1、1层级拔高练（三） 提升实验设计和探究归纳能力（难度题，全力争取）一 、 实 验 原 理 的 迁 移1(2018郑州第二次质量预测)LED 绿色照明技术已经走进我们的生活。某实验小组要精确测定额定电压为 5 V 的 LED 灯泡正常工作时的电阻，已知该灯泡正常工作时电阻大约为 500 ，其电学符号与小灯泡电学符号相同。实验室提供的器材有：A电流表 A1(量程为 60 mA，内阻 RA1约为 1 ，读数记为 I1)B电流表 A2(量程为 3 mA，内阻 RA220 ，读数记为 I2)C电压表 V(量程 015 V，内阻 RV1 k，读数记为 U)D定值电阻 R1980 E定值电阻 R21 980
2、 F滑动变阻器 R(020 )G蓄电池 E(电动势为 24 V，内阻很小)H开关 S，导线若干(1)部分电路原理图如图所示，请选择合适的器材，电表 1 为_，电表 2 为_，定值电阻为_。(填写器材前的字母编号)(2)将电路图补充完整。(3)写出测量 LED 灯电阻的表达式 Rx_(用已知量和测量量表示)，调节滑动变阻器滑片的位置，当表达式中的_(填字母)达到_，记下另一电表的读数代入表达式，其结果即为 LED 灯正常工作时的电阻。解析：(1)要精确测定额定电压为 5 V 的 LED 灯正常工作时的电阻，需测量 LED 灯两端的电压和通过 LED 灯的电流。由于电压表的量程较大，测量误差较大，
3、不能用来测量 LED两端的电压，可以将电流表 A2与定值电阻串联改装为电压表，改装的电压表内阻应至少为 1 667 ，电流表 A2的内阻为 20 ，则定值电阻应选 E；LED 灯正常工ULEDIA2 50.003作时的电流约为 A10 mA，电流表 A1的量程较大，不能精确测量电流；电压表内阻已5500知，对应满偏电流为 A15 mA，故用电压表测量电流更为准确。由以上分析可知，151 000电表 1 为 C，电表 2 为 B，定值电阻为 E。2(2)因为滑动变阻器阻值远小于 LED 的电阻，所以滑动变阻器采用分压式接法。电路图如图所示：(3)根据闭合电路欧姆定律知，LED 灯两端的电压为 I
4、2(R2R A2)，通过 LED 灯的电流为I 2，所以 LED 灯的电阻 Rx ，改装后的电压表内阻为 2 000 ，则当URV I2 R2 RA2URV I2I22.5 mA 时， LED 灯两端的电压为 5 V，达到额定电压，测出来的电阻为正常工作时的电阻。答案：(1)C B E (2)见解析图 (3) I 2 2.5 mAI2 R2 RA2URV I22(2018湖北华大新高考联盟质量测评)某同学利用如图(a)所示电路研究玩具电动机的能量转化，实验中使用的器材为：玩具电动机、滑动变阻器、电压表 V1、电压表 V2、电流表 A、电源 E、开关 S、导线若干。(1)按图(a)所示的电路原理
5、图将图(b)中实物图连线补充完整。(2)将滑动变阻器阻值调到最大，闭合开关 S，调节滑动变阻器，某时刻某电压表的示数如图(c)所示，该电压表的读数为_ V。(3)当滑动变阻器 R 的触头从一端滑到另一端的过程中，依次记录电流表的示数 I 和电压表 V1、电压表 V2的示数 U1、U 2，并在同一坐标纸上描绘出 UI 图线，如图(d)所示，其中 AB、CD 为直线，DB 为曲线。3(4)根据图线求得电源电动势 E_ V，内阻 r_ ，玩具电动机的内阻 rM_ ，工作点 B 对应的电动机输出功率 P 出 _ W(结果均保留 3 位有效数字)。解析：(1)按照电路原理图连接实物图，如图所示。(2)电
6、压表的最小刻度为 0.1 V，估读到最小刻度的下一位，故读数为 2.20 V。(4)由图像可知，AB 段反映的是路端电压与干路电流的关系，故线段与纵轴的交点为电源的电动势，即 E3.00 V；图像的斜率等于内阻，即 r 5.00 ；CDB 段是3 20.2电动机上的电压和电流的关系，而 CD 段是直线，即电动机没有转动，可视为纯电阻电路，所以其内阻 rM 4.00 。加在玩具电动机上的最大电压是 1.60 V，电流是0.80.20.280 A，工作点 B 对应的电动机输出功率为 P 出 1.600.280 W0.280 24.00 W0.134 W。答案：(1)见解析图 (2)2.20 (4)
