高三物理设计性实验解题思路课件.ppt

设计性实验解题思路 a 钩码一盒 质量未知且各钩码质量不等b 重锤一个 质量未知c 带孔金属小球一个 直径已知为dd 太阳能电池板一块 输出直流电压可满足任何要求e 无弹性丝线若干根f 导线 开关若干g 刻度尺1把h 测力计1个i 天平1台 含砝码1盒 j 打点计时器1台 含复写纸片 纸带 k 电子秒表1个l 带有光控计时器的实验平板一块 在平板两端各有一个光控门 同时还配有其专用的直流电源 导线 开关 重锤线 滑块 该器材可用来测量物体从一个光控门运动到另一个光控门的时间m 支架 能满足实验所需的固定作用 例题1 假设我们已经进入了航天时代 一个由3名高中学生组成的航天兴趣小组乘外星科学考察飞船前往某x星球 准备用携带的下列器材测量x星球表面的重力加速度 这些器材是 到达x星球后 三位学生从以上器材中选择各自所需的器材 同一器材可以重复选用 用不同的方法各自独立地测出了重力加速度的值 现请你完成他们所做的实验 2002上海模拟题 a 钩码一盒 质量未知且各钩码质量不等b 重锤一个 质量未知c 带孔金属小球一个 直径已知为dd 太阳能电池板一块 输出直流电压可满足任何要求e 无弹性丝线若干根f 导线 开关若干g 刻度尺1把h 测力计1个i 天平1台 含砝码1盒 j 打点计时器1台 含复写纸片 纸带 k 电子秒表1个l 带有光控计时器的实验平板一块 在平板两端各有一个光控门 同时还配有其专用的直流电源 导线 开关 重锤线 滑块 该器材可用来测量物体从一个光控门运动到另一个光控门的时间m 支架 能满足实验所需的固定作用 例题1 实验一 已经完成 1 器材有 a h i 2 主要的实验步骤是 选取一个合适的钩码 用天平测出质量m 用测力计测出该钩码的重力f 3 计算重力加速度的表达式为 a 钩码一盒 质量未知且各钩码质量不等b 重锤一个 质量未知c 带孔金属小球一个 直径已知为dd 太阳能电池板一块 输出直流电压可满足任何要求e 无弹性丝线若干根f 导线 开关若干g 刻度尺1把h 测力计1个i 天平1台 含砝码1盒 j 打点计时器1台 含复写纸片 纸带 k 电子秒表1个l 带有光控计时器的实验平板一块 在平板两端各有一个光控门 同时还配有其专用的直流电源 导线 开关 重锤线 滑块 该器材可用来测量物体从一个光控门运动到另一个光控门的时间m 支架 能满足实验所需的固定作用 例题1 实验二 1 选用的器材有 2 写出主要的实验步骤 简明扼要 3 计算重力加速度的表达式为 实验三 1 选用的器材有 2 写出主要的实验步骤 简明扼要 3 计算重力加速度的表达式为 c e g k m g l m 单摆 自由落体 待测电压表v 0 3v 电流表a1 0 200 a 电流表a2 0 5ma 电流表a3 0 0 6a 滑动变阻器r 0 1k 电源e 电动势4v 开关s 1 为了尽量减小误差 要求测量多组数据 试在如图所示方框中画出符合要求的实验电路图 其中电源和开关及其连线已画出 2 所提供的电流表中 应选用 填写字母代号 例题2 某电压表的内阻在20k 50k 之间 现要测量其内阻 实验提供下列可选用的器材 伏安法 分压接法 电流表选择 a1 1997高考题 一 需要什么知识 二 选用什么器材 三 采用怎样的步骤 四 有什么预期结果 例题中涉及到的问题 设计性实验 是依据课本中已经出现过的物理实验的基本原理 所使用的基本器材 以及在这些实验中学过的有关方法等 根据提供有关的实验器材以及实验要求 去设计一些新的实验方案 并按照实验设计方案及要求 完成实验有关内容 设计方案包括选用合适的实验方法 选择配套的实验器材 安排正确的实验步骤 设计科学的数据处理方法 采用客观的误差分析方式 