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山东专用高考物理一轮复习专题十七实验_基础集训含解析
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专题十七 实验
备考篇
【考情探究】
课标解读
考情分析
备考指导
考点
内容
力学实验
1.通过实验,探究匀变速直线运动的特点
2.通过实验,了解力的合成规律
3.通过实验,探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系
4.通过实验,验证机械能守恒定律
力学实验:
①基本测量仪器的使用
②以纸带或光电门为主线的探究性实验
电学实验:
①电表的改装和读数
②多用电表的原理和使用
③以伏安法为代表的电阻的几种测量方法
④以伏安法为代表的电源电动势和内阻的测量
在复习备考中应深刻理解课本实验原理,体会实验思想,能根据基本实验原理,设计实验方案,并能对实验数据进行处理,进而得出实验结论。要知道系统误差与偶然误差,会分析误差来源,知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差,会用有效数字表达直接测量的结果,间接测量的运算结果
电学实验
1.测量金属丝的电阻率
2.用多用电表测量电学中的物理量
3.测量电源的电动势和内阻
选择性必
修实验
1.验证动量守恒定律
2.用单摆测量重力加速度
3.测量玻璃的折射率
4.用双缝干涉实验测量光的波长
5.用油膜法估测油酸分子的大小
【真题探秘】
命题立意
以生活中测量珠穆朗玛峰的高度为命题情境,实测当地重力加速度的大小,并根据2Lt-t图像考查此图像的斜率和截距代表的物理含义,山东卷考查测当地重力加速度的内容时多以实验题的形式出现,图像是常用载体,考查考生的实验探究能力和实验分析能力。
解题指导
抓住条件可知小物块做匀加速直线运动,根据匀变速直线运动的位移与时间的关系式,经过恒等变形得到2Lt-t的关系式,根据图线的截距和斜率分别代表的物理含义求解。
拓展延伸
由课本上的自由落体、单摆的实验测当地的重力加速度,拓展到创新型测当地的重力加速度问题。本题主要是考查测定重力加速度实验,要求能够理解实验原理和实验操作方法,知道数据的处理方法,注意图像的单位不要弄错!
基础篇
【基础集训】
考点一 力学实验
1.(2020山东济宁鱼台一中月考,13)某同学做验证向心力与线速度关系的实验。装置如图所示,一轻质细线上端固定在拉力传感器上,下端悬挂一小钢球。钢球静止时刚好位于光电门中央。主要实验步骤如下:
①用游标卡尺测出钢球直径d;
②将钢球悬挂静止不动,此时力传感器示数为F1,用米尺量出线长L;
③将钢球拉到适当的高度处释放,光电门计时器测出钢球的遮光时间为t,力传感器示数的最大值为F2;
已知当地的重力加速度大小为g,请用上述测得的物理量表示:
(1)钢球经过光电门时的线速度表达式v= ;向心力表达式F向=mv2R= 。
(2)钢球经过光电门时的所受合力的表达式F合= 。
(3)若在实验误差允许的范围内F向=F合,则验证了向心力与线速度的关系。该实验可能的误差有: 。
(写出一条即可)
答案 (1)dt F1d2gt2(L+d2) (2)F2-F1 (3)钢球遮光时间测量有误差
2.如图1所示,在水平放置的气垫导轨(能大幅度地减小摩擦阻力)上有一带有方盒的滑块,质量为M,气垫导轨右端固定一定滑轮,细线绕过滑轮,一端与滑块相连,另一端挂有6个钩码,设每个钩码的质量为m,且M=4m。
图1
(1)用游标卡尺测出滑块上的挡光片的宽度,读数如图2所示,则宽度d= cm;
图2
(2)某同学打开气源,将滑块由静止释放,滑块上的挡光片通过光电门的时间为t,则滑块通过光电门的速度为 (用题中所给字母表示);
(3)开始实验时,细线另一端挂有6个钩码,由静止释放后细线上的拉力为F1,接着每次实验时将1个钩码移放到滑块上的方盒中,当只剩3个钩码时细线上的拉力为F2,则F1 2F2(选填“大于”、“等于”或“小于”);
(4)若每次移动钩码后都从同一位置释放滑块,设挡光片距光电门的距离为L,悬挂着的钩码的个数为n,测出每次挡光片通过光电门的时间为t,测出多组数据,并绘出n-1t2图像,如图3所示,已知图线斜率为k,则当地重力加速度为 (用题中字母表示)。
图3
答案 (1)0.520 (2)dt (3)小于 (4)5d2kL
3.在“研究匀变速直线运动”的实验中,某同学选出了一条清晰的纸带,并取其中的A、B、C、D、E、F、G七个点进行研究,这七个点和刻度尺标度的对照情况如图所示。(打点计时器的频率为50 Hz)
(1)由图可以知道,A、B两点的时间间隔是 s,A点到D点的距离是 cm,D点到G点的距离是 cm;(小数点后保留2位)
(2)通过测量不难发现,(xBC-xAB)与(xCD-xBC)、(xDE-xCD)、…基本相等。这表明,在实验误差允许的范围之内,拖动纸带的小车做的是 运动;
(3)经过合理的数据处理后,可以求得加速度a= m/s2;(小数点后保留3位)
(4)还可以求出,打B点时小车的瞬时速度vB= m/s。(小数点后保留3位)
答案 (1)0.10 4.15(4.14~4.16) 6.48(6.45~6.49)
(2)匀加速(或匀变速)直线 (3)0.261(0.254~0.261)
(4)0.125(0.124~0.126)
4.如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个质量均为m的钩码探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。
(1)为完成实验,还需要的实验器材有: 。
(2)实验中需要测量的物理量有: 。
(3)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F-x图线,由此可求出弹簧的劲度系数为 N/m。图线不过原点是由于 。
(4)为完成该实验,设计实验步骤如下:
A.以弹簧伸长量为横坐标,以弹力为纵坐标,描出各组(x,F)对应的点,并用平滑的曲线连接起来;
B.记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度l0;
C.将铁架台固定于桌子上,并将弹簧的一端系于横梁上,在弹簧附近竖直固定一把刻度尺;
D.依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个、……钩码,并分别记下钩码静止时弹簧下端所对应的刻度,并记录在表格内,然后取下钩码;
E.以弹簧伸长量为自变量,写出弹力与伸长量的关系式;首先尝试写成一次函数,如果不行,则考虑二次函数;
F.解释函数表达式中常数的物理意义;
G.整理仪器。
请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来: 。
答案 (1)刻度尺 (2)弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度) (3)200 弹簧自身的重力 (4)CBDAEFG
5.[2020山东疫情开学后摸底(一),13]物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数,实验装置如图甲所示。一表面粗糙的木板固定在水平桌面上,一端装有定滑轮;木板上有一滑块,其一端与电磁打点计时器的纸带相连,另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接。打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz,开始实验时,在托盘中放入适量砝码,滑块开始向右运动,在纸带上打出一系列小点。
图甲
(1)图乙中给出的是实验中获取的一条纸带的一部分:0、1、2、3、4、5、6、7是计数点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),计数点间的距离如图乙所示。根据图中数据计算滑块的加速度a= m/s2(保留三位有效数字)。
图乙
(2)为测量动摩擦因数,还需要测量的物理量有 (填入所选物理量前的字母)。
A.木块的长度L
B.木板的质量m1
C.滑块的质量m2
D.托盘和砝码的总质量m3
E.滑块运动的时间t
(3)滑块与木板间的动摩擦因数μ= (用上述物理量的符号表示,重力加速度为g)。
答案 (1)0.497 (2)CD (3)m3g-(m2+m3)am2g
6.(2020山东济宁嘉祥一中模拟,13)某同学利用图甲所示的装置设计一个“用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系”的实验。如图中AB是水平桌面,CD是一端带有定滑轮的长木板,在其表面不同位置固定两个光电门,小车上固定着一挡光片。为了补偿小车受到的阻力,将长木板C端适当垫高,使小车在不受牵引时沿木板匀速运动。用一根细绳一端拴住小车,另一端绕过定滑轮挂一托盘,托盘中有一砝码,调节定滑轮的高度,使细绳的拉力方向与长木板的上表面平行,将小车靠近长木板的C端某位置由静止释放,进行实验。刚开始时小车的总质量远大于托盘和砝码的总质量。
图甲
图乙
(1)用游标卡尺测量挡光片的宽度d,如图乙所示,其读数为 cm;
(2)某次实验,小车先后经过光电门1和光电门2时,连接光电门的计时器显示挡光片的挡光时间分别为t1和t2,此过程中托盘未接触地面。已知两个光电门中心之间的间距为L,则小车的加速度表达式a= (结果用字母d、t1、t2、L表示);
(3)某同学在实验中保持小车总质量不变,增加托盘中砝码的个数,并将托盘和砝码的总重力当作小车所受的合力F,通过多次测量作出a-F图线,如图丙中实线所示。试分析上部明显偏离直线的原因是 。
图丙
答案 (1)0.170 (2)d2(t12-t22)2Lt12t22 (3)托盘和砝码的总质量过大,小车所受合力与托盘和砝码的总重力相差越来越大
7.(2020山东济宁实验中学开学考,15)在“验证机械能守恒定律”的实验中,A、B、C三名学生分别用同一装置打出三条纸带,量出各条纸带上第一、第二两点间的距离分别为0.17 cm,0.18 cm,0.27 cm,打点计时器所用电源频率为50 Hz,当地的重力加速度的值为9.80 m/s2,测得所用重物的质量为1.0 kg,可看出其中肯定有一个同学在操作上有错误,是 同学。
若按实验要求正确地选择出纸带进行测量,量得连续三点A、B、C到第一个点的距离如图所示(相邻计数点间的时间间隔为0.02 s),那么,
(1)打点计时器打下计数点B时,物体的速度vB= ;
(2)从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减小量是ΔEp= ,此过程中物体动能的增加量ΔEk= (g取9.8 m/s2);
(3)通过计算,数值上ΔEp ΔEk(填“>”、“=”或“<”),这是因为 。(结果保留三位有效数字)
答案 C (1)0.980 m/s (2)0.491 J 0.480 J (3)> 运动过程存在阻力
考点二 电学实验
