2020高三物理二轮复习 专题二十六物理实验设计测试 16页

物理2020二轮复习专题二十六 物理实验设计 ‎ ‎1、人造卫星绕地球做匀速圆周运动时处于完全失重状态，物体对支持面没有压力，所以在这种环境中已无法用天平称量物体的质量。针对这种环境，某兴趣小组通过查资料获知：弹簧振子做简谐运动的周期为（其中m时振子的质量，k时弹簧的劲度系数）。他们设计了一种装置来间接测量物体的质量，如图所示，A时带夹子的金属块，金属块和夹子的总质量为m0，B时待测质量的物体（可以被A上的夹子固定），弹簧的劲度系数k未知，当他们有一块秒表。‎ ‎（1）请你简要地写出测量待测物体质量的方法，测量的物理量用字母表示 ‎①___________________；‎ ‎②_____________________。‎ ‎（2）用所测物理量和已知物理量求待测物体质量的计算式为m＝____‎ ‎（3）由于在太空中受到条件闲置，只能把该装置放在如图所示的粗糙的水平桌上进行操作，则该操作对该实验结果________（填“有”或“无”）影响，因为___________________‎ 联立以上两式解得m＝。‎ 由于在太空完全失重，物体与支持物之间没有弹力，故而没有摩擦力，所以弹簧振子的周期不变。‎ ‎2. （1）传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。如图所示是一种测定液面高度变化的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体形成一个电容器，从电容C大小的变化就能反映液面的升降情况。那么,当实验仪表显示的电容C在增大时，表示液面的高度h是______________。‎ ‎（2）如图所示，是一个电流、电压两用电表的电路，电流计G的量程为100μA.内阻是1000Ω,两个电阻的阻值分别是R1为0.1Ω，R2为99KΩ，当双刀双掷开关接到ab上时，电表将改装成______，其量程约为______。当双刀又掷开头接到cd 上时，电表将改装成______，其量程是________。‎ 答案：（1）增大 ‎（2）安培（电流表）， ‎1A； 伏特表（电压表）, 10V 解析：（1）据电容器电容的定义式结合传感器示意图可知，介电常数及电介质厚度一定，电容的变大只可能是极板正对面积变大导致，故判断结果应是液面高度增大。‎ ‎（2）开关接ab时将电阻R1并联在电流计上，扩大电流量程改装成安培表（电流表），其量程为A；开关接cd时，使两电阻并联，改变与电流计G串联的电阻值，从而改变电压量程，是改装成伏特表（电压表），其改装后的量程为V ‎3. 弹性势能是发生形变的物体所具有的能量。弹性势能跟形变的大小有关，例如弹簧的弹性势能跟弹簧被拉伸或压缩的长度（即形变量）有关，形变量越大，恢复原状时对外做的功越多，弹簧的弹性势能就越大。弹性势能跟形变量之间应该是怎样的定量关系呢？甲和乙两位同学为了解决这个问题，在实验室进行了探究弹簧压缩时具有的弹性势能与压缩量之间的关系的实验。以下是两位同学经历的一些实验探究过程，请你根据题目要求回答问题。‎ ‎（1）甲同学在实验前提出了如下猜想：动能是物体运动具有的能量，动能的大小与运动速度有关，且跟运动速度的平方成正比，弹性势能是物体发生形变具有的能量，弹性势能的大小与形变有关，由此可以猜想弹性势能的大小也应该是跟形变量的平方成正比的关系。乙同学根据所学的物理知识用图像法从理论上证实了甲同学的猜想，他所用到的物理知识是：①弹簧发生形变时弹力与形变量的关系F=kx，②克服弹簧的弹力所做的功等于弹簧弹性势能的增加。请你完成甲同学的证明过程。‎ ‎（2）两位同学为了用实验来证实他们的猜想，设计了如图所示的实验装置。在离地面高度为h的光滑水平桌面上，沿着与桌子边缘垂直的方向放置一轻质弹簧，其左端固定，右端与质量为m 的一小钢球接触。当弹簧处于自然长度时，小钢球恰好在桌子边缘。让钢球向左压缩弹簧一段距离后由静止释放，使钢球沿水平方向射出桌面，小球在空中飞行后落到水平地面，水平距离为s。为了完成实验，还需下列那些器材？‎ A．秒表 B．