2022届高三物理二轮复习卷：实验题专题练习（六）

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一、实验探究题
1．（2021高三上·潍坊期中）如图甲所示，某实验小组为了测量滑块和倾角为 θ 的斜面间的动摩擦因数，进行了如下实验：
①刻度尺平行斜面固定，光电门安装在斜面下端并与数字计时器相连；
②用游标卡尺测得滑块宽度d；
③使滑块静置于斜面上某处，从刻度尺上读出滑块中心到光电门中心的距离L，释放滑块，数字计时器记录滑块通过光电门的遮光时间 Δt ；
④改变滑块释放位置，重复实验，可测得多组数据。
（1）某同学用游标卡尺测滑块的宽度，卡尺的刻度如图乙所示，则滑块的宽度d为 cm；
（2）某同学实验中，光电门中心与刻度尺上 52cm 刻度线对齐，某次实验中滑块释放位置如图丙所示，则本次实验中测得的距离L为 cm；
（3）滑块通过光电门的速度表示为 dΔt ，由此计算得出的速度比滑块中心与光电门中心重合时速度 （填“偏大”或“偏小”）；
（4）某同学利用测得的数据做出了 (dΔt)2−L 图像，并得出图像的斜率为k，已知重力加速度为g，则滑块和斜面间的动摩擦因数为 （用相关物理量的字母表示）。
【答案】（1）1.650
（2）47.075
（3）偏小
（4）tanθ−k2gcsθ
【考点】滑动摩擦力
【解析】【解答】（1）由图知，滑块的宽度为1.6cm+0.05×10mm=1.650cm
（2）滑块中心到光电门中心的距离 L=52cm-(4.10cm+1.6502cm)=47.075cm
（3）滑块通过光电门的速度表示为 dΔt ，此速度是滑块通过光电门过程时间中点的瞬时速度即为 v1+v22 ，而滑块中心与光电门中心重合时的速度为这段过程位移中点的瞬时速度 v22+v122 ，可见计算得出的速度比滑块中心与光电门中心重合时速度偏小。
（4）根据牛顿第二定律 mgsinθ−μmgcsθ=ma
根据速度位移公式 (dΔt)2=2aL
整理得 (dΔt)2=2g(sinθ−μcsθ)L
故 (dΔt)2−L 图像斜率 k=2g(sinθ−μcsθ)
μ=tanθ−k2gcsθ
【分析】（1）根据刻度尺的读数规律进行读出滑块的宽度；
（2）根据刻度尺读出滑块中心到光电门中心的距离；
（3）根据中间时刻的瞬时速度以及位移中点速度的表达式进行分析判断两种速度的大小关系；
（4）根据牛顿第二定律以及匀变速直线运动的速度与位移的关系得出(dΔt)2−L的表达式，从而得出动摩擦因数的表达式。
2．（2021高三上·潍坊期中）某研究小组用如图所示的装置做“验证力的平行四边形定则”实验，实验步骤如下：
①用两个相同的弹簧测力计互成角度拉细绳套，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，记为 O1 ，并记录两个弹簧测力计的拉力 F1 和 F2 的大小和方向；
②只用一个弹簧测力计，将结点仍拉到位置 O1 ，记录弹簧测力计的拉力 F3 的大小和方向；
③按照力的图示要求，作出拉力 F1 、 F2 、 F3 ；
④根据力的平行四边形定则作出 F1 和 F2 的合力F；
⑤比较 F3 和F的一致程度。
（1）用两个弹簧测力计拉橡皮条，下列说法中正确的是_____
A．系在橡皮条末端的两细绳要一样长
B．应使橡皮条与两细绳夹角的平分线在同一直线上
C．两细绳的方向应与纸面平行
D．为了便于计算合力大小，两绳间夹角应取 30° 、 45° 、 90° 等特殊角度
（2）实验记录纸如图所示，两弹簧测力计共同作用时，拉力 F1 和 F2 的方向分别过 P1 和 P2 点；两个力的大小分别为： F1=3.00N ， F2=3.50N ，请根据图中给出的标度作出 F1 和 F2 的合力F；