1.(2020山东枣庄二调,14)如图甲所示,是一块厚度均匀、长宽比为5∶4的长方形合金材料薄板式电阻器,a、b和c、d是其两对引线,长方形在a、b方向的长度大于在c、d方向的长度。已知该材料导电性能各向同性。某同学想测定该材料的电阻率。他选取的器材有:①多用电表;②游标卡尺;③螺旋测微器;④学生电源;⑤电压表V(量程:3 V,内阻约为3 kΩ);⑥电流表A(量程:0.6 A,内阻约为0.2 Ω);⑦滑动变阻器R0(最大阻值10 Ω);⑧开关S、导线若干。
(1)用多用电表粗测该电阻器的电阻值。他首先调整多用电表“指针定位螺丝”,使指针指在零刻度;再将选择开关旋至电阻挡“×1”挡位,两支表笔金属部分直接接触,调整“欧姆调零旋钮”,使指针指向“0 Ω”。然后,用两支表笔分别连接电阻器的a、b引线,多用电表表盘指针位置如图乙所示。a、b两引线之间的电阻值R= Ω。
图甲
图乙
(2)用游标卡尺和螺旋测微器分别测量薄板的宽度和厚度,结果如图丙所示,则宽度L= mm,厚度D= mm。
图丙
(3)为了精确测定a、b两引线之间的电阻值R,该同学在图丁所示的实物中,已经按图丁中电路图正确连接了部分电路;请用笔画线代替导线,完成剩余电路的连接。
图丁
(4)若该同学保持电路不变,只将a、b引线改接为c、d引线,测量c、d之间的电阻值,则测量c、d之间电阻值的相对误差 (填“大于”、“小于”或“等于”)测量a、b之间电阻值的相对误差。
(5)计算该材料电阻率的表达式ρ= 。[式中用到的物理量的符号均要取自(1)(2)(3)问]
答案 (1)6 (2)50.60 1.200 (3)见解析
(4)小于 (5)45DR
2.(2020山东潍坊临朐模拟,14)要测绘一个标有“2.5 V 2 W”小灯泡的伏安特性曲线。己选用的器材有:
直流电源(3 V,内阻不计)
电流表A1(量程为0.6 A,内阻为0.6 Ω)
电流表A2(量程为300 mA,内阻未知)
电压表V(量程0~3 V,内阻约3 kQ)
滑动变阻器R(0~5 Ω,允许最大电流3 A)
开关、导线若干。
图甲
其实验步骤如下:
(1)由于电流表A1的量程偏小,小组成员把A1、A2并联后在接入电路,请按此要求用笔画线代表导线在实物图(图甲)中完成余下导线的连接。
(2)正确连接好电路,并将滑动变阻器滑片滑至最 端,闭合开关S,调节滑片,发现当A1示数为0.50 A时,A2的示数为200 mA,由此可知A2的内阻为 Ω。
(3)若将并联后的两个电流表当作一个新电表,则该新电表的量程为 A;为使其量程达到最大,可将图乙中 (选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)处断开后再串联接入一个阻值合适的电阻。
图乙
答案 (1)见解析 (2)右 1.5 (3)0.84 I
3.(2020山东枣庄滕州一中模拟,14)某同学用图甲电路做“测量电池的电动势和内阻”实验。可用的器材有:
A.电源(电动势约3 V,内阻约10 Ω)
B.电压表V(量程0~50 mV,内阻为50 Ω)
C.电流表A(量程0~100 mA,内阻约为2.5 Ω)
D.电阻箱R(0~999.9 Ω,最小改变值为0.1 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为2950 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为9950 Ω)
G.开关S及若干导线
在尽可能减小测量误差的情况下,请回答下列问题:
甲
乙
丙
(1)定值电阻应选用 ;(填写器材前面的字母序号)
(2)用笔画线代替导线,按图甲电路将图乙实物完整连接起来;
(3)实验步骤如下:
①闭合S,调节电阻箱的阻值使电流表的示数为100 mA,此时电阻箱的阻值为14.3 Ω,电压表的示数为U0;
②断开S,拆下电流表,将B与C用导线直接相连,闭合S,调节电阻箱的阻值使电压表的示数仍为U0,此时电阻箱的阻值为17.0 Ω,则电流表的内阻为 Ω;
③调节电阻箱阻值,记下电阻箱的阻值R1,电压表的示数U1;多次改变电阻箱的阻值,可获得多组数据。作出电压表示数的倒数1U随电阻箱的阻值的倒数1R的图线如图丙所示,若不考虑电压表对电路的影响,电池的电动势和内阻分别为 V、 Ω(结果保留三位有效数字)。
答案 (1)E (2)见解析
(3)2.7 2.90 12.0
4.在物理课外活动中,刘聪同学制作了一个简单的多用电表,如图甲为电表的电路图。已知选用的电流表内阻Rg=10 Ω、满偏电流Ig=10 mA,当选择开关接3时为量程0~250 V的电压表。该多用电表表盘如图乙所示,下排刻度均匀,C为上排刻度线的中间刻度,由于粗心,上排刻度线对应数据没有标出。
甲
乙
(1)若指针在图乙所示位置,选择开关接1时其读数为 mA;选择开关接3时其读数为 V。
(2)为了测该多用电表欧姆挡的电阻和表内电源的电动势,刘聪同学在实验室找到了一个电阻箱,设计了如下实验:
①将选择开关接2,红、黑表笔短接,调节R1的阻值使电表指针满偏;
②将电表红、黑表笔与电阻箱相连,调节电阻箱使电表指针指C处,此时电阻箱的示数如图丙,则C处刻度应为 Ω;
丙
③计算得到多用电表内电池的电动势为 V。(保留两位有效数字)
(3)调零后将多用电表红、黑表笔与某一待测电阻相连,若指针指在图乙所示位置,则待测电阻的阻值为 Ω。(结果保留两位有效数字)
答案 (1)6.9 173(172~174均可) (2)②150 ③1.5 (3)67
考点三 选择性必修实验
1.(2020山东德州模拟,13)用注射器和压力表来探究一定质量的气体发生等温变化时遵循的规律,实验装置如图甲所示,用活塞和注射器外筒封闭一定质量的气体,其压强可由左侧的压力表测得:
(1)实验时通过推拉活塞改变封闭气体的体积V和压强p,可得到多组关于V和p的数据。根据实验所测数据,若猜想在温度不变时V和p成反比,为了验证猜想是否正确可描点画图像,若图像的纵轴为p,则横轴应为 ;
(2)据(1)所作图像的形状若为图乙中实线所示,则造成图线形状这样弯曲的原因可能是 (填“活塞推拉过快”或“封闭气体有泄漏”)。
答案 (1)1V (2)封闭气体有泄漏
2.(2020山东济南一模,14)某实验小组用如图甲所示的实验装置进行“测量重力加速度”并“验证机械能守恒定律”两个实验。该小组把轻质细绳的一端与一个摆球相连,另一端系在力传感器的挂钩上,整个装置位于竖直面内,将摆球拉离竖直方向一定角度,由静止释放,与传感器相连的计算机记录细绳的拉力F随时间t变化的图线。
(1)首先测量重力加速度。将摆球拉离竖直方向的角度小于5°,让小球做单摆运动,拉力F随时间t变化的图线如图乙所示。
①由图乙可知该单摆的周期T约为 s(保留两位有效数字)。
②该小组测得该单摆的摆长为L,则重力加速度的表达式为 (用测量或者已知的物理量表示)。
(2)然后验证机械能守恒定律。将摆球拉离竖直方向较大角度后由静止释放,拉力F随时间t变化的图线如图丙所示。
①要验证机械能守恒,还需要测量的物理量是 。
②若图中A点的拉力用F1表示,B点的拉力用F2表示,则小球从A到B的过程中,验证机械能守恒的表达式为 (填表达式前的字母序号)。
A.12(F2-mg)=mg-F1
B.12(mg-F1)=F2-mg
C.F2-mg=mg-F1
答案 (1)①0.75 ②g=4π2LT2 (2)①摆球质量 ②A
3.[2020山东省实验中学模拟(三),14]如图所示,在测量玻璃折射率的实验中,两位同学先把方格纸固定在木板上。再把玻璃砖放在方格纸上,并确定a和b为玻璃砖的上下界面的位置。在玻璃砖的一刻插上两枚大头针P1和P2,再从玻璃砖的另一侧插上大头针P3和P4。请完成以下实验步骤:
(1)下列操作步骤正确的是 ;(填正确答案标号)
A.插上大头针P3,使P3挡住P2的像
B.插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像
C.插上大头针P4,使P4挡住P3的像
D.插上大头针P4,使P4挡住P3和P1、P2的像
(2)正确完成上述操作后,在纸上标出大头针P3、P4的位置(图中已标出),在图中作出完整的光路图。
(3)利用光路图计算此玻璃砖的折射率n= 。
答案 (1)BD (2)见解析 (3)102
综合篇
【综合集训】
拓展一 力学实验中纸带的处理
1.[2021届山东高三入学调研(一),13]如图甲所示,一条质量和厚度不计的纸带缠绕在固定于架子上的定滑轮上,纸带的下端悬挂一质量为m的重物,将重物由静止释放,滑轮将在纸带带动下转动。假设纸带和滑轮不打滑,为了分析滑轮转动时角速度的变化情况,释放重物前将纸带先穿过一电火花打点计时器,交变电流的频率为50 Hz,如图乙所示,通过研究纸带的运动情况得到滑轮角速度的变化情况。
图丙为电火花打点计时器打出来的纸带,取中间的一段,在这一段上取了7个计数点A、B、C、D、E、F、G,每相邻的两个计数点间有4个点没有画出,已知:其中x1=8.05 cm、x2=10.34 cm、x3=12.62 cm、x4=14.92 cm、x5=17.19 cm、x6=19.47 cm。
丙
(1)根据上面的数据,可以求出打D点时纸带的速度vD= m/s;(结果保留三位有效数字)
(2) 测出滑轮半径等于3.00 cm,则打下D点时滑轮的角速度为 rad/s;(结果保留三位有效数字)
(3)根据题中所给数据分析,在误差允许范围内,你认为滑轮的角速度随时间 增大(选填“均匀”或“不均匀”)。
答案 (1)1.38 (2)46.0 (3)均匀
2.[2020山东疫情开学模拟(二),13]用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。
图甲
图乙
(1)下列物理量需要测量的是 ,通过计算得到的是 。(填写代号)
A.重物质量
B.重力加速度
C.重物下落的高度
D.与下落高度对应的重物的瞬时速度
(2)设重物质量为m、打点计时器的打点周期为T、重力加速度为g。图乙是实验得到的一条纸带,A、B、C、D、E为相邻的连续点。根据测得的x1、x2、x3、x4写出重物由B点到D点势能减少量的表达式 ,动能增量的表达式 。由于重物下落时要克服阻力做功,所以该实验的动能增量总是 (选填“大于”“等于”或“小于”)重力势能的减少量。
答案 (1)C D (2)mg(x3-x1) mx4(x4-2x2)8T2 小于
拓展二 基本力学实验
1.某同学为了探究弹力与弹簧伸长量的关系,进行了下列操作。
(1)将弹簧悬挂在铁架台上,刻度尺固定在弹簧一侧。
(2)弹簧自然悬挂,待弹簧稳定时,长度记为L0,弹簧下端挂上砝码盘时,长度记为Lx;在砝码盘中每次增加10 g砝码,弹簧长度依次记为L1至L6,数据如下表所示:
代表符号
L0
Lx
L1
L2
L3
L4
L5
L6
数值(cm)
25.35
27.35
29.35
31.30
33.40
35.35
37.40
39.30
由上表可知所用刻度尺的分度值为 。
(3)下图是该同学根据表中数据作出的图像,纵轴表示砝码的质量,横轴表示弹簧长度与 的差值(填“L0”或“Lx”)。
(4)由图像可得,弹簧弹力与弹簧伸长量的关系为 。
(5)该弹簧的劲度系数为 N/m(重力加速度取10 m/s2,结果保留3位有效数字)。
答案 (2)1 mm (3)Lx (4)正比例关系 (5)5.00