7、3.00 5.00 4.00 0.134二 、 实 验 器 材 的 等 效 与 替 换3图 1 为某同学用力传感器去探究弹簧的弹力和伸长量的关系的实验情景。4用力传感器竖直向下拉上端固定于铁架台上的轻质弹簧，读出不同拉力下的标尺刻度x 及拉力大小 F(从电脑中直接读出)。所得数据记录在下列表格中：拉力大小 F/N 0.45 0.69 0.93 1.14 1.44 1.69标尺刻度 x/cm 57.02 58.01 59.00 60.00 61.03 62.00(1)根据所测数据，在图 2 坐标纸上作出 F 与 x 的关系图像。(2)由图像求出该弹簧的劲度系数为_N/m，弹簧的原长为_cm。(均
8、保留三位有效数字)(3)为了用弹簧测定两木块 A 和 B 间的动摩擦因数 ，两位同学分别设计了如图 3 所示的甲、乙两种方案。为了用某一弹簧测力计的示数表示 A 和 B 之间的滑动摩擦力的大小，你认为_方案更合理。若 A 和 B 的重力分别为 10.0 N 和 20.0 N。当 A 被拉动时，弹簧测力计 a 的示数为6.0 N，b 的示数为 11.0 N，c 的示数为 4.0 N，则 A 和 B 间的动摩擦因数为_。解析：(1)根据表中数据利用描点法得出对应的图像如图所示。(2)由胡克定律可知，图像的斜率表示劲度系数，则可知k N/m1.800.625 0.55024.0 N/m，在横轴上的截
9、距表示弹簧的原长 x55.0 cm。(3)甲、乙两种方案，在拉着物体 A 运动的过程中，拉 A 的弹簧测力计由于在不断地运动，示数可能会变化，读数不是很准，弹簧测力计 a 是不动的，指针稳定，便于读数，故甲方案更合理。弹簧测力计 a 示数为 6.0 N，所以 A、B 间的动摩擦因数 0.3。FaGB 6.020.0答案：(1)见解析图 (2)24.0(23.025.0 均正确) 55.0(45.555.5 均正确) (3)甲 0.354(2019 届高三茂名模拟)某活动小组利用图甲所示装置验证机械能守恒定律。钢球自由下落过程中，先后通过光电门 A、B，计时装置测出钢球通过 A、B 的时间分别为
10、tA、t B。用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度。测出两光电门间的距离为 h，当地重力加速度为 g。(1)用游标卡尺测量钢球的直径，读数如图乙所示，钢球直径为 D_ cm。(2)要验证机械能守恒，只要比较_(填选项前的字母序号)即可。A. D2与 gh 是否相等(1tA2 1tB2)B. D2与 2gh 是否相等(1tA2 1tB2)C. D2与 gh 是否相等(1tB2 1tA2)D. D2与 2gh 是否相等(1tB2 1tA2)(3)钢球通过光电门的平均速度_(选填“”或“”)钢球球心通过光电门的瞬时速度。解析：(1)游标卡尺的主尺读数为：0.9 cm，游标尺上第
11、 10 个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标读数为 0.0510 mm0.50 mm，所以最终读数为：0.950 cm。(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故：v ，Dt根据机械能守恒的表达式有：mgh mD212 (1tB2 1tA2)即只要比较 D2 与 2gh 是否相等，故选 D。(1tB2 1tA2)(3)根据匀变速直线运动的规律得钢球通过光电门的平均速度等于这个过程中间时刻速度，所以钢球通过光电门的平均速度小于钢球球心通过光电门的瞬时速度。答案：(1)0.950 (2)D (3)5(2018湖北七市教科研协作体联考)某同学想要测量一个未知电阻 Rx，他能够使用的器材如下
12、：A待测电阻 Rx，阻值约为 20 ；B电流表 A1，量程为 30 mA，内阻约为 20 ；6C电流表 A2，量程为 5 mA，内阻 r2250 ；D定值电阻 R0，阻值为 R030 ；E定值电阻 R1，阻值为 R1300 ；F滑动变阻器 R，最大阻值约为 10 ；G电源 E，电动势约为 3 V，内阻不大但不可忽略；H开关 S 及若干导线。该实验要求没有系统误差，可以测量多组数据且调节方便，而且电表指针的偏转角能够调节到尽可能大，则：(1)该实验应选择的器材有_；(2)在虚线框中画出该实验的电路图；(3)若两电流表的示数表示为 I1、I 2，则计算待测电阻阻值的表达式为 Rx_。解析：实验器材
