1、实验创新与设计科 学 探 究一、力学创新实验1力学创新实验的三种类型(1)实验器材的等效与替换用电子秤或已知质量的钩码替代弹簧测力计；气垫导轨替代长木板；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)情境的设计与变换：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
2、法控制变量法，处理数据的基本方法图像法、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，应用原理公式或图像法处理实验数据，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(2019高考全国卷)如图(a)，某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验。所用器材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50 Hz的交流电源、纸带等。回答下列问题：(1)铁块与木板间动摩擦因数_(用木板与水平面的夹角、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示)。(2)某次实验时，调整木板与水平面的夹角使30
3、。接通电源，开启打点计时器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下。多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图(b)所示。图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出)重力加速度为9.80 m/s2。可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为_(结果保留两位小数)。解析(1)铁块受重力、木板弹力及摩擦力作用，由牛顿第二定律得mgsin FNma且FNmgcos 解以上两式得gsin agcos 。(2)由逐差法求铁块加速度：a（x5x6x7）（x1x2x3）12T2（76.3931.83）20.90120.12102 m/s21.97 m/s2代入gsin agcos ，得0.35。答案(1)gs
4、in agcos (2)0.35创新点评 本题的创新点在于实验情景及实验结论的拓展延伸，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。体现了科学思维中模型建构、科学推理、科学探究等素养要素。应用提升练1(2020山东烟台4月检测)实验小组用图甲所示的装置既可以探究加速度与合力的关系，又可以测量当地的重力加速度。装置中的物块下端连接纸带，砂桶中可放置砂子以便改变物块所受到力的大小，物块向上运动的加速度a可由打点计时器和纸带测出，现保持物块质量不变，逐渐增大砂桶和砂的总质量进行多次实验，得到多组a、F值(F为力传感器的示数，大小等于悬挂滑轮绳子的拉力)，不计滑轮的重
5、力。(1)某同学根据实验数据画出了aF关系图线如图乙所示，则由该图像可求得物块的质量m_ kg，当地重力加速度g_ m/s2。(结果均保留两位有效数字)(2)改变砂桶和砂的总质量M使物块获得不同大小的加速度a，则实验得到的加速度a的值可能是_(选填选项前的字母)。A12.0 m/s2 B10.0 m/s2C6.5 m/s2D8.2 m/s2解析：(1)对物块分析可得FTmgma，对滑轮应有F2FT，联立以上方程可得a 12m Fg，可得图线的斜率k 12m104 kg1，解得m0.20 kg，纵轴的截距g10 m/s2，解得g10 m/s2。(2)对物块分析可得FTmgma，对砂桶和砂分析可得
6、MgFTMa，联立可得aMmmM g，可得a一定小于10 m/s2，故可能的值为C、D。答案：(1)0.20 10(2)CD2甲、乙两个同学分别用两种方法验证力的平行四边形定则。(1)甲同学将木板固定在竖直墙上，木板上用图钉固定了白纸，在木板等高处钉两个钉子。把三根相同的橡皮筋的一端系在一起(结点O)，另一端分别系一个细绳套(绳套长度相同)，将任意两根橡皮筋上的绳套分别套在两钉子上，将重物挂在剩下的一个绳套上，如图(a)所示。若结点O上方的两根橡皮筋之间的夹角为74，伸长量相同，都是x，则当结点O下方的橡皮筋伸长量为_时，即验证了力的平行四边形定则；若重物质量为m，则橡皮筋的劲度系数k_。(已
7、知橡皮筋的伸长量与所受拉力成正比，cos 370.8)(2)乙同学采用如图(b)所示的器材和方法可以验证力的平行四边形定则。在圆形桌子透明桌面上平铺一张白纸，在桌子边缘安装三个光滑的滑轮，其中，滑轮P1固定在桌子边，滑轮P2、P3可沿桌边移动。在三根轻绳下挂上一定数量的钩码，并使三根轻绳的结点O静止；在白纸上描下O点的位置和三根绳子的方向，以O点为起点，作出三个拉力的图示；OP1、OP2、OP3三根绳子的拉力分别用F1、F2、F3表示，以F2、F3两个力为邻边作平行四边形，作出以O点为起点的平行四边形的对角线，量出对角线的长度。要验证力的平行四边形定则，则以下关于F2、F3两个力为邻边作出的平