2.(2020山东枣庄二调,13)某同学在“探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,把按控制变量法做的两个实验的数据都记录在下表中。数据是按加速度的大小排列的。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
F/N
0.29
0.14
0.29
0.19
0.24
0.29
0.29
0.29
0.34
m/kg
0.86
0.36
0.61
0.36
0.36
0.41
0.36
0.31
0.36
a/(m·s-2)
0.34
0.39
0.48
0.53
0.67
0.71
0.81
0.93
0.94
若利用表中数据探究物体运动的加速度与物体受力的关系,则选用物体的质量为m= ,请在本题给出的坐标中作出a-F图像。
答案 (1)0.36 kg (2)见解析
3.[2020山东高考押题预测(一),13]如图甲所示,一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球由A处从静止释放,下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门,测得A、B间的距离为H(H≫d),光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t,当地的重力加速度为g,则:
(1)如图乙所示,用游标卡尺测得小球的直径d= mm。
(2)小球经过光电门B时的速度表达式为v= 。
丙
(3)多次改变高度H,重复上述实验,作出1t2随H的变化图像如图丙所示,当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式 时,可判断小球下落过程中机械能守恒。
(4)实验中发现动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp,增大下落高度后,则ΔEp-ΔEk将 (选填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)7.25 (2)dt (3)d2=2gH0t02 (4)增大
拓展三 电学实验基本器材的原理及使用
1.(2019山东临沂第一次模拟)有一低电阻的螺线管Rx,已知螺线管的金属丝电阻率ρ=1.7×10-8 Ω·m。某活动小组的同学设计出如图甲所示的实验原理图来测算螺线管使用的金属丝长度。
甲 乙
(1)请根据实验原理图连接实物图。
(2)测螺线管Rx的阻值:闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数R1和对应的电流表示数I;再将S2切换到b,调节电阻箱,使电流表示数仍为I,读出此时电阻箱的示数R2。则螺线管电阻Rx的表达式为Rx= 。
(3)使用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图丙所示,则金属丝的直径为d= mm。
丙
(4)已知测得的螺线管电阻值为4.0 Ω,可估算出绕制这个螺线管所用金属丝的长度约为 m(结果保留3位有效数字)。
答案 (1)见解析 (2)R1-R2 (3)0.260(0.258~0.262)
(4)12.5(12.3~12.7)
2.[2020山东高考押题预测(一),14]图(a)为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。图中E是电池;R1、R2、R3、R4和R5是固定电阻,R6是可变电阻;表头的满偏电流为250 μA,内阻为480 Ω。虚线方框内为换挡开关,A端和B端分别与两表笔相连。该多用电表有5个挡位,5个挡位为:直流电压1 V挡和5 V挡,直流电流1 mA挡和2.5 mA挡,欧姆×100 Ω挡。
图(a)
图(b)
(1)图(a)中的A端与 (填“红”或“黑”)色表笔相连接。
(2)关于R6的使用,下列说法正确的是 (填正确答案标号)。
A.在使用多用电表之前,调整R6使电表指针指在表盘左端电流“0”位置
B.使用欧姆挡时,先将两表笔短接,调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置
C.使用电流挡时,调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置
(3)根据题给条件可得R1+R2= Ω,R4= Ω。
(4)某次测量时该多用电表指针位置如图(b)所示。若此时B端是与“1”相连的,则多用电表读数为 ;若此时B端是与“3”相连的,则读数为 ;若此时B端是与“5”相连的,则读数为 。(结果均保留3位有效数字)
答案 (1)黑 (2)B (3)160 880
(4)1.47 mA 1.10×103 Ω 2.95 V
拓展四 测量电阻与描绘小灯泡伏安特性曲线
[2020山东等级考预测(三),14]第34届全国青少年科技创新大赛于2019年7月20~26日在澳门举办,某同学为了测试机器人内部电动机的电阻变化,对一个额定电压为6 V,额定功率约为3.5 W小型电动机(线圈电阻恒定)的伏安特性曲线进行了研究,要求电动机两端的电压能从零逐渐增加到6 V,实验室备有下列器材:
图甲
A.电流表(量程Ⅰ:0~0.6 A,内阻约为1 Ω;量程Ⅱ:0~3 A,内阻约为0.1 Ω)
B.电压表(量程为0~6 V,内阻几千欧)
C.滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω,额定电流2 A)
D.滑动变阻器R2(最大阻值1750 Ω,额定电流0.3 A)
E.电池组(电动势为9 V,内阻小于1 Ω)
F.开关和导线若干
图乙
(1)实验中所用的滑动变阻器应选 (选填“C”或“D”),电流表的量程应选 (选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(2)请用笔画线代替导线将实物图甲连接成符合这个实验要求的电路。
(3)闭合开关,移动滑动变阻器的滑片P,改变加在电动机上的电压,实验中发现当电压表示数大于1 V时电风扇才开始转动,电动机的伏安特性曲线如图乙所示,则电动机线圈的电阻为 Ω,电动机正常工作时的输出机械功率为 W。(保留两位有效数字)
答案 (1)C Ⅰ (2)见解析 (3)2.5 2.6
拓展五 测电源的电动势和内阻
1.[2020山东等级考预测(一),14]某课外兴趣小组用铜片和锌片插入苹果中,组成了一个苹果电池,并用“测定电动势和内电阻”的实验方法测定该苹果电池的电动势和内电阻。实验前该小组同学通过上网查阅有关水果电池的资料获知:常见的水果电池的电动势一般在1 V左右,内阻一千欧姆左右。除了苹果电池以外,实验室还提供了如下器材:
①多用电表
②毫安表(量程0.6 mA,内阻几十欧)
③电压表(量程1.5 V,内阻约2 kΩ)
④滑动变阻器R1(阻值0~20 Ω)
⑤电阻箱R2(阻值0~9999.9 Ω)
⑥开关一个,导线若干
图甲
(1)实验前,晓明同学利用调好的多用电表欧姆“×100”挡来粗测该苹果电池的内阻,测量结果如图甲所示。他这样做是否正确?若正确,请读出其内阻值;若不正确,请说明理由。答: 。
(2)根据提供的器材,该小组设计了四种可能的测量电路,如下图所示,最合理的是 ( )
(3)根据最合理的测量电路,用铅笔划线代替导线将图乙中实物连接完整。 ( )
图乙
(4)该小组由实验数据作出的U-I图像如图丙所示,由图像可求得电源电动势为 V,内电阻为 kΩ。(结果保留两位小数)。
图丙
答案 (1)不正确,水果电池为电源,欧姆表不能直接测其内阻
(2)D
(3)见解析
(4)1.00(0.98~1.02) 1.00(0.98~1.02)
2.(2020山东日照一模,14)某同学要用电阻箱和电压表测量某水果电池组的电动势和内阻,考虑到水果电池组的内阻较大,为了提高实验的精度,需要测量电压表的内阻。实验室中恰好有一块零刻度在中央的双向电压表,该同学便充分利用这块表,设计了如图所示的实验电路,既能实现对该电压表内阻的测量,又能利用该表完成水果电池组电动势和内阻的测量。该同学用到的实验器材有:待测水果电池组(电动势约4 V、内阻约50 Ω),双向电压表(量程为2 V、内阻约为2 kΩ),电阻箱(0~9999 Ω),滑动变阻器(0~200 Ω),一个单刀双掷开关及若干导线。
(1)该同学按如图1所示电路图连线后,首先测量了电压表的内阻。请完善测量电压表内阻的实验步骤:
①将R1的滑动触片滑至最左端,将开关S拨向1位置,将电阻箱阻值调为0;②调节R1的滑动触片,使电压表示数达到满偏U;③保持R1不变,调节R2,使电压表的示数达到U3,读出电阻箱的阻值,记为R0,则电压表的内阻RV= 。
(2)若测得电压表内阻为2 kΩ,可分析此测量值应 (填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
(3)接下来测量电源的电动势和内阻,实验步骤如下:
①将开关S拨至 (填“1”或“2”)位置,将R1的滑片移到最 端,不再移动;
②调节电阻箱的阻值,使电压表的示数达到一合适值,记录电压表的示数和电阻箱的阻值;
③重复第二步,记录多组电压表的示数和对应的电阻箱的阻值。
(4)若将电阻箱与电压表并联后的阻值记录为R,作出1U-1R图像,如图2所示,其中纵轴截距为b,斜率为k,则电动势的表达式为 ,内阻的表达式为 。
答案 (1)R02 (2)大于 (3)①2 左 (4)E=1b r=kb
[教师专用题组]
【综合集训】
1.[2020浙江7月选考,17(1)]做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图1甲是教材中的实验方案;图1乙是拓展方案,其实验操作步骤如下:
(i)挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑;
(ii)取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,测出加速度a;
(iii)改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到a-F的关系。
图1
①实验获得如图2所示的纸带,计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出,则在打d点时小车的速度大小vd= m/s(保留两位有效数字);
图2
②需要满足条件M≫m的方案是 (选填“甲”“乙”或“甲和乙”);在作a-F图像时,把mg作为F值的是 (选填“甲”、“乙”或“甲和乙”)。
答案 ①0.18~0.19 ②甲 甲和乙
解析 ①d点为c、e两点中间时刻点,故vd=Lce2T
其中Lce=36.10 cm-32.40 cm=3.70 cm,T=0.1 s
故vd=3.70×10-20.2 m/s=0.19 m/s
②采用甲方案时,要平衡摩擦力,用托盘和砝码的总重力代替绳子拉力F,F=Ma,而mg-F=ma
两式联立得mg-Ma=ma,则a=mgM+m
当M≫m时,a=mgM
故方案甲需要满足条件M≫m
采用方案乙时
挂上托盘和砝码应有Mg sin θ=f+mg
取下托盘和砝码应有Mg sin θ-f=Ma,即mg=Ma
