（新课标）2020版高考物理二轮复习 核心素养微专题8 实验创新与设计课件

实验创新与设计目录ONTENTSC科学探究一、力学创新实验1．力学创新实验的几个特点(1)实验器材的等效与替换，主要有3个方面的创新：①用电子秤或已知质量的钩码替代弹簧测力计；②气垫导轨替代长木板；③用光电门、闪光照相机替代打点计时器．(2)实验结论的拓展与延伸：主要通过一些实验装置得出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求出物体所受阻力或小车与木板间的动摩擦因数．(3)情境的设计与创新：近几年在试题情境的设计上进行了较多的创新，不过考查的实验原理和实验处理方法仍然不变，因此只要把最根本的方法从新情境中分离出来，找出与常规实验相同之处就可以．2．创新实验题的解法(1)以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和力学定律设计实验；(2)将实验的基本方法——控制变量法，处理数据的基本方法——图象法、逐差法，融入实验的综合分析之中；(3)根据题目情境，提取相应的力学模型，明确实验的理论依据和实验目的，设计实验方案；(4)进行实验，记录数据，应用原理公式或图象法处理实验数据，结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析．[示例1](2018·高考江苏卷)某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤．实验操作如下：①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H.②在重锤1上加上质量为m的小钩码．③左手将重锤2压在地面上，保持系统静止．释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间．④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t.请回答下列问题：(1)步骤④可以减小对下落时间t测量的________(选填“偶然”或“系统”)误差．(2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了________．A．使H测得更准确B．使重锤1下落的时间长一些C．使系统的总质量近似等于2MD．使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等(3)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差．现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？(4)使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0.用实验中的测量量和已知量表示g，得g＝________.[解析](1)误差是测量过程造成的，只要不是实验原理带来的误差都属于偶然误差．(2)小钩码的质量m比重锤的质量M小很多时，系统的加速度较小，从而导致运动时间延长，有利于减小测量时间的误差，故选B.(3)需要保证轻拉重锤1使它匀速运动，应该在重锤1上粘上合适的橡皮泥．(4)由牛顿第二定律得(2M＋m＋m0)a＝mg，解得a＝mg2M＋m＋m0，又由于H＝12at2，可得g＝22M＋m＋m0Hmt2.[答案](1)偶然(2)B(3)在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1能观察到其匀速下落．(4)22M＋m＋m0Hmt2[点评]本题的创新点有两处：(1)实验情境创新：以连接体替代一个重物，能适当控制整体运动时间，从而减小时间测量误差．(2)实验设计创新：通过改变“橡皮泥”的多少，控制整体的运动，增加实验的开放性，体现科学探究的学科素养．[应用提升练]1．某课外活动小组通过如图甲所示的实验装置测量动摩擦因数．将一木板用垫块垫高形成斜面，在木板底端B处固定一个光电门以测量滑块通过该处时的速度，实验时滑块由距地面h高的A处静止释放，测出滑块滑到B点的速度v.改变垫块的数量，从而改变木板的倾斜程度，但始终保持释放点A到B点的水平距离(即B、C间的距离)L＝0.8m不变．重复实验，最后作出如图乙所示的h­v2图象．(1)木板倾斜程度更大时，为了保证L不变，滑块下滑到底端B点的位移将________(选填“变大”“变小”或“不变”)；(2)滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________；(3)若所用木板更粗糙些，重复上述实验步骤，得到的图象的斜率将______________(选填“变大”“变小”或“不变”)．解析：(1)根据几何关系得出滑块下滑到底端B点的位移x＝Lcosθ，木板倾斜程度更大时，为了保证L＝0.8m不变，滑块下滑到底端B点的位移将变大．(2)根据h­v2图象得v＝0时h＝0.2m，即此时滑块刚好处于平衡状态，根据牛顿第二定律得μmgcosθ＝mgsinθ，解得μ＝tanθ＝0.20.8＝0.25.(3)若所用木板更粗糙一些，重复上述实验步骤，根据动能定理得mgh－μmgcosθ×Lcosθ＝12mv2，解得h＝v22g＋μL，所以若所用木板更粗糙一些，重复上述实验步骤，得到的图象的斜率将不变．答案：(1)变大(2)0.25(3)不变2．某物理课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系．图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码．本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010kg.实验步骤如下：(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑．(2)将n(依次取n＝1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余(N－n)个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行．释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s­t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.(3)对应于不同的n的a值见下表．n＝2时的s­t图象如图乙所示；由图乙求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.n12345a/(m·s－2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点，并作出a­n图象．