（3）进行步骤①时，结点位置不变且保持 F1 方向不变，改变 F2 的大小和方向，则 F2 最小时其方向为 。
【答案】（1）C
（2）
（3）与 F1 方向垂直
【考点】验证力的平行四边形定则
【解析】【解答】（1）A．系在橡皮条末端的两细绳主要作用是能显示力的方向，不必要等长，A不符合题意；
B．不需要橡皮条与两细绳夹角的平分线在同一直线上，B不符合题意；
C．本实验是通过在白纸上作力的图示来验证平行四边形定则，为了减小实验误差，弹簧秤、细绳、橡皮条都应与纸面平行，否则，作出的是拉力在纸面上的分力，误差较大，C符合题意；
D．将结点拉到同一位置即可，两绳间夹角不必取特殊值，D不符合题意。
故答案为：C。
（2）根据平行四边形定则，作图如下
（3）由几何关系可知， F2 最小时其方向与 F1 方向垂直。
【分析】（1）根据 “验证力的平行四边形定则”实验 原理以及注意事项判断正确的选项；
（2）根据平行四边形进行画图；
（3）根据几何关系得出 F2和 F1的方向关系。
3．（2021高三上·临沂期中）某实验小组根据所提供的实验器材改进了利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”实验，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一带有刻度尺的倾斜气垫导轨，导轨上A点处有一带遮光条的长方形滑块，用天平测得其总质量为m。定滑轮与拉力传感器之间的细绳是竖直的，定滑轮与滑块之间的细绳平行于气垫导轨。实验步骤如下：
①用游标卡尺测出遮光条的宽度d；
②安装好实验器材，给气垫导轨接上气源，然后读出拉力传感器的示数F，同时从气垫导轨刻度尺上读出遮光条中心与光电门之间的距离L；
③烧断拉力传感器与滑块之间的细绳，让滑块滑向光电门，并利用连接光电门的数字计时器记录遮光条通过光电门的时间t；
④多次改变滑块与光电门之间的距离，每次实验测量相应的L与t值，填入相应的表格中。
试回答下列问题（均用题中所给物理量字母表示）：
（1）滑块通过光电门时的速度 v= ；
（2）本实验中需验证关系式 成立，即可验证滑块沿斜面下滑过程中机械能守恒；
（3）小组同学根据测得的L与t的值，用描点法作出如图乙所示的 L−1t2 图像，图像为过原点的一条倾斜直线，若该直线的斜率 k= ，则可说明小球下落过程中机械能守恒。
【答案】（1）dt
（2）FL=md22t2
（3）md22F
【考点】验证机械能守恒定律
【解析】【解答】(1)由于遮光条的宽度d很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度，滑块通过光电门的速度为 v=dt
(2)滑块从A处到达光电门的动能增加量为 ΔEk=12mv2=md22t2
拉力传感器的示数F，则 F=mgsinθ
滑块下落高度 h=Lsinθ=FLmg
滑块重力势能减小 ΔEp=mgh=FL
若机械能守恒，则 FL=md22t2
(3)由 FL=md22t2
可得 L=md22F×1t2
则直线的斜率 k=md22F
【分析】（1）根据短时间内的平均速度等于瞬时速度滑块通过光电门的速度；
（2）根据动能的表达式以及重力做功与重力势能变化量得出所要验证的表达式；
（3）根据验证的表达式得出L与时间平方倒数的关系，结合图像得出该直线的斜率。
4．（2021高三上·商河月考）一细而均匀的导电材料，截面为同心圆环，如图1所示，此材料长约3cm，电阻约为100Ω，已知这种材料的电阻率为ρ。欲测量该样品的内径，但内径太小，无法直接测量。除待测导电材料（用R2表示）外，现提供以下实验器材：