最后给予总结和评价 一 设计性物理实验的概念 二 设计性实验的设计原则 1 科学性 实验原理应符合物理学基本原理 实验装置或电路能够圆满完成实验的要求 2 安全性 实验进行的过程中不会对实验装置和器材造成损坏 不会对人身造成危害 3 简便性 实验要便于操作与读数 便于数据处理 实验装置可多次测量 可重复操作 4 准确性 实验结果要尽可能精确 误差要在允许的范围内 三 电学设计性实验的方法 电学设计性实验大多数都要设计实验电路 电学实验电路由三部分组成 1 动力源 它就是电路中的电源 电源应满足仪器仪表安全 读数准确 引起误差小的原则 个别有特别要求的应结合实验原理选择 如测电源内阻为便于测量选内阻大的 半偏法测电流表内阻时在安全许可范围内选电动势大的 er 2 测量电路 它由被测元件 测量仪器组成 常用电学测量电路分为 内接法 和 外接法 两种 如图所示 1 动力源 电流表 内接法 适合测量大电阻 测量结果偏大 电流表 外接法 适合测量小电阻 测量结果偏小 大 三 电学设计性实验的方法 电学设计性实验大多数都要设计实验电路 电学实验电路由三部分组成 3 控制电路 它由开关 变阻器等控制元件组成 电学中控制电路分为 限流式 和 分压式 两种 如图所示 1 动力源 2 测量电路 三 电学设计性实验的方法 电学设计性实验大多数都要设计实验电路 电学实验电路由三部分组成 限流式 控制电路若测量电路中电流较小 且不要求从零开始测量 滑线变阻器阻值较大时 可用 限流式 控制电路 分压式 控制电路若要求从零开始测量 并连续多测几组数据 滑线变阻器的阻值较小时 可用 分压式 控制电路 测量电路和控制电路进行组合成下面的四种基本电路 可让同学自行总结电路特点与适用条件 电路设计的一般程序是先选择唯一元件 再根据待测量元件和已选唯一元件确定控制电路 主要是滑动变阻器 和测量电路 内 外 接法和电表 最后实物连线应注意先串联后并联 先内圈后外圈 连线尽量不交叉 正确连接正负极及量程 检查滑动变阻器滑片位置是否恰当 特别需要注意的是 以上步骤不是孤立的 在解答电学设计性实验问题时要综合考虑各种因素 4 电表内阻测量 关于电表内阻测量的几种电路 1 电压表 电流表各一只可以测量它们的内阻 2 两只同种电表若知道一只的内阻就可以测另一只的内阻 3 两只同种电表内阻都不知道 则需要一只电阻箱才能测定两表的内阻 平衡法 动力学方法2种平衡法 单摆 运动学伏安法 半偏法 比较法 特殊接法 用一节课时间归纳知识类型与方法 1 原理渗透在平常教学过程中 四 设计性实验教学 1 原理渗透在平常教学过程中 四 设计性实验教学 例 为了测一根长20 00 直径为0 220 的金属丝的电阻率 电阻率约为1 10 6 m 提供下列器材 a 电动势为15v的直流电源一只b 量程为0 200 a 内阻约为3 7k 的电流表一只 c 量程为0 20ma 内阻约为40 的电流表一只d 量程为0 2a 内阻约为0 4 的电流表一只e 量程为0 12v 内阻约为10k 的电压表一只f 量程为0 15v 内阻约为50k 的电压表一只g 阻值为0 10 额定电流为1a的滑动变阻器一只h 阻值为0 1k 额定电流为0 1a的滑动变阻器一只i 电键一个j 导线若干请按实验需要 选出适当的器材 并画出实验线路图 先估算待测电阻阻值约为500 再估算电路中的最大电流值为15 500 30ma 由于此值未包括安培表及滑动变阻器的阻值 因此电流表可选择c 只要控制电路中的电流值不超过20ma即可 由于电源电动势才15v 所以电压表选择e 只要控制待测电阻分到的电压不超过12v即可 比较选定的电流表和电压表的内阻与待测电阻的比值 选择电流表外接法 若选择最大阻值只有10 