2025年高中一年级物理上学期实验设计卷

2025年高中一年级物理上学期实验设计卷考试时间：______分钟总分：______分姓名：______考生注意：1.在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，某同学利用打点计时器（使用交流电源）和纸带测量小车在木板上滑行的加速度。请设计该实验的主要步骤，并说明需要记录哪些数据来计算加速度。简要说明如何减小实验中由于纸带与打点计时器（或限位孔）之间摩擦阻力对测量结果的影响。2.为了测量一个未知电阻R的阻值（阻值约为几十欧姆），实验室提供了以下器材：*电源（电动势约为6V，内阻不计）*电流表（量程0-0.6A，内阻约0.5Ω）*电压表（量程0-3V，内阻约3kΩ）*滑动变阻器（最大阻值20Ω）*开关、导线若干请设计一个实验电路图，用来测量该电阻的阻值。简要说明实验的主要步骤和数据处理方法。指出在该电路设计中，电流表和电压表应如何选择量程？为什么？3.在“验证牛顿第二定律”的实验中，通常需要平衡摩擦力。请简述如何操作才能较好地平衡小车（连挂钩）与长木板之间的摩擦力。如果已经近似平衡了摩擦力，当在小车上放置不同质量的砝码，并用系在小车前端轻绳通过滑轮悬挂合适的钩码（钩码总质量远小于小车质量）使小车沿木板运动时，请在坐标系中画出小车的加速度a随钩码所受重力F的变化图像。简要说明该图像应是一条怎样（直线/曲线）的图像，并说明理由。4.为了粗略测量当地的重力加速度g，某同学设计了如下实验：利用一个弹簧，将其一端固定，另一端悬挂一个带有小球的弹性绳（或细线），使小球靠近但不下沉到水平地面，构成一个“弹簧振子”。请设计实验步骤来测量g。需要记录哪些物理量？请写出重力加速度g的表达式。该实验的主要误差来源可能有哪些？5.某同学想研究滑动摩擦力的大小与压力大小的关系。他准备了以下器材：长木板、木块（带有钩子）、弹簧测力计、钩码若干、细线。请设计实验的主要步骤。简要说明如何判断木块在长木板上做匀速直线运动。若实验中得到一系列数据，你是如何处理这些数据来验证你的猜想（滑动摩擦力与压力成正比）的？试卷答案1.实验步骤：①将打点计时器固定在长木板的末端，连接好电源。②将纸带穿过打点计时器的限位孔，将小车固定在纸带的一端，连接好轻绳，轻绳跨过定滑轮，下端挂上合适的钩码。③将小车靠近打点计时器，接通电源，松开小车，让小车拖着纸带运动。④取下纸带，选择一条点迹清晰、分布均匀的纸带进行数据处理。⑤在纸带上选取几个计数点（如每隔4个点取一个），标明计数点位置，测量相邻计数点之间的距离`x_i`。⑥计算各计数点对应的瞬时速度`v_i`。通常使用`v_i≈(x_i+x_{i+1})/(2t)`计算，其中`t`为相邻计数点间的时间间隔（`t=T/n`，`T`为打点周期，`n`为计数点间隔数）。⑦以时间`t`为横坐标，对应位置的瞬时速度`v_i`为纵坐标，绘制`v-t`图像。图像的斜率即为小车的加速度`a`。减小摩擦阻力影响的方法：调整长木板，使小车在不受轻绳拉力时能做匀速直线运动（或平衡摩擦力），或者在进行加速度计算时，利用`a=(v_m^2-v_0^2)/(2x)`（其中`v_m`和`v_0`是纸带开始和结束时的速度，`x`是总位移），减小速度变化量或增大位移量，相对减小摩擦阻力的影响。2.实验电路图设计（以下为文字描述，无法绘制）：电源正极连接开关，开关连接电流表正极，电流表负极连接滑动变阻器的一端。滑动变阻器的另一端连接电压表的正极，电压表的负极连接回电源负极，并在电压表和滑动变阻器之间连接待测电阻R。构成一个简单的串联电路。主要步骤：①按电路图连接电路，将滑动变阻器的滑片移到阻值最大端。②闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，改变电路中的电流和电压，记录下几组对应的电流表和电压表示数`(I_i,U_i)`。③断开开关，整理仪器。数据处理方法：利用`R=U/I`计算出每次测量的电阻值，然后求平均值`R_平均=(R_1+R_2+...+R_n)/n`作为测量结果。量程选择：电流表：由于待测电阻R约几十欧姆，电源电动势为6V，根据欧姆定律，最大电流约为`I_max=U_max/R=6V/30Ω=0.2A`。选用0-0.6A量程。电压表：待测电阻两端最大电压接近电源电压6V，选用0-3V量程。原因：选择的量程应能覆盖预期测量的最大值，同时为了提高测量精度，所选量程的满偏电流应尽可能接近待测电流或电压值。3.平衡摩擦力的操作：将小车放在长木板上，轻绳跨过滑轮，挂上合适的钩码（钩码不挂在小车上），接通打点计时器电源，稍后释放小车，观察小车能否在木板上做匀速直线运动。若能，则摩擦力已近似平衡。或者，调整长木板的角度，直到小车在不受拉力时恰能沿木板匀速下滑。`a-F`图像：应是一条过原点的倾斜直线。理由：根据牛顿第二定律，在小车和砝码组成的系统中（假设系统总质量为M，砝码质量为m），根据`F=ma`有`mg=(M+m)a`。解得`a=(m/g)g`，即`a`与`F`（即砝码重力`mg`）成正比关系。在坐标系中，`a`为纵坐标，`F`为横坐标，该图像应为一条过原点的倾斜直线，其斜率等于`(M+m)/g`。4.实验步骤：①将弹簧一端固定在墙壁或支架上，另一端悬挂小球，确保小球静止时弹簧处于自然长度附近。②用刻度尺测量出弹簧的自然长度`L_0`。③让小球在竖直方向做小振幅振动，用秒表测量完成N次全振动所需的时间`t`。④记录数据，改变小球质量（或改变悬挂的小球数量），重复步骤③，测量不同质量下完成N次全振动的时间`t`。需要记录的物理量：弹簧的自然长度`L_0`，小球完成N次全振动的时间`t`，振动的次数`N`，小球的质量`m`（若改变）。重力加速度`g`的表达式：弹簧的劲度系数`k=mg/(L_0-L_e)`，其中`L_e`为弹簧伸长量。周期`T=t/N`。对于简谐振动，`T=2π√(m/k)`。联立解得`g=4π²N²(L_0-L_e)/t²`。主要误差来源：测量时间`t`的误差（秒表启动和停止的误差、读数误差）；测量次数`N`不准确；弹簧并非完全遵循胡克定律（尤其在较大形变下）；空气阻力；振动过程中能量损耗（阻尼）。5.实验步骤：①将长木板放置水平，木块放在木板上。②用弹簧测力计水平拉住木块，使其做匀速直线运动，读出弹簧测力计的示数`F_1`，这个示数即为木块所受的滑动摩擦力`f`。③在木块上逐个增加钩码，重复步骤②，每次都让木块做匀速直线运动，分别读出弹簧测力计的示数`F_2,F_3,...`，即为不同压力下的滑动摩擦力`f`。④记录每次实验中木块的总质量`M`（木块自身质量加上所挂钩码的总质量）。判断匀速直线运动的方法：观察木块在弹簧测力计拉力作用下，一段时间内通过的距离基本不变，或者用秒表测量一段时间内木块通过的距离基本不变。数据处理：作出滑动摩擦力`f`随木块总质量`M`（或压力`N=mg`）的变化图