A．20分度的游标卡尺
B．螺旋测微器；
C．电流表A1（量程50mA，内阻r1=10Ω）
D．电流表A2（量程100mA，内阻r2约为40Ω）；
E.定值电阻R0=90Ω
F.滑动变阻器R1（0～10Ω，额定电流2A）；
G.直流电源E（电动势为10V，内阻很小）；
H.开关一只，导线若干。
请用上述器材设计一个尽可能精确地测量该样品内径d的实验方案，回答下列问题：
（1）用游标卡尺测得该样品的长度如图2所示，其示数L= cm，用螺旋测微器测得该样品的外径如图3所示，其示数D= mm。
（2）为了多测几组数据，请将你设计的实验测量电路图画在图4的虚线框内（所需仪器在题中给的器材中选取，用常用的电路符号代替）。
（3）为了得到样品的内径d，实验中还需要得到的一组测量值是 （用字母表示且要说明相应字母的含义）。
（4）用已知的物理量字母和所测得的物理量的字母表示样品的内径d= 。
【答案】（1）3.015；3.204~3.206
（2）
（3）A1电流表的示数为I1，A2电流表的示数为I2
（4）D2−4ρL(I2−I1)πI1(r1+R0)
【考点】测定金属的电阻率
【解析】【解答】（1）游标卡尺读数为L=30mm+3×0.05mm=30.15mm=3.015cm
螺旋测微器测得该样品的外径d=3.0mm+20.5×0.01mm=3.205mm（3.204mm～3.206mm）
（2）因两个电流表中，A2电流表的满偏电流大于A1电流表的满偏电流，所以A1电流表放在支路中，A2电流表放在干路中；A1电流表内阻为定值，A1电流表两端的最大电压为 Um=I1mr1=0.5V
故将A1电流表与定值电阻 R0 串联，改成大量程的电压表，此时最大的电压为 U′m=Im(R0+r1)=5V
A1电流表与定值电阻 R0 串联后，再与待测材料并联，最后与A2电流表串联，又因滑动变阻器阻值太小应用分压式接法，可设计电路图如图所示
（3）实验中还需要得到的一组测量值是：A1电流表示数为I1，A2电流表示数为I2；
（4）由欧姆定律可得待测电阻阻值 R=I1(r1+R0)I2−I1
由电阻定律 R=ρLS
S=14π(D2−d2)
解得样品的内径 d=D2−4ρL(I2−I1)πI1(r1+R0)
【分析】（1）根据游标卡尺的读数规律进行读数；根据螺旋测微器的读数规律读出示数；
（2）根据电路中电流的的大小选择电流表；因为滑动变阻器的阻值太小，应用分压式的解法，画出设计的实验电路图；
（4）根据欧姆定律以及电阻定律求出样品的内径。
5．（2021高三上·深圳月考）某同学为了测量一根铅笔芯的电阻率，设计了如图所示的电路测量该铅笔芯的电阻值。所用器材有电流表 A1 、 A2 ，电阻箱 R1 、滑动变阻器 R2 、待测铅笔芯 R1 、电源E、开关S及导线等。操作步骤如下：调节滑动变阻器和电阻箱的阻值达到最大；闭合开关，适当调节滑动变阻器和电阻箱的阻值；记录两个电流表 A1 、 A2 的示数分别为 I1 、 I2 。
请回答以下问题：
（1）在测量笔芯的直径时，先将笔芯轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间，再旋动 （选填“A”“B”或“C”），直到听到“喀喀”的声音，以保证压力适当，同时防止螺旋测微器的损坏。选择笔芯的 （选填“同一”或“不同”）位置进行多次测量，取其平均值作为笔芯的直径。某次用螺旋测微器测量笔芯直径的结果如图所示，其读数是 mm。
（2）若电流表的内阻可忽略，则电流表示数 I2= I1 时，电阻箱的阻值等于待测笔芯的电阻值。
【答案】（1）C；不同；1.000
（2）0.5
