专题6.4 应对高考创新实验必备的深度探究能力-2023届高考物理二、三轮复习总攻略

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目录
TOC \ "1-3" \h \u \l "_Tc2323" 一、新高考物理实验题的特点 PAGEREF _Tc2323 1
\l "_Tc11500" 二、指向深度探究的实验复习的必要性 PAGEREF _Tc11500 2
\l "_Tc29717" 三、指向深度探究的实验复习策略 PAGEREF _Tc29717 2
\l "_Tc8108" 1．深度探究实验目的 PAGEREF _Tc8108 2
\l "_Tc3615" 2．深度探究实验原理 PAGEREF _Tc3615 4
\l "_Tc20939" 3．深度探究测量电路 PAGEREF _Tc20939 8
\l "_Tc29096" 4．深度探究控制电路 PAGEREF _Tc29096 9
\l "_Tc18848" 四、实验题破解攻略 PAGEREF _Tc18848 11
\l "_Tc29307" 策略一 用好“1明2看3提”——又快又准破解力学实验题 PAGEREF _Tc29307 11
\l "_Tc8020" 策略二 用好“1明2选3画”——逐步攻克电学实验题 PAGEREF _Tc8020 13
\l "_Tc13697" 五、针对训练 PAGEREF _Tc13697 17
【概述】物理实验在高考中占据重要地位，是高考试题中最具活力和创造性的部分，物理实验在注重对科学探究能力考查的同时，也注重对物理观念和科学思维等核心素养的考查，尤其重视对学生的迁移创新能力的考查。
一、新高考物理实验题的特点
1．源于教材但不拘泥于教材
分析高考物理实验题发现，全部实验题均“源于教材而不拘泥于教材，源于经典实验而发展经典实验”，高度体现了2017年版课程标准提出的“注重体现物理学科本质，培养学生物理学科核心素养”的理念和“科学探究”为主体的实验评价方式。
2．创设情境引导学生设计与创新
实验设计已成为高考题的亮点，这类试题以“某同学”“某小组”为主角创设一个新的实验目的，但深入研究会发现，提供的实验器材和运用的基本原理都是学生熟悉的，只是需要学生深入理解每一个器材的作用、每一个原理的意义，才能完成设计。这类试题要求学生深入理解教材中实验所涉及的每一个知识、方法、原理，并能够在新的实验目的下迁移、重组并应用。
3．不一定在实验题中考实验
2022年高考中多地的试卷中均加大了实验的考查力度，不仅仅局限在原有的实验题位置，比如全国甲卷24、25两道计算题均一实验为背景要求学生理解教材中所学理论的实验背景并能将教材中的实验思想方法应用到题目中才能解答。
总之，实验题的原理和方法均源于《课程标准》要求的实验，但试题更加注重在新情境下的迁移与应用，在考查基础知识的基础上更加注重创新思维能力的考查。
二、指向深度探究的实验复习的必要性
传统的实验复习，学生大多缺少真实体验探究的机会，教师“说”、学生“背”实验的现象普遍存在，即使做实验，也是学生根据教师提供的实验器材，按照规定的实验步骤进行程式化操作，学生很少经历自主设计实验的机会。纸笔训练和测试成为常见的强化实验复习的主要手段，显然，这样的复习方式不利于学生迁移与应用能力的提高，更不利于学生创新思维能力的培养。
所以，实验复习应该以教材中的实验为抓手，引导学生经历深度探究，亲身体验物理知识的应用价值，进而主动理解知识、掌握方法、形成观念。
三、指向深度探究的实验复习策略
教材中的每一个实验必然是基于观察和实验提出问题、形成猜想和假设(即实验目的)，并进一步设计实验与制订方案(即实验原理)，最后基于证据得出结论并给出解释(实验步骤、数据处理、误差分析)。高三的实验复习中，只有引导学生再次经历探究过程，才能引发学生关于实验设计思想的深度思考，如果在高考中遇见新的实验题目，才能自主完善设计。所以，对待每一个实验，都要引导学生深入研究实验目的、实验原理、综合考虑实验原则来设计思路，完善实验方案。
1．深度探究实验目的
明确实验目的，指的是明确测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，只有深入理解了实验目的，实验原理才会一步一步呈现出来，这是明确实验探究方向的必备前提。
【例1】橡皮筋也像弹簧一样，在弹性限度内，弹力F与伸长量x成正比， 即F＝kx，k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关，理论与实践都表明k＝Yeq \f(S,L)，其中Y是一个由材料决定的常数，材料力学上称之为杨氏模量。
(1)在国际单位制中，杨氏模量Y的单位应该是________。
A．N B．m
C．N/m D．Pa
(2)有一段横截面是圆形的橡皮筋，应用如图甲所示的实验装置可以测量出它的杨氏模量Y的值。首先利用测量工具a测得橡皮筋的长度L＝20.00 cm，利用测量工具b测得橡皮筋未受到拉力时的直径D＝4.000 mm，那么测量工具a应该是____________，测量工具b应该是____________。
(3)下表是橡皮筋受到的拉力F与伸长量x的实验记录。
表 实验记录表
请在图乙中作出F­x图像，由图像可求得该橡皮筋的劲度系数k＝________N/m。
(4)这种橡皮筋的Y值等于________。
