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1、专题突破 (十四) 实验设计题 1 原创 19世纪，英国科学家法拉第发现，如果让闭合回路的导线在磁场中做切割磁 感线的运动，导线中就会产生感应电流，而如果给位于磁场中的导线通电，则这根导线将会 受到一个力的作用。根据法拉第的发现，人们发明了现在广泛应用的发电机和电动机。电动 机产生的强劲扭矩启示了科学家和军事家，如果把磁场中的这根导线换成一个导轨，上面再 搁一枚炮弹，或干脆把导线换作一枚可导电的炮弹，这枚炮弹能不能被发射出去呢？ 1901 年，挪威人克里斯廷伯克兰制造出了世界上第一台电磁发射器，开创了电磁炮的 先河。目前，电磁炮受到各个国家的关注，因为它具有普通火炮无法比拟的优势：炮弹的速 度
2、快，射程远，精度高，威力大。普通炮弹的飞行速度最高约1800 m/s，而电磁 炮炮弹弹丸 的速度可达其3 倍以上， 威力巨大。 电磁炮作为发展中的高技术武器，具有广阔的军事前景。 为了更好地了解关于电磁炮的一些特性，研究各种因素对其性能影响的大小，并提高自 己的动手能力，物理兴趣小组的同学决定自己动手制作一个电磁炮模型。 结构图： 图 Z142 工作原理图： 图 Z143 模型做好后，有同学猜想：炮弹射程远近是否与电压成正比？请你设计一个实验探究炮 弹射程远近与电压有什么样的关系。 (1) 写出除组装电磁炮以外需要补充的测量器材：_ _ 。 (2) 画出实验数据记录表。 (3) 补全他们实验探
3、究的步骤： 按照结构图组装好电磁炮，_ _ 。 _ _ 。 重复实验步骤，再做四次实验。 分析数据，整理实验仪器。 2 原创 科学活动课上，老师教小明自制静电发动机如图Z144 甲所示。老师先将一 个塑料杯外面套一层铝箔纸，其外再套一层塑料杯和一层铝箔纸，做成一个电容杯，用一条 铝箔纸做导线，连接在电容杯的铝箔上；然后用双面胶将一个塑料杯外壁均匀贴上铝箔条， 并留有等间距的空隙，用竹签在中间顶一下，顶出一个凹坑，做成一个转杯；接着将竹签固 定在橡皮上做成一个支架；最后把铅笔笔尖朝上固定在泡沫板上，并把转杯放置在笔尖上， 这样依次将各部分结构组装起来如图甲所示，便完成静电发动机的制作。老师用毛皮
4、摩擦橡 胶棒使它带电，接触电容杯时，发现转杯转动了起来，看起来很神奇，但是班里同学不明白 其中的原因， 于是小明给大家解释说： “这主要是因为电容杯带电时，静电会通过铝箔条传到 转杯的铝箔上，由于同种电荷的排斥作用，转杯就会转动下去，而转杯另一侧的铝箔起到了 将静电导走的作用，这样就造成了转杯的一侧有排斥的力而另一侧没有，转杯就在这种静电 力的作用下转动起来了”。这时正好有一位同学用摩擦后的梳子靠近纸屑，纸屑却被吸引如图 乙所示， 小军看后则认为是同种电荷相互吸引。若现在提供有下列实验器材：橡胶棒、 有机 玻璃棒各两根， 毛皮、 丝绸各一块， 绝缘支架一个。请你用实验说明你的观点( 写出实验步
5、骤 和实验现象及实验结论)。 甲乙 图 Z144 3 原创 如图 Z145 所 示，仓库中有一字迹模糊不全的金属存储罐，摇晃此金属存储 罐听不到任何声音。请你思考在不允许打开阀门的前提下， 判断 这个金属存储罐里装的是液 化石油气还是石油气。现在提供的实验器材有：无弹性细绳、刻度尺、磅秤和一个空的金属 存储罐，只是空的金属存储罐和此罐一样的。请写出你的实验步骤和结论。 图 Z145 4 原创 在科学课上，我们都制作过水果( 柠檬 ) 电池如图 Z14 6 甲所示，但是它与平 常我们所认识的电池( 如图乙所示 ) 相比，我们不能看到水果(柠檬 ) 电池的正负极。小亮认为 图甲水果 ( 柠檬 )电