【考点】电阻的测量
【解析】【解答】（1）在测量笔芯的直径时，先将笔芯轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间，再旋动C，直到听到“喀喀”的声音，以保证压力适当，同时防止螺旋测微器的损坏。选择笔芯的不同位置进行多次测量，取其平均值作为笔芯的直径；
由图乙所示螺旋测微器可知，其示数为：1mm+0.0×0.01mm=1.000mm；
（2）由图甲所示电路图可知，电阻箱与铅笔芯并联，忽略电流表内阻，当电阻箱阻值与铅笔芯电阻相等时，流过两支路的电流相等，即I2=IRx
由并联电路规律可知I1=I2+IRx
则I2=0.5I1
【分析】（1）在测量笔芯直径时，应该旋动C，直到听到喀喀的声音；还要选择笔芯不同位置进行测量；利用螺旋测微器的可动刻度和固定刻度读出对应的读数；
（2）利用并联电路的规律结合电阻的关系可以判别两个电流表的读数大小关系。
6．（2021高三上·河北月考）LED 灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。某实验小组探究 LED 灯的伏安特性曲线，实验需要灯两端的电压从零开始调节。如图甲所示，该小组已连接好部分导线，请在答题卡的图中完成电路剩余部分的连接 。如图乙为该实验小组通过数据采集及处理系统等得到的 LED 灯的伏安特性曲线，当 LED 灯两端电压为2.800V时，灯的功率为 W。（结果保留2位有效数字）
【答案】；0.070
【考点】描绘小电珠的伏安特性曲线
【解析】【解答】要求灯两端的电压从零开始调节，所以滑动变阻器应分压式接在电路中，电路图连接如图所示
结合图像可知，当 LED 灯两端电压为2.800V时，通过灯的电流为 25.00mA ，则此时灯的功率为0.070W。
【分析】由于要求其灯电压从0开始测量其滑动变阻器使用分压式接法；利用图像可以求出电流和电压的大小，利用电流和电压可以求出灯的功率大小。
7．（2021高三上·渭南月考）某科技小组的同学通过查找资料动手制作了一个电池，他们想测定该电池的电动势与内阻。
（1）张同学选用图甲所示电路测量该电池的电动势与内阻。由于电压表的分流，电池电动势的测量值 真实值，内阻的测量值 真实值。（均选填“大于”、“等于”或“小于”）
（2）李同学选用图乙所示的电路测量该电池的电动势与内阻。他正确连接好电路，闭合开关 S ，逐次改变电阻箱接入电路中的阻值 R ，读出与 R 对应的电压表的示数 U ，根据得到的多组实验数据绘出 1U-1R 图像如图丙所示。若图线的斜率为 k ，图线在纵轴上的截距为 b ，则李同学测得电池的电动势 E= ，内阻 r= 。
【答案】（1）小于；小于
（2）1b；kb
【考点】测电源电动势和内阻
【解析】【解答】（1）电源的电动势在数值上等于外电路断开（即电流表的示数为零）时的路端电压，在题图甲中，当电流表的示数为零时，由于电压表的电阻并非无穷大，电源与电压表构成通路，此时电路中会有微弱的电流，从而造成电池内电阻分压，所以电压表的示数小于电池的电动势，即电池电动势的测量值小于真实值。在这种情况下，所测得的电池内阻实际上是电压表内阻和电源内阻并联后的等效阻值，所以内阻的测量值也小于真实值。
（2）根据闭合电路的欧姆定律有 E=U+Ir=U+UR⋅r
整理得 1U=1E+rE⋅1R
故 1U-1R 图像的斜率为 k=rE
纵轴截距为 b=1E
解得 E=1b
r=kb
【分析】（1）根据测电动势的原理进行分析判断待测值与实际值之间的关系；
（2）根据闭合电路欧姆定律得出电压倒数与电阻倒数之间的关系，从而结合图像得出纵轴截距和斜率的意义，进一步得出电动势和内阻的表达式。’