的滑动变阻器 则由于和待测电阻相差较大 需采用分压器接法 但本题采用分压器接法时 干路总电流将超过1a 因此不能采用此方案 若选择最大阻值为1k 的滑动变阻器 由其总阻值和待测电阻相比略大一些 可以采取限流接法 且电流不超过0 1a 因此采用此方案 例题1 如图为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需的器材实物图 器材规格如下 1 待测电阻rx 约100欧 2 直流毫安表 量程0 10毫安 内阻50欧 3 直流电压表 量程0 3伏 内阻5千欧 4 直流电源 输出电压4伏 内阻可不计 5 滑动变阻器 阻值范围0 15欧 允许最大电流1安 6 电键一个 导线若干条根据器材的规格和实验要求 在本题的实物图上连线 连线型 94年 2 电路设计中仪器原理对应 外接 分压 例题2 有一标有 6v 1 5w 的小灯泡 现用图 a 所示电路测量其在不同电压下的实际功率 提供的器材除导线和开关外 还有 a 直流电源6v 内阻不计 b 直流电流表0 3a 内阻0 1 以下 c 直流电流表0 300ma 内阻约为5 d 直流电压表0 15v 内阻约为15k e 滑动变阻器10 2af 滑动变阻器1k 0 5a 1 实验中电流表应选用 用序号表示 滑动变阻器应选用 2 试按图 a 电路将图 b 所示器材连成电路 1 选电流表实际上是选量程 先估算一下通过电流表的电流 由小灯泡的规格可知通过的电流最大不能超过0 25a 因此选c 2 在该题中滑动变阻器接成分压器 此时要求滑动变阻器的电阻比用电器的电阻小 至少应差不多 小灯泡的电阻在正常工作时约为24 所以滑动变阻器不能选f 应选e 但不应忘记还要核对一下电流是否会超过其允许值 e的最大允许电流是2a 实验中的最大电流只有0 25a 选e也是安全的 c e 准确 分压 设计电路与步骤 2004年全国高考理科综合能力测试 2 例题3 用以下器材测量一待测电阻rx的阻值 900 1000 电源e 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v2 量程为5v 内阻r2 2500 滑线变阻器r 最大阻值约为100 单刀单掷开关k 导线若干 1 测量中要求电压表的读数不小于其量程的1 3 试画出测量电阻rx的一种实验电路原理图 原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注 2 根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线 3 若电压表v1的读数用u1表示 电压表v2的读数用u2表示 则由已知量和测得量表示rx的公式为rx 3 或 已知内阻电压表可测电流 例题4 现要测量某一电压表v的内阻 给定的器材有 待测电压表v 量程2v 内阻约4k 电流表ma 量程1 2ma 内阻约500 直流电源e 电动势约2 4v 内阻不计 固定电阻3个 r1 4000 r2 10000 r3 15000 电键s及导线若干 要求测量时两电表指针偏转均超过其量程的一半 i 试从3个固定电阻中选用1个 与其它器材一起组成测量电路 并在虚线框内画出测量电路的原理图 要求电路中各器材用题中给定的符号标出 ii 电路接通后 若电压表读数为u 电流表读数为i 则电压表内阻rv 2006年普通高等学校招生全国统一考试 直接串联电压表超量程 例题1 某学生为了测量一物体的质量 找到一个力电转换器 该转换器的输出电压正比于受压面的压力 比例系数为k 如图所示 测量时先调节输入端的电压 使转换器空载时的输出电压为0 而后在其受压面上放一物体 即可测得与物体的质量成正比的输出电压u 