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专项练3　应用性与创新性实验
1.(2020·江苏卷,11)疫情期间“停课不停学”,小明同学在家自主开展实验探究。用手机拍摄物体自由下落的视频,得到分帧图片,利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度,实验装置如图1所示。
(1)家中有乒乓球、小塑料球和小钢球,其中最适合用作实验中下落物体的是　　　　　　。?
(2)下列主要操作步骤的正确顺序是　　　 　　。(填写各步骤前的序号)?
①把刻度尺竖直固定在墙上
②捏住小球,从刻度尺旁静止释放
③手机固定在三角架上,调整好手机镜头的位置
④打开手机摄像功能,开始摄像
(3)停止摄像,从视频中截取三帧图片,图片中的小球和刻度如图2所示。已知所截取的图片相邻两帧之间的时间间隔为16 s,刻度尺的分度值是1 mm,由此测得重力加速度为　　　 m/s2。?
(4)在某次实验中,小明释放小球时手稍有晃动,视频显示小球下落时偏离了竖直方向。从该视频中截取图片,　　　(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度。?
2.(2020·上海杨浦区一模)学生实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图(a)所示,某组同学在一次实验中,选择DIS以图象方式显示实验的结果,所显示的图象如图(b)所示。图象的横轴表示小球距D点的高度h,纵轴表示小球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。试回答下列问题:
(1)在图(a)所示的实验装置中,固定于小球下端、宽度为Δs,且不透光的薄片J是　　　　,传感器K的名称是　　　　　　　　　　。?
(2)在图(b)所示的图象中,表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是　 　　　　　　　(按顺序填写相应图线所对应的文字)。?
(3)根据图(b)所示的实验图象,可以得出的结论是 ?
　。?
3.用如图所示的多用电表测量电阻,要用到选择开关K和两个部件S、T。请根据下列步骤完成电阻测量:
(1)旋动部件　　　　,使指针对准电流的“0”刻线。?
(2)将K旋转到功能区“Ω”的“×100”挡的位置。
(3)将插入“+”“-”插孔的表笔短接,旋动部件　　　　,使指针对准电阻的　　　　(选填“0刻线”或“∞刻线”)。?
(4)将两表笔分别与待测电阻相接,发现指针偏转角度过小,为了得到比较准确的测量结果,请从下列选项中挑出合理的步骤,并按　　　　的顺序进行操作,再完成读数和测量。?
A.将K旋转到电阻挡“×1 k”的位置
B.将K旋转到电阻挡“×10”的位置
C.将两表笔分别与被测电阻的两根引线相接
D.将两表笔短接,旋动合适部件,对电表进行校准
4.(2017·江苏卷,11)某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图(甲)所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。继电器的电阻约为20 Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示。
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1
(1)提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)、电源E2(6 V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500 Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9 Ω)、开关S、导线若干。
为使该装置实现对30～80 ℃之间任一温度的控制,电源E应选用
　　　　(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用　　　　(选填“R1”或“R2”)。?
(2)实验发现电路不工作。某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图(乙)所示的选择开关旋至　　　　(选填“A”“B”“C”或“D”)。?
(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查,在图(甲)中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针　　　　(选填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针　　　　(选填“偏转”或“不偏转”)。?
(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50 ℃时被吸合,下列操作步骤正确顺序是　　　　。(填写各步骤前的序号)?
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关,将电阻箱从电路中移除
④合上开关,调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1 Ω
5.霍尔效应是电磁基本现象之一,近期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性进展。如图(甲)所示,在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,在M、N间出现电压UH,这种现象称为霍尔效应,UH为霍尔电压,且满足UH=kIBd,式中d为薄片的厚度,k为霍尔系数。某同学通过实验测定该半导体薄片的霍尔
系数。
(1)若该半导体材料是空穴(可视为带正电粒子)导电,电流与磁场方向如图(甲)所示,该同学用电压表测量UH时,应将电压表的“+”接线柱与　　　　(选填“M”或“N”)端通过导线连接。?
