1、 1 / 10 素养提升素养提升微微突破突破 20 探究探究性实验研究性实验研究 科学探究与创新意识 探究性实验 探究性实验科学探索不断前进的阶梯，敢于直面权威，提出自己的见解，不断探索才能进步，探究性 实验是高考的热点也是难点，控制变量是常用的探究实验方法。 【2019 新课标全国卷】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 50Hz 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
2、的夹角 =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 9.8 m/s2。可以计算出铁块与木板间的动 摩擦因数为 （结果保留 2 位小数）。 2 / 10 【答案】（1） sin cos ga g （2）0.35 【解析】（1）由 mgsin-mgcos=ma，解得：= sin cos ga g （2）由逐差法 a= III 2 9 SS T 得：SII=（76.39-31.83） 10-2 m，T=0.15 s，SI=（31.83-5.00
3、） 10-2m，故 a= 22 2 44.56 1026.83 10 9 10 m/s2=1.97 m/s2，代入式，得：= 1 9.81.97 2 3 9.8 2 =0.35 【素养解读】本题考查牛顿第二定律及考生的实验探究能力，体现了科学探究与科学推理的核心素养。 一、探究动能定理 【典例 1】 【2019 温州模拟】如图 1 所示，某同学在做“探究功与速度变化的关系”的实验。当小车在 1 条橡 皮筋的作用下沿木板滑行时，橡皮筋对小车做的功记为 W，当用 2 条、3 条、橡皮筋重复实验时，设 法使每次实验中橡皮筋所做的功分别为 2W、3W、。 (1)图 1 中电火花计时器的工作电压是_V
4、的交流电。 (2)实验室提供的器材如下：长木板、小车、橡皮筋、电火花计时器、纸带、电源等，还缺少的测量工 3 / 10 具是_。 (3)图 1 中小车上有一固定立柱，图 2 中给出了 4 种橡皮筋与立柱的套接方式，为减小实验误差，你认 为最合理的套接方式是_。 (4)在正确操作的情况下，某次实验所打的纸带如图 3 所示(电源频率为 50 Hz)。打在纸带上的点并不都 是均匀的， 为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度， 应选用纸带的_(选填“AJ”“AG”或“GJ”)部分 进行测量，小车获得的速度是_m/s(结果保留两位有效数字)。 【答案】(1)220 (2)刻度尺 (3)A (4)GJ 0.6
5、5 【解析】(1)电火花计时器的工作电压是 220 V 的交流电。 (2)处理实验数据时需要测量两计数点间的距离，因此还需要的器材是刻度尺。 (3)橡皮筋最合理的套接方式是 A，以 A 的方式套接释放小车后，橡皮筋不会影响小车的运动。 (4)由题图 3 的纸带可知，GJ 部分每两点间的距离相等，小车做匀速直线运动，因此应选用纸带的 GJ 部分；小车获得的速度 v x t 0.013 0 0.02 m/s0.65 m/s。 【素养解读】 本题考查“探究动能定理”的实验， 考查了学生的实验能力， 体现了科学思维中的科学推理要素， 渗透了实践的价值观念。 二、探究弹力与弹簧伸长关系 【典例 2】 【
6、2019 河北省承德一中模拟】 （1）实验小组在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，使用两条 不同的轻质弹簧 a 和 b，得到弹力与弹簧长度的图象如图所示。下列表述正确的是_； Aa 的原长比 b 的长 Ba 的劲度系数比 b 的大 4 / 10 Ca 的劲度系数比 b 的小 D测得的弹力与弹簧的长度成正比 （2）另一实验小组在在同一实验的研究性学习中，利用所学的知识解决了如下问题：一轻质弹簧竖直 悬挂于某一深度为 h=35.0 cm，且开口向下的小筒中（没有外力作用时弹簧的下端位于筒内，用测力计 可以同弹簧的下端接触） ，如图甲所示，若本实验的长度测量工具只能测量露出筒外弹簧的长度 l，现