从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比．(5)利用a­n图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8m·s－2)．(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是________(填入正确选项前的标号)．A．a­n图线不再是直线B．a­n图线仍是直线，但该直线不过原点C．a­n图线仍是直线，但该直线的斜率变大解析：(3)由s＝12at2，结合图乙可得滑块运动的加速度a＝2st2＝2×0.8022m·s－2＝0.40m·s－2.(4)根据表中数据描点作图，如图所示．(5)由nmg＝(Nm＋M)a可得，a＝mgNm＋Mn，得图象的斜率为mgNm＋M＝15，解得M＝0.44kg.(6)若保持木板水平，则nmg－μ[(N－n)mg＋Mg]＝(Nm＋M)a，求得a＝1＋μmgNm＋Mn－μg，因此图象仍是一条直线，但图象不再过原点，图象的斜率1＋μmgNm＋M比原来的斜率mgNm＋M更大，B、C正确．答案：(3)0.40(0.37～0.49均对)(4)图见解析(5)0.44(0.43～0.47均对)(6)BC二、电学创新实验1．实验的创新与设计是电学实验中常考的一类问题，这类实验有两个特点(1)基于教材中的电学实验，着重考查实验原理的改进，实验步骤及误差分析．(2)重视电学实验的实验方法．问题的设置常结合科技、生产、生活的实际．因此，理解实验原理及掌握实验方法是解决电学实验的关键．2．解决电学设计型实验常用的三种方法(1)转换法：将不易测量的物理量转换成可以(或易于)测量的物理量进行测量，然后再反求待测物理量的值，这种方法叫转换测量法(简称转换法)．如在测量金属丝电阻率的实验中，虽然无法直接测量电阻率，但可通过测量金属丝的长度和直径，并将金属丝接入电路测出其电阻，然后再计算出它的电阻率．(2)替代法：用一个标准的已知量替代被测量，通过调整标准量，使整个测量系统恢复到替代前的状态，则被测量等于标准量．(3)控制变量法：研究一个物理量与其他几个物理量的关系时，要使其中的一个或几个物理量不变，分别研究这个物理量与其他各物理量的关系，然后再归纳总结，如探究电阻的决定因素实验．[示例2](2019·湖北三市六校3月联考)小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系，已知该金属电阻在常温下的阻值约10Ω，R随t的升高而增大，实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度．实验时闭合S，先将开关K与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1、t2、…和电流表的相应示数I1、I2、….然后将开关K与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为I1、I2、…，分别记下电阻箱相应的示数R1、R2、….(1)有以下两种电流表，实验电路中应选用________．A．量程0～100mA，内阻约2ΩB．量程0～0.6A，内阻可忽略(2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9Ω调节至10.0Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是________．①将旋钮a由“0”旋转至“1”②将旋钮b由“9”旋转至“0”③将旋钮c由“9”旋转至“0”(3)实验记录的t和R的数据见下表.温度t(℃)20.040.060.080.0100.0阻值R(Ω)9.610.411.112.112.8请根据表中数据，在下图的方格纸上作出R­t图线．由图线求得R随t的变化关系为R＝________Ω.[解析](1)电路中电源电动势为1.5V，金属电阻的阻值约为10Ω，滑动变阻器的最大阻值为10Ω，电流在0.075～0.15A范围内变化，则为使电流读数更准确，应选用量程0～100mA的电流表．(2)调节电阻箱时按照先调大再调小的原则，旋转各旋钮的正确操作顺序是①②③(或①③②)．(3)R­t图象如图所示．由R­t图象知，R＝0.04t＋8.8Ω.[答案](1)A(2)①②③(或①③②)(3)图见解析0.04t＋8.8[点评]本实验的创新点有两处：(1)实验目的创新：由利用电阻箱和电流表测金属电阻的阻值R随温度t的变化关系代替伏安法测量常规实验中电阻率、一般电阻和电源内阻．(2)实验方法的创新：由用伏安法测电阻的方法改变为用替代法测电阻，体现科学探究及科学态度与责任的学科素养．[应用提升练]3．某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他所选用的器材有：灵敏电流表(待改装)，学生电源(电动势为E，内阻不计)，滑动变阻器，单刀双掷开关，导线若干，导热性能良好的防水材料，标准温度计，PTC热敏电阻RT(PTC线性热敏电阻的阻值与摄氏温度t的关系为RT＝a＋kt，a＞0，k＞0)．设计电路如图所示，并按如下步骤进行操作：(1)按电路图连接好实验器材；(2)将滑动变阻器滑片P滑到a端，单刀双掷开关S掷于c端，调节滑片P使电流表满偏，并在以后的操作中保持滑片P位置不动，设此时电路总电阻为R，断开电路；(3)容器中倒入适量开水，观察标准温度计，每当标准温度计示数下降5℃，就将开关S置于d端，并记录此时的温度t和对应的电流表的示数I，然后断开开关，请根据温度表的设计原理和电路图，写出电流与温度的关系式I＝________(用题目中给定的符号表示)；(4)根据对应温度记录的电流表示数，重新刻制电流表的表盘，改装成温度表，根据改装原理，此温度表表盘刻度线的特点是：低温刻度在________侧(选填“左”或“右”)，刻度线分布是否均匀？________(选填“是”或“否”)．解析：(3)由题知RT＝a＋kt，由闭合电路的欧姆定律可得，I＝ER＋RT＝ER＋a＋kt.(4)由上式可知，温度越高，电流表中的电流值越小，则低温刻度在表盘的右侧；由于电流与温度的关系不是线性函数，所以表盘的刻度是不均匀的．答案：(3)ER＋a＋kt(4)右否4．某同学利用如图所示的电路可以测量多个物理量．实验室提供的器材有：两个相同的待测电源(内阻r≈1Ω)，电阻箱R1(最大阻值为999.9Ω)，电阻箱R2(最大阻值为999.9Ω)，电压表V(内阻约为2kΩ)，电流表A(内阻约为2Ω)，灵敏电流计G，两个开关S1、S2.主要实验步骤如下：①按图连接好电路，调节电阻箱R1和R2至最大，闭合开关S1和S2，再反复调节R1和R2，使电流计G的示数为0，读出电流表A、电压表V、电阻箱R1、电阻箱R2的示数分别为I1、U1、r1、r