现有下列器材 力电转换器 质量为m0的砝码 电压表 滑动变阻器 干电池各一个 电键及导线若干 待测物体 可置于力电转换器的受压面上 请完成对该物体质量的测量 l 设计一个电路 要求力电转换器的输入电压可调 并且使电压的调节范围尽可能大 在方框中画出完整的测量电路图 2 简要说明测量步骤 求出比例系数k 并测出待测物体的质量m 3 请设想实验中可能会出现的一个问题 18 1 设计的电路图如图所示 2 测量步骤与结果 调节滑动变阻器 使转换器的输出电压为零 将砝码放在转换器上 记下输出电压u0 将待测物放在转换器上 记下输出电压u1 由u0 km0g 得k u0 m0g测得u kmg 所以m m0u u0 3 因电源电压不够而输出电压调不到零 待测物体质量超出转换器量程 评分标准 全题30分 14 15小题每小题5分 全选对得5分 选对但不全得2分 有选错的得0分 2001年全国普通高等学校招生统一考试 上海卷 3 创新设计注重启发 上海松江区2006年模拟题 例题2 如果用f表示滑动摩擦力的大小 用fn表示正压力的大小 则有f fn 式中 叫做动摩擦因数 为了测量两张纸之间的动摩擦因数 某同学设计了一个实验 如图所示 在木块a和木板b上贴上待测的纸 b板水平固定 用测力计拉a 使a匀速向左运动 读出并记下测力计的读数f 测出木块a的质量m 则 1 该同学为什么要把纸贴在木块上而不直接测量两张纸间的滑动摩擦力 2 在实际操作中 发现要保证木块a做匀速运动比较困难 实验误差较大 请对这个实验作一改进来解决这一困难从而减小误差 答案 1 可增大正压力 从而增大滑动摩擦力 便于测量 2 参考方案 只要将测力计的一端与木块a相连接 测力计的另一端与墙壁或竖直挡板之类的固定物相连 用手通过轻绳拉动木板b 读出并记下测力计的读数f 测出木块a的质量m 同样 滑动摩擦定律 平衡 例题3 东方绿舟 内有一块绿色能源探究区 同学们可以在这里做太阳能和风能的研究性实验 某学生为了测定夏季中午单位面积上 单位时间内获得的太阳能 他制作了一个太阳能集热装置 实验器材有 a 内壁涂黑的泡沫塑料箱一个 底面积为1m2 b 盛水的塑料袋一个 c 温度计一支 d 玻璃板一块 约1m2 如图所示 假设图 b 所示为一斜坡草地 太阳光垂直照射到草地表面 1 请你根据实验设计要求 利用上述实验器材在图 b 中画出实验设计装配图 2 如果已知水的比热容为c 被水吸收的热量为q与水的质量m 水温上升量 t间的关系是q cm t 则为了测定中午单位面积上 单位时间内获得的太阳能 除了需要测量m 算出 t外 还应测量的物理量是 3 本实验会有一定误差 试写出一条产生误差的主要原因 答案 1 装置如图 2 时间 t 或t 3 太阳能没有全部被水吸收 或水吸收的太阳能还有一部分损失等 2006上海市金山区高三模拟 五 设计性实验示例 小结 例题1 关于重力加速度的测量 例题中所涉及的均为实验设计问题 一 设计性物理实验的概念 二 设计性实验的设计原则 三 电学设计性实验的方法 四 设计性实验教学 例题2 一道电路设计问题 1 原理渗透在平常教学过程中 2 电路设计中仪器原理对应 3 创新设计注重启发 知识 器材 步骤 结果 五 设计性实验示例 从下列实验器材中选出适当的器材 设计测量电路来测量两个电流表的内阻 要求方法简捷 操作方便 可进行多次测量并有尽可能高的测量精度 a 待测电流表a1 量程40ma 内电阻约几十欧姆 b 待测电流表a2 量程30ma 内电阻约几十欧姆 c 电压表v 量程15v 内阻rv 15k d 电阻箱r1 阻值范围0 9999 99 e 电阻箱r2 阻值范围0 99 99 f 滑动变阻器r3 阻值范围0 150 额定电流1 