7、 要测出弹簧的原长 l0和弹簧的劲度系数，该同学通过改变 l 而测出对应的弹力 F，作出 F-l 图象如图乙 所示，则弹簧的劲度系数为 k =_N/m，弹簧的原长 l0=_cm 【答案】 （1）B （2）200 25 【解析】 （1）在图象中横截距表示弹簧的原长，故 a 的原长比 b 的短，故 A 错误； 在图象中斜率表示 弹簧的劲度系数 k，故 a 的劲度系数比 b 的大，故 B 正确、C 错误；弹簧的弹力满足胡克定律，弹力与 弹簧的形变量成正比，故 D 错误，故选 B。 （2） 根据胡克定律 F 与 l 的关系式为： F=k （l+h-l0） =kl+k （h-l0） ， 从图象中可得直线
8、的斜率为 2 N/cm， 截距为 20 N，故弹簧的劲度系数为：k=2 N/cm=200 N/m；由 k（h-l0）=20 N；于是：l0=25 cm。 【素养解读】本题考查“探究弹力和弹簧伸长量的关系”，考查了考生的实验分析及探究能力，体现了科学探 究、科学推理的素养要素。 1 【2019 广东省揭阳市高三模拟】某实验小组采用图甲所示的装置“探究动能定理”即探究小车所受合外力 做功与小车动能的变化之间的关系。该小组将细绳一端固定在小车上，另一端绕过定滑轮与力传感器、 重物相连。实验中，小车在细绳拉力的作用下从静止开始加速运动，打点计时器在纸带上记录小车的运 动情况，力传感器记录细绳对小车的拉
9、力大小。 5 / 10 （1） 实验中为了把细绳对小车的拉力视为小车的合外力， 要完成的一个重要步骤是_； （2）若实验中小车的质量没有远大于重物的质量，对本实验_影响（填“有”或“没有”） ； （3）实验时，下列物理量中必须测量的是_。 A长木板的长度 L B重物的质量 m C小车的总质量 M （4）实验中，力的传感器的示数为 F，打出的纸带如图乙。将打下的第一个点标为 O，在纸带上依 次取 A、B、C 三个计数点。已知相邻计数点间的时间间隔为 T，测得 A、B、C 三点到 O 点的距离分 别为 x1、x2、x3。则从打 O 点到打 B 点过程中，探究结果的表达式是：_ （用题中所给字母表示
10、） 。 2 【2019 新疆自治区新疆兵团第二师华山中学模拟】某同学利用图甲所示的实验装置，探究加速度与力、 质量的关系。实验中打点计时器电源的频率为 50 Hz。 （1）实验过程中，某同学发现操作有误，当砝码盘及砝码下降一段时间后，赶紧用手托住砝码盘，小车 继续拖着纸带在木板上运动，但没有到达滑轮处。打出的纸带如图乙所示，从纸带上点迹分析，该同学 在实验操作中发现的问题可能是_。 （2）图乙中，相邻两计数点间的时间间隔为 0.1 s。则计数点 3 对应的速度大小是_，小车减速运动过 程中加速度的大小是_。 （结果保留两位有效数字） （3）该实验中，改变拉力或小车质量后，在实际操作过程中，对小
11、车所放的位置、接通电源与放开小车 的先后顺序及小车运动的控制等描述，你认为正确的是_。 A小车应尽量远离打点计时器，先放开小车后接通电源，在小车到达滑轮前按住小车 B小车应尽量靠近打点计时器，先接通电源后放开小车，让小车一直到与滑轮相撞为止 C小车应尽量靠近打点计时器，先接通电源后放开小车，在小车到达滑轮前按住小车 D小车应尽量放在打点计时器与滑轮的中间，先接通电源后放开小车，在小车到达滑轮前按住小车 6 / 10 3 【2019 北京卷】用图 1 所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。 主要实验步骤如下： a安装好实验器材。接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次。 b选出一
12、条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点 O（t=0） ，然后每隔相同的时间间隔 T 选 取一个计数点，如图 2 中 A、B、C、D、E、F所示。 c通过测量、计算可以得到在打 A、B、C、D、E点时小车的速度，分别记作 v1、v2、v3、v4、v5 d以速度 v 为纵轴、时间 t 为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图 3 所示。 结合上述实验步骤，请你完成下列任务： （1）在下列仪器和器材中，还需要使用的有_和_(填选项前的字母)。 A电压合适的 50 Hz 交流电源 B电压可调的直流电源 C刻度尺 D秒表 E天平(含砝码) 7 / 10 （2）在图 3 中已标出计数点 A、B、D
