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(共58张PPT)
第一阶段　突破核心　升华思维
专题六　实验与探究
微专题7　力学和电学创新拓展类实验
考向1　力学创新拓展类实验问题及解题思路
(1)力学实验题的创新主要体现在对教材实验的改编、拓展或延伸，核心原理为：
①以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和动力学定律设计实验。
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，融入到实验的综合分析之中。
(2)力学创新实验的解法为：
①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。
②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。
(3)题型一：实验器材的等效与替换
①特点：实验装置、器材变化，但实验原理、方法等不变。
②创新形式：
Ⅰ、用气垫导轨代替长木板：应调整导轨水平，不必平衡阻力。
Ⅱ、用光电门、频闪相机代替打点计时器。
Ⅲ、用电子秤、力传感器或已知质量的钩码等代替弹簧测力计。
(4)题型二：实验结论的拓展与延伸
①特点：实验的装置、器材等不变，但实验目的变了。利用所测数据，求另一物理量或验证另一个物理规律。
②创新形式：
Ⅰ、由测量加速度延伸为测量动摩擦因数，通过研究纸带、频闪照片或光电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的阻力或小车与木板间的动摩擦因数。
Ⅱ、由测量加速度延伸为测量交流电的频率。
(5)题型三：实验情境的设计与创新
①特点：用学过的物理规律和实验方法设计或解答新情境实验。
②创新形式：
Ⅰ、利用平抛运动探究功与速度变化的关系。
Ⅱ、利用钢球摆动验证机械能守恒定律。
Ⅲ、利用凹形桥模拟器测小车过桥最低点的速度。
Ⅳ、利用能量守恒定律测动摩擦因数。
Ⅴ、利用运动公式解决新情境实验。
[典例1]　(2024·湖南卷)在太空，物体完全失重，无法用天平测量质量。如图(a)，某同学设计了一个动力学方法测量物体质量的实验方案，主要实验仪器包括：气垫导轨、滑块、轻弹簧、标准砝码、光电计时器和待测物体，主要步骤如下：
(1)调平气垫导轨，将弹簧左端连接气垫导轨左端，右端连接滑块；
(2)将滑块拉至离平衡位置20 cm处由静止释放，滑块第1次经过平衡位置处开始计时，第21次经过平衡位置时停止计时，由此测得弹簧振子的振动周期T；
(3)将质量为m的砝码固定在滑块上，重复步骤(2)；
(4)依次增加砝码质量m，测出对应的周期T，实验数据如下表所示，在图(b)中绘制T 2-m关系图线；
m/kg T/s T2/s2
0.000 0.632 0.399
0.050 0.775 0.601
0.100 0.893 0.797
0.150 1.001 1.002
0.200 1.105 1.221
0.250 1.175 1.381
见解析图
(5)由T2-m图像可知，弹簧振子振动周期的平方与砝码质量的关系是________(选填“线性的”或“非线性的”)；
(6)取下砝码后，将待测物体固定在滑块上，测量周期并得到T2＝0.880 s2，则待测物体质量是________kg(保留三位有效数字)；
(7)若换一个质量较小的滑块重做上述实验，所得T2-m图线与原图线相比将沿纵轴________(选填“正方向”“负方向”或“不”)移动。
线性的
0.120
负方向
[解析]　(4)将题表中的数据在题图(b)中进行描点，然后用直线拟合，使尽可能多的点在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线两侧，偏离直线较远的点舍去，如图所示。
(5)由于T2-m图像为一条直线，则弹簧振子振动周期的平方与砝码质量的关系是线性的。
