2024年高考物理大一轮复习：第2课时 创新设计型实验

第2课时创新设计型实验

籥考知能同考什么学什么

实验仪器的创新实验方案和方法的创新

实脸原理的创新实验的拓展与迁移

研透命题点怎么考怎么练

命题点E实验仪器和原理的创新

【例1】图1是一实验小组“探究外力做功与速度变化的关系”的实验装置，

将光电门固定在轨道上的8点，质量为M的小车中放置了N个相同的钩码，需

要增加细绳上的拉力时，每次从小车里拿出一个钩码挂到绳子下端，让小车从位

置A由静止释放，记下遮光条的挡光时间。

图1

⑴实验开始前该小组将两个同样宽度的遮光条分别固定在小车的前端和后端，

将长木板的右端垫高，不挂钩码，轻推小车使小车运动，若满足

,则说明已经平衡了摩擦力。

(2)将小车后端的遮光条去掉，测出A、B之间的距离x,用游标卡尺测出遮光条

的宽度如图2甲所示，则"=cm；某次实验时将小车从图示位置由静止

释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Af=2X10一2s,则小车经过

光电门时的速度为m/so

图2

(3)依次从小车中取出钩码挂在左端细绳上，让小车从位置A由静止释放，并记

下对应遮光条通过光电门的时间△/,处理数据时，该小组作出了钩码个数〃和

挡光时间。的关系图象，如图乙所示，通过〃-7提关系图线，可以得出的

结论是

解析(1)摩擦力平衡后，不挂钩码，轻推小车使得小车沿长木板运动，则小车

将做匀速运动，两挡光条的挡光时间相等。

(2)遮光条的宽度d=(5+0.()5X4)mm=5.2()mm=0.520cm,小车通过光电门的

速度v—^^—0.26m/So

(3)由图可知，钩码个数〃与(；)2成正比,重力对钩码所做的功为〃mgx,系统

1#

动能增加量为］(M+〃阳)・(加)2,由此可知：重力对钩码所做的功与钩码和小车

组成的系统功能增加量成正比。

答案(1)前、后两个遮光条的挡光时间相等(2)0.5200.26(3)重力对钩码所

做的功与钩码和小车组成的系统动能增加量成正比

。反思感悟C

1.力学创新型实验的特点

(1)以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和力学定律设计实验。

⑵将实验的基本方法——控制变量法，处理数据的基本方法——图象法、逐差

法，融入实脸的综合分析之中。

2.解决方法

实脸原理是处理创新设计型实验问题的关键，实验原理决定了需要测量哪些物理

量、如何安排实险步骤和数据处理等。

(1)根据题目情境，提取相应的力学模型，明确实验的理论依据和实验目的，设

计实验方案。

(2)进行实验，记录数据，应用原理公式或图象法处理实验数据，结合物体实际

受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。

I命题预测，•

1.根据要求，完成“验证力的平行四边形定则”实验。

⑴如图3甲所示，把白纸固定在木板上后，再护木板厚立在桌面匕用图钉杷

橡皮筋的一端固定在A点，另一端8连接两条轻绳，跨过定滑轮后各拴一细绳

套，分别挂上3个钩码和4个钩码（每个钩码重1N）,调整滑轮的位置，稳定后

结点3位于。处，记下_______和两条细绳的方向，取下滑轮及钩码。

图3

（2）如图乙所示，取某单位长度表示1N,作出两条细绳的拉力Q和份的图示；

再用一个弹簧测力计把结点B也拉至0处，记下弹簧测力计的读数尸=

N,取下弹簧测力计。

（3）在图丙中作出Fi和矽的合力尸及拉力F的图示「

（4）对比E和k的大小和方向，发现它们不是完全一致的，其可能的原因是

____________________（写一个原因即可）。

答案（1）0的位置（2）5.0（3）如图所示

（4）测量存在误差；作图准确度不够；弹簧测力计自身重力的影响；滑轮与绳之

间存在摩擦力等

2.在测定一组干电池的电动势和内阻的实验中，各有下列器材。

A.电流传感器1（内阻不计）

B.电流传感器2（内阻不计）

