《高考物理一轮复习 12.3 实验设计与探究同步课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高考物理一轮复习 12.3 实验设计与探究同步课件（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1. 1.实验设计题是对实验的知识和能力实验设计题是对实验的知识和能力综合考查，只有对实验目的、原理，器材综合考查，只有对实验目的、原理，器材的选择、安装、测试、操作、步骤及实验的选择、安装、测试、操作、步骤及实验数据的记录、处理、实验误差分析和得出数据的记录、处理、实验误差分析和得出结论等方面掌握比较好的基础上，才能顺结论等方面掌握比较好的基础上，才能顺利完成设计实验利完成设计实验. .2.2.实验设计的基本方法实验设计的基本方法 (1)(1)明确目的，联系已学知识明确目的，联系已学知识. . 实验目的：即该实验是要求测定什么物实验目的：即该实验是要求测定什么物理量、验证、探索什么规律，是
2、实验设计理量、验证、探索什么规律，是实验设计的出发点的出发点. .明确了目的后，要认真的思索、明确了目的后，要认真的思索、想想该物理量或物理规律在哪些内容中出想想该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些有关的物理现象、物理量、现过，与哪些有关的物理现象、物理量、物理规律有联系，特别是对于探索型实验，物理规律有联系，特别是对于探索型实验，更应注意广泛的联系，有关现象原理等的更应注意广泛的联系，有关现象原理等的迁移迁移. .(2)(2)选择方案，简便精确选择方案，简便精确 每一个实验设计，皆是开放式的，其方每一个实验设计，皆是开放式的，其方案的选取往往是有几种，甚至是更多种方案的选取往往是有几
3、种，甚至是更多种方案案. .在众多的实验方案中，我们如何选择在众多的实验方案中，我们如何选择? ?通常来说，选择方案有以下几个原则：通常来说，选择方案有以下几个原则： 科学性原则：即实验方案中所依据的科学性原则：即实验方案中所依据的原理应遵循符合已学过的物理规律，且要原理应遵循符合已学过的物理规律，且要求选用的规律要简明、正确求选用的规律要简明、正确. .方案中的操作方案中的操作程序应具有科学性程序应具有科学性.(.(符合实验规则的具体符合实验规则的具体要素要素) ) 安全性原则：即按方案实施中，应力保安全性原则：即按方案实施中，应力保实验人员的安全，并对实验的器材不造成危实验人员的安全，并对
4、实验的器材不造成危害，如电学中的仪表的量程、电源电动势大害，如电学中的仪表的量程、电源电动势大小，滑动变阻器的选取等小，滑动变阻器的选取等. . 精确性原则：即力保该方案的实验误差精确性原则：即力保该方案的实验误差应是允许误差范围之内应是允许误差范围之内. .如如“伏安法伏安法”测电测电阻，内外接法的选取等，这就要求：从仪器阻，内外接法的选取等，这就要求：从仪器的精确度、原理的选取力争更为与该实验的的精确度、原理的选取力争更为与该实验的目标相匹配，还有就是数据处理方案的选取目标相匹配，还有就是数据处理方案的选取. .如如: :多次测量求平均值等多次测量求平均值等. . 方便、直观性原则：方案的
5、实施，要使方便、直观性原则：方案的实施，要使操作性强、易于操作，仪器方便选取，实验操作性强、易于操作，仪器方便选取，实验中比较容易观察，且效果明显，便于得出实中比较容易观察，且效果明显，便于得出实验结论验结论. . 节约性原则：即方案实施中，要考虑成节约性原则：即方案实施中，要考虑成本及仪器的损耗等等本及仪器的损耗等等. .如：滑线变阻器，当如：滑线变阻器，当限流和分压都行时，要选取限流接法限流和分压都行时，要选取限流接法. .(3)(3)依据方案，选定器材依据方案，选定器材. . 实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测定量与哪些物理量有直接的定量装
6、置，被测定量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需要用什么仪器来测关系，这些物理量分别需要用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材定，从而确定整个实验需要哪些器材. .(4)(4)拟定步骤，合理有序拟定步骤，合理有序. . 实验之前，要做到心中有数：即实验装实验之前，要做到心中有数：即实验装置如何配置，所测物理量的先后次序等置如何配置，所测物理量的先后次序等. .拟定一个合理操作，又高效的有序的实验拟定一个合理操作，又高效的有序的实验步骤步骤. .附：在实验中，对一些可直接测量附：在实验中，对一些可直接测量的物理量可先行测量的物理量可先行测量. .(5)(5)数据处理，误差分析数
