2022届高考物理第二轮复习设计性实验

专题九实验抓基础研考向提能力

二设计性实验一、对设计性实验的认识所谓设计性实验，就是题目要求学生运用学过的实验方法，自行设计一个新的实验方案，它要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法以及分析实验误差等。主要考查该学生是否理解实验原理和实验仪器的使用，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力。二、设计性实验题的类型(1)提供实验器材及实验目的和要求，按照实验装置或有关实验线路，让学生设计实验方法，完成实验有关内容或进行某些测量。(2)提供实验器材及实验目的和要求，让学生设计(或补全)实验线路或方案，并按要求完成实验有关内容或进行某些测量。(3)提供实验数据，让学生设计处理实验数据的方法，从而求出实验测量值。三、设计性实验的设计原则(1)科学性原则：实验方案所依据的原理应当符合物理学的基本原理，实验装置或线路能够圆满完成实验任务。(2)安全性原则：确保进行的实验不会对实验装置和器材造成损坏，确保人身安全。例如：仪器所加的电压或电流不要超过其额定值，电源不要被短路等，实验中不会对人身造成危害。(3)精确性原则：在实验中，要根据实验的需要选择合适的器材，使实验结果尽可能精确，减小实验误差。例如：在条件允许的情况下，尽可能选用较小量程的电表，以获得较大的偏转角度来减小读数造成的偶然误差。所选用的仪器也并非是越精密越好，合适即可。例如：测一段几十厘米长的金属丝，毫米刻度尺就足够了，而对于直径只有零点几毫米的电阻丝，十分度的游标卡尺的精度不够高，而要用螺旋测微器测量才可以。(4)方便性原则：实验选用器材和电路要便于操作、方便调节、读数误差小、实验数据便于处理。例如，使用分压电路时，要使得电压变化与滑动变阻器的触头移动的距离能成近似的正比关系，这样调整起来就很方便，这就要求滑动变阻器的总阻值要远小于用电器的电阻。四、设计性实验的设计思路解决设计性实验问题的关键是确定实验原理，它是进行实验设计的根本依据和起点。它决定应当测量哪些物理量、如何安排实验步骤等项目。实验原理的确定：一是根据问题的要求，二是根据问题的条件。

如果问题中没有给定(或给足)实验器材，实验设计的基本思路是：(1)根据问题的条件和要求，构思相关的物理情境；(2)确定实验原理；(3)确定需测量的物理量；(4)制订实验方案。

有时，对同一个问题，可以构想出不同的物理情境，导出物理量的不同表达形式，以这些表达式作为实验设计的依据，会有不同的实验原理和实验方案。如果问题已经给出实验器材，则实验设计时只能按所给的器材来构造物理情境。相对而言，这种情况下的实验原理和实验方案都会受到较大的限制。

有一节干电池，电动势大约为1.5V，内电阻约为1.0Ω。某实验小组的同学们为了比较准确地测出该电池的电动势和内电阻，他们在老师的支持下得到了以下器材：A．电压表V(15V,10kΩ)B．电流表G(量程3.0mA，内阻Rg＝10Ω)C．电流表A(量程0.6A，内阻约为0.5Ω)D．滑动变阻器R1(0～20Ω，10A)E．滑动变阻器R2(0～100Ω，1A)F．定值电阻R3＝990ΩG．开关S和导线若干(1)为了能准确地进行测量，同时为了操作方便，实验中应选用的滑动变阻器是________(填写器材编号)。(2)画出他们采用的实验原理图。(标注所选择的器材符号)(3)该小组根据实验设计的原理图测得的数据如下表，为了采用图像法分析处理数据，请你在如图9－2－1所示的坐标纸上选择合理的标度，作出相应的图线。序号123456电流表G(I1/mA)1.371.351.261.241.181.11电流表A(I2/A)0.120.160.210.280.360.43图9－2－1(4)根据图线求出电源的电动势E＝__________V(保留三位有效数字)，电源的内阻r＝__________Ω(保留两位有效数字)。[自主尝试]

(1)为了便于调节，滑动变阻器的阻值不能太大，选择R1比较合适。(2)由闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir可知，只要能测出两组路端电压和电流即可列方程求解。但题目中给出的电压表量程太大，无法准确读数，所以不能选用。因为电流表G的内阻已知，可以考虑把G和定值电阻R3串联作电压表使用。实验原理图如图甲所示。[答案]

(1)D

(2)、(3)图见自主尝试(4)1.48(1.46～1.49)

0.84(0.80～0.90)(2011·山东高考)某探究小组设计了“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方案。如图9－2－2所示，将一个小球和一个滑块用细绳连接，跨在斜面上端。开始时小球和滑块均静止，剪断细绳后，小球自由下落，滑块沿斜面下滑，可先后听到图9－2－2小球落地和滑块撞击挡板的声音。保持小球和滑块释放的位置不变，调整挡板位置，重复以上操作，直到能同时听到小球落地和滑块撞击挡板的声音。用刻度尺测出小球下落的高度H、滑块释放点与挡板处的高度差h和沿斜面运动的位移x。(空气阻力对本实验的影响可以忽略)(1)滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为_______。(2)滑块与斜面间的动摩擦因数为________。(3)以下能引起实验误差的是________。A．滑块的质量B．当地重力加速度的大小C．长度测量时的读数误差D．小球落地和滑块撞击挡板不同时(2011·重庆高考)某同学设计了如图9－2－3所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数μ。滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m′，托盘和盘中砝码的总质量为m。实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10m/s2。图9－2－3(3)实验得到a与m的关系如图9－2－4所示，由此可知μ＝________(取两位有效数字)。图9－2－4(2011·江苏高考)某同学利用如图9－2－5所示的实验电路来测量电阻的阻值。(1)将电阻箱接入a、b

之间，闭合开关。适当调节滑动变阻器R′后保持其阻值不变。改变电阻箱的阻值R，得到一组电压表的示数U

与R图9－2－5

的数据如下表：请根据实验数据作出U—R

关系图像。图9－2－6电阻

R/Ω5.010.015.025.035.045.0电压

U/V1.001.501.802.142.322.45(2)用待测电阻Rx

替换电阻箱，读得电压表示数为2.00V。利用(1)中测绘的U—R

图像可得Rx

＝________Ω。(3)使用较长时间后，电池的电动势可认为不变，但内阻增大。若仍用本实验装置和(1)中测绘的U—R

图像测定某一电阻，则测定结果将________(选填“偏大”或“偏小”)。现将一已知阻值为10Ω的电阻换接在a、b

之间，你应如何调节滑动变阻器，便仍可利用本实验装置和(1)中测绘的U—R

图像实现对待测电阻的准确测定？[自主尝试]

(1)利用表格中的数据，描点作图。(2)根据所画出的图像，读出电压2.00V对应的电阻值为20Ω。(3)由闭合电路欧姆定律可知，内阻增大