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1、高中物理创新类设计性实验例析一、 力学类综合运用力学知识类设计性实验主要是综合利用力学,有的时候还要电学知识来设计实验测量某一物理量、验证某个物理规律、探究某两个物理量间的变化规律等。解答这类实验试题的主要思路是：认真审题，根据题目要求思考设计实验的原理。根据原理和其它物理知识，推导被物理量的表达式。根据被测物理量的表达式，确定需要测量的物理量。选择仪器，完成操作。对所设计的实验从原理、仪器选用、被测物理量的表达式是否符合题目要求，找出不足，提出改进意见。另外，还有单摆类主要包括一是用单摆测某地的重力加速度，二是利用单摆的原理和实验方法与其它物理规律结合设计实验测其它物理量。还有圆周运动知识类
2、，结合万有引力定律测量其它物理量等。例1、为了测定木块与斜面之间的动摩擦因素，某同学让木块从斜面上端由静止开始匀加速下滑，如图5所示，他使用的实验器材仅限于：倾角固定的斜面（倾角未知）；木块；秒表；米尺。 实验中应记录的数据是 。计算动摩擦因数的公式是= 。为了减小测量误差，可采用的办法是 。解析：由题设可知，设计该实验所用原理是牛顿第二定律和运动学公式。木块沿斜面下滑的过程，由牛顿第二定律有 有 。由的表达式可知，要求必须知道a和sin、cos 。即 实验中应记录的数据为：木块静止 图5由斜面顶端滑到底端的时间t,斜面三边的长度分别为L、d、h 。由测得的数据代入的表达式可求得 。多次测量取
3、平均例2、试根据平抛运动原理设计测量弹射器弹丸出射初速的实验方法。提供实验器材：弹射器（含弹丸，见图）；铁架台（带有夹具）；米尺。（1）在安装弹射器时应注意 。（2）实验中需要测量的量（并在示意图中用字母标出） 。（3）由于弹射器每次射出的弹丸初速不可能完全相等，在实验中应采取的方法是 。（4）计算公式 。例3（2001.全国高考）一打点计时器固定在斜面上某处，一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下，如图2所示，图3是打出的纸带的一段。（1）已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，利用图3给出的数据可求出小车下滑的加速度a= 。 （2）为了求出小车下滑过程所受的阻力，还需测量的物理量有
4、。（3）用测得的量和加速度a表示阻力的计算式为 。 解析：（1）用逐差法可求得加速度a=4.0m/s2 。 （2）物体沿斜面下滑由牛顿定律有 从上式可知，还需测量的量有：小车的质量m、斜面的倾角 (或斜面上任意两点的长L及与之对应的高度h) 。 （3）阻力f的表达式为 或 f=m .例4、有几名登山运动员登上一无名高峰，但不知此峰的高度。他们想迅速测出高峰的海拔高度，但是他们只带了一些轻质绳子、小刀、小钢卷尺，以及可当秒表用的手表和一些食 品，附近还有石头、树木等。请你帮他们设计一个测量方案，要求测出高峰的海拔高度，并写出测量方法，需要记录的数据，推导出计算海拔高度的计算式。解析：根据题目给出
5、的器材和要求，可用细线和石块做成单摆，测出山顶的重力加速度，再由万有引力等于重力求出山高。（1）用细线和石块做成单摆，改变长度为L1 、L2，测出相应的周期T1和T2，从而求出山顶的重力加速度为 （2）设地球半径为R，质量为M，地面的重力加速度为，山峰高为h。由万有引力等于重力分别对山顶和地面有 由、可解得 -R 。例5.一个有一定厚度的圆盘，可以绕通过中心垂直于盘面的水平轴转动。用下面的方法测量它匀速转动的角速度。实验器材：电磁打点计时器，米尺，纸带，复写纸片。实验步骤：（1）如图1所示，将电磁打点计时器固定在桌面上，将纸带的一端穿过打点计时器的 限位孔后，固定在待测圆盘的侧面上,使得圆盘转
6、动时，纸带可以卷在圆盘侧面上。图1（2）启动控制装置使圆盘转动，同时接通电源，打点计时器开始打点。（3）经过一段时间，停止转动和打点，取下纸带，进行测量。由已知量和测得量表示的角速度的表达式为= 式中各量的意义是： 某次实验测得圆盘半径r =5.5010-2m，得到的纸 的一段如图2所示。求得角速度为: .0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11图2单位：cm解析：(7分)（1） T为电磁打点计时器打点的时间间隔，r为圆盘的半径，x1、x2是纸带上选定的两点分别对应的米尺上的刻度值，n为选定的两点间的打点数（含两点）。（2）6.8 /s例6.如图18所示甲图为某同学先将金属片用烟熏黑
7、，并在频率为 f0 的音叉的左端最高点处焊了一根细钢针，静止时针尖刚好指在金属片上坐标系的原点.轻敲音叉使音叉开始振动，然后烧断细线，使金属片自由下落，针尖在金属片上划下痕迹.（设音叉的振幅不变）（1）如图乙，从金属片上选出划痕清晰的一段标出划痕跟坐标轴的连续7个交点，依次记为B、C、D、E、F、G、H，测得相邻两点间的距离依次为b1、b2、b3、b4、b5、b6，试写出用“逐差法”求重力加速度g的数学表达式_.（2）图丙的四幅图中，哪一幅最能正确地表示针尖在金属片上留下的划痕_.（3）若从悬线被烧断瞬间开始计时，当时钢针正通过平衡位置向左运动，取向左为位移的正方向，设钢针的振幅为A，则钢针的