7、据处理，误差分析. . 减少误差的措施有很多：主要是从实验减少误差的措施有很多：主要是从实验的原理上要求，以及实验器材的限制上等的原理上要求，以及实验器材的限制上等. . 另外数据的处理往往采用另外数据的处理往往采用( (平均值法、平均值法、逐差法、等效替代法、图像法等逐差法、等效替代法、图像法等).). 高考设计实验在设计思想、原理、方法和高考设计实验在设计思想、原理、方法和技巧上不断创新，试题在设计上的变化主要技巧上不断创新，试题在设计上的变化主要有以下几种类型：有以下几种类型： 1.1.变换实验目的：同样的实验器材和方法变换实验目的：同样的实验器材和方法可以达到不同的实验目的可以达到不同
8、的实验目的. .如：上海高考题中如：上海高考题中把伏安法测电阻变成测陶瓷管上均匀电阻膜把伏安法测电阻变成测陶瓷管上均匀电阻膜的厚度的厚度. .【例【例1 1】如图】如图5-325-32所示，所示，P P是一根表面均匀地镀是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管( (其长度其长度l l为为50cm50cm左右，直径左右，直径D D为为10cm10cm左右左右).).镀膜材料的电镀膜材料的电阻率阻率 已知，管的两端有导电箍已知，管的两端有导电箍MN.MN.现给你米尺，现给你米尺，伏特计伏特计V V，安培计，安培计A A，电源，电源E E，滑动变阻器，滑动变阻器R
9、R，开，开关关S S和若干导线和若干导线. .请设计一个测定膜层厚度请设计一个测定膜层厚度d d的实验方案的实验方案. .实验中应测定的物理量是：实验中应测定的物理量是：L L、D D、U U、I I在虚线框内用符号画出测量电路图在虚线框内用符号画出测量电路图. .计算膜层厚度的公式是：计算膜层厚度的公式是：【解析】利用所学过的物理知识巧测很薄的物件的厚【解析】利用所学过的物理知识巧测很薄的物件的厚度，这是一道很能体现理论联系实际的好试题度，这是一道很能体现理论联系实际的好试题. .学生学生不难根据对进行实验所需掌握的相关知识的理解和记不难根据对进行实验所需掌握的相关知识的理解和记忆，知道是利
10、用欧姆定律，忆，知道是利用欧姆定律，即即R=U/I= R=U/I= 困难在于找出厚度困难在于找出厚度d d与截面积与截面积S S有何关系有何关系? ?学生以学生以前通常接触的导体模型都是实心圆导体，能否仅凭题前通常接触的导体模型都是实心圆导体，能否仅凭题给的看似不足的已知条件正确地表示出给的看似不足的已知条件正确地表示出S S，就看学生，就看学生等值转换的创造能力的高低了等值转换的创造能力的高低了. . 实际上我们可以把这根管形空心导体的实际上我们可以把这根管形空心导体的环形截面等效成一个矩形截面，其长为环的环形截面等效成一个矩形截面，其长为环的周长周长 D D. .由于膜很薄，由于膜很薄，d
11、0d0，故，故 D D与平均周长与平均周长 (D-d/2)(D-d/2)相差甚微相差甚微. . 因此它的截面积因此它的截面积:S = :S = D Dd d 解解得到得到d=d= 实验中应测定的物理量是实验中应测定的物理量是L L、D D、U U、I I；测；测量电路如图量电路如图5-335-33所示所示. .本题也可用另一种思路本题也可用另一种思路求求S S： S=S= R R2 2- - r r2 2= = (R+r)(R-r),(R+r)(R-r),ddD D，R+r2R=D;R+r2R=D;而而R-r=dR-r=d，这样，这样，S=S= DdDd.【解题回顾】有些学生能够写出【解题回顾
12、】有些学生能够写出S=S= R R2 2- - r r2 2，但无法摆脱，但无法摆脱r r不是已知条件的束缚，不是已知条件的束缚，缺乏物理思想中的辩证思维习惯，因而得缺乏物理思想中的辩证思维习惯，因而得不出不出S=S= D Dd.d. 2. 2.变换实验原理：根据不同的实验原理可变换实验原理：根据不同的实验原理可以达到相同的实验目的以达到相同的实验目的. .例如：学生实验用伏安例如：学生实验用伏安法测电阻的原理是部分电路的欧姆定律，而考法测电阻的原理是部分电路的欧姆定律，而考题中却设计了依据闭合电路的欧姆定律测电阻题中却设计了依据闭合电路的欧姆定律测电阻的实验的实验. . 3. 3.变换实验器
13、材：利用不同的实验器材也变换实验器材：利用不同的实验器材也可以完成相同的实验任务可以完成相同的实验任务. .如可利用万用电表测如可利用万用电表测电阻，也可以利用电流表和电压表测电阻，还电阻，也可以利用电流表和电压表测电阻，还可以利用一个定值电阻和电流表测电阻，利用可以利用一个定值电阻和电流表测电阻，利用一只电流表和两个阻值已知的定值电阻可以用一只电流表和两个阻值已知的定值电阻可以用来测电池的电动势来测电池的电动势【例【例2 2】从下表中选出适当的实验器材，设】从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表计一电路来测量电流表A A1 1的内阻的内阻r r1 1，要求方，要求方法简捷，有尽可