【深化拓展】本题的实验目的是测量橡皮筋的杨氏模量，不是教材中的原始实验，是教材中“探究弹簧弹力与形变量的关系”的延伸，试题对杨氏模量Y给出了含义和关系式，围绕Y的关系式，要达到实验目的，需测出S、L及k的值，题中给出了S、L的值，需从有效数字的角度分辨出所用的器材，而k的值需从F­x图像中确定。
2．深度探究实验原理
在实验目的的引导下，选择合适的实验原理，关键要清楚：实验目的与哪些物理量直接相关？待测物理量要通过哪些规律、公式求出？在现有实验条件下用什么方法测定该物理量？
【例2】如图所示为研学小组的同学们用圆锥摆验证向心力表达式的实验情境。将一轻细线上端固定在铁架台上，下端悬挂一个质量为m的小球，将画有几个同心圆的白纸置于悬点下方的水平台上，调节细线的长度使小球自然下垂静止时恰好位于圆心处。用手带动小球运动使它在放手后恰能在纸面上方沿某个画好的圆做匀速圆周运动。调节平台的高度，使纸面贴近小球但不接触。
(1)若忽略小球运动中受到的阻力，在具体的计算中可将小球视为质点，重力加速度为g。
①从受力情况看，小球做匀速圆周运动所受的向心力是________。
A．小球所受绳子的拉力
B．小球所受的重力
C．小球所受拉力和重力的合力
②在某次实验中，小球沿半径为r的圆做匀速圆周运动，用秒表记录了小球运动n圈的总时间t，则小球做此圆周运动的向心力大小Fn＝________(用m、n、t、r及相关的常量表示)。用刻度尺测得细线上端悬挂点到画有圆周纸面的竖直高度为h，那么对小球进行受力分析可知，小球做此圆周运动所受的合力大小F＝__________(用m、h、r及相关的常量表示)。
③保持n的取值不变，改变h和r进行多次实验，可获取不同的时间t。研学小组的同学们想用图像来处理多组实验数据，进而验证小球在做匀速圆周运动的过程中，所受的合力F与向心力Fn大小相等。为了直观，应合理选择坐标轴的相关变量，使待验证关系是线性关系。为此不同的组员尝试选择了不同变量并预测猜想了如图所示的图像，若小球所受的合力F与向心力Fn大小相等，则这些图像中合理的是________。
(2)考虑到实验的环境、测量条件等实际因素，对于这个实验的操作，下列说法正确的是________。
A．相同体积的小球，选择密度大一些的球可以减小空气阻力对实验的影响
B．相同质量的小球，选择体积小一些的球有利于确定其圆周运动的半径
C．测量多个周期的总时间再求周期的平均值，有利于减小周期测量的偶然误差
D．在这个实验中必须测量出小球的质量
(3)上述实验中小球运动起来后撤掉平台，由于实际实验过程中存在空气阻力的影响，所以持续观察会发现小球做圆周运动的半径越来越小，经过足够长时间后，小球会停止在悬点正下方。若小球在运动中每转动一周的时间内半径变化均可忽略，即每一周都可视为匀速圆周运动。请分析说明在小球做上述圆周运动的过程中，随着细绳与竖直方向的夹角不断减小，小球做圆周运动的周期是如何变化的。
【深化拓展】本题属于圆锥摆模型，与单摆的原理及结论是不同的，最常见的错误是不深度探究实验原理，不推理论证圆锥摆的周期与h的关系，仅凭记忆中单摆的周期公式T＝2πeq \r(\f(l,g))的关系得出周期与摆角无关的错误结论。需要注意的是，对于这类“形同质异”类实验，要在实验原理和方法上关注个性问题，并进行适当比较，切不可生搬硬套，乱用“现成”结论。
【例3】(2021·1月广东学业水平选择考适应性测试，11)为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图(a)装置，不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h，实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图(b)，其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：
(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量ΔEp＝________，动能的增加量ΔEk＝________。(均用题中所给字母表示)
(2)观察图(b)中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：________________________________________。
(3)为减小实验误差，实验时应选用密度________(选填“较大”或“较小”)的小球。
【例4】某物理课外小组利用图中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系．图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码．本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下：
(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑．
(2)将n(依次取n＝1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行．释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s－t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.