(6)根据(4)中图像可知T2＝0.880 s2时，m＝0.120 kg。
(7)当m＝0时，T2为滑块对应的弹簧振子振动周期的平方，由(4)中图像可知物体的质量越大，对应的弹簧振子的振动周期越大，所以质量较小的滑块对应的弹簧振子的振动周期较小，故换一个质量较小的滑块重做实验，所得T2-m图线与原图线相比将沿纵轴负方向移动。
考向2　电学创新拓展类实验问题及解题思路
1．电学实验常见创新角度
(1)对实验原理的创新考查：在高考的电学实验中，并不仅仅测量电阻的阻值或测量电源的电动势和内阻，有时可能会探究二极管的导电特性、电容器的充、放电规律等。处理此类问题时，首先要掌握被测实验器材的电学特性，其次要熟练把握控制电路、测量电路的特点。
(2)对实验器材的创新考查：在测量电表的内阻时，要把电表当作能读数的电阻，充分利用待测电表自身的测量功能，即电流表可测量通过自身的电流，电压表可测量自身两端的电压，不需要其他的电表来测量。
(3)对数据处理的创新考查：在实验中，数据处理的常用方法有公式法、列表法、图像法、逐差法等，恰当的数据处理方法可以提高实验的准确程度、减少测量误差、节约解题时间。
2．求解电学创新型实验的基本思路
(1)找原型：根据题意找出题中实验在教材中的实验原型，并能准确、完整地重现出来。
(2)找差别：将题中所提供的实验器材与原型中的器材进行对比，找出不同点，这往往是解题的“金钥匙”。
(3)定方案：通过与原实验的对比来确定需要测量的物理量，进而确定实验设计方案与实验步骤。
[典例2]　(2024·广东茂名统考一模)国家政策规定：驾驶人血液中酒精浓度在0.2～0.8 mg/mL范围内为酒驾，达到0.8 mg/mL或以上为醉驾。某兴趣小组同学想组装一个酒精浓度测试仪，其中用到一种酒精传感器的电阻Rx随酒精浓度的变化规律如图(a)所示。酒精浓度测试仪的调试电路如图(b)所示。提供的器材有：
A．酒精传感器Rx
B．直流电源(电动势为8 V，内阻不计)
C．电压表(量程为0～6 V，内阻非常大)
D．电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)
E．定值电阻R(阻值为10.0 Ω)
F．单刀双掷开关一个，导线若干
(1)按下列步骤进行调试：
①电路接通前，先将电阻箱调为40.0 Ω，然后开关向________(选填“a”或“b”)端闭合，将电压表此时指针对应的刻度线标记为________ mg/mL(保留两位有效数字)；
②逐步减小电阻箱的阻值，电压表的示数不断________(选填“变大”或“变小”)，按照图(a)数据将电压表上“电压”刻度线标为对应的“酒精浓度”；
③将开关向另一端闭合，测试仪即可正常使用。
b
0.10
变大
(2)将调试好的酒精浓度测试仪进行酒精浓度测量，当电压表读数为1.6 V，则测量的酒精浓度______(选填“有”或“没有”)达到醉驾标准。
(3)使用一段时间后，由于电源的电动势略微变小，内阻变大，导致酒精浓度的测量结果________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
没有
偏小
[解析]　(1)①本实验采用等效替代法，用电阻箱的阻值替代传感器的电阻Rx，故应先将电阻箱调到40.0 Ω，结合电路，开关应向b端闭合；由题图(a)可知Rx＝40 Ω时，酒精浓度为0.10 mg/mL。
②逐步减小电阻箱的阻值，定值电阻上的分压变大，电压表的示数不断变大。
(2)电压表读数为1.6 V，所以U＝E＝1.6 V，解得Rx＝40 Ω，通过题图(a)可知，此时的酒精浓度为0.10 mg/mL，没有达到醉驾标准。
(3)使用一段时间后，由于电源的电动势略微变小，内阻变大，电路中电流将减小，电压表示数将偏小，故酒精浓度的测量结果将偏小。
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(高考新动向·源于教材讨论与交流)(2024·湖南常德12月模拟预测)电子体温计如图(a)所示，正在逐渐替代水银温度计。电子体温计中常用的测温元件是热敏电阻。某物理兴趣小组制作一简易电子体温计，其原理图如图(b)所示。