C.定值电阻Ro（3kQ）

D.滑动变阻器R（0〜20。）

E.开关和导线若干。

某同学发现上述器材中没有电压传感器，但给出了两个电流传感器，于是他设计

了如图4甲所示的电路来完成实验。

A.阻值0〜200C,额定电流0.3A

B.阻值。〜20C,额定电流0.5A

应选的滑动变阻器是(选填或"B”)。

正确接线后，测得数据如表：

次数12345

UN0.003.006.006.166.28

Z/mA0.000.000.000.060.50

次数678910

UN6.326.366.386.396.40

//mA1.002.003.004.005.50

(2)由以上数据分析可知，电压表应并联在M与(选填"O”或"P")之间。

(3)在图中将电路图补充完整。

(4)从表中数据可知，该电学元件的电阻特点是：

解析(1)滑动变阻器A允许的最大电压为0.3X200V=60V>12V,滑动变阻

器B两端所能加的最大电压为0.5X20V=10VV12V,为保证安全，滑动变阻

器应选Ao

(2)由表中实验数据可知，电学元件电阻最小测量值约为：氏=万黑彳163.6

Q,电流表内阻约为5C,电压表内阻约为10kQ,相对来说，元件电阻远大于

电流表内阻，电流表应采用内接法，因此电压表应并联在M与P之间。

⑶描绘伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式

接法，由(2)可知，电流表采用内接法，实验电路图如图所示。

(4)由表中实验数据可知，当元件两端的电压小于6V时，电路电流很小，几乎

为零，由欧姆定律可知，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6V时,

随着电压的升高电流迅速增大，电压与电流的比值减小，电阻变小。

答案(1)A(2)0(3)电路图见解析图(4)当元件两端的电压小于6V时，元件

电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6V时，随着电压的升高电阻逐渐

变小

。反思感悟C

1.求解电学创新型实验的基本思路和“两点注意”

(1)基本思路。

明确目的一选择方案一选定器材一实验操作f数据处理f得出结论

(2)对于电学实验的创新，应注意的两个问题

①在解决设计型实验时，要注意条件的充分利用，如对于给定确切阻值的电压表

和电流表，电压表可当作电流表使用，电流表也可当作电压表使用，利用这一特

点，可以拓展伏安法测电阻的方法，如伏伏法、安安法等。

②对一些特殊电阻的测量，如电流表或电压表内阻的测量，电路设计有其特殊性，

即首先要注意到其自身量程对电路的影响，其次要充分利用其“自报电流或自邪

电压”的功能，因此在测电压表内阻时无需另并联电压表，测电流表内阻时无需

再串联电流表。

2.意义

(1)注重物理思想方法的迁移与应用。

(2)注重实脸原理的理解与分析。

(3)注重开放式问题的转换思维训练。

I命题预测了

1.某实验小组要测定额定电压约为3V、额定功率约为1.5W的LED灯正常工作

时的电阻。实验室提供的器材有：

A.电流表@(量程为。〜0.6A,内阻为约为2C)；

B.电流表&量程为0〜3mA,内阻门=100Q)；

C.定值电阻Ri=900。；

D.定值电阻R2=9900Q；

E.滑动变阻器/?(()〜20C)；

F.电压表@(量程为9V,内阻约为1k。)；

G.蓄电池风电动势为3V,内阻很小)：

H.开关So

⑴在虚线框内将图6甲所示的电路补充完整，并标明各器材的符号。以后实验

都在正确连接电路的条件下进行。

(2)电流表心的示数用/I表示，电流表⑥的示数用A表示，写出测量LED灯正常

工作时的电阻表达式R=(用物理量符号表示)。

⑶实验时调节滑动变阻器，当LED灯正常发光时，电流表④表盘指针的位置如

图乙所示，则其示数为mA,若此时电流表观的示数为().50A,则LED

灯的电阻为。(结果保留2位有效数字).