6、池中的左侧黑线端是正极，右侧红线端是负极；而小静持相反意见，认为 左侧黑线端是负极，右侧红线端是正极；最后小飞提出了自己的观点，认为水果( 柠檬 ) 电池 没有固定的正负极。请你设计实验写出：(1) 除图中以外所用到的器材；(2) 用最简单可行的 实验证明你的观点并写出结论。 图 Z146 5 原创 气功是中国古代一种强身健体的方式。有一天老师在初一科学课上也表演了一 次“气功”：隔物吹蜡烛( 如图 Z147 所示 ) 。老师先放置一根点燃的蜡烛A，然后又在A的 后方放置了玻璃板，又在玻璃板的后方放置了蜡烛B，同学们看到玻璃板两侧分别各有一支 点燃的蜡烛，当老师在玻璃板前侧对A吹气时，同学们看
7、到玻璃板后方放置点燃的蜡烛B同 时被老师一口气吹灭了，老师真能隔物吹灭这两根蜡烛吗？请你用所学的知识和科学的方法 来揭秘。 (1) 写出你实验所用器材( 除图中所提供以外的) 。 (2) 实验的步骤、实验现象和实验结论。 图 Z147 6 原创 小樱在实验室用两个条形磁铁探究磁极之间的力的作用时，不小心把其中一个 条形磁体摔成两半，如图 Z14 8所示。 小樱认为她意外获得了一个两端都是N极的磁体和一 个两端都是S极的磁体。现提供的实验器材是完好的条形磁体，细线，固定架( 塑料 ) 。请写 出你的实验步骤和实验结论。 图 Z148 7如图 Z149 所示， 轮子中央有一个转动轴，轮子中安装着1
8、8 条挡板， 每个挡板的缝 隙中装有一个铁球。方案的设计者认为，给这个轮子施加一个力，右边的球会向外滚动，因 此，右边的球产生的力矩带动轮子转动。左边的球随着轮子的转动又会滚回轮子中央，当转 到右边时，又会向外滚动，产生的力矩带动轮子转动。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所 指的方向转动下去，并且带动机器一直转动。请你只用一个弹力球设计实验来证明这个机器 不能制成的原因，即永动机不可制成，并写出实验结论。 图 Z149 8 2014海淀二模 探究学习小组的同学学习了简单机械后，知道使用简单机械可以省 力，于是产生了一个想法：用实验室内测量范围为05 N的弹簧测力计一只、固定框内有两 个滑轮组成的
9、滑轮组两组( 如图 Z1410 所示 ) ，测量质量约为50 kg同学的体重。请你根据 实验室提供的器材和再补充一些器材，设计一个完成他们想法的方案。对方案的要求是： 图 Z1410 (1) 写出方案需要补充的器材； (2) 画出测量方案的示意图，写出关键条件、操作步骤和需要测量的物理量； (3) 写出被测学生体重与测量的物理量之间的关系式。 9 2015海淀一模 实验桌上有如图Z1411 所示的实验装置，其中E板和F板关于 ON对称，F板能以 ON为轴自由旋转， 还提供了一支激光笔。小明计划用这些器材探究“光的 反射规律”。他首先探究了反射光线跟入射光线和法线是否在同一平面内的问题。小明的主
10、要 实验步骤如下： (1) 将平面镜平放在水平桌面上，E、F板以 ON为轴立在平面镜上。 (2) 将F板与E板旋 转到同一平面， 用激光笔发出一束沿E板AO方向射向平面镜O点的 光，观察在右侧F板上能否看到反射光OB，并将现象记录在表格中。 (3) 将F板向后旋转一定的角度，观察在F板上能否看到反射光， 并将现象记录在表格中。 (4) 将F板与E板再次旋转到同一平面，改变激光笔的位置， 用激光笔发出一束沿E板AO 方向射向平面镜O点的光，观察在右侧F板上能否看到反射光OB，并将现象记录在表格中。 (5) 将F板向后旋转一定的角度，观察在右侧F板上能否看到反射光OB，并将现象记 录在表格中。 图
11、 Z1411 实验记录表： 入射光线和法线的位置 当E、F板在同一平面时，反 射光线的位置 当E、F板不在同一平面时， 反射光线的位置 入射光线AO和法线 ON在E板 上 反射光线OB不在F板上反射光线OB不在F板上 入射光线AO 和法线 ON在E 板上 反射光线OB不在F板上反射光线OB不在F板上 (1) 请你根据实验现象对该实验操作进行评估，你觉得操作过程中存在的问题是 _ _ _ 。 (2) 请利用上述实验器材设计一个实验证明：“在光的反射现象中，反射角等于入射角”。 请写出实验步骤，画出实验数据记录表格。 参考答案 1(1) 电压表、刻度尺 (2) 实验数据记录表： 电压 U/V 距离