a=mgM,故不需要满足M≫m
因此在作a-F图像时把mg作为F值的是甲和乙
2.(2020江苏单科,11,10分)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,实验装置如题图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手机固定在三脚架上,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题图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。
图2
(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。
答案 (1)小钢球 (2)①③④② (3)9.6(9.5~9.7都算对) (4)仍能
解析 (1)落体实验中要求小球所受空气阻力远小于其重力,故应选用小钢球。
(2)①③为实验前的准备工作,应以刻度尺位置为参照调整镜头位置,故①在③前。先开始摄像,再释放小球,可顺利获得小球下落过程的录像,故④在②前。
(3)由题图2可得h1=26.50 cm-2.50 cm=24.00 cm,h2=77.20 cm-26.50 cm=50.70 cm,由g=h2-h1T2,解得g≈9.6 m/s2。
(4)由于晃动,小球下落时偏离竖直方向,竖直分运动仍为落体运动,利用竖直分运动分析求解,结果不受影响。
3.(2020北京,15,9分)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,做如下探究:
(1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图1所示装置进行对比实验。两小车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细线按在桌上,使小车静止。抬起板擦,小车同时运动,一段时间后按下板擦,小车同时停下。对比两小车的位移,可知加速度与质量大致成反比。关于实验条件,下列正确的是: (选填选项前的字母)。
A.小车质量相同,钩码质量不同
B.小车质量不同,钩码质量相同
C.小车质量不同,钩码质量不同
图1
(2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系,设计实验并得到小车加速度a与质量M的7组实验数据,如下表所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点,请将余下的一组数据描在坐标纸上,并作出a-1M图像。
次数
1
2
3
4
5
6
7
a/(m·s-2)
0.62
0.56
0.48
0.40
0.32
0.24
0.15
M/kg
0.25
0.29
0.33
0.40
0.50
0.71
1.00
图2
(3)在探究加速度与力的关系实验之前,需要思考如何测“力”。请在图3中画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量,下列说法正确的是: (选填选项前的字母)。
图3
A.使小车沿倾角合适的斜面运动,小车受力可等效为只受绳的拉力
B.若斜面倾角过大,小车所受合力将小于绳的拉力
C.无论小车运动的加速度多大,砂和桶的重力都等于绳的拉力
D.让小车的运动趋近于匀速运动,砂和桶的重力才近似等于绳的拉力
答案 (1)B
(2)如图所示
(3)如图所示 AD
解析 (1)探究加速度与质量的关系,必须控制小车所受的力相同,小车质量不同,故钩码质量要保证相同,B对。(2)将第4次数据描点,再连线,见答案图。(3)设小车质量为M,砂和桶质量为m,使小车沿倾角为θ的斜面下滑,调整倾角θ大小,当Mg sin θ=Ff=μMg cos θ,即tan θ=μ时,小车所受合力可等效为绳的拉力,A对;若倾角θ过大,所受合力F合=FT+(Mg sin θ-μMg cos θ)>FT,B错;以小车为研究对象,当Mg sin θ=μMg cos θ时,有FT=Ma①,以砂和桶为研究对象,有mg-FT=ma②,联立①②得FT=MM+mmg,故FT
电压表 (量程0~3 V,内阻约为3 kΩ )
电流表 (量程0~0.6 A,内阻约为1 Ω)
滑动变阻器 (0~20 Ω,额定电流1 A )
待测电池组 (电动势约为3 V,内阻约为1 Ω )
开关、导线若干
①该小组连接的实物电路如图所示,经仔细检查,发现电路中有一条导线连接不当,这条导线对应的编号是 。
②改正这条导线的连接后开始实验,闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的 端。(填“a”或者“b”)
③实验中发现调节滑动变阻器时,电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题,在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5 Ω的电阻,之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I,并作出U-I图像,如图所示。根据图像可知,电池组的电动势为 V,内阻为 Ω。(结果均保留两位有效数字)
答案 ①5 ②a ③2.9 0.80
解析 ①由题意可知,电流表内阻与待测电池组内阻接近,因此电压表应测电路的路端电压,故导线5一端应连接电源正极。
②要保障电路安全,开关闭合时,滑动变阻器接入电路中的电阻应最大,故闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的a端。
③由闭合电路欧姆定律可知,E=U+Ir,可得U=E-Ir,可知电源电动势即图线纵截距2.9 V;电源内阻为图线斜率k的绝对值减去串联电阻阻值(5 Ω),即r=|k|-5 Ω=2.9V0.50A-5 Ω=0.80 Ω。
5.(2020江苏单科,10,8分)某同学描绘一种电子元件的I-U关系图像,采用的实验电路图如图1所示,为电压表,为电流表,E为电源(电动势约6 V),R为滑动变阻器(最大阻值20 Ω),R0为定值电阻,S为开关。
(1)请用笔画线代替导线,将图2所示的实物电路连接完整。
图1
图2
(2)调节滑动变阻器,记录电压表和电流表的示数如下表:
电压U/V
0.000
0.250
0.500
0.650
0.700
0.725
0.750
电流I/mA
0.00
0.10
0.25
0.60
1.70
4.30
7.50
请根据表中的数据,在方格纸上作出该元件的I-U图线。
图3
(3)根据作出的I-U图线可知,该元件是 (选填“线性”或“非线性”)元件。
(4)在上述测量中,如果用导线代替电路中的定值电阻R0,会导致的两个后果是 。
A.电压和电流的测量误差增大
B.可能因电流过大烧坏待测元件
C.滑动变阻器允许的调节范围变小
D.待测元件两端电压的可调节范围变小
答案 (1)如图所示
(2)如图所示
(3)非线性 (4)BC
解析 (1)实物连线如答案图所示;
(2)根据表中数据,描点后,连线如答案图所示;
(3)根据作出的I-U图像可知,该元件是非线性元件;
(4)待测元件与定值电阻R0是串联关系,定值电阻R0起到保护待测元件的作用,可以避免待测元件电压过高、电流过大,如果用导线代替定值电阻R0,可能会因为电流过大烧坏待测元件,同时滑动变阻器允许的调节范围变小,B、C正确。
6.(2020北京,16,9分)用图1所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻(约为1 Ω)。其中R为电阻箱,电流表的内电阻约为0.1 Ω,电压表的内电阻约为3 kΩ。
图1
(1)利用图1中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r,所测量的实际是图2中虚线框所示“等效电源”的电动势E'和内电阻r'。若电流表内电阻用RA表示,请你用E、r和RA表示出E'、r',并简要说明理由。
图2
(2)某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图3中,实线是根据实验数据(图甲:U=IR,图乙:I=UR)描点作图得到的U-I图像;虚线是该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图像(没有电表内电阻影响的理想情况)。
图3
在图3中,对应图甲电路分析的U-I图像是: ;对应图乙电路分析的U-I图像是: 。
(3)综合上述分析,为了减小由电表内电阻引起的实验误差,本实验应选择图1中的 (填“甲”或“乙”)。
答案 (1)见解析 (2)C A (3)乙
解析 (1)如果不考虑电表内电阻的影响,则
E'=I1R1+I1r'E'=I2R2+I2r'
考虑电表内电阻的影响,则真实情况是
E=I1R1+I1(r+RA)E=I2R2+I2(r+RA)
综上解得E'=E,r'=r+RA
(2)图甲电路中,电动势测量准确,而内电阻测量值偏大,故选C;
图乙电路中,电动势、内电阻测量值均偏小,故选A。
(3)电源内电阻r远小于电压表内电阻RV,故选乙。
备考篇
【考情探究】
课标解读
考情分析
备考指导
考点
内容
力学实验
1.通过实验,探究匀变速直线运动的特点
2.通过实验,了解力的合成规律
3.通过实验,探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系
4.通过实验,验证机械能守恒定律
力学实验:
①基本测量仪器的使用
②以纸带或光电门为主线的探究性实验
电学实验:
①电表的改装和读数
②多用电表的原理和使用
③以伏安法为代表的电阻的几种测量方法
④以伏安法为代表的电源电动势和内阻的测量
在复习备考中应深刻理解课本实验原理,体会实验思想,能根据基本实验原理,设计实验方案,并能对实验数据进行处理,进而得出实验结论。要知道系统误差与偶然误差,会分析误差来源,知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差,会用有效数字表达直接测量的结果,间接测量的运算结果
电学实验
1.测量金属丝的电阻率
2.用多用电表测量电学中的物理量
3.测量电源的电动势和内阻
选择性必
修实验
1.验证动量守恒定律
2.用单摆测量重力加速度
3.测量玻璃的折射率
4.用双缝干涉实验测量光的波长
5.用油膜法估测油酸分子的大小
【真题探秘】
命题立意
以生活中测量珠穆朗玛峰的高度为命题情境,实测当地重力加速度的大小,并根据2Lt-t图像考查此图像的斜率和截距代表的物理含义,山东卷考查测当地重力加速度的内容时多以实验题的形式出现,图像是常用载体,考查考生的实验探究能力和实验分析能力。
解题指导
抓住条件可知小物块做匀加速直线运动,根据匀变速直线运动的位移与时间的关系式,经过恒等变形得到2Lt-t的关系式,根据图线的截距和斜率分别代表的物理含义求解。
拓展延伸
由课本上的自由落体、单摆的实验测当地的重力加速度,拓展到创新型测当地的重力加速度问题。本题主要是考查测定重力加速度实验,要求能够理解实验原理和实验操作方法,知道数据的处理方法,注意图像的单位不要弄错!