5a g 滑动变阻器r4 阻值范围0 20 额定电流2a h 电阻r0 阻值是40 功率是0 5w 作保护电阻用 i 电池组 电动势为12v 内电阻为0 5 此外还有单刀开关若干和导线若干 供需要选用 1 请设计一个测量电路 画出电路图 2 选出必要的器材 用器材前的字母表示 有 3 需要测哪些物理量 写出ra1和ra2的表达式 解析 1 电路如下图所示 2 实验器材选择如下 a b e g h i r2 r4 i1 i2 3 开关s2闭合时 测得电流表的示数i1和i2 由欧姆定律得 断开开关s2 调整电阻箱的阻值为r时 测得电流表的示数为和 由欧姆定律得 r 解得 思考题 若上题中只给你两只电压表 而没有电流表 要测其内电阻 应该如何设计测量电路呢 2006 全国卷ii 1 现要测定一个额定电压4v 额定功率1 6w的小灯泡 图中用 表示 的伏安特性曲线 要求所测电压范围为0 1v 4v 现有器材 直流电源e 电动势4 5v 内阻不计 电压表v 量程4 5v 内阻约为4 104 电流表a1 量程250ma 内阻约为2 电流表a2 量程500ma 内阻约为1 滑动变阻器r 最大阻值约为30 电子键s 导线若干 如果既要满足测量要求 又要测量误差较小 应该选用的电流表是 下面两个电路应该选用的是 甲 乙 答案 甲 2006 北京卷 某同学用图所示电路 测绘标有 3 8v 0 3v 的小灯泡的灯丝电阻r随电压u变化的图象 除了导线和开关外 有以下一些器材可供选择 电流表 a1 量程100ma 内阻约2 a2 量程0 6a 内阻约0 3 电压表 v1 量程5v 内阻约5 v2 量程15v 内阻约15 电源 e1 电动势为1 5v 内阻为0 2 e2 电动势为4v 内阻约为0 04 为了调节方便 测量准确 实验中应选用电流表 电压表 滑动变阻器 电源 填器材的符号 根据实验数据 计算并描绘出r u的图象如图所示 由图象可知 此灯泡在不不作时 灯丝电阻为 当所加电压为3 00v时 灯丝电阻为 灯泡实际消耗的电功率为 w 根据r u图象 可确定小灯泡耗电功率p与外加电压u的关系 符合该关系的示意图是下列图中的 答案 1 a2v1r1e2 2 1 511 50 78 3 a 2006上海卷 为了测试某种安全阀在外界环境为一个大气压时 所能承受的最大内部压强 某同学自行设计制作了一个简易的测试装置 该装置是一个装有电加热器和温度传感器的可密闭容器 测试过程可分为如下操作步骤 a 记录密闭容器内空气的初始温度t1 b 当安全阀开始漏气时 记录容器内空气的温度t2 c 用电加热器加热容器内的空气 d 将待测安全阀安装在容器盖上 e 盖紧装有安全阀的容器盖 将一定量空气密闭在容器内 1 将每一步骤前的字母按正确的操作顺序填写 2 若测得的温度分别为t1 27oc t2 87oc 已知大气压强为1 0 105pa 则测试结果是 这个安全阀能承受的最大内部压强是 答案 adecb1 2 105pa 2006广东卷 某同学设计了一个如图7所示的实验电路 用以测定电源电动势和内阻 使用的实验器材为 待测干电池组 电动势约3v 电流表 量程0 6a 内阻小于1 电阻箱 0 99 99 滑动变阻器 0 10 单刀双掷开关 单刀单掷开关各一个及导线若干 考虑到干电池的内阻较小 电流表的内阻不能忽略 1 该同学按图7连线 通过控制开关状态 测得电流表内阻约为0 20 试分析该测量产生误差的原因是 2 简要写出利用图7所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤 3 图8是由实验数据绘出的图象 由此求出待测干电池组的电动势e v 内阻r 计算结果保留三位有效数字 答案 1