14、能高的测量精度，并能测得法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据多组数据. .(1)(1)在虚线方框中画出电路图，标明所用器材在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号的代号. .(2)(2)若选测量数据中的一组来计算若选测量数据中的一组来计算r r1 1，则所用，则所用的表达式为的表达式为r r1 1= = ，式中各符号的意义是：，式中各符号的意义是： . .【解析】该题为电路设计型实验，要求选择适【解析】该题为电路设计型实验，要求选择适当的器材组成测量电流表内阻的电路，要求有当的器材组成测量电流表内阻的电路，要求有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据尽可能高的测量精度，并能测得多组数
15、据. .求求解该题时，首先要把被测电流表解该题时，首先要把被测电流表(A(A1 1) )等效为可等效为可显示电流值的电阻，该题成败的关键在于器材显示电流值的电阻，该题成败的关键在于器材的选择，选择器材应遵循三个原则：可行、精的选择，选择器材应遵循三个原则：可行、精确、方便确、方便. .测量电路有两种可能的连接方式：测量电路有两种可能的连接方式： 采用伏安法测电阻：即将电压表采用伏安法测电阻：即将电压表(V)(V)与电流表与电流表(A(A1 1) )并联，测出电流表并联，测出电流表(A(A1 1) )的电压的电压U U和电流和电流I I1 1，由，由r r1 1=U/I=U/I1 1即可求出即可
16、求出r r1 1，然而被测电流表，然而被测电流表(A(A1 1) )允许加的电允许加的电压在压在0 00.4V0.4V之间，而电压表量程为之间，而电压表量程为10V10V，故电压表的，故电压表的读数误差较大，从精确这一原则来看，此方法应舍去读数误差较大，从精确这一原则来看，此方法应舍去. . 采用比较法测电阻：即将电流表与电流表并联，采用比较法测电阻：即将电流表与电流表并联，利用并联电路电压相等的特点得：利用并联电路电压相等的特点得：I I1 1r r1 1=I=I2 2r r2 2，即可求，即可求出出r r1 1=(I=(I2 2/I/I1 1)r)r2 2，式中，式中，I I1 1、I I
17、2 2分别是电流表分别是电流表A A1 1、A A2 2的的读数，读数，r r1 1、r r2 2分别是电流表分别是电流表A A1 1、A A2 2的电阻，这种设计的电阻，这种设计可以使两电流表的读数同时接近满刻度，满足实验对可以使两电流表的读数同时接近满刻度，满足实验对测量精度的要求，另外这种设计还要求克服电流表不测量精度的要求，另外这种设计还要求克服电流表不能并联这一思维定势的影响能并联这一思维定势的影响. . 设计电路的基本方法首先是选择电路，然后再设计电路的基本方法首先是选择电路，然后再考虑电路连接问题考虑电路连接问题. .本题中，本题中，R R1 1、R R2 2、E E、S S、导
18、线、导线若干必须要选若干必须要选. .问题出在是选用电流表问题出在是选用电流表(A(A2 2) )还是选还是选用电压表用电压表(V)(V)因为电池的电动势为因为电池的电动势为1.5V1.5V，而电压表，而电压表(V)(V)的量程为的量程为10V10V，若选用电压表，若选用电压表(V)(V)，则电压表，则电压表(V)(V)上最大读数约为上最大读数约为，读数仅是电压表，读数仅是电压表(V)(V)量程的量程的4.3%4.3%，读数误差太大，读数误差太大，所以不选电压表所以不选电压表(V)(V)，而选用电流表，而选用电流表(A(A2 2),),而题中让而题中让测电流表测电流表(A(A1 1) )内阻，
19、选用电流表内阻，选用电流表(A(A2 2) )，只有两表并，只有两表并联，对变阻器接法限流、分压均可，联，对变阻器接法限流、分压均可，实验电路如图实验电路如图5-345-34所示所示. .【例4】 某同学和你一起探究弹力和弹簧伸长的关系，并测弹簧的劲度系数k.做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上，然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧，并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上当弹簧自然下垂时，指针指示的刻度数值记作L0，弹簧下端挂一个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L1；弹簧下端挂两个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L2挂七个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L7. (1)