刻度尺 C．白纸 h D．复写纸 E．小球 F．游标卡尺 答： ．‎ ‎（3）如果在实验中，得到弹簧压缩量x和小球离开桌面后的水平位移s的一些数据如下表：‎ 实验次序 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ x/cm ‎2.00‎ ‎3.00‎ ‎4.00‎ ‎5.00‎ s/cm ‎10.20‎ ‎15.14‎ ‎20.10‎ ‎25.30‎ 从上面的实验数据，你能得出什么结论？再结合你学过的物理知识，能否推断出弹簧压缩时具有的弹性势能EP与压缩量x的平方成正比的关系?（要求写出分析过程）。‎ F X W ‎0‎ X F 答案：（1）画出F=kx的函数图像，如图所示。‎ 若将弹簧在外力作用下从原长（x=0）缓慢压缩x，此过程中外力克服弹力所做的功W即为图中阴影部分的“面积”，即：‎ 由克服弹力所做的功等于弹簧弹性势能的增加，所以弹簧压缩x所具有的弹性势能为：‎ ‎（2）BCD ‎（3）从实验数据可以得到：小球离开桌面的水平位移s跟弹簧的压缩量x成正比，即 小球在轨道上弹出的过程中，机械能守恒：‎ ‎（m为小球的质量，v是小球离开轨道时的速度）小球离开轨道后做平抛运动，则有：‎ ‎（h是轨道的B端离地面的高度）‎ 联立解得：‎ 由 ， 故有：‎ 解析： （2）利用刻度尺测量小球的水平位移和弹簧的形变量，利用白纸和复写纸记录小球的落地点。故还需要刻度尺、白纸和复写纸。‎ ‎4. 传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的量（通常是电学量），例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：‎ ‎①为了使温度过高时报警器铃响，c应接在_____ （填a或b）．‎ ‎②若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P点向 移动（填左或右）．‎ ‎③如果在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是 _________________________________________．‎ t℃‎ Rt ‎0‎ 甲 乙 Rt P a b c 报警器 ‎5、 如（a）图，质量为M的滑块A放在气垫导轨B上，C为位移传感器，它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的位移－时间（s－t）图像和速率－时间（v－t）图像。整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为l、高度为h。（取重力加速度g＝‎9.8 ‎m/s2，结果可保留一位有效数字）‎ ‎⑴现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度，A的v－t图线如（b）图所示。从图线可得滑块A下滑时的加速度a＝ m/s2 ,摩擦力对滑块A运动的影响 。（填“明显，不可忽略”或“不明显，可忽略”）‎ ‎⑵此装置还可用来验证牛顿第二定律。实验时通过改变 ，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；实验时通过改变 ，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。‎ ‎⑶将气垫导轨换成滑板，滑块A换成滑块A/，给滑块A/一沿滑板向上的初速度，A/的 s－t图线如（c）图。图线不对称是由于_______造成的，通过图线可求得滑板的倾角θ＝　 　　　　　　__________‎ ‎（用反三角函数表示），滑块与滑板间的动摩擦因数μ＝　　‎ 答案：（1）6 不明显，可忽略 ‎（2） 斜面高度h 滑块A的质量M及斜面的高度h，且使Mh不变 ‎（3） 滑动摩擦力 ‎ 解析：(1)从图像可以看出，滑块上滑和下滑过程中的加速度基本相等，所以摩擦力对滑块的运动影响不明显，可以忽略。