(1)兴趣小组测出某种热敏电阻的I-U图像如图(c)所示，那么他们选用的应该是图________(选填“甲”或“乙”)电路；
乙
(2)现将上述测量的两个相同的热敏电阻和定值电阻、恒压电源组成如图(d)所示的电路，电源电动势为6 V，内阻不计，定值电阻R0＝200 Ω， 热敏电阻消耗的电功率为__________ W(结果保留3位有效数字)；
1.44×10-2
(3)热敏电阻的阻值随温度的变化如图(e)所示，在设计的如图(b)所示的电路中，已知电源电动势为5.0 V(内阻不计)，电路中二极管为红色发光二极管，红色发光二极管的启动(导通)电压为3.0 V，即发光二极管两端电压U≥3.0 V时点亮，同时电铃发声，红色发光二极管启动后对电路电阻的影响不计。实验要求当热敏电阻的温度高于38.5 ℃时红灯亮且铃响发出警报，其中电阻________(选填“R1”或“R2”)为定值电阻，其阻值应调为________ Ω(结果保留2位有效数字)。
R2
60
[解析]　(1)由题图(c)可知电压从0开始变化，所以应选滑动变阻器分压式接法，则选用题图乙的电路图。
(2)设热敏电阻两端电压为U，通过热敏电阻的电流为I，根据闭合电路欧姆定律有E＝2U＋IR0，代入数据得U＝3－100I(V)，作出图线如图所示，图线交点表示此时热敏电阻的电压为2.4 V、电流为 6.0 mA，故电功率为P＝UI＝1.44×10-2 W。
(3)由于热敏电阻阻值随温度的升高而降低，要使发光二极管电压U≥3.0 V时点亮，则有R2分压随总电阻的减小而增大，串联电路中的电压之比等于电阻之比，所以R1为热敏电阻，R2为定值电阻，由题图(e)可知，当温度为38.5 ℃时，热敏电阻阻值R1＝40.0 Ω，由闭合电路欧姆定律列出表达式，有＝，解得R2＝60 Ω。
2
4
1
3
题号
5
1．某同学设计了实验验证力的平行四边形定则，实验步骤如下：①用天平测得物块A的质量为m；②如图甲两根竖直杆相距为D，用长为L的不可伸长的轻绳，穿过光滑的轻质动滑轮，动滑轮下端连接物体A，轻绳两端分别固定在杆上P、Q两点，在轻绳的左端
连接力传感器，力传感器所受重力忽略不计。改变
物块A的质量m，记录力传感器的示数F，重力加速
度为g。
微专题突破练(七)
6
2
4
1
3
题号
5
(1)要验证力的平行四边形定则，力传感器的示数F与物块A的质量m满足关系式_________________(用题中给出的物理量表示)。
(2)轻绳的Q端沿杆向上移动到Q′，力传感器的示数________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
6
F＝
不变
2
4
1
3
题号
5
(3)某同学改变物块A的质量，作F-m的图像，如图乙，图像的斜率为k，但是他忘记了记录间距D的大小，可否利用图乙和已知物理量求出D？并说明原因：_________________(L，k，g已知)。
6
可以，理由见解析
2
4
1
3
题号
5
[解析]　(1)如图所示，设定滑轮处为O点，PO段绳子长度为l1，QO段绳子长度为l2，PO和QO与竖直方向的夹角为θ。
6
由几何关系可知l1sin θ＋l2sin θ＝D，又l1＋l2＝L，得sin θ＝，由平衡条件可得2F cos θ＝mg，又sin2θ＋cos2θ＝1，得F＝。
2
4
1
3
题号
5
(2)由(1)分析可知，轻绳的Q端沿杆向上移动到Q′，L不变，D不变，力传感器的示数不变。
(3)可利用题图乙和已知物理量求出D。原因如下：
由(1)可知F＝，F-m的图像斜率为k，则k＝，解得D＝L。
6
2
4
1
3
题号
5
2．(2024·四川南充12月检测)在“验证动量守恒定律”的实验中，某同学用如图所示的装置进行了如下的操作：
6
2
4
1
3
题号
5