基础篇
【基础集训】
考点一 力学实验
1.(2020山东济宁鱼台一中月考,13)某同学做验证向心力与线速度关系的实验。装置如图所示,一轻质细线上端固定在拉力传感器上,下端悬挂一小钢球。钢球静止时刚好位于光电门中央。主要实验步骤如下:
①用游标卡尺测出钢球直径d;
②将钢球悬挂静止不动,此时力传感器示数为F1,用米尺量出线长L;
③将钢球拉到适当的高度处释放,光电门计时器测出钢球的遮光时间为t,力传感器示数的最大值为F2;
已知当地的重力加速度大小为g,请用上述测得的物理量表示:
(1)钢球经过光电门时的线速度表达式v= ;向心力表达式F向=mv2R= 。
(2)钢球经过光电门时的所受合力的表达式F合= 。
(3)若在实验误差允许的范围内F向=F合,则验证了向心力与线速度的关系。该实验可能的误差有: 。
(写出一条即可)
答案 (1)dt F1d2gt2(L+d2) (2)F2-F1 (3)钢球遮光时间测量有误差
2.如图1所示,在水平放置的气垫导轨(能大幅度地减小摩擦阻力)上有一带有方盒的滑块,质量为M,气垫导轨右端固定一定滑轮,细线绕过滑轮,一端与滑块相连,另一端挂有6个钩码,设每个钩码的质量为m,且M=4m。
图1
(1)用游标卡尺测出滑块上的挡光片的宽度,读数如图2所示,则宽度d= cm;
图2
(2)某同学打开气源,将滑块由静止释放,滑块上的挡光片通过光电门的时间为t,则滑块通过光电门的速度为 (用题中所给字母表示);
(3)开始实验时,细线另一端挂有6个钩码,由静止释放后细线上的拉力为F1,接着每次实验时将1个钩码移放到滑块上的方盒中,当只剩3个钩码时细线上的拉力为F2,则F1 2F2(选填“大于”、“等于”或“小于”);
(4)若每次移动钩码后都从同一位置释放滑块,设挡光片距光电门的距离为L,悬挂着的钩码的个数为n,测出每次挡光片通过光电门的时间为t,测出多组数据,并绘出n-1t2图像,如图3所示,已知图线斜率为k,则当地重力加速度为 (用题中字母表示)。
图3
答案 (1)0.520 (2)dt (3)小于 (4)5d2kL
3.在“研究匀变速直线运动”的实验中,某同学选出了一条清晰的纸带,并取其中的A、B、C、D、E、F、G七个点进行研究,这七个点和刻度尺标度的对照情况如图所示。(打点计时器的频率为50 Hz)
(1)由图可以知道,A、B两点的时间间隔是 s,A点到D点的距离是 cm,D点到G点的距离是 cm;(小数点后保留2位)
(2)通过测量不难发现,(xBC-xAB)与(xCD-xBC)、(xDE-xCD)、…基本相等。这表明,在实验误差允许的范围之内,拖动纸带的小车做的是 运动;
(3)经过合理的数据处理后,可以求得加速度a= m/s2;(小数点后保留3位)
(4)还可以求出,打B点时小车的瞬时速度vB= m/s。(小数点后保留3位)
答案 (1)0.10 4.15(4.14~4.16) 6.48(6.45~6.49)
(2)匀加速(或匀变速)直线 (3)0.261(0.254~0.261)
(4)0.125(0.124~0.126)
4.如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个质量均为m的钩码探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。
(1)为完成实验,还需要的实验器材有: 。
(2)实验中需要测量的物理量有: 。
(3)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F-x图线,由此可求出弹簧的劲度系数为 N/m。图线不过原点是由于 。
(4)为完成该实验,设计实验步骤如下:
A.以弹簧伸长量为横坐标,以弹力为纵坐标,描出各组(x,F)对应的点,并用平滑的曲线连接起来;
B.记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度l0;
C.将铁架台固定于桌子上,并将弹簧的一端系于横梁上,在弹簧附近竖直固定一把刻度尺;
D.依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个、……钩码,并分别记下钩码静止时弹簧下端所对应的刻度,并记录在表格内,然后取下钩码;
E.以弹簧伸长量为自变量,写出弹力与伸长量的关系式;首先尝试写成一次函数,如果不行,则考虑二次函数;
F.解释函数表达式中常数的物理意义;
G.整理仪器。
请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来: 。
答案 (1)刻度尺 (2)弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度) (3)200 弹簧自身的重力 (4)CBDAEFG
5.[2020山东疫情开学后摸底(一),13]物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数,实验装置如图甲所示。一表面粗糙的木板固定在水平桌面上,一端装有定滑轮;木板上有一滑块,其一端与电磁打点计时器的纸带相连,另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接。打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz,开始实验时,在托盘中放入适量砝码,滑块开始向右运动,在纸带上打出一系列小点。
图甲
(1)图乙中给出的是实验中获取的一条纸带的一部分:0、1、2、3、4、5、6、7是计数点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),计数点间的距离如图乙所示。根据图中数据计算滑块的加速度a= m/s2(保留三位有效数字)。
图乙
(2)为测量动摩擦因数,还需要测量的物理量有 (填入所选物理量前的字母)。
A.木块的长度L
B.木板的质量m1
C.滑块的质量m2
D.托盘和砝码的总质量m3
E.滑块运动的时间t
(3)滑块与木板间的动摩擦因数μ= (用上述物理量的符号表示,重力加速度为g)。
答案 (1)0.497 (2)CD (3)m3g-(m2+m3)am2g
6.(2020山东济宁嘉祥一中模拟,13)某同学利用图甲所示的装置设计一个“用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系”的实验。如图中AB是水平桌面,CD是一端带有定滑轮的长木板,在其表面不同位置固定两个光电门,小车上固定着一挡光片。为了补偿小车受到的阻力,将长木板C端适当垫高,使小车在不受牵引时沿木板匀速运动。用一根细绳一端拴住小车,另一端绕过定滑轮挂一托盘,托盘中有一砝码,调节定滑轮的高度,使细绳的拉力方向与长木板的上表面平行,将小车靠近长木板的C端某位置由静止释放,进行实验。刚开始时小车的总质量远大于托盘和砝码的总质量。
图甲
图乙
(1)用游标卡尺测量挡光片的宽度d,如图乙所示,其读数为 cm;
(2)某次实验,小车先后经过光电门1和光电门2时,连接光电门的计时器显示挡光片的挡光时间分别为t1和t2,此过程中托盘未接触地面。已知两个光电门中心之间的间距为L,则小车的加速度表达式a= (结果用字母d、t1、t2、L表示);
(3)某同学在实验中保持小车总质量不变,增加托盘中砝码的个数,并将托盘和砝码的总重力当作小车所受的合力F,通过多次测量作出a-F图线,如图丙中实线所示。试分析上部明显偏离直线的原因是 。
图丙
答案 (1)0.170 (2)d2(t12-t22)2Lt12t22 (3)托盘和砝码的总质量过大,小车所受合力与托盘和砝码的总重力相差越来越大
7.(2020山东济宁实验中学开学考,15)在“验证机械能守恒定律”的实验中,A、B、C三名学生分别用同一装置打出三条纸带,量出各条纸带上第一、第二两点间的距离分别为0.17 cm,0.18 cm,0.27 cm,打点计时器所用电源频率为50 Hz,当地的重力加速度的值为9.80 m/s2,测得所用重物的质量为1.0 kg,可看出其中肯定有一个同学在操作上有错误,是 同学。
若按实验要求正确地选择出纸带进行测量,量得连续三点A、B、C到第一个点的距离如图所示(相邻计数点间的时间间隔为0.02 s),那么,
(1)打点计时器打下计数点B时,物体的速度vB= ;
(2)从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减小量是ΔEp= ,此过程中物体动能的增加量ΔEk= (g取9.8 m/s2);
(3)通过计算,数值上ΔEp ΔEk(填“>”、“=”或“<”),这是因为 。(结果保留三位有效数字)
答案 C (1)0.980 m/s (2)0.491 J 0.480 J (3)> 运动过程存在阻力
考点二 电学实验
1.(2020山东枣庄二调,14)如图甲所示,是一块厚度均匀、长宽比为5∶4的长方形合金材料薄板式电阻器,a、b和c、d是其两对引线,长方形在a、b方向的长度大于在c、d方向的长度。已知该材料导电性能各向同性。某同学想测定该材料的电阻率。他选取的器材有:①多用电表;②游标卡尺;③螺旋测微器;④学生电源;⑤电压表V(量程:3 V,内阻约为3 kΩ);⑥电流表A(量程:0.6 A,内阻约为0.2 Ω);⑦滑动变阻器R0(最大阻值10 Ω);⑧开关S、导线若干。
(1)用多用电表粗测该电阻器的电阻值。他首先调整多用电表“指针定位螺丝”,使指针指在零刻度;再将选择开关旋至电阻挡“×1”挡位,两支表笔金属部分直接接触,调整“欧姆调零旋钮”,使指针指向“0 Ω”。然后,用两支表笔分别连接电阻器的a、b引线,多用电表表盘指针位置如图乙所示。a、b两引线之间的电阻值R= Ω。
图甲
图乙
(2)用游标卡尺和螺旋测微器分别测量薄板的宽度和厚度,结果如图丙所示,则宽度L= mm,厚度D= mm。
图丙
(3)为了精确测定a、b两引线之间的电阻值R,该同学在图丁所示的实物中,已经按图丁中电路图正确连接了部分电路;请用笔画线代替导线,完成剩余电路的连接。
图丁
(4)若该同学保持电路不变,只将a、b引线改接为c、d引线,测量c、d之间的电阻值,则测量c、d之间电阻值的相对误差 (填“大于”、“小于”或“等于”)测量a、b之间电阻值的相对误差。
