2011高三物理二轮复习 专题二十六物理实验设计测试

用心 爱心 专心1 物理物理 20112011 二轮复习专题二十六二轮复习专题二十六 物理实验设计物理实验设计 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 k m T 2 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 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 用心 爱心 专心2 联立以上两式解得 m 22 21 0 2 1 tt m t 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 100 A 内阻是 1000 两个电阻的阻值分别是R1为 0 1 R2 为 99K 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 4 s c kd 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 1 1 1 g RR gR II 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 12 12 10 R R ggRR URI 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 用心 爱心 专心3 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 弹簧发生形变时弹力与形变量的关系 F kx 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 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 1234 x cm2 003 004 005 00 s cm10 2015 1420 1025 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 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 F X W 0 X F h 用心 爱心 专心4 t Rt 0 甲乙 Rt P ab c 报警器 外力克服弹力所做的功 W 即为图中阴影部分的 面积 即 2 2 1 2 1 2 1 kxxkxxFW 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 22 2 1 xkxEp 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 xs 小球在轨道上弹出的过程中 机械能守恒 2 2 1 mvEp 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 vts 2 2 1 gth h是轨道的 B 端离地面的高度 联立解得 22 4 ss h mg Ep 由xs 故有 2 xEp 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 为了使温度过高时报警器铃响 c 应接在 填 a 或 b 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 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 用心 爱心 专心5 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 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 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 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 用反三角函数表示 滑块与滑板间的动摩擦因数 用心 爱心 专心6 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 64 0 arcsin 57 0 arcsin6 0arcsin都算对 4 0 2 0 3 0都算对 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 220 6 5 0 00 3 smsm t vv a 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 l h Mg 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mmmx64 0 20 0 84 0 上滑时间约为st4 0 1 下滑时间约为st6 0 2 上滑时看做反向匀加速运动 根 据动学规律有 2 11 2 1 tax 根据牛顿第二定律有 1 cossinmamgmg 用心 爱心 专心7 下滑时 有 2 22 2 1 tax 2 cossinmamgmg 联立解得58 0 sin 27 0 6 1 在 用单摆测定重力加速度 的实验中 测摆长时 若正确测出悬线长 l 和摆 球直径 d 则摆长为 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 2 d l 平衡 2 1 t N 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B D F G I K M安装仪器 接通电源 让纸带随小车一起沿 用心 爱心 专心8 实验设计斜面下滑 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 2 972 0 mm 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 300 A 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 R 使电流表指针偏转 到满刻度的 2 3 读出此时 R 的阻值为 200 则电流表内 阻的测量值 Rg 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 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 用心 爱心 专心9 V G R 答案 1 100 2 串联 9900 3 解析 1 电流表和电阻 R 并联 当闭合开关 S2后两者的电压相等 据此有 21 33 g IRIR 解得 1 100 2 g R R 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 9900 v uu R u R 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 21 2010 vv e vv 其中 v10和 v20分别是碰撞前两物体的速 用心 爱心 专心10 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 P 点是 的平均位置 M 点是 的平均位置 N 点是 的平均位置 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 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 P 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 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 10 opv t 1 OMvt 用心 爱心 专心11 2 ONv t 小球 2 碰撞前静止 即 20 0v 21 1020 0 vvONOMONOM e vvOPOP 根据动能定理可知 小球 1 从 A 点运动到 B 点过程中有 2 111 10 1 sincos 2 m gABm gABmv 由此可知 10 v与小球的质量 1 m无关 两小球碰撞时由动量守恒定律有 1 101 122 mvmvm v 由此可知 1 v 2 v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