约为 1.0 Ω。某实验小组的同学们为了比较准确地测出该电池的电 动势和内电阻，他们在老师的支持下得到了以下器材： A．电压表V(15 V,10 kΩ) B．电流表G(量程3.0 mA，内阻Rg＝10 Ω) C．电流表A(量程0.6 A，内阻约为0.5 Ω) D．滑动变阻器R1(0～20 Ω，10 A) E．滑动变阻器R2(0～100 Ω，1 A) F．定值电阻R3＝990 Ω G．开关S和导线若干
三、设计性实验的设计原则 1.科学性原则：实验方案所依据的原理应当符合物理学的 基本原理，实验装置或线路能够圆满完成实验任务。 2.安全性原则：确保进行的实验不会对实验装置和器材造 成损坏，确保人身安全。例如：仪器所加的电压或电流 不要超过其额定值，电源不要被短路等，实验中不会对 人身造成危害。
3.精确性原则：在实验中，要根据实验的需要选择合适的 器材，使实验结果尽可能精确，减小实验误差。例如： 在条件允许的情况下，尽可能选用较小量程的电表，以 获得较大的偏转角度来减小读数造成的偶然误差。所选 用的仪器也并非是越精密越好，合适即可。例如：测一 段几十厘米长的金属丝，毫米刻度尺就足够了，而对于 直径只有零点几毫米的电阻丝，十分度的游标卡尺的精 度不够高，而要用螺旋测微器测量才可以。
图9－2－3
(1)为测量滑块的加速度 a，须测出它在 A、B 间运动的________与 ________，计算 a 的运动学公式是________； (2)根据牛顿运动定律得到 a 与 m 的关系为： a＝M＋1m＋′μ＋g mm－μg 他想通过多次改变 m，测出相应的 a 值，并利用上式来计算 μ。若要 求 a 是 m 的一次函数，必须使上式中的________保持不变，实验中应 将从托盘中取出的砝码置于________；
[答案] (1)D (2)、(3)图见自主尝试 (4)1.48(1.46～1.49) 0.84(0.80～0.90)
(2011·山东高考)某探究小组设计 了“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方 案。如图9－2－2所示，将一个小球和一 个滑块用细绳连接，跨在斜面上端。开始 时小球和滑块均静止，剪断细绳后，小球 自由下落，滑块沿斜面下滑，可先后听到 图9－2－2 小球落地和滑块撞击挡板的声音。保持小球和滑块释放的 位置不变，调整挡板位置，重复以上操作，直到能同时听
(3)实验得到a与m的关系如图9－2－4所示，由此可知μ＝ ________(取两位有效数字)。
图9－2－4
[自主尝试] (1)由 s＝12at2，得 a＝2t2s，可见要测出滑块在 A、B 间的 位移 s 和运动时间 t。 (2)要使 a＝M＋1m＋′μ＋g mm－μg 是 m 的一次函数，必须使 m＋m′保 持不变，这就要求实验中从托盘中取出的砝码置于滑块上。
二、设计性实验题的类型 1.提供实验器材及实验目的和要求，按照实验装置或有关 实验线路，让学生设计实验方法，完成实验有关内容或 进行某些测量。 2.提供实验器材及实验目的和要求，让学生设计(或补全) 实验线路或方案，并按要求完成实验有关内容或进行某 些测量。 3.提供实验数据，让学生设计处理实验数据的方法，从而 求出实验测量值。
请根据实验数据作出 U—R 关系图像。
图9－2－6
(2)用待测电阻 Rx 替换电阻箱，读得电压表示数为 2.00 V。 利用(1)中测绘的 U—R 图像可得 Rx ＝________Ω。 (3)使用较长时间后，电池的电动势可认为不变，但内阻增 大。若仍用本实验装置和(1)中测绘的 U—R 图像测定某一 电阻，则测定结果将________(选填“偏大”或“偏小”)。现 将一已知阻值为 10 Ω的电阻换接在 a、b 之间，你应如何 调节滑动变阻器，便仍可利用本实验装置和(1)中测绘的 U—R 图像实现对待测电阻的准确测定？
(2011·江苏高考)某同学利用如图9－2－ 5所示的实验电路来测量电阻的阻值。 (1)将电阻箱接入 a、b 之间，闭合开关。适当 调节滑动变阻器 R′后保持其阻值不变。改变电 阻箱的阻值 R，得到一组电压表的示数 U 与 R 图9－2－5 的数据如下表：