(5)计算该材料电阻率的表达式ρ= 。[式中用到的物理量的符号均要取自(1)(2)(3)问]
答案 (1)6 (2)50.60 1.200 (3)见解析
(4)小于 (5)45DR
2.(2020山东潍坊临朐模拟,14)要测绘一个标有“2.5 V 2 W”小灯泡的伏安特性曲线。己选用的器材有:
直流电源(3 V,内阻不计)
电流表A1(量程为0.6 A,内阻为0.6 Ω)
电流表A2(量程为300 mA,内阻未知)
电压表V(量程0~3 V,内阻约3 kQ)
滑动变阻器R(0~5 Ω,允许最大电流3 A)
开关、导线若干。
图甲
其实验步骤如下:
(1)由于电流表A1的量程偏小,小组成员把A1、A2并联后在接入电路,请按此要求用笔画线代表导线在实物图(图甲)中完成余下导线的连接。
(2)正确连接好电路,并将滑动变阻器滑片滑至最 端,闭合开关S,调节滑片,发现当A1示数为0.50 A时,A2的示数为200 mA,由此可知A2的内阻为 Ω。
(3)若将并联后的两个电流表当作一个新电表,则该新电表的量程为 A;为使其量程达到最大,可将图乙中 (选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)处断开后再串联接入一个阻值合适的电阻。
图乙
答案 (1)见解析 (2)右 1.5 (3)0.84 I
3.(2020山东枣庄滕州一中模拟,14)某同学用图甲电路做“测量电池的电动势和内阻”实验。可用的器材有:
A.电源(电动势约3 V,内阻约10 Ω)
B.电压表V(量程0~50 mV,内阻为50 Ω)
C.电流表A(量程0~100 mA,内阻约为2.5 Ω)
D.电阻箱R(0~999.9 Ω,最小改变值为0.1 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为2950 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为9950 Ω)
G.开关S及若干导线
在尽可能减小测量误差的情况下,请回答下列问题:
甲
乙
丙
(1)定值电阻应选用 ;(填写器材前面的字母序号)
(2)用笔画线代替导线,按图甲电路将图乙实物完整连接起来;
(3)实验步骤如下:
①闭合S,调节电阻箱的阻值使电流表的示数为100 mA,此时电阻箱的阻值为14.3 Ω,电压表的示数为U0;
②断开S,拆下电流表,将B与C用导线直接相连,闭合S,调节电阻箱的阻值使电压表的示数仍为U0,此时电阻箱的阻值为17.0 Ω,则电流表的内阻为 Ω;
③调节电阻箱阻值,记下电阻箱的阻值R1,电压表的示数U1;多次改变电阻箱的阻值,可获得多组数据。作出电压表示数的倒数1U随电阻箱的阻值的倒数1R的图线如图丙所示,若不考虑电压表对电路的影响,电池的电动势和内阻分别为 V、 Ω(结果保留三位有效数字)。
答案 (1)E (2)见解析
(3)2.7 2.90 12.0
4.在物理课外活动中,刘聪同学制作了一个简单的多用电表,如图甲为电表的电路图。已知选用的电流表内阻Rg=10 Ω、满偏电流Ig=10 mA,当选择开关接3时为量程0~250 V的电压表。该多用电表表盘如图乙所示,下排刻度均匀,C为上排刻度线的中间刻度,由于粗心,上排刻度线对应数据没有标出。
甲
乙
(1)若指针在图乙所示位置,选择开关接1时其读数为 mA;选择开关接3时其读数为 V。
(2)为了测该多用电表欧姆挡的电阻和表内电源的电动势,刘聪同学在实验室找到了一个电阻箱,设计了如下实验:
①将选择开关接2,红、黑表笔短接,调节R1的阻值使电表指针满偏;
②将电表红、黑表笔与电阻箱相连,调节电阻箱使电表指针指C处,此时电阻箱的示数如图丙,则C处刻度应为 Ω;
丙
③计算得到多用电表内电池的电动势为 V。(保留两位有效数字)
(3)调零后将多用电表红、黑表笔与某一待测电阻相连,若指针指在图乙所示位置,则待测电阻的阻值为 Ω。(结果保留两位有效数字)
答案 (1)6.9 173(172~174均可) (2)②150 ③1.5 (3)67
考点三 选择性必修实验
1.(2020山东德州模拟,13)用注射器和压力表来探究一定质量的气体发生等温变化时遵循的规律,实验装置如图甲所示,用活塞和注射器外筒封闭一定质量的气体,其压强可由左侧的压力表测得:
(1)实验时通过推拉活塞改变封闭气体的体积V和压强p,可得到多组关于V和p的数据。根据实验所测数据,若猜想在温度不变时V和p成反比,为了验证猜想是否正确可描点画图像,若图像的纵轴为p,则横轴应为 ;
(2)据(1)所作图像的形状若为图乙中实线所示,则造成图线形状这样弯曲的原因可能是 (填“活塞推拉过快”或“封闭气体有泄漏”)。
答案 (1)1V (2)封闭气体有泄漏
2.(2020山东济南一模,14)某实验小组用如图甲所示的实验装置进行“测量重力加速度”并“验证机械能守恒定律”两个实验。该小组把轻质细绳的一端与一个摆球相连,另一端系在力传感器的挂钩上,整个装置位于竖直面内,将摆球拉离竖直方向一定角度,由静止释放,与传感器相连的计算机记录细绳的拉力F随时间t变化的图线。
(1)首先测量重力加速度。将摆球拉离竖直方向的角度小于5°,让小球做单摆运动,拉力F随时间t变化的图线如图乙所示。
①由图乙可知该单摆的周期T约为 s(保留两位有效数字)。
②该小组测得该单摆的摆长为L,则重力加速度的表达式为 (用测量或者已知的物理量表示)。
(2)然后验证机械能守恒定律。将摆球拉离竖直方向较大角度后由静止释放,拉力F随时间t变化的图线如图丙所示。
①要验证机械能守恒,还需要测量的物理量是 。
②若图中A点的拉力用F1表示,B点的拉力用F2表示,则小球从A到B的过程中,验证机械能守恒的表达式为 (填表达式前的字母序号)。
A.12(F2-mg)=mg-F1
B.12(mg-F1)=F2-mg
C.F2-mg=mg-F1
答案 (1)①0.75 ②g=4π2LT2 (2)①摆球质量 ②A
3.[2020山东省实验中学模拟(三),14]如图所示,在测量玻璃折射率的实验中,两位同学先把方格纸固定在木板上。再把玻璃砖放在方格纸上,并确定a和b为玻璃砖的上下界面的位置。在玻璃砖的一刻插上两枚大头针P1和P2,再从玻璃砖的另一侧插上大头针P3和P4。请完成以下实验步骤:
(1)下列操作步骤正确的是 ;(填正确答案标号)
A.插上大头针P3,使P3挡住P2的像
B.插上大头针P3,使P3挡住P1、P2的像
C.插上大头针P4,使P4挡住P3的像
D.插上大头针P4,使P4挡住P3和P1、P2的像
(2)正确完成上述操作后,在纸上标出大头针P3、P4的位置(图中已标出),在图中作出完整的光路图。
(3)利用光路图计算此玻璃砖的折射率n= 。
答案 (1)BD (2)见解析 (3)102
综合篇
【综合集训】
拓展一 力学实验中纸带的处理
1.[2021届山东高三入学调研(一),13]如图甲所示,一条质量和厚度不计的纸带缠绕在固定于架子上的定滑轮上,纸带的下端悬挂一质量为m的重物,将重物由静止释放,滑轮将在纸带带动下转动。假设纸带和滑轮不打滑,为了分析滑轮转动时角速度的变化情况,释放重物前将纸带先穿过一电火花打点计时器,交变电流的频率为50 Hz,如图乙所示,通过研究纸带的运动情况得到滑轮角速度的变化情况。
图丙为电火花打点计时器打出来的纸带,取中间的一段,在这一段上取了7个计数点A、B、C、D、E、F、G,每相邻的两个计数点间有4个点没有画出,已知:其中x1=8.05 cm、x2=10.34 cm、x3=12.62 cm、x4=14.92 cm、x5=17.19 cm、x6=19.47 cm。
丙
(1)根据上面的数据,可以求出打D点时纸带的速度vD= m/s;(结果保留三位有效数字)
(2) 测出滑轮半径等于3.00 cm,则打下D点时滑轮的角速度为 rad/s;(结果保留三位有效数字)
(3)根据题中所给数据分析,在误差允许范围内,你认为滑轮的角速度随时间 增大(选填“均匀”或“不均匀”)。
答案 (1)1.38 (2)46.0 (3)均匀
2.[2020山东疫情开学模拟(二),13]用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。
图甲
图乙
(1)下列物理量需要测量的是 ,通过计算得到的是 。(填写代号)
A.重物质量
B.重力加速度
C.重物下落的高度
D.与下落高度对应的重物的瞬时速度
(2)设重物质量为m、打点计时器的打点周期为T、重力加速度为g。图乙是实验得到的一条纸带,A、B、C、D、E为相邻的连续点。根据测得的x1、x2、x3、x4写出重物由B点到D点势能减少量的表达式 ,动能增量的表达式 。由于重物下落时要克服阻力做功,所以该实验的动能增量总是 (选填“大于”“等于”或“小于”)重力势能的减少量。
答案 (1)C D (2)mg(x3-x1) mx4(x4-2x2)8T2 小于
拓展二 基本力学实验
1.某同学为了探究弹力与弹簧伸长量的关系,进行了下列操作。
(1)将弹簧悬挂在铁架台上,刻度尺固定在弹簧一侧。
(2)弹簧自然悬挂,待弹簧稳定时,长度记为L0,弹簧下端挂上砝码盘时,长度记为Lx;在砝码盘中每次增加10 g砝码,弹簧长度依次记为L1至L6,数据如下表所示:
代表符号
L0
Lx
L1
L2
L3
L4
L5
L6
数值(cm)
25.35
27.35
29.35
31.30
33.40
35.35
37.40
39.30
由上表可知所用刻度尺的分度值为 。
(3)下图是该同学根据表中数据作出的图像,纵轴表示砝码的质量,横轴表示弹簧长度与 的差值(填“L0”或“Lx”)。
(4)由图像可得,弹簧弹力与弹簧伸长量的关系为 。
(5)该弹簧的劲度系数为 N/m(重力加速度取10 m/s2,结果保留3位有效数字)。
答案 (2)1 mm (3)Lx (4)正比例关系 (5)5.00
2.(2020山东枣庄二调,13)某同学在“探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,把按控制变量法做的两个实验的数据都记录在下表中。数据是按加速度的大小排列的。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