8、水平位移y跟金属片下落高度h间的函数关系式为_.6.（1） (2分）（2）D(1分)(3)y=A sin(2f0 (2分)例7.一艘宇宙飞船飞近某一新发现的行星，并进入靠近该行星表面的圆形轨道绕行数圈后，着陆在该行星上。飞船上备有以下实验器材A.精确秒表一只 B.已知质量为m的物体一个C.弹簧秤一个 D.天平一台(附砝码)已知宇航员在绕行时及着陆后各作了一次测量，依据测量数据，可求出该星球的半径R及星球的质量M。(已知万有引力常量为G)(1)两次测量所选用的器材分别为 、 。(用序号表示)(2)两次测量的物理量分别是 、 。(3)用该数据写出半径R、质量M的表达式。R= ,M= 。答案：(1)
9、A，BC (2)周期T，物体重力F。 (3),例8.骑自行车时，如果停止用力蹬脚踏板，由于受到阻力，自行车在水平路面上前进一段路程就停下来。试设计两个实验方案，测量自行车在这段路程中所受的平均阻力。答案:方法一：(1)用磅秤测出人和自行车的总质量M。(2)用米尺和秒表测出停止用力后自行车滑行的最大水平距离s和所用的时间t。(3)算出自行车在时间t内的平均速度=。(4)把自行车的滑行看作匀减速运动，算出它的初速度v0=2=。(5)由动能定理fs=Mv，计算出自行车在这段路程中的平均阻力f=。方法二：(1)用磅秤称出人和自行车的总质量M。(2)轻踏踏板使车匀速运动，用米尺和秒表测出匀速运动的直线距
10、离s和时间t1，接着停止用力。(3)用秒表测出停止用力后自行车所能滑行的时间t2。(4)算出停止用力时自行车的速度v0=。(5)由动量定理，算出平均阻力f=。例9图甲是某同学自制的电子秤原理图，利用理想电压表的示数来指示物体的质量托盘与电阻可忽略的金属弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当托盘中没有放物体时，滑动触头恰好指在变阻器R的最上端，此时电压表示数为零设变阻器总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻阻值为R0，弹簧劲度系数为k，若不计一切摩擦和其它阻力（1）求出电压表示数Ux用所称物体的质量m表示的关系式；（2）由的计算结果可知，电压表示
11、数与待测物体质量不成正比，不便于进行刻度，为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进，在乙图的基础上完成改进后的电路原理图，并求出电压表示数Ux用所称物体的质量m表示的关系式rVSRR0mE甲mSRR0Er乙mSRR0Er改乙乙V答案:(15分) 运算得到： (2) 例10.有一条捕鱼小船停靠在湖边码头，小船又窄又长(估计重一吨左右).一位同学想用一个卷尺粗略测定它的质量,他进行了如下操作:他将船平行码头自由停泊,在岸上记下船尾的位置，然后轻轻从船尾上船.走到船头后下船,用卷尺测出哪几个距离，他还需知道自身的质量m，才能测出渔船的质量M.请你回答下列问题：（1）该同学是根据_定
12、律来估测小船质量的；（2）要求该同学测出的距离_（先用文字说明，再给每一个距离赋于一个字母）（3）所测渔船的质量M =_（表达式）.答案:(1)动量守恒(2分)(2)船长L和船后退距离l (3)M=二、光学类例11、设计一种方法测定水的折射率。方法一：利用全反射现象测定水的折射率。取一半径为r的中心有小孔的薄木板，用细线系一粒绿豆并让细线穿过小孔，让木板浮在水面上（如图10所示）。调整绿豆的深度，使它在水中的深度为h,这时从水面上方的各个方向向水中看，恰好看不到绿豆。利用测得的数据r和h即可求出水C图10的折射率n=。方法二：利用“二像”重合测定水的折射率。在广口瓶内盛满清水，照图11那样把直
13、尺AB紧挨着广口S2PS1S0图11C瓶瓶口的C点竖直插入瓶内。这时，在直尺对面的P点观察水面，能同时看到直尺在水中的部分和露出水面的部分在水中的像。读出看到的直尺水下部分最低点的刻度S1以及跟这个刻度相重合的水上刻度S2的像S2，。量出广口瓶瓶口的内径d,求出S2S0=h,S1S0=H。就可以求出水的折射率n=。方法三：利用插针法测定水的折射率。如图12所示，取一块边长为20cm的方木板，在板上画出互相垂直的两条直线AB、MN，从它们的交点O处画直线OP，使小于450，在直线OP上P、Q两点插上两枚大头针。把木板放入水中，使AB与水面相平，在水面上用一只眼睛观察两枚大头针，使P被Q挡住、不能被眼睛看到，ABMNOST图12iPQ同时在木板S、T处各插一枚大头针，使S、T看上去与P、Q在同一直线上。从水中取出木板，画出直线ST。利用木板上记下的这些资料，就可以求出水的折射率n=。方法四：利用视深测定水的折射率。 杯中的水由于光的折射看起来比实际的浅，图13用图13所示的方法可以求出水变浅了多
