2011年高考实验要关注特色器材的应用

物理实验的考查，是高考物理的重头戏．随着高中物理新课标的实施，自主设计性实验成为高考命题的主流，特色器材在实验创新与设计中，扮演了重要的角色．2011年高考要关注如下器材的应用．

一、 激光器

激光器所产生的激光，平行度好，方向性强，能量集中、细而亮，反射明显，连同于接收传感器，可把光信号转化为电信号，是新高考创新实验常涉及的特色器材之一．多用于转动物体角速度ω（转速n）的测量、单摆及弹簧振子实验的研究等．

例 1 某同学在资料上发现弹簧振子的周期公式T=2，弹簧的弹性势能Ep=kx2（式中k为弹簧的劲度系数，m为振子的质量，x为弹簧的形变量）．为了验证弹簧的弹性势能公式，他设计了如图1所示的实验：轻弹簧的一端固定在水平光滑固定木板一端，另一端连接一个质量为M的滑块，滑块上竖直固定一个挡光条，每当挡光条挡住从激光器A发出的细激光束时，接收器B因接收不到光线就产生一个电信号，经电脑自动处理后形成一个脉冲电压波形；开始时滑块静止在平衡位置恰好挡住细光束．此时在木板另一端的弹簧枪发射出一个质量为m，速度为v0的弹丸，弹丸击中木块后留在其中随木块一起做简谐振动．

（1） 系统在振动过程中所具有的最大动能Ek=

．

（2） 系统在振动过程中，在电脑上所形成的脉冲电压波形如图2所示，则系统的振动周期T=

．

（3） 如果测出滑块的振幅为A，周期为T，利用资料上给出的两个公式，结合实验中给出的已知条件，求出系统在振动过程中弹簧的最大弹性势能Ep= ．

通过本实验，根据机械能守恒，如发现Ek=Ep，即验证了弹簧的弹性势能公式的正确性．

解析 （1） 在弹丸撞击滑块的过程中，系统动量守恒，则mv0=（M+m）v，v=，即Ek=（M+m）v2=．

（2） 由图2及简谐运动的一次全振动关系可知T=2T0.

（3）由给定材料知T=2、Ep=kx2，故Ep=．

点评 应用激光器，进行转动物体的角速度ω（转速n）的测量或单摆实验等，从接收器的信号输出图象，确定周期T，结合ω=、ω=2n或T=2等公式分析，是解决问题的共性．

二、 光电计时器

光电计时器是一种研究物体运动情况的计时仪器，由激光发射器、接收装置及光电门三位一体构成．当物体通过光电门时，光电计时器可精确记录物体的挡光时间t．由于t极短，可认为物体在t内的平均速度等于物体通过该光电门时的瞬时速度，即v=（d为挡光条或滑块的宽度）．多用于与速度、加速度、功和能、动量等有关的验证性和探究性实验．

例 2 学习小组的同学欲探究恒力做功与物体动能变化的关系，他们在实验室组装了一套如图3所示的装置．两光电门1、2固定在木板上，相距为l，与之连接的两个光电计时器没有画出．其他实验器材还有：装有挡光条的小车、天平、游标卡尺、小桶和沙子若干、细线等．

（1） 某同学的实验步骤如下：① 用天平称量小车和挡光条的总质量M、沙和桶的质量m；② 用游标卡尺测出挡光条的宽度d；③ 平衡摩擦力；④ 将小车移至光电门１右侧某处，用细线通过滑轮挂上小沙桶；静止释放小车，让沙桶带动小车运动．

① 测量挡光条的宽度d，结果如图4所示，由此读出d=mm．

② 该实验用沙与桶的重力表示小车所受的合外力，为此，实验时在安装正确、操作规范的前提下（已平衡摩擦力），还需要满足的条件是 ．

（2） 从光电计时器分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2，则小车由光电门1到经过光电门2的过程中，合外力对小车做的功W=；系统动能的改变量Ek=（结果用题中已知物理量的符号表示）；若二满足，则动能定理得证．

解析 （1） ① 由游标卡尺可读得d=9.30 mm；② 当M＞m时，可认为小车所受的合外力等于沙与桶的重力；

（2）合外力对小车所做功W=mgl，由v=，得v1=，v2=，故Ek=（M+m）d2（）2-（）2；在误差允许的范围内，若满足W≈Ek，则动能定理得证．

点评 应用光电门测得的速度，只是一个近似值，其实质是物体通过光电门时的平均速度，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将挡光条的宽度减小一些．

