专题十四物理的创新设计

1、物理实验的创新设计【问题磁场 】1、对教材的演示实验进行变形改造和更新，是高考试题创新设计的一种方式，请你通过解答以下两个问题细心体会。【问题 1】如图 1 所示，在研究平抛运动时，小球A 沿轨道滑下，离开轨道末端（末端水平）时撞开轻质接触式开头S，被电磁铁吸住的小球B 同时自由下落。改变整个装置的高度H做同样的实验，发现位于同一高度的A 、B 两球总是同时落地。该实验现象说明了什么？【问题 2】劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图 2(a)所示。将一块平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图 2(b)所示，干涉条纹有

2、如下特点：任意一条明条纹或暗名纹所在位置下面的薄膜厚度相等；任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。现若在图 (a) 装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后， 从上往下观察到的干涉条纹将如何变化？为什么？2、教材中的许多实验，在得出数据后处理的方法并不唯一，因此可对老实验处理数据的方法以及提问的角度进行更新改造后考查。请解答以下两个问题并认真体会。【问题1】在利用单摆测重力加速度的实验中，实验原理是单摆做简谐运动的周期T= 2l 。所以只要测得多组单摆的摆长l 和振动周期T，作出 T 2-lg图象，就可以求出当地的重力加速度。理论上，T2-l 图象应是一条通过坐标原点的直

3、线， 而某同学在实验中作出的图象却是如图3 所示，其周期测量没有错误，则图线不过原点的最主要原因是_ 。由图象求出的重力加速度值g=_ （保留三位有效数字） 。【问题 2】用伏安法测量电阻阻值R。图 4 中的 6 个点表示测得的6 组电流 I。电压 U的值，试写出根据此图求R 值的步骤： _。求出的电阻值R=_ 。（保留三位有效数字）3、高考中的不少实验题考查的内容属游离于教材的新实验，但用过的仪器，采取的实验方法皆渗透于教材之中。请解答以下两个问题并认真体会。【问题】要测量一块多用电表直流10mA 挡的内阻 RA（约为 40 ），除此多用电表外，1还有下列器材：直流电源一个（电动势E 约为

4、1.5V ，内阻可忽略不计） ，电阻一个（阻值R 约为 150，电键一个，导线若干。要求：写出实验步骤；给出 RA 的表达式。4、同一物理实验可有不同的设计思想和实验方案，但殊途同归，为了减小系统误差和偶然误差，人们不断地改进实验设计方案，以臻逐步完善。请解答以下两个问题后仔细体会。【问题 1】假期中，小芳和一些同学乘坐火车外出旅游，当火车在一段平面轨道上匀加速行驶时，小芳对其他同学说： “我们能否用身边的器材测出火车的加速度？”许多同学参与了测量工作，小芳和小张的测量过程如下：小芳用塑料绳把一串钥匙吊在行李架上，使悬点正好在小桌边缘的正上方，她测出塑料绳的悬点到钥匙的距离为L 及钥匙偏离桌子

5、边缘的水平距离为d 后说：“我已能算出火车的加速度了！ ”坐在窗边的小张不动声色，时而抬头看看窗外每隔100m的路标，时而看看自己的手表，在别人还在忙碌之际，小张宣告：“我已经测出火车的加速度了！ ”小张看到第一根路标到看到第二根路标的时间间隔为t 1s，看到第一根路标到看到第三根路标的时间间隔为t2 s。请根据小芳和小张的测量情况，分别求出他们测得的火车加速度的计算式。【问题 2】在电学实验中经常需要测量某负载的电阻，测电阻的方法有多种，现在有一只标有“220V 100W ”的灯泡，它正常工作时的电阻为_ 。若用多用电表中欧姆挡来测量这只灯泡的电阻，则测出的电阻应_灯泡正常工作时的电阻（填“

6、大于”“等于” 或“小于”）。这是因为 _ 。用伏安法测灯泡的电阻时，由于电表不是理想电表，必然存在误差。现有下列器材A 、 220V 交流电源 B、单刀双掷开关一只C、电阻箱一只（ 0999，额定电流 1A ）D、交流电流表一只（ 00.6A ） E、导线若干请用上述器材设计一个实验，能较为准确地测定灯泡工作时的电阻值。（ I ）在方框中画出电路原理图。（ II ）简要写出实验步骤。_2V（电程【案例探究 】1、实验原理的理解与创新案例【案例 1】实验室内有一电压表mV，量程为 150mV ，内阻约为150 。现要将其改成量程为10mA 的电流表，并进行校准。为此，实验室提供如下器材：干电池