根据加速度的定义式可以得出 ‎（2）牛顿第二定律研究的是加速度与合外力和质量的关系。当质量一定时，可以改变力的大小，当斜面高度不同时，滑块受到的力不同，可以探究加速度与合外力的关系。由于滑块下滑加速的力是由重力沿斜面向下的分力提供，所以要保证向下的分力不变，应该使不变，所以应该调节滑块的质量及斜面的高度，且使Mh不变。‎ ‎（3）滑板与滑块间的滑动摩擦力比较大，导致图像成抛物线形。‎ 从图上可以读出，滑块上滑和下滑时发生位移大小约为 上滑时间约为，下滑时间约为，上滑时看做反向匀加速运动，根据动学规律有：，根据牛顿第二定律有 下滑时，有，‎ 联立解得，‎ ‎6、(1)在“用单摆测定重力加速度”的实验中，①测摆长时，若正确测出悬线长l和摆球直径d,则摆长为 ;②测周期时，当摆球经过 位置时开始计时并计数l次，测出经过该位置N次(约60~100次)的时间为t,则周期为 。‎ 此外,请你从下列器材中选用所需器材，再设计一个实验，粗略测出重力加速度g，并参照示例填写下表（示例的方法不能再用）。‎ A.天平;B.刻度尺;C.弹簧秤;D.电磁打点计时器;E.带夹子的重锤;‎ F.纸带;G.导线若干;H.铁架台;I.低压交流电源;J.低压直流电源;‎ K.小车;L.螺旋测微器;M.斜面（高度可调，粗糙程度均匀）。‎ 所选器材（只填器材序号）‎ 简述实验方法（不要求写出具体步骤）‎ 示例 B、D、E、F、G、H、I 安装仪器，接通电源，让纸带随重锤竖直下落。用刻度尺测出所需数据，处理数据，得出结果。‎ 实验设计 ‎（2）在“测定金属的电阻率”实验中，需要测量金属丝的长度和直径。现用最小分度为‎1 mm的米尺测量金属丝长度，图中箭头所指位置是拉直的金属丝两端在米尺上相对应的位置，测得的金属丝长度为 ‎ mm。在测量金属丝直径时，如果受条件限制，身边只有米尺1把和圆柱形铅笔1支。如何较准确地测量金属丝的直径？请简述测量方法： _______________‎ 答案：(1)①; ②平衡; ‎ 所选器材 简述实验方法 实验设计 A、C、E 用弹簧秤称出带夹子重锤的重力大小G,再用天平测出其质量m,则g=G/m。‎ 或 实验设计 B、D、F、G、I、K、M 安装仪器，接通电源，让纸带随小车一起沿斜面下滑。用刻度尺测出所需数据。改变斜面高度再测一次。利用两次数据，由牛顿第二定律算出结果。‎ ‎(2) ①‎972.0 mm ②在铅笔上紧密排绕金属丝N匝，用米尺量出该N匝金属丝的宽度D,由此可以计算得出金属丝的平均直径为D/N。‎ 解析：（1）单摆的摆长为悬点到球心的长度。而从平衡位置作为记录时间的起点，第一是有竖直金属杆作为参照物，第二摆球速度快，这样记录的时间误差小。计算单摆的周期用总时间除以全振动的次数即可。‎ ‎（2）金属丝的长度即为两个刻度之间的差值，注意估读。只有米尺1把和圆柱形铅笔1支，要准确地测量金属丝的直径，则在铅笔上紧密排绕金属丝N匝，用米尺量出该N匝金属丝的宽度D,由此可以计算得出金属丝的平均直径为D/N即可。‎ ‎7. 将满偏电流Ig=300μA 、内阻未知的电流表改装成电压表并进行核对．‎ ‎（l）利用如图所示的电路测量电流表的内阻（图中电源的电动势E＝4V）：先闭合S1，调节R，使电流表指针偏转到满刻度；再闭合S2，保持R不变，调节Rˊ，使电流表指针偏转到满刻度的2/3，读出此时Rˊ的阻值为200Ω ，则电流表内阻的测量值Rg＝__ Ω ‎（2）将该表改装成量程为3V的电压表，需 ____（填“串 联”或“‎ 并联”）阻值为 Ω的电阻．‎ ‎（3）把改装好的电压表与标准电压表进行核对，试在答题卡上画出实验电路图和实物连接图 答案：(1)100‎ ‎(2)串联，9900‎ V R ‎（3）‎ 解析：(1)电流表和电阻Rˊ并联，当闭合开关S2后两者的电压相等，据此有：‎ 解得。‎ ‎（2）若把该表改装成量程为3v的电压表，需要串联一个电阻，其阻值为：‎ ‎（3）改装好的电压表与标准电压表进行核对时，需要从电压从零开始，则滑动变阻器采用分压电路，改装好的电压表与标准电压表并联，作出的实验电路图和实物连接图如上所示。