解析(1)要精确测定额定电压为3V的LED灯正常工作时的电阻，需测量LED

灯两端的电压和通过LED灯的电流，器材中电压表的量程偏大，测量误差较大，

不能直测LED两端的电压，可以将电流表⑥与定值电阻串联改装为电压表测量

电压；为了达到量程要求，电流表⑥应与定值电阻凡串联充当电压表；电流表⑥

的内阻已知，电流表④采用外接法可消除系统误差，原理图如图所示。

(2)根据串并联电路的基本规律可知，流过LED灯的电流/=/i-；2,电压U=h(R\

+八则由欧姆定律可知，LED灯的内阻"号等

(3)⑥量程为3mA,最小分度为0.1mA,则其读数为2.80mA；此时电流表®的

示数为0.50A,代入公式可得R,=5.6C。

答案(1)如解析图所示(2)，」储：)(3)2.805.6

2.某物理学习小组用如图7甲所示装置来测量轻质弹簧的劲度系数(实验中弹簧

始终未超过弹性限度)。将一张白纸固定在竖直放置的木板上，原长为Lo的轻质

弹簧的上端固定在。点，下端挂一重物。用与白纸平行的水平力（由拉力传感器

显示其大小）作用于结点N,静止时记录下N点的位置a。

。・、

、

X

、

第一次位齿^b

第二次“通、

图7

回答下列问题：

（1）若拉力传感器显示的拉力大小为F,用刻度尺测得ON的长度为L及N点与。

点的水平距离为x,则轻质弹簧的劲度系数为（用所测物理量表示）。

⑵若换用另一个原长相同的轻质弹簧,重复上述过程，记录静止时N点的位置江

发现。、〃、〃三点刚好在同一直线上，其位置如图乙所示，则o

A.第二次拉力传感器显示的拉力示数较大

B.两次拉力传感器显示的拉力示数相同

C.第二次所用的轻质弹簧的劲度系数小

D.第二次所用的轻质弹簧的劲度系数大

解析（1）设轻质弹簧与竖直方向的夹角为仇重物的重力为G。结点N在竖直向

下的拉力（大小为G）、轻质弹簧的拉力丁和水平物力/作用下处于平衡状态，有

产xFL

sin其中sin夕=；,T=k（L—Lo）,解得&=一一丁丁。

0=I-^,LxkL—Lo）

（2）由（1）还可得F=Gtan。，丁=磊。

因为两次实验中G、夕均相同，所以两次拉力传感器显示的拉力示数相同，两次

轻弹簧的拉力也相同，而轻弹簧的原长相同，第二次所用的轻质弹簧的伸长量大，

由胡克定律知第二次配用的轻质弹簧的劲度系数小。

答案⑴77是丁⑵的

命题点3实验的拓展与迁移

【例1】（2019•全国卷H,22）如图8,某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦

因数的实验。所用器材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频

率50Hz的交流电源、纸带等。回答下列问题：

图8

（1）铁块与木板间动摩擦因数〃=（用木板与水平面的夹角久重力加速

度g和铁块下滑的加速度。表示）。

（2）某次实验时，调整木板与水平面的夹角使9=30。。接通电源，开启打点计时

器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下。多次重复后选择点迹清晰的一条纸

带，如图9所示。图中的点为计数点（每两个相邻的计数点间还有4个点未画出）。

重力加速度为9.80m/s2,可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为（结

果保留2位小数）。

IP

1.96*

・2()9)——!单位:cm

--------31.83----------►；

---------------4-4.70-----------------

59.57----------

--------------------------------76.39

图9

解析（1）铁块受重力、木板弹力及摩擦力作用，由牛顿第二定律得

mgsin6—RFN=ma

且FN=mgcos0

解以上两式得广学。

（2）由逐差法求铁块加送度

（超+m+刈）一（7+尤2+%3）

a=127^

(76.39-31.83)-20.90

X102m/s%1.97m/s2

12X0.12

gsin3-a

代入〃=得先。

geos040.35

gsin8-a

答案⑴

geos0(2)0.35

[例2](2019•全国卷I,23)某同学要将一量程为250PA的微安表改装为量程

为20mA的电流表。该同学测得微安表内阻为1200C,经计算后将一阻值为R

的电阻与该微安表连接，进行改装。然后利用一标准毫安表，根据图10(a)所示

电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。

⑴根据图(a)和题给条件，将图(b)中的实物连线。

⑵当标准毫安表的示数为16.0mA时，微安表的指针位置如图⑹所示。由此可

以推测出所改装的电表量程不是预期值，而是________o(填正确答案标号)

(c)

图10

A.18mAB.21mA

C.25mAD.28mA

(3)产生上述问题的原因可能是_______o(填正确答案标号)

A1散安表内阻测量错误，实际内阻大于1200。

B*散安表内阻测量错误，实际内阻小于1200Q

CR值计算错误，接入的电阻偏小

D.R值计算错误，接入的电阻偏大

(4)要达到预期目的，无论测得的内阻值是否正确，都不必重新测量，只需要将

阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k=。

解析(1)实物连线如图所示。

»AmA

(2)串联电路中电流处处相等，根据比例关系得，毫安表示数为16.0mA时，对

应微安表的刻度为160gA,说明量程扩大了100倍，所以当微安表指针到满量

程250HA时，毫安表的示数应为25mA,即为改装后电表的量程，选项C正确。

⑶根据I四=(I—MR得1=噜+1&。出现该情况可能是微安表内阻测量错误，

实际电阻大于1200Q,或者并联的电阻R计算错误，接入的电阻偏小。选项A、

C正确。

(4)若微安表的满偏电压为U,则对并联的电阻A有

(7=(25-0.25)X1O-3/?