20、下表记录的是该同学已测出的6个值，其中有两个数值在记录时有误，它们的代表符号分别是_和_. 测量记录表：代表符号代表符号L0L1L2L3L4L5L6L7刻度数值刻度数值/cm1.70 3.40 5.108.60 10.3 12.1(2)实验中，L3和L7两个值还没有测定，请你根据图1341所示，将这两个测量值填入记录表中 图1341(3)为充分利用测量数据，该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差，分别计算出了三个差值：d1=L4L0=6.90cm，d2=L5L1=6.90cm，d3=L6L2=7.00cm请你给出第四个差值：d4=_=_cm.(4)根据以上差值，可以求出每增加50g砝码的弹簧平
21、均伸长量DL.DL用d1、d2、d3、d4表示的式子为：DL=_ _，代入数据解得DL=_cm.(5)计算弹簧的劲度系数k=_N/m.(g取9.8m/s2)【解析】 (1)刻度尺读数应做读一位，所以L5和L6两组有误 (2)根据有效位数，最后一位为估计数，两个读数分别是：6.85(6.846.86)cm；14.05(14.0414.06)cm (3)L7L3；7.20(7.187.22)(5)28 【评析】 此题考查了基本仪器(刻度尺)的使用，以及基本试验方法(逐差法)的应用这是高中物理实验的基本能力的考查，值得注意 【变式题1】 气垫导轨是常用的一种实验仪器，它能使滑块悬浮在导轨上，滑块在导
22、轨上的运动可视为无摩擦的在实验室中我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨和质量均为M的滑块A和B做探究动量守恒定律的实验，如图1342所示，实验步骤如下： (1)在A上固定一质量为m的砝码，在A和B之间放入一个压缩状态的弹簧，用电动卡销置于气垫导轨上；(2)按下电钮放开卡销，同时分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作，当滑块A、B分别碰撞C、D挡板时计时结束，计时装置自动记下A、B分别到达C、D的运动时间t1、t2.重复几次实验问：在调整气垫导轨时应注意_还应测量的数据有_ _调整装置使气垫导轨水平 A左端到C板的距离L1，B右端到D板的距离L2【解析】 本题以气垫导轨来考查动量守恒定律，必
23、须掌握动量守恒的条件与规律，系统合外力为零，公式为m1v1+m2v2=m1v1+m2v2，由于气垫导轨阻力很小，近似看成匀速直线运动，以v= 求解速度的大小 【变式题2】 一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的(光线不能通过表面)现要测定此玻璃的折射率给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚(P1、P2、P3、P4)、带有刻度的直角三角板、量角器实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直在纸上画出直线aa和bb，aa表示镀银的玻璃表面，bb表示另一表面，如图所示然后，在白纸上竖直插上两枚大头针P1、P2(位置如图1343所示)用P1、P2的连线表示入射光线 (
24、1)为了测量折射率，应如何正确使用大头针P3、P4？在bb一侧观察P1、P2(经bb折射，aa反射，再经bb折射后)的像，在适当的位置插上P3，使得P3与P1、P2的像在一条直线上，即让P3挡住P1、P2的像；再插上P4，让它挡住P2(或P1)的像和P3.图1343试在题图中标出P3、P4的位置P3、P4的位置如图(a)(2)然后，移去玻璃砖与大头针试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角q1与折射角q2.简要写出作图步骤(3)写出1、2表示的折射率公式为n= 过P1、P2作直线与bb交于O；过P3、P4作直线与bb交于O；利用刻度尺找到OO的中点M；过O点作bb的垂线CD，过M