8、行四边形对角线的长度L1和F1的图示的长度L2及方向，说法可能正确的是_。AL1一定等于L2，方向一定相同BL1一定等于L2，方向稍有不同CL1稍小于L2，方向一定相同DL1稍大于L2，方向稍有不同解析：(1)橡皮筋的伸长量与所受拉力成正比，设比例系数为k，根据力的平行四边形定则，结点O上方的两根橡皮筋的拉力的合力F2kxcos 371.6kx。设结点O下方的橡皮筋伸长量为x，由平衡条件可知kx1.6kx，解得x1.6x，所以当O点下方的橡皮筋伸长量为1.6x时，可验证力的平行四边形定则。若重物质量为m，则结点O下方的橡皮筋受到的拉力为Fmg，由Fkx，解得橡皮筋的劲度系数k5mg8x。(2)
9、由于实验操作存在误差，所以L1不一定等于L2，方向也不一定相同，选项D正确。答案：(1)1.6x 5mg8x(2)D3某同学为研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系，做了如下实验：如图甲所示，将白纸固定在制图板上，橡皮筋一端固定在O点，另一端A系一小段轻绳(带绳结)；将制图板竖直固定在铁架台上。将质量为m100 g的钩码挂在绳结上，静止时描下橡皮筋下端点的位置A0；用水平力拉A点，使A点在新的位置静止，描下此时橡皮筋端点的位置A1；逐步增大水平力，重复5次。取下制图板，量出A1、A2、各点到O的距离l1、l2、；量出各次橡皮筋与OA0之间的夹角1、2、。在坐标纸上作出1cos-l图像如图乙所示。完成下
10、列填空：(1)已知重力加速度为g，当橡皮筋与OA0间的夹角为时，橡皮筋所受的拉力T的大小为_。(用g、m、表示)(2)取g10 m/s2，由图乙可得橡皮筋的劲度系数k_N/m，橡皮筋的原长l0_m。(结果均保留两位有效数字)解析：(1)对结点受力分析，根据共点力平衡可知mgTcos，解得Tmgcos。(2)在竖直方向，合力为零，则k(ll0)cos mg，解得1cos kmg(ll0)，故图像斜率k kmg，由图像可知kmgk1.0102 N/m；由图像可知，1cos 1即0时，l0.22 m，此时k(ll0)mg，解得原长l00.21 m。答案：(1)mgcos (2)1.0102 0.21
11、4某同学设计了验证动量守恒定律的实验。所用器材：固定有光电门的长木板、数字计时器、一端带有遮光片的滑块A(总质量为M)、粘有橡皮泥的滑块B(总质量为m)等。将长木板水平放置，遮光片宽度为d(d很小)，重力加速度为g，用相应的已知物理量符号回答下列问题：(1)如图(a)所示，使A具有某一初速度，记录下遮光片经过光电门的时间t和A停止滑动时遮光片与光电门的距离L，则A经过光电门时的速度可表示为v_，A与木板间的动摩擦因数_；(2)如图(b)所示，仍使A具有某一初速度，并与静止在正前方的B发生碰撞(碰撞时间极短)，撞后粘在一起继续滑行。该同学记录了遮光片经过光电门的时间t0，A、B撞前B左端距光电门
12、的距离s1以及A、B撞后它们一起滑行的距离s2。若A、B材料相同，它们与木板间的动摩擦因数用字母表示，如需验证A、B系统碰撞时满足动量守恒定律，只需验证_成立即可。解析：(1)由于遮光片通过光电门的时间极短，可以用平均速度表示瞬时速度，故vdt。由匀变速直线运动速度位移公式有2gL0d2t2，解得 d22gLt2。(2)A经过光电门的速度为vAdt0。由匀变速直线运动速度位移公式有2gs1vA2d2t20，A与B碰撞前的速度为vAd2t202gs1；同理可得碰撞后A、B的共同速度为vAB 2gs2。若A、B系统碰撞时满足动量守恒定律，则MvA(mM)vAB，即Md2t202gs1Mm2gs2。
13、答案：(1)dt d22t2gL(2)Md2t202gs1Mm2gs2二、电学创新实验1实验创新的两种类型(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)重视电学实验方法的迁移。问题的设置常结合科技、生产、生活的实际。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
14、，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高考全国卷)某小组利用图(a)所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中和为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻(阻值100)；S为开关，E为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图(b)是该小组在恒定电流为50.0 A时得到的某硅二极管U-t关系曲线。回答下列问题