U=(20-0.25)X1()—3AR

解得仁9治9

答案⑴见解析图(2)C(3)AC(4篇

|命题预测工

1.某实验小组要测定••铭牌上只有额定电压为1()V、而其他字迹不清楚的直流电

动机正常工作时的机械功率，现实验室提供的器材有电流表、电压表、滑动变阻

器(阻值较小)、备用电池若干节，开关、若干导线、固定电池的电池盒、细线、

重物。

图11

(1)小组成员设计如图11甲、乙两个测量电路，其中比较合理的是图(选

填“甲”或“乙”)。

(2)根据选取的电路图完善下面图12中用电动机提升重物的实物电路连接。

⑶闭合开关前应将图12中的滑动变阻器的滑片移到最端(选填“左”

或“右”)。闭合开关后移动滑动变阻器，使电压表和电流表都有明显的示数，

但电动机并未转动，读出此时电压表和电流表的示数分别为2V、1Ao继块移

动滑动变阻器的滑片，将电压表的示数调为10V,这时电流表的示数为0.4A。

此时电动机输出的机械功率为W,若重物重为8N,则重物匀速上升时

的速度大小为m/so

解析(1)乙电路能够使得电动机得到从零开始连续可调的电压，便于调节到在

电压较低的情况下电动机不转时的电压表和电流表的值，便于测出电动机线圈的

电阻，故选乙图较好。

⑵根据电路图连接实物图，如图所示，

(3)为了使闭合开关时滑动变阻器的输出电压为零，应将图12中的滑动变阻器的

滑片移到最右端。

根据欧姆定律可得

电动机线圈的内阻厂=1二,Q=2Co

加额定电压时，电动机的输出功率即机械功率

P机=Lhh-Rr=10X0.4W—(0.4)2x2W=3.68

若重物的重为8N,由瞬时功率公式。机=/咫0

可得重物匀速上升时的速度为

P以3.68,…,

v=—=~^~m/s=0.46m/So

mg%

答案⑴乙（2）见解析图⑶右3.680.46

2.为了较准确地测量某细线所能承受的最大拉力，甲、乙两位同学分别进行了如

下实验。

（1）甲同学操作如下：

如图13a所示，将细线上端固定，在其下端不断增挂钩码，直至挂第4个钩码（每

个钩码重为G）时，细线突然断裂，甲同学将3G汜为细线所能承受的最大拉力。

⑵乙同学操作如下：

①用刻度尺测出细线的长度/;

②按图b所示将细线左端固定，右手捏住细线另一端，然后将3个钩码挂在细线

上；

③捏住细线的右手沿水平刻度尺缓慢向右移动，直至细线断裂，测出此时细线两

端之间的水平距离小

（3）若细线质量、伸长量及细线与钩码间的摩擦均忽略不计，根据上述实验,请

完成下列内容：

①测量结果较准确的是（选填“甲”或“乙”洞学；

②乙同学的测量结果是（用题中所给物理量的字母表示）；

③在乙同学的实验中，当细线刚断时钩码两侧细线的夹角（选填

"="或"v"）120。。

解析（3）①甲同学的做法不能确定出细线能够承受的最大拉力，乙同学的做法

能较准确地测量细线麻承受的最大拉力。

②设乙同学实验中细线与水平方向的夹角为细线能够承受的最大拉力为FT,

P一便

由平衡条件有2FYsina=3G,由几何关系有sin。=七一,则细线能够承受的

最大拉力

③当a=3()。时，细线的拉力f¥=3G,则乙同学实验中细线刚断时钩码两侧细线

的夹角大于120%

答案⑶①乙②2濯/③〉

课后知能练提能练标准练

A卷提能小卷练

1.某同学利用如图1甲所示装置测量弹簧的弹性势能耳和滑块与桌面间的动摩

擦因数〃。实验步骤如卜.：

①用重垂线确定桌面右边沿在水平地面投影的位置O;

②将轻弹簧一端固定在桌面左边沿的墙面上；

③用滑块(可视为质点)把弹簧压缩到P点，释放滑块，测出滑块落地点与O点的

水平距离X；

④通过在滑块上增减祛码来改变滑块的质量，重复步骤③的操作；

⑤根据得到的一系列的滑块质量〃2与水平距离X的值，作出2图象，如图

乙所示。

O

甲乙

图1

回答下列问题：

(1)为达到实验目的，除已经测出的滑块质量和滑块落地点与O点的水平距离X,

还需要测量_______o

A.弹簧的原长Zx)