①先调整斜槽轨道，使其末端的切线水平，在一块平木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a从斜槽轨道上固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O；
②将木板向右平移适当的距离，再使小球a从原固定点由静止释放，撞在木板上并在白纸上留下痕迹B；
6
2
4
1
3
题号
5
③保证木板的位置不变，把半径相同的小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上并在白纸上留下痕迹A和C；
④用刻度尺测量白纸上O点到A、B、C三点的距离分别为y1、y2和y3。
6
2
4
1
3
题号
5
(1)两小球的质量关系ma________(选填“>”“<”或“＝”)mb。
(2)碰撞后，小球b落点的痕迹是________(选填“A”或“C”)。
(3)上述实验除需要测量白纸上O点到A、B、C三点的距离外，还需要测量的物理量有________。
A．木板向右移动的距离L B．小球a和小球b的质量ma、mb
C．A、B两点间的高度差Δh D．小球a和小球b的半径r
(4)用本实验中所测得的物理量来验证两小球碰撞过程动量守恒，其表达式为_______________________。
6
>
A
B
＝
2
4
1
3
题号
5
[解析]　(1)为防止两球碰撞后入射球反弹，入射球的质量应大于被碰球的质量，即ma>mb。
(2)根据题意可知，碰后小球b速度大，根据x＝vt，h＝gt2可知，小球b下落距离小，所以落点的痕迹为A。
6
2
4
1
3
题号
5
(3)根据(2)分析，可知v＝x，则碰撞前小球a的速度大小v0＝x，碰撞后小球a的速度大小v1＝x，碰撞后小球b的速度大小v2＝x，若两球碰撞过程系统动量守恒，以向右为正方向，则有mav0＝mav1＋mbv2，整理得＝，所以还需要测量的物理量有小球a和小球b的质量ma、mb。故选项B正确。
(4)验证两小球碰撞过程动量守恒，其表达式为＝。
6
2
4
1
3
题号
5
3．(2024·湖北卷)某同学设计了一个测量重力加速度大小g的实验方案，所用器材有2g砝码若干、托盘1个、轻质弹簧1根、米尺1把、光电门1个、数字计时器1台等。具体步骤如下：
①将弹簧竖直悬挂在固定支架上，弹簧下面挂上装有遮光片的托盘，在托盘内放入一个砝码，如图(a)所示；
6
2
4
1
3
题号
5
②用米尺测量平衡时弹簧的长度l，并安装光电门；
③将弹簧在弹性限度内拉伸一定长度后释放，使其在竖直方向振动；
④用数字计时器记录30次全振动所用的时间t；
⑤逐次增加托盘内砝码的数量，重复②③④的操作。
该同学将振动系统理想化为弹簧振子。已知弹簧振子的振动周期T＝2π，其中k为弹簧的劲度系数，M为振子的质量。
6
2
4
1
3
题号
5
(1)由步骤④，可知振动周期T＝________。
(2)设弹簧的原长为l0，则l与g、l0、T的关系式为l＝_____________。
(3)由实验数据作出的lT2图线如图(b)所示，可得g＝___________________m/s2
(保留三位有效数字，π2取 9.87)。
(4)本实验的误差来源包括________(多选，填标号)。
A．空气阻力
B．弹簧质量不为0
C．光电门的位置稍微偏离托盘的平衡位置
6
l0＋T 2
9.65(9.55～9.75均可)
AB
2
4
1
3
题号
5
[解析]　(1)由于30次全振动所用的时间为t，则1次全振动的时间即振动周期T＝。
(2)弹簧振子平衡时，由力的平衡条件有k(l－l0)＝Mg，又T＝2π，联立可得l＝l0＋T2。
(3)结合(2)问分析可知lT2图线的斜率k＝，由题图(b)可知k＝ m/s2，联立解得g≈9.65 m/s2。
6
2
4
1
3
题号
5