F/N
0.29
0.14
0.29
0.19
0.24
0.29
0.29
0.29
0.34
m/kg
0.86
0.36
0.61
0.36
0.36
0.41
0.36
0.31
0.36
a/(m·s-2)
0.34
0.39
0.48
0.53
0.67
0.71
0.81
0.93
0.94
若利用表中数据探究物体运动的加速度与物体受力的关系,则选用物体的质量为m= ,请在本题给出的坐标中作出a-F图像。
答案 (1)0.36 kg (2)见解析
3.[2020山东高考押题预测(一),13]如图甲所示,一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球由A处从静止释放,下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门,测得A、B间的距离为H(H≫d),光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t,当地的重力加速度为g,则:
(1)如图乙所示,用游标卡尺测得小球的直径d= mm。
(2)小球经过光电门B时的速度表达式为v= 。
丙
(3)多次改变高度H,重复上述实验,作出1t2随H的变化图像如图丙所示,当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式 时,可判断小球下落过程中机械能守恒。
(4)实验中发现动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp,增大下落高度后,则ΔEp-ΔEk将 (选填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)7.25 (2)dt (3)d2=2gH0t02 (4)增大
拓展三 电学实验基本器材的原理及使用
1.(2019山东临沂第一次模拟)有一低电阻的螺线管Rx,已知螺线管的金属丝电阻率ρ=1.7×10-8 Ω·m。某活动小组的同学设计出如图甲所示的实验原理图来测算螺线管使用的金属丝长度。
甲 乙
(1)请根据实验原理图连接实物图。
(2)测螺线管Rx的阻值:闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数R1和对应的电流表示数I;再将S2切换到b,调节电阻箱,使电流表示数仍为I,读出此时电阻箱的示数R2。则螺线管电阻Rx的表达式为Rx= 。
(3)使用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图丙所示,则金属丝的直径为d= mm。
丙
(4)已知测得的螺线管电阻值为4.0 Ω,可估算出绕制这个螺线管所用金属丝的长度约为 m(结果保留3位有效数字)。
答案 (1)见解析 (2)R1-R2 (3)0.260(0.258~0.262)
(4)12.5(12.3~12.7)
2.[2020山东高考押题预测(一),14]图(a)为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。图中E是电池;R1、R2、R3、R4和R5是固定电阻,R6是可变电阻;表头的满偏电流为250 μA,内阻为480 Ω。虚线方框内为换挡开关,A端和B端分别与两表笔相连。该多用电表有5个挡位,5个挡位为:直流电压1 V挡和5 V挡,直流电流1 mA挡和2.5 mA挡,欧姆×100 Ω挡。
图(a)
图(b)
(1)图(a)中的A端与 (填“红”或“黑”)色表笔相连接。
(2)关于R6的使用,下列说法正确的是 (填正确答案标号)。
A.在使用多用电表之前,调整R6使电表指针指在表盘左端电流“0”位置
B.使用欧姆挡时,先将两表笔短接,调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置
C.使用电流挡时,调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置
(3)根据题给条件可得R1+R2= Ω,R4= Ω。
(4)某次测量时该多用电表指针位置如图(b)所示。若此时B端是与“1”相连的,则多用电表读数为 ;若此时B端是与“3”相连的,则读数为 ;若此时B端是与“5”相连的,则读数为 。(结果均保留3位有效数字)
答案 (1)黑 (2)B (3)160 880
(4)1.47 mA 1.10×103 Ω 2.95 V
拓展四 测量电阻与描绘小灯泡伏安特性曲线
[2020山东等级考预测(三),14]第34届全国青少年科技创新大赛于2019年7月20~26日在澳门举办,某同学为了测试机器人内部电动机的电阻变化,对一个额定电压为6 V,额定功率约为3.5 W小型电动机(线圈电阻恒定)的伏安特性曲线进行了研究,要求电动机两端的电压能从零逐渐增加到6 V,实验室备有下列器材:
图甲
A.电流表(量程Ⅰ:0~0.6 A,内阻约为1 Ω;量程Ⅱ:0~3 A,内阻约为0.1 Ω)
B.电压表(量程为0~6 V,内阻几千欧)
C.滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω,额定电流2 A)
D.滑动变阻器R2(最大阻值1750 Ω,额定电流0.3 A)
E.电池组(电动势为9 V,内阻小于1 Ω)
F.开关和导线若干
图乙
(1)实验中所用的滑动变阻器应选 (选填“C”或“D”),电流表的量程应选 (选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(2)请用笔画线代替导线将实物图甲连接成符合这个实验要求的电路。
(3)闭合开关,移动滑动变阻器的滑片P,改变加在电动机上的电压,实验中发现当电压表示数大于1 V时电风扇才开始转动,电动机的伏安特性曲线如图乙所示,则电动机线圈的电阻为 Ω,电动机正常工作时的输出机械功率为 W。(保留两位有效数字)
答案 (1)C Ⅰ (2)见解析 (3)2.5 2.6
拓展五 测电源的电动势和内阻
1.[2020山东等级考预测(一),14]某课外兴趣小组用铜片和锌片插入苹果中,组成了一个苹果电池,并用“测定电动势和内电阻”的实验方法测定该苹果电池的电动势和内电阻。实验前该小组同学通过上网查阅有关水果电池的资料获知:常见的水果电池的电动势一般在1 V左右,内阻一千欧姆左右。除了苹果电池以外,实验室还提供了如下器材:
①多用电表
②毫安表(量程0.6 mA,内阻几十欧)
③电压表(量程1.5 V,内阻约2 kΩ)
④滑动变阻器R1(阻值0~20 Ω)
⑤电阻箱R2(阻值0~9999.9 Ω)
⑥开关一个,导线若干
图甲
(1)实验前,晓明同学利用调好的多用电表欧姆“×100”挡来粗测该苹果电池的内阻,测量结果如图甲所示。他这样做是否正确?若正确,请读出其内阻值;若不正确,请说明理由。答: 。
(2)根据提供的器材,该小组设计了四种可能的测量电路,如下图所示,最合理的是 ( )
(3)根据最合理的测量电路,用铅笔划线代替导线将图乙中实物连接完整。 ( )
图乙
(4)该小组由实验数据作出的U-I图像如图丙所示,由图像可求得电源电动势为 V,内电阻为 kΩ。(结果保留两位小数)。
图丙
答案 (1)不正确,水果电池为电源,欧姆表不能直接测其内阻
(2)D
(3)见解析
(4)1.00(0.98~1.02) 1.00(0.98~1.02)
2.(2020山东日照一模,14)某同学要用电阻箱和电压表测量某水果电池组的电动势和内阻,考虑到水果电池组的内阻较大,为了提高实验的精度,需要测量电压表的内阻。实验室中恰好有一块零刻度在中央的双向电压表,该同学便充分利用这块表,设计了如图所示的实验电路,既能实现对该电压表内阻的测量,又能利用该表完成水果电池组电动势和内阻的测量。该同学用到的实验器材有:待测水果电池组(电动势约4 V、内阻约50 Ω),双向电压表(量程为2 V、内阻约为2 kΩ),电阻箱(0~9999 Ω),滑动变阻器(0~200 Ω),一个单刀双掷开关及若干导线。
(1)该同学按如图1所示电路图连线后,首先测量了电压表的内阻。请完善测量电压表内阻的实验步骤:
①将R1的滑动触片滑至最左端,将开关S拨向1位置,将电阻箱阻值调为0;②调节R1的滑动触片,使电压表示数达到满偏U;③保持R1不变,调节R2,使电压表的示数达到U3,读出电阻箱的阻值,记为R0,则电压表的内阻RV= 。
(2)若测得电压表内阻为2 kΩ,可分析此测量值应 (填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
(3)接下来测量电源的电动势和内阻,实验步骤如下:
①将开关S拨至 (填“1”或“2”)位置,将R1的滑片移到最 端,不再移动;
②调节电阻箱的阻值,使电压表的示数达到一合适值,记录电压表的示数和电阻箱的阻值;
③重复第二步,记录多组电压表的示数和对应的电阻箱的阻值。
(4)若将电阻箱与电压表并联后的阻值记录为R,作出1U-1R图像,如图2所示,其中纵轴截距为b,斜率为k,则电动势的表达式为 ,内阻的表达式为 。
答案 (1)R02 (2)大于 (3)①2 左 (4)E=1b r=kb
[教师专用题组]
【综合集训】
1.[2020浙江7月选考,17(1)]做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图1甲是教材中的实验方案;图1乙是拓展方案,其实验操作步骤如下:
(i)挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑;
(ii)取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,测出加速度a;
(iii)改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到a-F的关系。
图1
①实验获得如图2所示的纸带,计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出,则在打d点时小车的速度大小vd= m/s(保留两位有效数字);
