1、实验创新与设计 科科 学学 思思 维维 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
2、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
3、)。 (2)某次实验时，调整木板与水平面的夹角使30。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 且且 FNmgcos 解以上两式得解以上两式得 gsin a gcos 。 (2)由逐差法求铁块加速度：由逐差法求铁块加速度： a（ （x
4、5x6x7）（）（x1x2x3） 12T2 （ （76.3931.83）20.90 120.12 10 2 m/s2 1.97 m/s2 代入代入 gsin a gcos ，得，得 0.35。 答案答案 (1)gsin a gcos (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
5、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/s2 C6.5 m/s2 D8.2 m/s2 解析：解
6、析：(1)对物块分析可得对物块分析可得 FTmgma，对滑轮应有对滑轮应有 F2FT，联立以上，联立以上 方程可得方程可得 a 1 2m F g，可得图线的斜率，可得图线的斜率 k 1 2m 10 4 kg 1，解得 ，解得 m 0.20 kg，纵轴的截距，纵轴的截距g10 m/s2，解得，解得 g10 m/s2。 (2)对物块分析可得对物块分析可得 FTmgma，对砂桶和砂分析可得，对砂桶和砂分析可得 MgFTMa， 联立可得联立可得 aM m mM g，可得 ，可得 a 一定小于一定小于 10 m/s2，故可能的值为，故可能的值为 C、D。 答案：答案：(1)0.20 10 (2)CD 2
7、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
8、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
9、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：解析：(1)橡皮筋的橡皮筋的伸长量与所受拉力成正比，设比例系数为伸长量与所受拉力成正比，设比例系数为 k，根据力，根据力 的平行四边形定则， 结点的平行四边形定则， 结点 O 上方的两根橡皮筋的拉力的合力上方的两根橡皮筋的拉力的合力 F2kxcos 37 1.6kx。 设结点。 设结点 O下方的橡皮筋伸长下方的橡皮筋伸长量为量为x， 由平衡条件可知， 由平衡条件可知 kx 1.6kx，解得，解得 x1.6x，所以当，所以当 O 点下方的橡皮筋伸长量为点下方的橡皮筋伸长量为 1.6x 时
10、，可验证力的平行四边形定则。若重物质量为时，可验证力的平行四边形定则。若重物质量为 m，则结点，则结点 O 下方的橡下方的橡 皮筋受到的拉力为皮筋受到的拉力为Fmg， 由， 由Fkx， 解得橡皮筋的劲度系数， 解得橡皮筋的劲度系数k5mg 8x 。 (2)由于实验操作存在误差，所以由于实验操作存在误差，所以 L1不一定等于不一定等于 L2，方向也不一定，方向也不一定相同，相同， 选项选项 D 正确。正确。 答案：答案：(1)1.6x 5mg 8x (2)D 3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
11、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、。 在坐标纸上作出在坐标纸上作出 1 cos - l 图像如图乙所示。 图像如图乙所示。 完成下列填空：完成下列填空： (1)已知重力加速度为已知重力加速度为 g，当橡皮筋与，当橡皮筋与 OA0间的夹角为间的夹角为 时，橡皮筋所受时，橡皮筋所受 的拉力的拉力 T 的大小为的大小为_。(用用 g
12、、m、 表示表示) (2)取取 g10 m/s2，由图乙可得橡皮筋的劲度系数，由图乙可得橡皮筋的劲度系数 k_N/m，橡皮，橡皮 筋的原长筋的原长 l0_m。(结果均保留两位有效数字结果均保留两位有效数字) 解析：解析：(1)对结点受力分析，根据共点力平衡可知对结点受力分析，根据共点力平衡可知 mgTcos ，解得，解得 T mg cos 。 。 (2)在竖直方向， 合力为零， 则在竖直方向， 合力为零， 则 k(ll0)cos mg， 解得， 解得 1 cos k mg(l l0)， 故图像斜率故图像斜率 k k mg，由图像可知 ，由图像可知 kmgk1.0102 N/m；由图像可知；由图
13、像可知， 1 cos 1 即即 0 时，时， l0.22 m， 此， 此时时 k(ll0)mg， 解得原长， 解得原长 l00.21 m。 答案：答案：(1) mg cos (2)1.0 102 0.21 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
14、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：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，故速度，故 vd t 。 由匀变速直线运动速度位移公式有由匀变速直线运动速度
15、位移公式有2gL0d 2 t2 ，解得，解得 d2 2gLt2。 。 (2)A 经过光电门的速度为经过光电门的速度为 vA d t0。 。 由匀变速直线运动速度位移公式有由匀变速直线运动速度位移公式有2gs1vA2d 2 t2 0 ， A 与与 B 碰撞前的速度为碰撞前的速度为 vA d2 t2 0 2gs1； 同理可得碰撞后同理可得碰撞后 A、B 的共同速度为的共同速度为 vAB 2gs2。 若若 A、B 系统碰撞时满足动量守恒定律，则系统碰撞时满足动量守恒定律，则 MvA(mM)vAB，即，即 M d2 t2 0 2gs1 Mm2gs2。 答案：答案：(1)d t d2 2t2gL (2)
16、M d2 t2 0 2gs1 Mm2gs2 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，通过调整