(2)已知薄片厚度d=0.40 mm。该同学保持磁感应强度B=0.10 T不变,改变电流I的大小,测量相应的UH值,记录数据如表所示。
I(×10-3A)
3.0
6.0
9.0
12.0
15.0
18.0
UH(×10-3V)
1.1
1.9
3.4
4.5
6.2
6.8
根据表中数据在图(乙)给定坐标纸上画出UHI图线,利用图线求出该材料的霍尔系数为　　　　　　　　×10-3 V·m·A-1·T-1(保留两位有效数字)。?
(3)该同学查阅资料发现,使半导体薄片中的电流反向再次测量,取两个方向的测量的平均值,可以减小霍尔系数的测量误差,为此该同学设计了如图(丙)所示的测量电
路。S1、S2均为单刀双掷开关,虚线框内为半导体薄片(未画出)。为使电流自Q端流入,P端流出,应将S1掷向　　　　(选填“a”或“b”),S2掷向　　　　(选填“c”或“d”)。?
为了保证测量安全,该同学改进了测量电路,将一合适的定值电阻串联在电路中。在保持其他连接不变的情况下,该定值电阻串接在相邻器件　　　　与　　　　(填器件代号)之间。?
6.(2019·
北京卷,23)电容器作为储能器件,在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为C的电容器充电,无论采用何种充电方式,其两极间的电势差u随电荷量q的变化图象都相同。
(1)请在图1中画出上述uq图象。类比直线运动中由vt图象求位移的方法,求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep。
(2)在如图2所示的充电电路中,R表示电阻,E表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电,对应的qt曲线如图3中①②所示。
a.①②两条曲线不同是　　　　(选填“E”或“R”)的改变造成的;?
b.电容器有时需要快速充电,有时需要均匀充电。依据a中的结论,说明实现这两种充电方式的途径。
(3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电,可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程,填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)。
“恒流源”
(2)中电源
电源两端电压
通过电源的电流
参考答案
1.解析:(1)根据题中提供的小球和测量要求可得出要使用小钢球进行实验,与乒乓球、小塑料球相比,小钢球下落相同高度获得的速度更大,可以减小实验误差。
(2)根据实验要求,可以得出先固定刻度尺,然后固定手机调好手机镜头位置,打开手机摄像功能进行摄像,最后捏住小球,使小球由静止下落,即步骤为①③④②。
(3)图2左侧图中小球上边缘的读数为2.00 cm,中间图中小球上边缘的读数为26.00 cm,右侧图中小球上边缘的读数为76.70 cm,由逐差法可得当地的重力加速度大小为g=76.70-26.00-(26.00-2.00)(16)?2×10-2 m/s2=9.6 m/s2。
(4)由于释放小球时手稍有晃动,小球偏离竖直方向,则小球做平抛运动,但竖直方向仍做自由落体运动,故能用(3)问中的方法测量重力加速度。
答案:(1)小钢球　(2)①③④②
(3)9.6　(4)仍能
2.解析:(1)不透光的薄片J是挡光片,传感器K的名称是光电门传
感器。
(2)距离D点的高度越高,重力势能越大,所以乙图线为重力势能Ep随h的关系图线;向D点运动的过程中,重力做正功,动能增加,即高度h越小,动能越大,则丙图线为动能Ek随h的变化图线,甲表示机械能E,动能和重力势能之和不变,所以甲表示机械能E随h变化的图线。
(3)根据甲图线知,在误差允许的范围内,在只有重力做功的情况下,小球的动能与重力势能相互转化,机械能守恒。
答案:(1)挡光片　光电门传感器
(2)乙、丙、甲