13、中没有电压表，可采用双安法测量电阻，同时结合欧姆定律和串并联电路的特点解决问题。因为题中没有给出电压表，而给出了两个电流表，可选用一个大量程的电流表测量总电流，由于小量程的电流表内阻较大并且已知，可并联在被测电阻与一定值电阻两端，即可知道被测电阻与定值电阻两端的电压以及电流，由于定值电阻 R1较大，造成电路中电流较小，电表的偏角较小，故选定值电阻 R0，要求测量数据较多，故滑动变阻器采用分压接法，所以需要的器材为 ABCDFGH，电路图如图所示：根据欧姆定律可得 R0R x ，解得 Rx R 0。I2r2I1 I2 I2r2I1 I2答案：(1)ABCDFGH (2)见解析图 (3) R 0I
14、2r2I1 I2三 、 数 据 处 理 的 创 新6(2018江苏调研)实验小组采用如图甲所示实验装置测量木块与木板间动摩擦因数，提供的器材有：带定滑轮的长木板，有凹槽的木块，质量一共为 20 g 的钩码若干个，打点计时器、电源、纸带、细线等。实验中将部分钩码悬挂在细线下，剩余的钩码放在木块的凹槽中，保持长木板水平，利用打出的纸带测量木块的加速度。7(1)正确进行实验操作，得到一条纸带，从某个清晰的打点开始，依次标注0、1、2、3、4、5、6，分别测出位置 0 到位置 3、位置 6 间的距离，如图乙所示。已知打点周期 T 0.02 s，则木块的加速度 a_ m/s 2。(2)将木块凹槽中的钩码
15、逐个添加到细线下端，改变悬挂钩码的总质量 m，测得相应的加速度 a，作出 am 图像如图丙所示，已知当地重力加速度 g9.8 m/s2，则木块与木板间动摩擦因数 _(保留两位有效数字)； 的测量值_(选填“大于” “小于”或“等于”)真实值，原因是_(写出一个即可)。(3)实验中_(选填“需要”或“不需要”)满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量。解析：(1)已知打点周期 T0.02 s，根据逐差法可得木块的加速度为：a m/s23.33 m/s 2。x36 x039T2 8.20 3.50 3.50 10 290.022(2)设木块的质量为 M，根据牛顿第二定律有，mgf(M0.02)
16、a，f(M0.02m)g，联立可解得加速度为：a mg，由丙图可知，当 1 gM 0.02m0 时，ag3.3 m/s2，则木块与木板间动摩擦因数 0.34，因滑轮与轴承、细线间有摩擦，纸带与打点计时器间有摩擦，所以测量值大于真实值。(3)实验中没有采用细线拉力等于重力，所以不需要满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量。答案：(1)3.33 (2)0.34(0.320.36 均正确) 大于 滑轮与轴承、细线间有摩擦，纸带与打点计时器间有摩擦等 (3)不需要7在做测量电源电动势 E 和内阻 r 的实验时，提供的器材有：8待测电源一个(电动势 E 约为 9 V，内阻 r 在 3585 范围内
17、)，内阻为 RV19.95 k的电压表一个(量程略大于电源的电动势)，电阻箱一个，开关一个，导线若干。为了测量得更加准确，多次改变电阻箱的电阻 R，读出电压表的相应示数 U，以 为纵坐标，R 为横1U坐标，画出 与 R 的关系图像，如图所示。试根据以上信息回答问题：1U(1)在虚线框内画出实验电路图。(2)根据图像可得 E_，r_。(保留两位有效数字)解析：(1)由题图可知，电阻箱的阻值可达到 5 k，与电压表内阻的数量级相当，故电压表可并联在电阻箱两端，也可与电阻箱串联测电流，由 与 R 成线性关系可知，电压表应与电阻箱串联，实验电路图如图所示。1U(2)闭合开关，设干路电流为 I，由闭合电路欧姆定律，得：EUI(Rr)，其中 I，解得： ，可见斜率 k 610 6 V1 1 ，纵轴截距URV 1U RERV r RVERV 1ERVb 0.12 V 1 ，解得：E 8.4 V，r R V50 。r RVERV 1kRV bk答案：(1)电路图见解析 (2)8.4 V 50