(3)对应于不同的n的a值见下表．n＝2时的s－t图象如图所示；由图求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表．
(4)利用表中的数据在图中补齐数据点，并作出a－n图象．从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比．
(5)利用a－n图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8 m·s－2)．
(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是________(填入正确选项前的标号)．
A．a－n图线不再是直线
B．a－n图线仍是直线，但该直线不过原点
C．a－n图线仍是直线，但该直线的斜率变大
3．深度探究测量电路
高中电学实验中的测量问题，重点是测电压、测电流、测电阻，核心问题是考虑电流表、电压表有内阻的情况下如何提高测量精度。
【例2】利用输出电压为3 V的恒压电源、量程为0～0.6 A的电流表(内阻不计)、定值电阻、阻值随长度均匀变化的电阻丝(长度为0.05 m，总阻值为25 Ω)、弹簧(电阻不计)、开关、导线，改装成如图甲的测力计。
(1)图甲的电路中，定值电阻的作用是______________________________________
______________________________________________________________________，
阻值至少为________ Ω。
(2)弹簧所受拉力F与其伸长量ΔL的关系如图乙。若定值电阻为10 Ω，则电流表的示数I与弹簧所受拉力F的关系式I＝__________(A)，可知由电流表改装的测力计刻度________(选填“均匀”或“不均匀”)，当电流表的示数为0.3 A，对应标示的力为______ N。
【深化拓展】本题是一道设计性实验，不是教材中的原始实验，是教材中“探究弹簧弹力与形变量的关系”、“欧姆表的原理”以及电阻电阻定律的延伸，试题给出了电路图，要求考生紧扣实验目的理解电路的设计。需结合胡克定律、闭合电路欧姆定律、电阻定律、欧姆表刻度原理及F­x图像等综合分析。
4．深度探究控制电路
无论是测电阻还是测电源电动势和内电阻，都离不开滑动变阻器，它在电路中的作用不仅是保障安全性，还起到调节电流和电压的作用，是控制电路的重要元器件。那么，在电路设计中，选择多大的滑动变阻器？又如何连接(限流或分压)？关注教材的练习题，会发现它在引导我们对比滑动变阻器在两种连接方式下的控制功能。
【例6】(2022·北京调研)在设计“伏安法测小灯泡的电阻”实验电路时，要思考以下两个问题：
(1)电流表内接还是外接？
如图甲所示，某同学采用试接的方法，让电压表的一端接在A点，另一端先后接到B点和C点。他发现电压表示数有明显变化，而电流表示数无明显变化，说明小灯泡的阻值与________(选填“电流表”或“电压表”)的阻值接近，应选择电流表________(选填“内接”或“外接”)的电路。
(2)如何选择滑动变阻器？
有三种规格的滑动变阻器，它们的最大阻值分别是R1＝20 Ω，R2＝200 Ω，R3＝1 750 Ω。将它们分别接入图乙所示电路。保持M、N间电压恒定，从左向右移动滑片P，研究小灯泡两端的电压U与滑片的滑动距离L(滑片从左向右滑动的最大距离为L0)的关系，如图中“×”为根据实验数据描出的点，请你结合图像判断该实验中选择的滑动变阻器最合适的规格是________，并简要说明理由：___________________________
__________________________________________________________________________。
【深化拓展】本题中第(1)问，只有深入思考了电流表内接法和外接法两种电路中系统误差产生的原因，才可以对测量电路做出正确选择；而第(2)问中，应清楚分压式接法中，选择阻值较小的滑动变阻器将更有利于对小灯泡电压和电流的调节。
另外，还可以深入探究：什么时候选择限流式连接方式？在限流式连接中选择多大的滑动变阻器合适？
总之，在高考实验部分的复习备考中，引导学生经历对实验的深度探究，不仅能激发学生的好奇心和求知欲，更有利于提高学生发现问题、提出问题、解决问题的能力，进而培养学生的创新精神和实践能力，提升学生的科学素养。
四、实验题破解攻略
策略一 用好“1明2看3提”——又快又准破解力学实验题
1.明——明确考查的知识范围