17、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。 示例示例 2 (2019 高考全国卷高考全国卷)某小组利用图某小组利用图(a)所示的电路， 研究硅二极所示的电路， 研究硅二极 管在恒定电流条件下的正向电压管在恒定电流条件下的正向电压 U 与温度与温度 t 的关系， 图中的关系， 图中和和为理想为理想 电压表；电压表；R 为滑动变阻器，为滑动变阻器，R0为定值电阻为定值电阻(阻值阻值 100 )；S 为开
18、关，为开关，E 为为 电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度 t 由温度计由温度计(图中未图中未 画出画出)测出。图测出。图(b)是该小组在恒定是该小组在恒定电流电流为为 50.0 A 时得到的某硅二极管时得到的某硅二极管 U- t 关系曲线。回答下列问题：关系曲线。回答下列问题： (1)实验中，为保证流过二极管的电流为实验中，为保证流过二极管的电流为 50.0 A，应调节滑动变阻器，应调节滑动变阻器 R， 使电压表使电压表的示数为的示数为 U1_mV；根据图；根据图(b)可知，当控温炉内的可知，当控温炉内的 温度温度 t 升高时，硅二极管
19、正向电阻升高时，硅二极管正向电阻_(选填选填“变大变大”或或“变小变小”)，电，电 压表压表示数示数_(选填选填“增大增大”或或“减小减小”)，此时，此时应将应将 R 的滑片向的滑片向 _(选填选填“A”或或“B”)端移动，以使端移动，以使示数仍为示数仍为 U1。 (2)由图由图(b)可以看出可以看出 U 与与 t 成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器，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该硅二极管的测温灵敏度为 U t _10 3 V/ (保留两位有效保留两位有效 数字数字)。 解析解析 (1) 、是理想电压表，则是理想电压表，则 R0与硅二极管串联，电流相等
20、，与硅二极管串联，电流相等， R0两端电压两端电压 U1IR050.010 6 100 V5.0010 3 V 5.00 mV。 由由 U- t 图像知，控温炉内温度升高时，图像知，控温炉内温度升高时，U2变小，又变小，又 I50.0 A 不变，故不变，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，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，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；要保持示数增大；要保持示数不变，需增大滑动变阻器的阻值，即滑片向示数不变，需增大滑动
21、变阻器的阻值，即滑片向 B 端移动。端移动。 (2)由由 U- t 图像的斜率可知图像的斜率可知 U t 0.44 0.30 8030 V/2.810 3 V/ 。 答案答案 (1)5.00 变小变小 增大增大 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
22、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
23、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：解析：(3)由题知由题知 RTakt，由闭合电路的欧姆定律可得，由闭合电路的欧姆定律可得 I E RRT E Rakt。 。 (4)由上式可知，温度越高由上式可知，温度越高，电流表中的电流值越小，则低温刻度在表盘，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。匀的。 答案：答案：(3) E
24、 Rakt (4)右 右 不均匀不均匀 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：电动势大小约5 V B电流表A：量程为30 mA C电阻箱R：可调范围0到999 D未知电阻Rx：数量级102 E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) 甲甲 乙乙 (2)如果电源的内阻不能忽略，则能否用图甲的电路测量出如果
25、电源的内阻不能忽略，则能否用图甲的电路测量出 Rx？ _(选填选填“能能”或或“不能不能”)。若能请写出表达式， 若不能请说明理。若能请写出表达式， 若不能请说明理 由：由：_ _。 解析：解析：(1)采用甲电路，根据闭合电路欧姆定律得采用甲电路，根据闭合电路欧姆定律得 EI(RRx) 变形得变形得1 I 1 ER Rx E 如果采用乙电路如果采用乙电路 EI R Rx RRx 1 I 与 与 R 不成线性关系，所以选电路图甲；不成线性关系，所以选电路图甲； 图像斜率代表图像斜率代表 1 E，纵轴截距代表 ，纵轴截距代表Rx E ，可得，可得 E4.0 V，Rx2.0102 。 (2)如果电源
26、内阻不能忽略，则可以把如果电源内阻不能忽略，则可以把 Rx和电源内阻和电源内阻 r 等效成一个电阻，等效成一个电阻， 只能求出只能求出 Rxr 的值，无法单的值，无法单独求出独求出 Rx。 答案：答案：(1)甲甲 4.0 2.0102 (2)不能不能 可以把可以把 Rx和内阻和内阻 r 等效成一个电等效成一个电 阻，只能求出阻，只能求出 Rxr 的值，无法单独求出的值，无法单独求出 Rx 7某同学利用如图所示的电路可以测量多个物理量。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
27、999.9 )，电压表V(内阻约为2 k)，电流表A(内阻约为2 )，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
28、_。 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)由于电流计由于电流计G的示数为的示数为0， 在步骤， 在步骤中， 通过电压表的电流中， 通过电压表的电流IVI1U1 r1 ， 电压表的内阻为电压表的内阻为 RVU1 IV U1r1 I1r1U1；左、右两个电源两极间的电压相等， ；左、右两个电源两极间的电压相等， U1I1(r2RA)，得电流表内阻为，得电流表内阻为 RAU1 I1 r2。 (3)根据闭合电路欧姆定律得根据闭合电路欧姆定律得 EU1I1r，EU2I2r，解得，解得 E I2U1I1U2 I2I1 ，rU 1 U2 I2I1 。 答案：答案：(1)AB (2) U1r1 I1r1U1 U1 I1 r2 (3)I 2U1 I1U2 I2I1 U1U2 I2I1