(4)空气阻力会使本实验中的振动系统做阻尼振动，即本实验中的振动系统并不是理想化的弹簧振子，而本实验中是将振动系统理想化为弹簧振子，从而测出重力加速度的，所以空气阻力是本实验的一个误差来源，A正确；(2)问分析中将弹簧振子的质量等效为托盘及砝码的总质量，但是实际上弹簧振子的质量为弹簧的质量和托盘及砝码的总质量之和，所以弹簧质量不为零是本实验的一个误差来源，B正确；由于数字计时器记录的是30次全振动的时间，所以光电门的位置只要在托盘经过的位置均可，即光电门的位置稍微偏离托盘的平衡位置不是本实验的误差来源，C错误。
6
2
4
1
3
题号
5
4．(2024·河南统考一模)学生小组用放电法测量电容器的电容，所用器材如下：
电池(电动势3 V，内阻不计)；
待测电容器(额定电压5 V，电容值未知)；
微安表(量程0～200 μA，内阻约为1 kΩ)；
滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)；
电阻箱R1、R2、R3、R4(最大阻值均为9 999.9 Ω)；
定值电阻R0(阻值为5.0 kΩ)；
单刀单掷开关S1、S2，单刀双掷开关S3；
计时器；
导线若干。
6
2
4
1
3
题号
5
(1)小组先测量微安表内阻，按图(a)连接电路。
(2)为保护微安表，实验开始前S1、S2断开，滑动变阻器R的滑片应置于________(选填“左”或“右”)端。将电阻箱R1、R2、R3的阻值均置于1 000.0 Ω，滑动变阻器R的滑片置于适当位置。保持R1、R3阻值不变，反复调节R2，使开关S2闭合前后微安表的示数不变，则P、Q两点的电势________(选填“相等”或“不相等”)。记录此时R2的示数为1 230.0 Ω，则微安表的内阻为________ Ω。
6
左
相等
1 230.0
2
4
1
3
题号
5
(3)按照图(b)所示连接电路，电阻箱R4阻值调至615.0 Ω，将开关S3掷于位置1，待电容器充电完成后，再将开关S3掷于位置2，记录微安表电流I随时间t的变化情况，得到如图(c)所示的图像。当微安表的示数为100 μA时，通过电阻R0的电流是________ μA。
6
300
2
4
1
3
题号
5
(4)图(c)中每个最小方格面积所对应的电荷量为_________ C。某同学数得曲线下包含150个这样的小方格，则电容器的电容为___________ F。(计算结果均保留两位有效数字)
6
3.2×10-6
4.8×10-4
2
4
1
3
题号
5
[解析]　(2)为保护微安表，实验开始前S1、S2断开，滑动变阻器R的滑片应置于左端。由题知，使开关S2闭合前后微安表的示数不变，则说明P、Q两点的电势相等。根据电桥平衡可知，此微安表的内阻为1 230.0 Ω。
(3)由于微安表与R4并联，则当微安表的示数为100 μA时，R4分担的电流为I4＝＝ A＝0.2 mA。则通过电阻R0的电流I总＝I4＋I＝300 μA。
6
2
4
1
3
题号
5
(4)图(c)中每个最小方格面积所对应的电荷量为q＝8 μA×0.4 s＝3.2 μC＝3.2×10-6 C。则150个这样的小方格为通过微安表的总电荷量Q＝n×q＝150×3.2×10-6 C＝4.8×10-4 C。而微安表改装后流过R0的电流是微安表示数的3倍，则根据电容的定义式可知电容器的电容为C＝＝ F＝4.8×10-4 F。
6
2
4
1
3
题号
5
5．(2024·湖南卷)某实验小组要探究一金属丝的阻值随气压变化的规律，搭建了如图(a)所示的装置。电阻测量原理如图(b)所示，E是电源， 为电压表， 为电流表。
6
2
4
1
3
题号
5
(1)保持玻璃管内压强为1个标准大气压，电流表示数为100 mA，电压表量程为0～3 V，表盘如图(c)所示，示数为___________________V，此时金属丝阻值的测量值R为______________________Ω(保留三位有效数字)。
(2)打开抽气泵，降低玻璃管内气压p，保持电流I不变，读出电压表示数U，计算出对应的金属丝阻值。
(3)根据测量数据绘制R-p关系图线，如图(d)所示。
6
1.25(1.24～1.26均可)
12.5(12.4～12.6均可)
2
4
1
3
题号
5