12、 L/m (3) 使接入电磁炮两端的电压为U，闭合开关，用刻度尺测量出炮弹射出的距离L，断 开开关，将电压U和距离 L 记录在表格中。 使电磁炮两端的电压U 增大，闭合开关，用刻度尺测量出这次炮弹射出的距离L，断 开开关，将电压U和距离L 记录在表格中。 2实验步骤： 第一次用毛皮摩擦橡胶棒尖端，然后放在可旋转的绝缘支架上，再用毛皮 摩擦另一根橡胶棒尖端与支架上的橡胶棒的尖端靠近，观察到的现象是排斥。第二次用毛皮 摩擦橡胶棒尖端，放在可旋转绝缘支架上，用丝绸摩擦一根有机玻璃棒的前端与绝缘支架上 的橡胶棒尖端靠近，观察到的现象是吸引。 实验现象：通过实验，我们看到橡胶棒与橡胶棒之间是相互排斥的，
13、而橡胶棒和有机玻 璃棒之间是相互吸引的。 实验结论：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。摩擦后的梳子带电吸引纸屑，说明 带电体具有吸引轻小物体的性质。 3实验步骤： 将这个金属存储罐放在磅秤上称量一下，再将那个空的金属存储罐称量一 下，求出所装物质的质量。用细绳围着罐子绕一圈，在绳子上做好标记，然后将绳子伸直， 用刻度尺测量出绳子的长即罐子的周长，通过周长计算出金属存储罐的底面积，再用刻度尺 测量出金属存储罐的高度，从而估算出它的容积，根据估算出的容积和测算出的物质质量， 计算这罐物质的密度并与常见的气体密度和液体密度的数量级进行比较。 结论：如果物质的密度为x kg/m 3，那么罐里储存的是
14、石油气；如果密度为 y10 3 kg/m 3， 那么罐里储存的是液化石油气。 4(1) 实验器材：发光二极管。 (2) 实验步骤： 将发光二极管两端分别与插入柠檬中左侧黑线端与右侧红线端相连，观察 二极管是否发光；再将发光二极管旋转180 度，再次与插入柠檬中左侧黑线端与右侧红线端 相连，观察是否发光。 实验现象及结论：若两次都发光说明小飞的观点正确；若只一次发光，那么发光时，长 脚那方为正极。( 其他方法，言之有理亦可) 5(1) 实验器材：白纸。 (2) 实验步骤：还原老师表演气功的装置，用一张白纸放在蜡烛B的火焰上。 实验现象：纸不会被点燃。 实验结论：因为正面同学们所看到的是蜡烛A和
15、A火焰的像。当把蜡烛B也点燃时，老 师就不能顺利完成气功表演了。 6实验步骤：将完好的条形磁体用细线拴住中间，悬挂固定在固定架上。 用断掉的磁体A端靠近被悬挂的完好磁体的S极，相互排斥，然后再用A端靠近被悬挂 的完好磁体的N极，相互吸引。那么A端为S极。 再用断掉的磁体B端靠近被悬挂的完好磁体的S极，相互吸引，然后再用B端靠近被悬 挂的完好磁体的N极，相互排斥。那么B端为N极。 实验的结论：A端为S极； B端为N极。 7实验步骤：将一个弹力球从1 m高的地方由静止开始释放，小球会弹起，但是会越来 越低。 实验结论：现实生活中任何机械都会有摩擦等能量损耗，所以永动机不可制成。 8(1) 方案需要
16、补充的器材有：刻度尺、细绳、硬棒、悬挂滑轮组和硬棒的支架。 (2) 测量方案的示意图： 按示意图组装滑轮组和杠杆，关键条件有： 动力臂OA与阻力臂OB的比值 LOA LOB 大于 20； 弹簧测力计拉力竖直向上。 操作步骤和需要测量的物理量有： 测量动滑轮重G动； 测量力臂LOA、LOB，计算 LOA LOB ； 弹簧测力计的拉力为F。 (3) 被测学生体重与测量的物理量之间的关系式为G人 LOA LOB (5F G动)( 杠杆重、细绳重、 滑轮与轴摩擦不计) 。 9(1) 平面镜与E、F 板不垂直 (2) 在平面镜的上方垂直放置一块光屏，光屏由可以绕ON旋转的 E、F 两块板组成。 让一 束光贴着光屏左侧的E板沿 AO方向射到 O点，在右侧 F 板上能看到反射光线OB 。如图所示： 改变入射光线的角度，多次测量并记录数据于表格中。设计表格如下： 实验次数入射角反射角 1 20 2 40 3 60