(3)在误差允许的范围内,在只有重力做功的情况下,小球的动能与机械能相互转化,机械能守恒
3.解析:多用电表测量电阻时,在测量之前要观察指针是否在中间刻度线“0”位置处,若指针不在零刻度线上,用螺丝刀小心转动定位螺丝S,使指针对准“0”刻线,然后转动选择开关K,指向“×100”挡,再将两表笔短接,调整调零旋钮T,使指针对准满偏刻度(即电阻的“0”刻线),接下来将两表笔的金属部分分别与被测电阻的两根引线相接,测量被测电阻的阻值。若在测量过程中,发现指针偏转角度过小,表明倍率选择偏小,这时要换用更高倍率的挡位,从“×100”挡位更换到“×1 k”的挡位,换挡后重新进行“欧姆调零”再进行
测量。
答案:(1)S　(3)T　0刻线　(4)ADC
4.解析:(1)如果电源用E1,则在t=30 ℃时电路中的最大电流Im=3199.5+20 A≈13.67 mA<15 mA,故不能实现对此温度的控制,因此电源应选用E2;为了在t=80 ℃时实现对温度的控制,设滑动变阻器阻值的最大值至少为R′,则6VR'+20Ω+49.1 Ω=0.015 A,解得R′=
330.9 Ω,因此滑动变阻器应选用R2。(2)要用多用电表的直流电压挡检测故障,应将选择开关旋至C。
(3)如果只有b、c间断路,说明b点与电源的负极间没有形成通路,a、b间的电压为零,电表接在a、b间时,指针不偏转;c点与电源的负极间形成通路,a与电源的正极相通,a、c间有电压,因此两表接入a、c间时指针发生偏转。
(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为 50 ℃ 时被吸合,应先断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,并将阻值调至108.1 Ω,合上开关,调节滑动变阻器的阻值,直至观察到继电器的衔铁被吸合,这时断开开关,将电阻箱从电路中移除,将热敏电阻接入电路。因此操作步骤的正确顺序是⑤④②③①。
答案:(1)E2　R2　(2)C
(3)不偏转　偏转
(4)⑤④②③①
5.解析:(1)由于可视为带正电粒子导电,正电荷向M端聚集,M端的电势高,故电压表的“+”接线柱与M端通过导线连接。
(2)作出UHI图线如图所示,
kBd=UHI=4.512.0,即k·0.100.40×10-3=4.512.0,
解得k=1.5×10-3 V·m·A-1·T-1。
(3)电流自Q端流入,P端流出,即Q端电势高,应将S1掷向b,S2掷向c;定值电阻应和电池串联保证测量安全,所以应串接在S1与E或S2与E之间。
答案:(1)M　(2)图见解析　1.5
(3)b　c　S1(或S2)　E
6.解析:(1)uq图线如图所示
电压为U时,电容器带电Q,图线和横轴围成的面积表示所储存的电能Ep
Ep=12QU,又Q=CU
故Ep=12CU2。
(2)a.由图象知,电容器充完电后,①②两次电荷量相等,说明两次电源电动势相等,Q=CU=CE。故①②两条曲线不同不是E的改变造成的,只能是R的改变造成的。
b.刚开始充电瞬间,电容器两端的电压为零,电路的瞬时电流为I=ER,故减小电阻R,刚开始充电瞬间电流I大,曲线上该点切线斜率大,即为曲线①。这样能在较短时间内,使电荷量达到最大,故可以实现对电容器快速充电。增大电阻R,刚开始充电瞬间电流I小,即为曲线②,该曲线接近线性,可以实现均匀充电。
(3)接(2)中电源时,由于忽略电源E的内阻,故电源两端电压不变。通过电源的电流I=E-UR,随着电容器两端电压U不断变大,通过电源的电流减小。
“恒流源”是指电源输出的电流恒定不变。接“恒流源”时,随着电容器两端电压的增大,“恒流源”两端电压增大。
答案:(1)uq图线见解析
Ep=12CU2　
(2)a.R　b.减小电阻R,可以实现对电容器更快速充电;增大电阻R,可以实现更均匀充电。
(3)
“恒流源”
(2)中电源
电源两
端电压
增大
不变
通过电源
的电流
不变
减小

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