现在的物理力学实验题，尽管题目千变万化，但通过仔细审题，都能直接地判断出命题人想要考查的知识点和意图。
2.看——看清实验题图
实验题一般配有相应的示意图，目的是告知实验仪器(或部分实验仪器)及其组装情况，让考生探究考查意图。认识这些器材在实验中所起的作用，便能初步勾画实验过程。
3.提——提取信息
试题总是提供诸多信息再现实验情境，因此，解答时必须捕捉并提取有价值的信息，使问题迎刃而解。
【例1】(2020·北京高考，15)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
(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－eq \f(1,M)图像。
(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)。
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
【例2】(2022·广东茂名二模)用图甲的装置研究物体的落体运动(所需电源装置没有画出)，已知打点计时器打点的周期为T，图乙是某次实验得到的一条纸带。请按题目要求作答：
(1)可以判断，连接下落物体的夹子夹在图乙纸带的____(选填“左”或“右”)端；
(2)若s2＝5.32 cm，s3＝6.84 cm，T＝0.02 s。则在纸带上打下点A时物体的速度vA＝________ m/s(结果保留3位有效数字)；
(3)若用逐差法计算加速度，则该下落物体的加速度a＝________(用T和纸带上标出的所有位移符号表示)。
策略二 用好“1明2选3画”——逐步攻克电学实验题
1.明——明确实验目的。
2.选——通过实验目的与实验器材的结合，选择合适的实验原理。
3.画——画出可能的实验原理图，结合题设条件确定最优的电路原理图。
【例1】 (2022·湖南岳阳二模)某同学要将一量程为3 V的电压表V1改装成量程为15 V的电压表V2。
(1)先将V1直接接到内阻可以忽略的电源两端，读数为2.0 V；再将V1与阻值为
2 000 Ω的电阻串联后，接到该电源两端，读数为1.5 V，则V1的内阻为
________ Ω。
(2)要改装成量程为15 V的电压表V2，需要将V1表与合适的电阻R________(选填“串联”或“并联”)。
(3)将改装后的电压表V2与一标准电压表校对。
①完成下面的实物连线；
②在闭合开关之前，滑动变阻器的滑片P置于最________端(选填“左”或“右”)；
③闭合开关，移动滑片P，标准电压表示数为10.0 V时，V1表示数为2.5 V。要达到预期目的，只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k＝________(保留3位有效数字)。
【例2】(2022·福建漳州二模)电饭锅有“煮饭”和“保温”两种工作模式，在
220 V额定电压下功率分别为600 W和80 W。某同学通过实验测定该电饭锅两种工作模式的电阻。备有实验器材：
滑动变阻器R1(最大阻值5 Ω)，电阻箱R(精度0.01 Ω)，电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)，电流表A(量程60 mA，内阻r＝3.6 Ω)，干电池两节，开关及导线若干。
(1)利用上述器材，设计如图甲所示电路。实验前应将滑动变阻器滑片置于________(填“a”或“b”)端；
(2)将电饭锅置于其中一种工作模式，闭合S，调节滑片于不同位置，记录多组I、U的示数，在图乙中绘制I－U图线①；
(3)将电饭锅置于另一种工作模式，闭合S，发现电流表读数超过量程，立即断开S。经过分析计算，决定将电流表量程扩大到0.6 A，则应将电阻箱与电流表并联，并将其阻值调节至R＝________ Ω；按原表盘刻度读数，绘得I－U图线②；
(4)由此可知电饭锅“煮饭”模式的电阻阻值为________ Ω(结果保留3位有效数字)；
(5)计算发现，实验操作、数据记录与处理均正确无误，但实验得到的结果比电饭锅正常工作时的阻值小很多，造成该差异的主要原因：________________________
_____________________________________________________________________。
【例3】热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的新型材料，可用于测温度。某同学利用实验室提供的一种电阻阻值随温度呈线性变化(数学关系式为Rt＝kt＋b，其中k>0，b