7、E（电动势为 1.5V ），电阻箱 R，滑线变阻器 R，电流表 A ( 有 1.5mA 、 15mA 与 150mA 三个量程)及开关 K 。(a)对电表改装时必须知道电压表的内阻。可用如图所示的电路测量电压表mV的内阻。在既不损坏仪器又能使精确度尽可能高的条件下，电路中的电流表A 应选用的量程是 _。若合上 K ，调节滑线变阻器后测得电压表的读数为150mV ，电流表A 的读数为 1.05mA ，则电压表的内阻Rmv 为 _。（取三位有效数字）(b) 在对改装成的电流表进行校准时，把作为标准电流表，画出对改装成的电流表进行校准的电路原理图（滑线变阻器作限流使用）A，图中各元件要用题中给出符号

8、或字母标注。图中电阻箱的取值是_ （取三位有效数字） ，电流表A应选用的量程是 _ 。2、实验条件的调控与实验仪器的更新设计案例【案例 2】图中给出的器材为：电源 E（电动势为 12V ），木板 N（板上从下往上依次叠放白纸、复写纸、导电纸各一张） ，两个金属条 A 、 B（平行放置在导电纸上， 与导电纸接触良好， 用作电极），滑线变阻器 R（其总阻值小于两平行电极间导电纸的电阻），直流电压表为 6V ，内阻很大，其负接线柱与B 极相连，正接线柱与探针P 相连），开关 K 。现要用图中仪器描绘两行平金属条AB 间电场中的等势线。 AB 间的电压要求取为6V 。在图中连线，画成实验电路原理图。下

9、面是主要的实验操作步骤，将所缺的内容填写在横线上。a. 接好实验电路。b. _ 。c. 合上 K ，并将探针 P 与 A 相接触。d. _ 。e. 用探针压印的方法把A 、B 的位置标记在白纸上。画一线段连接AB 两极，在连线上选取间距大致相等的5 个点作为基准点，用探针把它们的位置压印在白纸上。f. 将探针与某一基准点接触，_，这一点是此基准点的等势点，用探针把这一点的位置也压印在白纸上。用相同的方法找出此基准点的其他等势点。g. 重复步骤 f ，找出其他4 个基准点的等势点。取出白纸画出各条等势线。33、实验方法的变通与创新设计案例【案例 3】用以下器材测量一待测电阻Rx 的阻值（ 900

10、1000）；电源 E1 具有一定内阻，电动势约为 9.0V ； 电压表 V1 ，量程为 1.5V ，内阻 r1=750 ；电压表 V 2，量程为 5V ，内阻 r2=2500 ； 滑动变阻器 R，最大阻值为 100；单刀单掷开关 S，导线若干。测量中要求电压表的读数不小于其量程的1 ，试画出测量电阻Rx 的一种实验电路3原理图（原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）。根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线.若电压表 V 1 的读数 U 1 表示，电压表V2 的读数用 U 2表示，则由已知量和测得量表示Rx 的公式为 Rx=_。4、实验思维的创新设计案例【案例 4】如图 18 所示

11、淡一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置的示意图，A 为光源， B 为光电接收器，A 、 B 均固定在车身上，C 为小车的车轮，D 为与 C 同轴相连的齿轮。车轮转动时，A 发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内的脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是_；小车速度的表达式为v=_ ，行程的表达式为s=_。5、研究与探究性实验的创新设计案例【案例 5】某同学对黑箱（见图19）中一个电学元件的伏安特性进行研究，通过正确测量，他发现该元件两端的电压U ab（U ab=ab）与流

12、过它的电流I 之间的变化关系有如下规律当 15V Uab 0V时， I 近似为零，当Uab 0时， uab 和 I 的实验数据见下表：编号1234567Uab/V0.0000.2450.4800.6500.7050.7250.745I/mA0.000.150.250.601.704.257.50在图中画出uab0 时该元件的伏安特性曲线。 （可用铅笔作图）根据上述实验事实，该元件具有的特性是_。4若将此黑箱接入图电路中，并在该电路的 cd 两端输入如图（甲）所示的方波电压信号ucd，请在图（乙）中定性画出负载电阻 RL 上的电压信号uef 的波形。诱思启导： 在坐标系中描点后，作直线还是平滑的

