教材情境4　基于教材中的“科学实验”情境命题-高考物理二轮复习 学案

这是一份教材情境4　基于教材中的“科学实验”情境命题-高考物理二轮复习 学案，共4页。
从近几年的高考物理实验题的设置来看，特别重视实验能力的培养和提高。因此要做好教材中规定的基本实验，充分理解和掌握实验的内容，在此基础上，能利用已学知识、原理和方法在题设的条件和情境下，按照题设的要求制定出实验方案、选择实验器材、安排实验步骤、设计实验数据的处理方法及实验误差分析，逐渐提高实验迁移能力、解决简单新颖情境实验的能力。
【真题1】
1．某实验小组通过实验探究加速度与力、质量的关系。
（1）利用图甲装置进行实验，要平衡小车受到的阻力。平衡阻力的方法是：调整轨道的倾斜度，使小车 （选填正确答案标号）。
a.能在轨道上保持静止
b.受牵引时，能拖动纸带沿轨道做匀速运动
c.不受牵引时，能拖动纸带沿轨道做匀速运动
（2）利用图乙装置进行实验，箱体的水平底板上安装有力传感器和加速度传感器，将物体置于力传感器上，箱体沿竖直方向运动，利用传感器测得物体受到的支持力FN和物体的加速度a，并将数据实时传送到计算机。
①图丙是根据某次实验采集的数据生成的FN和a随时间t变化的散点图，以竖直向上为正方向。t＝4 s时，物体处于 （选填“超重”或“失重”）状态；以FN为横轴、a为纵轴，根据实验数据拟合得到的a-FN图像为图丁中的图线a。
②若将物体质量增大一倍，重新进行实验，其a-FN图像为图丁中的图线 。（选填“b”“c”或“d”）
衔接分析本题源于人教版物理必修第一册P88，实验：探究加速度与力、质量的关系；主要考查教材原型实验的实验原理、关键操作及实验的创新拓展。
【真题2】
2．实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源（频率50 Hz）、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。
（1）下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列： （填步骤前面的序号）。
①先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带
②先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点
③用电子天平称量重锤的质量
④将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端
⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据
⑥关闭电源，取下纸带
（2）图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为 m/s（保留3位有效数字）。
（3）纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图3所示的v2-h关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应 （填“通过”或“不通过”）原点且斜率为 （用重力加速度大小g表示）。由图3得直线的斜率k＝ （保留3位有效数字）。
（4）定义单次测量的相对误差η＝|Ep－EkEp|×100％，其中Ep是重锤重力势能的减小量，Ek是其动能增加量，则实验相对误差为η＝ ×100％（用字母k和g表示）；当地重力加速度大小取g＝9.80 m/s2，则η＝ ％（保留2位有效数字），若η＜5％，可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒。
衔接分析本题源于人教版物理必修第二册P 95，实验：验证机械能守恒定律；主要考查教材原型实验的实验步骤、数据处理及误差分析等问题。
【真题3】
3．实验小组研究某热敏电阻的特性，并依此利用电磁铁、电阻箱等器材组装保温箱。该热敏电阻阻值随温度的变化曲线如图1所示，保温箱原理图如图2所示。回答下列问题：
（1）图1中热敏电阻的阻值随温度的变化关系是 （填“线性”或“非线性”）的。
（2）存在一个电流值I0，若电磁铁线圈的电流小于I0，衔铁与上固定触头a接触；若电流大于I0，衔铁与下固定触头b接触。保温箱温度达到设定值后，电磁铁线圈的电流在I0附近上下波动，加热电路持续地断开、闭合，使保温箱温度维持在设定值。则图2中加热电阻丝的c端应该与触头 （填“a”或“b”）相连接。
（3）当保温箱的温度设定在50 ℃时，电阻箱旋钮的位置如图3所示，则电阻箱接入电路的阻值为 Ω。
（4）若要把保温箱的温度设定在100 ℃，则电阻箱接入电路的阻值应为 Ω。
衔接分析本题源于鲁科版选择性必修第二册P119，“节练习”第5题；考查了热敏电阻的热敏特性的理解、应用热敏电阻制作的保温箱电路的结构及工作原理的理解及应用问题。