13、、E 对应的坐标点，请在该图中标出计数点 C 对应的坐标点，并 画出 vt 图象。 （3）观察 vt 图象，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是_。vt 图象斜率的物理意 义是_。 （4）描绘 vt 图象前，还不知道小车是否做匀变速直线运动。用平均速度 x t 表示各计数点的瞬时速 度，从理论上讲，对 t 的要求是_（选填“越小越好”或“与大小无关”)；从实验的角度看，选取的 x 大小与速度测量的误差_(选填“有关”或“无关”)。 （5）早在 16 世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的。当时只能靠滴水计时，为此 他设计了如图 4 所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜
14、想。请你结合匀变速直线运动的知 识， 分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的_。 8 / 10 1 （1）平衡摩擦力 （2）没有 （3）C （4） 2 2 31 1 22 X XX FM T 【解析】 （1）小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力，要使细线的拉力等于其合力，则 应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力； （2）由于有力传感器测量绳的拉力，则没必要使小车质量远大于重物和力传感器的总质量，即对实 验没有影响； （3）由题可知，小车的合力即力传感器的示数，由纸带可求得小车运动某段距离时对应的速度，由 原理 22 0 11 22 F xMvMv 合 ，所以一
15、定要测量的物理量为小车的质量，故 C 正确； （4）从打 O 点到打 B 点的过程中，拉力对小车做的功 2 WFx，B 点的速度 31 2 B xx v T ，小车动 能的增加量 2 2 31 k 11 222 B xx EMvM T ，探究结果的表达式是： 2 31 2 1 22 xx FxM T 。 2 （1）没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 （2）0.30 m/s 0.40 m/s2 （3）C 【解析】 （1）由题意知，第 5 点以后，间距是逐渐减小的，显然小车在做减速直线运动，则小车是未平 衡摩擦力或平衡不足； （2）根据匀变速直线运动的推论，则有打下 3 点的速度 2 324 2.51
16、 3.5110 0.30 2 0.1 vv m/s，根据 匀变速直线运动的推论公式 2 xaT ，得： 2 75 22 3.41 4.2010 0.40 22 01 xx a T m/s2，则加速度 的大小为 0.40 m/s2； （3）根据打点计时器的使用要求，就先通电再释放小车，且小车应尺量靠近打点计时器，C 合理。 3 （1）A C （2）如图所示： 9 / 10 （3）小车的速度随时间均匀变化 加速度 （4）越小越好 有关 （5）如果小球的初速度为 0，其 速度vt，那么它通过的位移 xt2。因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球 的速度是否随时间均匀变化。 【解析】
17、 （1）打点计时器需用交流电源；为了计算速度需要利用刻度尺测量长度。故需要的仪器选 AC （2）利用所给点迹描点连线，得图象 其中 C 点的横坐标为 3T，纵坐标为 3 v （3）结合图象可以看出小球速度随时间均匀变化，所以小球做匀加速运动，图象的斜率代表了运动时 的加速度； （4）t越小，则 x t 越接近计数点的瞬时速度，所以t越小越好，计算速度需要用到x的测量值， 所以x大小与速度测量的误差有关。 （5）如果小球的初速度为 0，其速度vt，那么它通过的位移 xt2。因此，只要测量小球通过不同 位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。 （要检验小球的速度是随时间均匀变化 的，可以检验小球运动位移与时间的平方成正比，利用滴水可以得到小球的运动时间，并测出小球在 10 / 10 相应时间内的位移，则可以验证。 ）