‎ ‎8、碰撞的恢复系数的定义为，其中v10和v20分别是碰撞前两物体的速度，v1和v2分别是碰撞后两物体的速度。弹性碰撞的恢复系数e＝1，非弹性碰撞的e＜1。某同学借用验证动量守恒定律的实验装置（如图所示）验证弹性碰撞的恢复系数是否为1，实验中使用半径相等的钢质小球1和2，（它们之间的碰撞可近似视为弹性碰撞），且小球1的质量大于小球2的质量。‎ 实验步骤如下：‎ 安装好实验装置，做好测量前的准备，并记下重垂线所指的位置O。‎ 第一步：不放小球2，让小球 1 从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上。重复多次，用尽可能小的圆把小球的所有落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置。‎ 第二步：把小球 2 放在斜槽前端边缘处的C点，让小球 1 从A点由静止滚下，使它们碰撞。重复多次，并使用与第一步同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置。‎ 第三步：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度。‎ 上述实验中，‎ ‎①P点是_____________的平均位置，‎ M点是_____________的平均位置，‎ N点是_____________的平均位置，‎ ‎②请写出本实验的原理 写出用测量量表示的恢复系数的表达式 ‎③三个落地点距O点的距离OM、OP、ON与实验所用的小球质量是否有关？‎ ‎______________________________________________________________________‎ 解析： ①P点是在实验的第一步中小球1落点的平均位置 M点是小球1与小球2碰后小球1落点的平均位置 N点是小球2落点的平均位置 ‎②小球从槽口C飞出后作平抛运动的时间相同，假设为 t,则有 小球2碰撞前静止，即 ‎③根据动能定理可知，小球1从A点运动到B点过程中有：‎ 由此可知与小球的质量无关；两小球碰撞时由动量守恒定律有：‎ ‎，由此可知、与小球的质量有关。‎ 故OP与小球的质量无关，OM和ON与小的质量有关。‎ ‎9、为了进一步测量待测量滑动变阻器电阻丝的电阻率，需要测量电阻丝的直径和总长度，在不破坏变阻器的前提下，请设计一个实验方案，写出所需器材及操作步骤，并给出直径和总长度的表达式。‎ R1‎ R2‎ H 电阻丝总长度 ‎ ‎③重复测量三次，求出电阻丝直径和总长度的平均值。‎ ‎10、⑴‎ 由绝缘介质隔开的两个同轴的金属圆筒构成圆柱形电容器，如图所示。试根据你学到的有关平行板电容器的知识，推测影响圆柱形电容器电容的因素有 。‎ ‎⑵利用伏安法测量干电池的电动势和内阻，现有的器材为：‎ 干电池：电动势约为1.5 V，符号 A V 电压表：量程1 V，内阻998.3 Ω，符号 电流表：量程‎1 A，符号 滑动变阻器：最大阻值99999.9 Ω，符号 单刀单掷开关1个，符号 导线若干 ‎①设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在指定的方框内，要求在图中标出电压表、电流表的接线柱的正负。‎ ‎②为了满足本实验要求并保证实验的精确度，电压表量程应扩大为原量程的 倍，电阻箱的阻值应为 Ω。‎ 解析：（1）由电容其电容可知，影响电容大小的因素有：正对面积s、板间距离d、板间介质，据此可知测影响圆柱形电容器电容的因素有H、R1、R2、ε；‎ ‎（2）①因电源电动势约为1.5v，而电压表量程为1v，故电压表需串联电阻箱扩大量程。因电源内阻一般比较小，为减小实验误差，电路采用电压表扩大量程后直接跨接在电源两端，即电流表外接法，电路如下所示。‎ ‎②因电源电动势约为1.5v，故电压表量程扩大为原来量程的2倍，即量程为2v为宜。设电压表串联的电阻为R，则：‎ 答案：‎ ‎⑴H、R1、R2、ε（正对面积、板间距离、极板间的介质）‎ V A E r S ‎＋‎ ‎＋‎ ‎－‎ ‎－‎ ‎⑵①‎ A B ‎②2； 998.3‎