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1 / 4 教材情境4 基于教材实验的“科学实验”命题 情境解读：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】 （2024·海南高考14 题节选）为验证两个互成角度的力的合成规律，某组同学用两个弹簧测力计、橡 皮条、轻质小圆环、木板、刻度尺、白纸、铅笔、细线和图钉等器材，按照如下实验步骤完成实验。 （Ⅰ）用图钉将白纸固定在水平木板上； （Ⅱ）如图甲、乙所示，橡皮条的一端固定在木板上的G 点，另一端连接轻质小圆环，将两细线系在小圆环上， 细线另一端系在弹簧测力计上，用两个弹簧测力计共同拉动小圆环到某位置，并标记圆环的圆心位置为O 点，拉 力F1和F2的方向分别过P1和P2点，大小分别为F1＝3.60 N、F2＝2.90 N；改用一个弹簧测力计拉动小圆环，使 其圆心到O 点，在拉力F 的方向上标记P3点，拉力的大小为F＝5.60 N，请完成下列问题： ①在图乙中按照给定的标度画出F1、F2和F 的图示，然后按平行四边形定则画出F1、F2的合力F'。 答案：①见解析图 ②比较F 和F'，写出可能产生误差的两点原因： 没有做到弹簧测力计 、 细线 、 橡皮条都与木板平行 ； 读数时没 有正视弹簧测力计 。 解析：①根据F1、F2与F 的方向和大小作出的力的图示如下图所示。②由图可知F 与F'不完全重合，该误差的原 因可能是没有做到弹簧测力计、细线、橡皮条都与木板平行；读数时没有正视弹簧测力计。 衔接分析 本题来源于人教版必修第一册P73，实验“探究两个互成角度的力的合成规律”，考查教材原型实验的实验目 的、实验原理、实验操作及产生误差的原因。 【真题2】 （2024·广西高考11 题）单摆可作为研究简谐运动的理想模型。 2 / 4 （1）制作单摆时，在图甲、图乙两种单摆的悬挂方式中，选择图甲方式的目的是要保持摆动中 摆长 不变； （2）用游标卡尺测量摆球直径，测得读数如图丙，则摆球直径为 1 . 06 cm； （3）若将一个周期为T 的单摆，从平衡位置拉开5°的角度释放，忽略空气阻力，摆球的振动可看为简谐运动。 当地重力加速度为g，以释放时刻作为计时起点，则摆球偏离平衡位置的位移x 与时间t 的关系为 x ＝ gT 2sin5° 4 π 2 cos 2π T t 。 解析：（1）选择图甲方式的目的是要保持摆球摆动中摆长不变。（2）摆球直径为d＝10 mm＋6×0.1 mm＝10.6 mm＝1.06 cm。（3）根据单摆的周期公式T＝2π√ L g 可得单摆的摆长为L＝gT 2 4 π 2 ，从平衡位置拉开5°的角度处释 放，可得振幅为A＝Lsin 5°，以该位置为计时起点，根据简谐运动规律可得摆球偏离平衡位置的位移x 与时间t 的关系为x＝Acos ωt＝gT 2sin5° 4 π 2 cos 2π T t。 衔接分析 本题来源于人教版物理选择性必修第一册P51，实验：用单摆测量重力加速度，考查教材原型实验的实验原理 及游标卡尺的读数。 【真题3】 （2024·北京高考16 题）如图甲所示，让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。 （1）关于本实验，下列做法正确的是 AC （填选项前的字母）。 A.实验前，调节装置，使斜槽末端水平 B.选用两个半径不同的小球进行实验 C.用质量大的小球碰撞质量小的小球 （2）图甲中O 点是小球抛出点在地面上的垂直投影，首先，将质量为m1的小球从斜槽上的S 位置由静止释放，小 球落到复写纸上，重复多次。然后，把质量为m2的被碰小球置于斜槽末端，再将质量为m1的小球从S 位置由静止 释放，两球相碰，重复多次。分别确定平均落点，记为M、N 和P（P 为质量为m1的小球单独滑落时的平均落点）。 a.图乙为实验的落点记录，简要说明如何确定平均落点： ； 答案：见解析 b.分别测出O 点到平均落点的距离，记为OP、OM 和ON。在误差允许范围内，若关系式 m 1· OP ＝ m 1· OM ＋ m2· ON 成立，即可验证碰撞前后动量守恒。 （3）受上述实验的启发，某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示，用两根不可伸长的等 长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O 点和O'点，两点间距等于小球的直径。