图2
②需要满足条件M≫m的方案是 (选填“甲”“乙”或“甲和乙”);在作a-F图像时,把mg作为F值的是 (选填“甲”、“乙”或“甲和乙”)。
答案 ①0.18~0.19 ②甲 甲和乙
解析 ①d点为c、e两点中间时刻点,故vd=Lce2T
其中Lce=36.10 cm-32.40 cm=3.70 cm,T=0.1 s
故vd=3.70×10-20.2 m/s=0.19 m/s
②采用甲方案时,要平衡摩擦力,用托盘和砝码的总重力代替绳子拉力F,F=Ma,而mg-F=ma
两式联立得mg-Ma=ma,则a=mgM+m
当M≫m时,a=mgM
故方案甲需要满足条件M≫m
采用方案乙时
挂上托盘和砝码应有Mg sin θ=f+mg
取下托盘和砝码应有Mg sin θ-f=Ma,即mg=Ma
a=mgM,故不需要满足M≫m
因此在作a-F图像时把mg作为F值的是甲和乙
2.(2020江苏单科,11,10分)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,实验装置如题图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手机固定在三脚架上,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题图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。
图2
(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。
答案 (1)小钢球 (2)①③④② (3)9.6(9.5~9.7都算对) (4)仍能
解析 (1)落体实验中要求小球所受空气阻力远小于其重力,故应选用小钢球。
(2)①③为实验前的准备工作,应以刻度尺位置为参照调整镜头位置,故①在③前。先开始摄像,再释放小球,可顺利获得小球下落过程的录像,故④在②前。
(3)由题图2可得h1=26.50 cm-2.50 cm=24.00 cm,h2=77.20 cm-26.50 cm=50.70 cm,由g=h2-h1T2,解得g≈9.6 m/s2。
(4)由于晃动,小球下落时偏离竖直方向,竖直分运动仍为落体运动,利用竖直分运动分析求解,结果不受影响。
3.(2020北京,15,9分)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,做如下探究:
(1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图1所示装置进行对比实验。两小车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细线按在桌上,使小车静止。抬起板擦,小车同时运动,一段时间后按下板擦,小车同时停下。对比两小车的位移,可知加速度与质量大致成反比。关于实验条件,下列正确的是: (选填选项前的字母)。
A.小车质量相同,钩码质量不同
B.小车质量不同,钩码质量相同
C.小车质量不同,钩码质量不同
图1
(2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系,设计实验并得到小车加速度a与质量M的7组实验数据,如下表所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点,请将余下的一组数据描在坐标纸上,并作出a-1M图像。
次数
1
2
3
4
5
6
7
a/(m·s-2)
0.62
0.56
0.48
0.40
0.32
0.24
0.15
M/kg
0.25
0.29
0.33
0.40
0.50
0.71
1.00
图2
(3)在探究加速度与力的关系实验之前,需要思考如何测“力”。请在图3中画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量,下列说法正确的是: (选填选项前的字母)。
图3
A.使小车沿倾角合适的斜面运动,小车受力可等效为只受绳的拉力
B.若斜面倾角过大,小车所受合力将小于绳的拉力
C.无论小车运动的加速度多大,砂和桶的重力都等于绳的拉力
D.让小车的运动趋近于匀速运动,砂和桶的重力才近似等于绳的拉力
答案 (1)B
(2)如图所示
(3)如图所示 AD
解析 (1)探究加速度与质量的关系,必须控制小车所受的力相同,小车质量不同,故钩码质量要保证相同,B对。(2)将第4次数据描点,再连线,见答案图。(3)设小车质量为M,砂和桶质量为m,使小车沿倾角为θ的斜面下滑,调整倾角θ大小,当Mg sin θ=Ff=μMg cos θ,即tan θ=μ时,小车所受合力可等效为绳的拉力,A对;若倾角θ过大,所受合力F合=FT+(Mg sin θ-μMg cos θ)>FT,B错;以小车为研究对象,当Mg sin θ=μMg cos θ时,有FT=Ma①,以砂和桶为研究对象,有mg-FT=ma②,联立①②得FT=MM+mmg,故FT
电压表 (量程0~3 V,内阻约为3 kΩ )
电流表 (量程0~0.6 A,内阻约为1 Ω)
滑动变阻器 (0~20 Ω,额定电流1 A )
待测电池组 (电动势约为3 V,内阻约为1 Ω )
开关、导线若干
①该小组连接的实物电路如图所示,经仔细检查,发现电路中有一条导线连接不当,这条导线对应的编号是 。
②改正这条导线的连接后开始实验,闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的 端。(填“a”或者“b”)
③实验中发现调节滑动变阻器时,电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题,在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5 Ω的电阻,之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I,并作出U-I图像,如图所示。根据图像可知,电池组的电动势为 V,内阻为 Ω。(结果均保留两位有效数字)
答案 ①5 ②a ③2.9 0.80
解析 ①由题意可知,电流表内阻与待测电池组内阻接近,因此电压表应测电路的路端电压,故导线5一端应连接电源正极。
②要保障电路安全,开关闭合时,滑动变阻器接入电路中的电阻应最大,故闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的a端。
③由闭合电路欧姆定律可知,E=U+Ir,可得U=E-Ir,可知电源电动势即图线纵截距2.9 V;电源内阻为图线斜率k的绝对值减去串联电阻阻值(5 Ω),即r=|k|-5 Ω=2.9V0.50A-5 Ω=0.80 Ω。
5.(2020江苏单科,10,8分)某同学描绘一种电子元件的I-U关系图像,采用的实验电路图如图1所示,为电压表,为电流表,E为电源(电动势约6 V),R为滑动变阻器(最大阻值20 Ω),R0为定值电阻,S为开关。
(1)请用笔画线代替导线,将图2所示的实物电路连接完整。
图1
图2
(2)调节滑动变阻器,记录电压表和电流表的示数如下表:
电压U/V
0.000
0.250
0.500
0.650
0.700
0.725
0.750
电流I/mA
0.00
0.10
0.25
0.60
1.70
4.30
7.50
请根据表中的数据,在方格纸上作出该元件的I-U图线。
图3
(3)根据作出的I-U图线可知,该元件是 (选填“线性”或“非线性”)元件。
(4)在上述测量中,如果用导线代替电路中的定值电阻R0,会导致的两个后果是 。
A.电压和电流的测量误差增大
B.可能因电流过大烧坏待测元件
C.滑动变阻器允许的调节范围变小
D.待测元件两端电压的可调节范围变小
答案 (1)如图所示
(2)如图所示
(3)非线性 (4)BC
解析 (1)实物连线如答案图所示;
(2)根据表中数据,描点后,连线如答案图所示;
(3)根据作出的I-U图像可知,该元件是非线性元件;
(4)待测元件与定值电阻R0是串联关系,定值电阻R0起到保护待测元件的作用,可以避免待测元件电压过高、电流过大,如果用导线代替定值电阻R0,可能会因为电流过大烧坏待测元件,同时滑动变阻器允许的调节范围变小,B、C正确。
6.(2020北京,16,9分)用图1所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻(约为1 Ω)。其中R为电阻箱,电流表的内电阻约为0.1 Ω,电压表的内电阻约为3 kΩ。
图1
(1)利用图1中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r,所测量的实际是图2中虚线框所示“等效电源”的电动势E'和内电阻r'。若电流表内电阻用RA表示,请你用E、r和RA表示出E'、r',并简要说明理由。
图2
(2)某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图3中,实线是根据实验数据(图甲:U=IR,图乙:I=UR)描点作图得到的U-I图像;虚线是该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图像(没有电表内电阻影响的理想情况)。
图3
在图3中,对应图甲电路分析的U-I图像是: ;对应图乙电路分析的U-I图像是: 。
(3)综合上述分析,为了减小由电表内电阻引起的实验误差,本实验应选择图1中的 (填“甲”或“乙”)。
答案 (1)见解析 (2)C A (3)乙
解析 (1)如果不考虑电表内电阻的影响,则
E'=I1R1+I1r'E'=I2R2+I2r'
考虑电表内电阻的影响,则真实情况是
E=I1R1+I1(r+RA)E=I2R2+I2(r+RA)
综上解得E'=E,r'=r+RA
(2)图甲电路中,电动势测量准确,而内电阻测量值偏大,故选C;
图乙电路中,电动势、内电阻测量值均偏小,故选A。
(3)电源内电阻r远小于电压表内电阻RV,故选乙。
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