(4)如果玻璃管内气压是0.5个标准大气压，保持电流为100 mA，电压表指针应该在图(c)指针位置的________(选填“左”或“右”)侧。
(5)若电压表是非理想电压表，则金属丝电阻的测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
6
右
小于
2
4
1
3
题号
5
[解析]　(1)由电压表读数规则可知题图(c)的示数为(1＋0.10×2.5)V＝1.25 V；根据题图(b)由欧姆定律可知R＝＝ Ω＝12.5 Ω。
(4)玻璃管内气压降低到0.5个标准大气压，由题图(d)可知金属丝的阻值增大，又保持电流为100 mA，所以电压表示数增大，即电压表指针应该在题图(c)指针位置的右侧。
(5)若电压表是非理想电压表，则流过金属丝的电流的测量值偏大，由欧姆定律可知金属丝的电阻的测量值小于真实值。
6
2
4
1
3
题号
5
6．伏安法测电阻无论是外接法还是内接法，由于电压表的分流或电流表的分压作用，都会引起系统误差。若采用如图甲所示的电路进行电流补偿，在保持滑动变阻器R的滑片不动的情况下，通过调节滑动变阻器RP的滑片，可使电流计G的读数为0。
6
2
4
1
3
题号
5
(1)分析此电路能有效消除系统误差的原因：①当电流计G的读数为0时，a、b两点的电势________(选填“相等”或“不相等”)，所以电压表V的读数就是________(选填“RP”或“Rx”)上的电压；②因电流计G中无电流通过，所以电流表A的读数就是流过______的电流，这样就消除了由于____________(选填“电压表分流”或“电流表分压”)而产生的系统误差。
6
相等
Rx
Rx
电压表分流
2
4
1
3
题号
5
(2)本实验采用的电源电动势为3.0 V，内阻约为 0.2 Ω，电流表A(量程为0～250 mA，内阻为 1.0 Ω)，若待测电阻Rx的阻值约为10 Ω，电压表V1(量程为0～3 V，内阻约为5 kΩ)，电压表V2(量程为0～5 V，内阻约为2 kΩ)，则电压表应选用________(填符号)；滑动变阻器R1(0～1 000 Ω，允许通过的最大电流为1.0 A)和滑动变阻器R2(0～20 Ω，允许通过的最大电流为3.0 A)，应选________(填符号)作为RP较适宜。
6
V1
R2
2
4
1
3
题号
5
(3)正确连接电路后，闭合开关S前，滑动变阻器R的滑片应置于________(选填“最左端”“最右端”或“中间位置”)。逐渐向另一端移动滑动变阻器R的滑片以实现多次测量，每次都反复调节滑动变阻器RP的滑片，使电流计G的读数为零，测得多组数据如下表所示。请在图乙中的坐标纸上描出各点，并作出U-I关系曲线，可求出电阻Rx＝____ Ω。
6
电压U/V 1.0 1.2 1.4 1.8 2.1 2.4
电流I/mA 101 118 149 182 210 241
最右端
图见解析
10
2
4
1
3
题号
5
[解析]　(1)①当电流计G的读数为0时，a、b两点的电势相等，所以电压表V的读数就是待测电阻Rx两端的电压。②电流表A的读数就是流过Rx的电流，这样就消除了由于电压表V分流而产生的系统误差。
(2)因电源电动势为3.0 V，Rx两端的电压不会超过3.0 V，所以电压表选用V1即可，两个滑动变阻器的允许通过的最大电流都能满足实验要求，Rx阻值约为10 Ω，选用总电阻较小的滑动变阻器更便于调节，所以选用R2。
6
2
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1
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题号
5
(3)闭合开关S前，滑动变阻器R的滑片应置于使待测电路所分得的电压为最小值的一端，所以这里的滑片应置于最右端；根据表格中的数据，描点并作出U-I关系曲线如图所示；
Rx＝ Ω＝10 Ω。
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