将质量较小 3 / 4 的小球1 向左拉起至A 点由静止释放，在最低点B 与静止于C 点的小球2 发生正碰。碰后小球1 向左反弹至最高点 A'，小球2 向右摆动至最高点D。测得小球1、2 的质量分别为m 和M，弦长AB＝l1、A'B＝l2、CD＝l3。 推导说明，m、M、l1、l2、l3满足 ml 1＝－ ml 2＋ Ml 3关系即可验证碰撞前后动量守恒。 答案：推导过程见解析 解析：（1）实验要求小球从斜槽末端离开后做平抛运动，因此斜槽末端需要水平，A 正确；实验时需要选择半径 相同的小球发生一维对心碰撞，B 错误；为使碰撞后质量为m1的小球不反弹而从斜槽末端水平离开，需要用质量 大的小球碰撞质量小的小球，C 正确。 （2）a.利用圆规画圆，尽可能用最小的圆将某位置所有的落点圈在其中，这个圆的圆心位置即为平均落点；b.小 球从斜槽末端飞出后均做平抛运动，下落高度相同，由h＝1 2gt2可知下落时间相同，则由x＝vt 可知小球落地时的 水平位移与离开斜槽末端的速度成正比，又由动量守恒定律有m1vP＝m1vM＋m2vN，则有m1·OP＝m1·OM＋m2·ON， 故若关系式m1·OP＝m1·OM＋m2·ON 成立，即可验证碰撞前后动量守恒。 （3）小球摆动过程几何关系如图，由勾股定理可知l2－h2＝l0 2－（l0－h）2，解得l2＝2l0h，则h＝l 2 2l0 ，可知 h∝l2，设小球在最低点时的速度大小为v，则由动能定理有mgh＝1 2mv2，解得v2＝2gh，可知v∝√ℎ∝l，规定水 平向右为正方向，则小球碰撞过程由动量守恒定律有mv1＝－mv2＋Mv3，变形得ml1＝－ml2＋Ml3，故若m、M、 l1、l2、l3满足ml1＝－ml2＋Ml3即可验证碰撞前后动量守恒。 衔接分析 本题源于鲁科版物理选择性必修第一册P18，科学验证：动量守恒定律，主要考查教材原型实验的实验原理与 设计、实验步骤、实验的拓展。 【真题4】 （2024·湖北高考11 题）某同学利用激光测量半圆柱体玻璃砖的折射率，具体步骤如下： 4 / 4 ①平铺白纸，用铅笔画两条互相垂直的直线AA'和BB'，交点为O。将半圆柱体玻璃砖的平直边紧贴AA'，并使其圆 心位于O 点，画出玻璃砖的半圆弧轮廓线，如图a 所示。 ②将一细激光束沿CO 方向以某一入射角射入玻璃砖，记录折射光线与半圆弧的交点M。 ③拿走玻璃砖，标记CO 光线与半圆弧的交点P。 ④分别过M、P 作BB'的垂线MM'、PP'，M'、P'是垂足，并用米尺分别测量MM'、PP'的长度x 和y。 ⑤改变入射角，重复步骤②③④，得到多组x 和y 的数据。根据这些数据作出y-x 图像，如图b 所示。 （1）关于该实验，下列说法正确的是 B （单选，填标号）。 A.入射角越小，误差越小 B.激光的平行度好，比用插针法测量更有利于减小误差 C.选择圆心O 点作为入射点，是因为此处的折射现象最明显 （2）根据y-x 图像，可得玻璃砖的折射率为 1 . 58 （ 1 . 56 ～ 1 . 60 均可 ） （保留三位有效数字）。 （3）若描画的半圆弧轮廓线半径略大于玻璃砖的实际半径，则折射率的测量结果 不变 （填“偏大”“偏小” 或“不变”）。 解析：（1）在本实验中，为了减小测量误差，入射角应适当大些，因为入射角越大，折射角也越大，则入射角和 折射角的测量误差都会减小，从而使折射率的测量误差减小，A 错误；与插针法相比，激光的平行度好，能更准 确地确定入射光线和折射光线，从而更有利于减小实验误差，B 正确，选择圆心O 点作为入射点，是因为便于计 算，并不是因为此处的折射现象最明显，C 错误。 （2）设入射角为α、折射角为β、半圆弧轮廓线半径（玻璃砖半径）为R，则由几何关系可知sin α＝PP' R ＝y R 、 sin β＝MM ' R ＝x R ，根据折射定律可得玻璃砖的折射率n＝sin α sin β ＝y x ，结合题图b 可知y-x 图像的斜率为该玻璃砖 的折射率，故该玻璃砖的折射率n＝45 28.5＝1.58。 （3）由（2）问分析可知折射率的表达式中没有半圆弧轮廓线半径R，所以轮廓线半径的测量误差对实验结果没有 影响，即折射率的测量结果不变。 衔接分析 本题源于鲁科版物理选择性必修第一册P107，节练习第5 题，考查利用激光测量玻璃的折射率。