13、曲线？ab 时导通，ab 时截止，说明该元件有何特性？从作出的图线中你发现什么规律？如何根据元件的特点作出电压信号uef 的波形？解题思路： 描点作平滑的曲线从而探索相关规律。根据Uab 0， I 0 可知该元件具有单向导电性。分析作出的图象可知，当 U 0.7V 时，元件电阻很小，可看作理想导线，故负载两端的正向电压等于电源电压，反向电压为零，于是定性作出电压信号波形。正确答案： 如图 20 所示。单向导电性如图 21 所示评点与探究： 本题在教材探索性实验的基础上，考查综合运用已学知识及分析实验数据、知识迁移等各种能力。物理实验数据以图表的形式提供醒目的信息，通过这些信息，作出图象，更能直

14、观地发现隐含的变化规律。5【创新训练 】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1所使得 AB、 BD 平面，其中 AB为一斜面，其高为h、长为 L1，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=。AhBCD2、如图所示， P 是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管（其长度L 为50 cm 左右，直径 D 为 10 cm 左右），镀膜材料的电阻率 已知，管的两端有导电箍

15、MN .现给米尺，电压表V，电流表A ，电源E，滑动变阻器R，电键 S 和若干导线 .请设计一个测定膜层厚度d 的实验方案 .(1)实验中应测定的物理量是_.(2)在虚线框内用符号画出测量电路图.(3)计算膜层厚度的公式是 _.3、有一只电压表量程已知，内阻为 RV，另有一电池（电动势未知，但不超过电压表的量程，内阻可忽略） .请用这只电压表和电池，再用一个电键和一些连接用的导线，设计测量某一高值电阻Rx 的实验方法 .（已知 Rx 的值与RV 相差不大）(1)在虚线框中画出电路图 .(2)简要写出测量步骤和需记录的数据，导出高值电阻Rx 的计算式 .4、实验室有一个可拆变压器，请设计一个实验

16、方案，估测出变压器原、副线圈的匝数，所给实验器材有：一个可拆变压器、交流电压表、直流电源、滑线变阻器，小磁针、200 V 交流电源 、电键各一个、铜漆包线（规格与变压器原线圈所用漆包线相同）及导线若干 .5、给你下列器材：待测电压表(量程为 3 V，内阻 RV 约几千欧 )，电阻箱、滑线变阻器、蓄电池、电键、导线若干.请设计测定电压表内阻的实验方案.66、某同学用自来水龙头做测重力加速度的实验，他把金属盘放在水龙头正下方m处，调节开关，使一滴水刚落在盘中时，另一滴水刚好从龙头处开始下落，这两滴水之间没有其他水滴 .从某一滴水落入盘中时开始计时，并计数为 1，共测 3 分钟，刚好 400 滴水落

17、入盘中 .(1)写出此同学用水滴测重力加速度的实验原理.(2)计算其实验测得的重力加速度值.7、某电压表的内阻在 20 k 50 k 之间，现要测量其内阻， 实验室提供下列可选用器材：待测电压表 V(量程 3 V) ，电流表 A (量程 200 A) ，电流表 A2(量程 5 mA) ，电流表 A3(量程 0.6 )，滑动变阻器 R(最大阻值 1 k )，电源 E(电动势 4 V) ，电键 S.(1)所提供的电流表中，应选用 _( 填写字母代号 ).(2) 为了尽量减小误差，要求测量多组数据，试在图38-4 中画出符合要求的实验电路图 (其中电源和电键及其连线已画出).8、从下表中选出适当的实

18、验器材，设计一电路来测量电流表A的内阻 r，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据.器材 (代号 )规格电流表 ()量程 10 m，内阻 r 待测 ( 约 40 )电流表 ()量程 500 A ，内阻 750 电压表 (V)量程 10 V，内阻 10 k电阻 (R)阻值约 100 ，作保护电阻用滑动变阻器 (R)总阻值约 50电池 (E)电动势 .V ，内阻很小电键 (K)导线若干(1)在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号.(2)若选测量数据中的一组来计算r ，则所用的表达式为 _，式中各符号的意义是： _.79、当物体从高空下落时，空气阻力会随物体的速度增大而增大，因此经过下落一段距离后将匀速下落， 这个速度称为此物体下落的终极速度。 研究发现， 在相同环境条件下，球形物体的终极速度仅与球的半径和质量有关。下表