答案解析部分
1．【答案】（1）c
（2）失重；d
【知识点】探究加速度与力、质量的关系；牛顿第二定律
【解析】【解答】（1）平衡阻力的原理是调整轨道的倾斜度，使小车重力沿斜面向下的分力来平衡小车运动时打点计时器对小车（含纸带）的阻力及其他阻力，故平衡阻力的方法应是调整轨道的倾斜度，使小车在不受牵引时能拖动纸带沿轨道匀速运动，c正确。
故答案为：C
（2）①由题图丙的a-t图像可知t＝4 s时，物体的加速度取负值，又竖直向上为正方向，则t＝4 s时物体的加速度竖直向下，则物体处于失重状态。
②以竖直向上为正方向，对物体受力分析，由牛顿第二定律可得FN－mg＝ma，变形得a＝1mFN－g，则a-FN图像的斜率为1m，纵截距为－g，若将物体的质量增大一倍，重新进行实验，则a-FN图像的斜率变为原来的12，纵截距不变，又原来的a-FN图像为题图丁中的图线a，则对比题图丁中的其他图线可知重新进行实验后的a-FN图像为题图丁中的图线d。
故答案为： ①失重 ②d
【分析】(1) 平衡小车阻力时，需让小车在不受牵引的情况下做匀速运动，以此抵消重力分力与阻力的影响。
(2) ① 依据加速度方向判断超失重状态，加速度向下为失重，向上为超重；再由牛顿第二定律推导 a−FN 函数关系。
② 分析质量变化对 a−FN 图像斜率和截距的影响，判断对应图线。
2．【答案】（1）④①⑥⑤
（2）1.79
（3）通过；2g；19.1
（4）|1－k2g|；2.6（3.1也可）
【知识点】验证机械能守恒定律
【解析】【解答】（1）根据题图1可知，本实验的实验原理是通过验证重锤重力势能的减少量等于动能的增加量，来验证机械能守恒定律，验证的关系式为mgh＝12mv2，因为等式两边的质量可以消去，所以测量重锤的质量（步骤③）不是必需的；又测量重锤下落的高度和速度均能通过打点计时器与纸带完成，按照打点计时器与纸带的使用规则可知，应先接通打点计时器的电源，打点计时器工作稳定后再释放纸带，步骤②错误，所以步骤①④⑥⑤是必需且正确的，正确实验操作排序为④①⑥⑤；
故答案为：④①⑥⑤
（2）重锤带动纸带做匀加速直线运动，某段时间中间时刻的瞬时速度等于该段时间的平均速度，所以打出B点时重锤下落的速度大小vB＝sAC2f＝（20.34－13.20）×502×10－2 m/s＝1.79 m/s；
故答案为：1.79
（3）若机械能守恒，对重锤有mgh＝12mv2，整理得v2＝2gh，所以v2-h图线应通过原点且斜率为2g。由题图3可知直线的斜率k＝5.6－－0.075 m/s2＝19.1 m/s2；
故答案为：通过；2g；19.1
（4）η＝|mgℎ－12mv2mgℎ|×100％＝|1－k2g|×100％，代入数据解得η＝2.6％
故答案为：|1－k2g|；2.6（3.1也可）
【分析】(1) 验证机械能守恒实验无需测量重锤质量，操作顺序需遵循先安装器材、后接通电源打点、再释放纸带、最后处理数据的规范流程。
(2) 利用匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该段平均速度，计算B点速度。
(3) 由机械能守恒公式推导 v2−ℎ 图像的理论形式，分析图像过原点及斜率的物理意义，再由图像读取斜率数值。
(4) 结合势能减少量、动能增加量与图像斜率的关系，推导相对误差表达式，代入数值计算结果。
3．【答案】（1）非线性
（2）a
（3）130.0
（4）210.0
【知识点】常见传感器的工作原理及应用
【解析】【解答】（1）由题图1可知，热敏电阻的阻值随温度非线性变化；
故答案为：非线性
（2）根据题图1可知，保温箱内温度升高时热敏电阻阻值减小，电磁铁线圈中电流增大，又电流大于I0时衔铁与下固定触头b接触，可知在温度较低时衔铁与上固定触头a接触，加热电阻丝连入电路工作，即加热电阻丝的c端与触头a相连接；
故答案为：a
（3）根据电阻箱的读数规则可知，电阻箱接入电路的阻值为1×100 Ω＋3×10 Ω＋0×1 Ω＋0×0.1 Ω＝130.0 Ω；
故答案为：130.0
（4）由（3）可知保温箱的温度设定在50 ℃时，电阻箱的阻值为130.0 Ω，50 ℃时热敏电阻的阻值为180 Ω，由闭合电路欧姆定律及题意可知，EI0＝r＋R磁＋R电阻箱＋R，则保温箱在不同设定温度下，电阻箱与热敏电阻阻值之和相同，若要把保温箱的温度设定在100 ℃，此时热敏电阻的阻值为100 Ω，则电阻箱接入电阻的阻值为210.0 Ω。
故答案为：210.0
【分析】(1) 观察图1中热敏电阻阻值随温度变化的曲线，曲线不是直线，判断其变化关系。
(2) 温度升高时热敏电阻阻值减小，电路电流增大，需让加热电路在电流大于I0时断开，以此确定加热电阻丝连接的触头。
(3) 按照电阻箱各旋钮的倍率读数，将各档位数值相加得到总阻值。
(4) 利用设定温度时电路总电阻不变的特点，结合不同温度下热敏电阻的阻值，计算电阻箱的接入阻值。