15、：(1)实验中，为保证流过二极管的电流为50.0 A，应调节滑动变阻器R，使电压表的示数为U1_mV；根据图(b)可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻_(选填“变大”或“变小”)，电压表示数_(选填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向_(选填“A”或“B”)端移动，以使示数仍为U1。(2)由图(b)可以看出U与t成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为Ut _103 V/(保留两位有效数字)。解析(1)、是理想电压表，则R0与硅二极管串联，电流相等，R0两端电压U1IR050.0106100 V5.00103 V5.00 mV。由U-t图像知，控温炉内温
16、度升高时，U2变小，又I50.0 A不变，故硅二极管正向电阻变小；当控温炉内温度升高时，硅二极管电阻变小，反过来影响电路中电流，由闭合电路欧姆定律知，电路中电流增大，示数增大；要保持示数不变，需增大滑动变阻器的阻值，即滑片向B端移动。(2)由U-t图像的斜率可知Ut 0.440.308030 V/2.8103 V/。答案(1)5.00 变小 增大 B(2)2.8创新点评 本实验考查运用闭合电路欧姆定律计算电压，并且分析了硅二极管两端的电压与温度的关系，考查学生的实验能力，体现了科学探究核心素养，又体现了创新思维和创新意识的价值观念。应用提升练5.某同学尝试把一个灵敏电流表改装成温度表，他所选用
17、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RTakt，a0，k0)。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
18、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_(选填“左”或“右”)侧，刻度线分布_(选填“均匀”或“不均匀”)。解析：(3)由题知RTakt，由闭合电路的欧姆定律可得IERRT ERakt。(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)ERakt(4)右 不均匀6(2020辽宁葫芦岛高三第一次模拟)实验室有以下实验器材：A电源E：电动势大
19、小约5 VB电流表A：量程为30 mAC电阻箱R：可调范围0到999 D未知电阻Rx：数量级102E开关、导线若干(1)为测量未知电阻阻值Rx和电源电动势E，若电源内阻和电流表内阻可忽略，利用上述实验器材设计电路进行测量，记下电流表读数I及电阻箱的读数R，实验得到以下图像，则使用的电路是图_(选填“甲”或“乙”)，根据图像可求得电源的电动势等于_V，被测电阻Rx等于_。(结果保留两位有效数字)甲 乙(2)如果电源的内阻不能忽略，则能否用图甲的电路测量出Rx？_(选填“能”或“不能”)。若能请写出表达式，若不能请说明理由：_。解析：(1)采用甲电路，根据闭合电路欧姆定律得EI(RRx)变形得1I
20、1ERRxE如果采用乙电路EI RRxRRx1I 与R不成线性关系，所以选电路图甲；图像斜率代表1E，纵轴截距代表RxE，可得E4.0 V，Rx2.0102。(2)如果电源内阻不能忽略，则可以把Rx和电源内阻r等效成一个电阻，只能求出Rxr的值，无法单独求出Rx。答案：(1)甲 4.0 2.0102(2)不能 可以把Rx和内阻r等效成一个电阻，只能求出Rxr的值，无法单独求出Rx7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r1)，电阻箱R1(最大阻值为999.9)，电阻箱R2(最大阻值为999.9)，电压表V(内阻约为2 k)，电流表A(内阻约为2
21、)，灵敏电流计G，两个开关S1、S2。主要实验步骤如下：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、r2；反复调节电阻箱R1和R2(与中的电阻值不同)，使电流计G的示数为0，读出电流表A、电压表V的示数分别为I2、U2。回答下列问题：(1)电流计G的示数为0时，电路中A和B两点的电势A和B的关系为_；(2)电压表的内阻为_，电流表的内阻为_；(3)电源的电动势E为_，内阻r为_。解析：由本电路的连接特点可知左、右两个电源间的路端电压相等，干路电流相同。根据
22、部分电路欧姆定律可分别求解电压表与电流表的内阻；在不同状态下采集数据，根据闭合电路欧姆定律列式求解电源的电动势E和内阻r。(1)电流计G的示数为0时，由欧姆定律知，G的电压为零，说明A、B两点的电势相等。(2)由于电流计G的示数为0，在步骤中，通过电压表的电流IVI1U1r1，电压表的内阻为RVU1IV U1r1I1r1U1；左、右两个电源两极间的电压相等，U1I1(r2RA)，得电流表内阻为RAU1I1 r2。(3)根据闭合电路欧姆定律得EU1I1r，EU2I2r，解得EI2U1I1U2I2I1，rU1U2I2I1。答案：(1)AB(2)U1r1I1r1U1 U1I1 r2(3)I2U1I1U2I2I1 U1U2I2I1