三、 气垫导轨

气垫导轨是力学实验的特色仪器，其工作时，空气从导轨表面的小孔喷出，在导轨表面与滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层，使滑块不与导轨表面直接接触，大大减小了滑块运动时的阻力．结合打点计时器、光电门、闪光照相等，可进行多种力学物理量的测量和验证、探究性实验．

例 3 某同学设计了一个用气垫导轨和打点计时器验证动量守恒定律的实验：在水平气垫导轨上放置两个滑块A和B，滑块A的前端粘有橡皮泥，推动滑块A使之做匀速直线运动，然后与静止在前方的滑块B相碰并粘合在一体，继续做匀速直线运动.他设计的具体装置如图5所示.滑块A后连着纸带，电磁打点计时器的电源频率为50 Hz.

（1） 图6是某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，且测得的各计数点间距已标在图上，A为运动起点的第一点，则应选段计算滑块A的碰前速度，选段计算A和B碰后的共同速度（填“AB”、“BC”“CD”或“DE”）.

（2） 已测得滑块A的质量m1=0.40 kg，滑块B的质量m2=0.20 kg，由以上的测量结果可得：碰前两滑块的总动量为kg•m/s，碰后两滑块的总动量为kg•m/s．重复上述实验，多做几次．若碰撞前、后两滑块的总动量，则动量守恒得到验证．

解析 （1） 从纸带上打点情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大的速度，能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况，应选BC段计算A的碰前速度．CD段小车速度不稳定，应选DE段计算A和B的共同速度．

（2） 小车A在碰撞前的速度v0==1.050 m/s，动量p0=m1v0=0.420 kg•m/s；碰撞后v共==0.695 m/s，碰后系统的总动量p′=（m1+m2）v共=0.417 kg•m/s．若碰撞前后两滑块的总动量“在误差允许的范围内相等”， 则动量守恒得到验证．

点评 气垫导轨是探究力学实验的理想器材，对减小实验误差很有好处．但气垫导轨本身并不是实验考查的重点，而与它配合使用的其它器材所蕴含的知识点的应用，才是命题的真实目的．

四、 DIS实验系统

DIS数字化信息系统，由传感器、数据采集器与计算机软件组合而成，应用于实验研究，又称为DIS实验．许多物理量如距离、位移、力、速度、温度、压强等，都可用这类仪器测量．其原理是：通过传感器获取实验信息，经数据采集器传递给电脑，进行数据和图形处理，实现实验数据的即时处理和直观表现，是创新实验的源泉，高考出现的机率相当大．

例 4 如图7所示，某小组同学利用DIS实验装置研究支架上力的分解．A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负．A连接质量不计的细绳，可沿固定的板做圆弧形移动．B固定不动，通过光滑铰链连接长0.3 m的杆．将细绳连接在杆右端O点构成支架．保持杆在水平方向，按如下步骤操作：

① 测量绳子与水平杆的夹角∠AOB=；

② 对两个传感器进行调零；

③ 用另一绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数；

④ 取下钩码，移动传感器A改变角，重复上述①②③④，得到图示表格．

（1） 根据表格，A传感器对应的是表中的力 （填“F1”或“F2），钩码的质量为 kg（保留1位有效数字）

（2） 本实验中多次对传感器进行调零，对此操作说明正确的是（）

A． 因为事先忘记调零

B． 何时调零对实验结果没有影响

C． 为了消除横杆自身重力对结果的影响

D． 可以完全消除实验的误差

解析 （1） 设钩码对点O产生竖直向下的拉力为F，当θ为锐角时，该力作用在O点产生两个分力效果，一个是沿AO方向拉细绳，另一个则是沿BO方向压杆，而当θ为钝角时，F对细绳和杆都产生拉力，所以A传感器对应表中的力F1．如图8为θ=30时力F的分解图，由图可知mg=F1sin 30，求得m=0.05 kg．

（2） 杆自身重力对O点会产生力的作用，因此每次改变角θ的大小时，都要对两个力传感器进行调零，正确选项为C．

点评 传感器是将所感受到的物理量（一般是非电学量，如力、热、光、声等）转换成便于测量的量（一般为电学量）的元件，传感器渗透于DIS装置进行实验，是高考命题的新潮流，掌握传感器的应用，熟练处理信号图象是关键．

特色器材应用于实验，使实验考查变得鲜活的同时，对学生综合实验能力也有很好的检测作用，将是未来高考实验命题的主流，要高度关注．

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