25、点作bb的垂线与aa相交与N，如图(a)所示，连接ON；P1OD=q1，CON=q2. 【例五】 光强传感器对接收到的光信号会产生衰减，且对于不同波长的光衰减程度不同，可以用表示衰减程度，其定义为输出强度与输入强度之比，=I出/I入，如图1351所示，表示与波长l之间的关系当用此传感器分别接收A、B两束光时，传感器的输出强度正好相同，已知A光的波长lA=625nm，B光由lB1=605nm和lB2=665nm两种单色光组成，且这两种单色光的强度之比IB1IB2=23，由图可知A=_；A光强度与B光强度之比IAIB=_. 图1351【解析】答案：0.35；27/35【变式题1】 一水平放置的圆盘
26、绕过其圆心的竖直轴匀速转动盘边缘上固定一竖直的挡光片盘转动时挡光片从一光电数字计时器的光电门的狭缝中经过，如图1352a所示图b为光电数字计时器的示意图光源A中射出的光可照到B中的接收器上若A、B间的光路被遮断，显示器C上可显示出光线被遮住的时间 图1352挡光片的宽度用螺旋测微器测得，结果如图c所示圆盘直径用游标卡尺测得，结果如图d所示由图可知，(1)挡光片的宽度为 mm.(2)圆盘的直径为 cm.(3)若光电数字计时器所显示的时间为50.0ms，则圆盘转动的角速度为 弧度/秒(保留3位有效数字)10.24324.2201.69【解析】 由螺旋测微器与游标卡尺的读数规则可得两者的读数d=10
27、mm+24.20.01mm=10.242mm，D=242mm+40.05mm=242.20mm=24.220cm. 【变式题2】 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1353甲所示，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，使得圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面上图1353T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). 某次实验测得圆
28、盘半径r=5.50102m，得到的纸带的一段如图1353乙所示求得角速度为： 6.8rad/s 【变式题3】 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”，如图1354，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小在水平桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器记录小车通过A、B时的速度大小小车中可以放置砝码 图1354(1)实验主要步骤如下：测量 和拉力传感器的总质量M1；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；将小车停在C点， ，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小
29、车通过A、B时的速度在小车中增加砝码，或 ，重复的操作小车然后释放小车改变钩码数量(2)表1是他们测得的一组数据，其中M是M1与小车中砝码质量之和，|v22v12|是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量DE，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、B间所做的功表格中DE3= J,W3= J.(结果保留三位有效数字)(3)根据表1，请在图1355所示中的方格纸上作出DEW图线 0.6000.610图1355表1数据记录表次数次数M/kg|v22-v12| /(m/s)2DE/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.84
30、00.42030.5002.40DE31.220W341.0002.401.202.4201.2151.0002.841.422.8601.43【解析】 根据实验需要得：(1)小车然后释放小车改变钩码数量(2)由各组数据可见规律E= m |v22v12| ，可得E3=0.600；观察FW数据规律可得数值上W=F/2=0.610；(3)图略 图图1 1图图2 2答案答案见解析见解析图图6 6答案答案(1)(1)之前之前(2)(2)见解析见解析(3)(3)见解析见解析图图1 1图图2 2图图3 3图图4 4答案答案0.50.5图图5 5图图8 8U U/V/V1.41.41.51.51.71.71.91.92.02.02.12.12.22.22.32.32.42.42.52.5I I/mA/mA0 00 02.02.04.04.0 12.012.0 22.022.0 32.032.0 42.042.0 52.052.0 60.060.0