B.弹施压缩后滑块到桌面右动沿的距离L

C.桌面到地面的高度〃

D.弹簧压缩前滑块到桌面右边沿的距离Li

(2)若当地的重力加速度为g,根据图乙可知弹簧被压缩到P点时的弹性势能为

,滑块与桌面间的动摩擦因数为o［用图象中的〃、b和(1)中所

选物理量的符号表示结果1

解析根据实验原理可知，要测量滑块从桌面右边沿飞出时滑块的动能，即求滑

块飞出时的速度，则需要测量桌面到地面的高度要测量滑块与桌面间的动摩

擦因数，需要测量弹簧压缩后滑块到桌面右边沿的距离心根据能量守恒定律有

次,滑块离开桌面后做平抛运动，水平方向x=votf竖直方向H

=如,联立可得『=噜5一4”〃，由题图乙可知竿=3一4〃/〃=一6

解得及=焉？P=4HL°

答案(1)BC(2)磊4HL

2.图2甲所示是小明同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫导轨上安

装了一个光电门B,滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑

轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放。

光电门8遮光条

■气犁导轨］1:滑拳

的码

甲

012cm

Ifill11111J1111i111

|o51；)15201

乙

图2

(1)小明用游标卡尺测量遮光条的宽度d,示数如图乙所示，则,/=mmo

(2)实验时，将滑块从4位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门8

的时间to若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量c是

_________________________(用文字表述)。

(3)小亮同学认为：无须测出上述物理量c和d,只要画出以尸(力传感器的示数)

为横坐标、以为纵坐标的图象，就能直接反映加速度与力的关系。

(4)下列实验操作和要求必要的是_______(请填选项前对应的字母)。

A.应调节气垫导轨水平

B.应测出钩码和力传感器的总质量

C.应使4位置与光电门间的距离适当大些

D.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量

解析(3)研究从静止释放滑块到滑块通过光电门这一过程，由匀变速直线运动

规律得。2=2R,/为静止释放滑块时遮光条到光电门的距离。又。=彳得＜)2=

2出，可见根据牛顿第二定律可知，进而可得尸s1。

所以，只要画出以汽力传感器的示数)为横坐标，以《为纵坐标的图象，就能直

接反映加速度与力的关系。

答案(1)2.30(2)静止释放滑块时遮光条到光电门的距离(3d(4)AC

3.某同学要把电压表改装成可直接测量压力的仪表，设计的电路如图3(a)所示。

实验器材如下：待改装电压表(量程()〜3V,可视为理想电压表)，定值电阻R),

压敏电阻R,电源(4V,内阻不计)，开关S,导线。选用的压敏电阻阻值R随

压力厂变化的规律如图(b)所示。

图3

⑴实验中随着压力户的增大，电压表的示数o(选填“变大”“不变”

或“变小”)

⑵为使改装后仪表的量程为()〜16()N,且压力16()N对应电压表3V的刻度线,

则定值电阻阻值Ro=Q,压力0N对应电压表V的刻度线。

(3)他发现这样改装后的仪表压力刻度分布不均匀，想进一步把(2)中的压力刻度

改成均匀分布，应选用另一压敏电阻，其阻值R随压力/变化的关系式为

解析(1)由图(b)知，压力越大，压敏电阻R越小，则电路中电流越大，电压表

示数变大。

r

(2)由图(b)知，当b=160N时，&=80C,U=3V,U=E-U=\V,/=丁Y=

XKx

白A,那么Ro=?=24OC。

oUI

R(E

当/=0时，Rx=400C,贝U=7777^-=1.5V。

Kx-rK()

(3)要使仪表压力刻度均匀，须满足U=AF+。，由Q)知

3—153

尸=0N时，U=1.5V,得〃=1.5,那么攵=丁点=市，

3EIJ

。=拓产+1.5(V)。由闭合电路欧姆定律有游国=而，

任TTR()E96。口v、，口n102400

何U=R+Ro=24O+R\V'联工仔&=百■而—240(0)。

答案(1)变大(2)2401.5(3)&=詈器-240(0)

B卷高考标准练

(15分钟15分)

1.(5分)某课外兴趣小组在做探究合外力做功与速度变化关系的实验。如图4甲

所示，A物体的质量为M,B物体的质量为如固定斜面顶端有一光滑定滑轮，

A、3通过轻细绳连接°A物体上固定一遮光片，斜面底端有一光电计时器(未完

全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间t.A物体与斜面间的最大静摩擦力等

于滑动摩擦力。开始时A恰好可以沿斜面匀速下滑，现使A静止在斜面上，通

过刻度尺测量A物体到光电门的初始距离L,剪断细绳后，A下滑。

图4

(1)用游标卡尺测得遮光片宽度d如图乙所示，读数为mm。

(2