2020浙江高考物理二轮讲义：专题六第三讲　选修实验


第三讲　选修实验
知识内容
考试要求
备考指津
1.探究电磁感应的产生条件

对此部分实验的考查都比较简单，以考查基础知识为主，分值较少，命题形式为填空题.
2.探究感应电流方向的规律

3.探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系

4.探究单摆周期与摆长的关系

5.测定玻璃的折射率

6.用双缝干涉测量光的波长(同时练习使用测量头)

7.探究碰撞中的不变量

　对实验原理的考查
一、探究感应电流产生的条件
　(2019·浙江选考4月)在“探究电磁感应的产生条件”，实物连线后如图1所示．感应线圈组的内外线圈的绕线方向如图2粗线所示．


(1)接通电源，闭合开关，G表指针会有大的偏转，几秒后G表指针停在中间不动．将滑动变阻器的触头迅速向右滑动时，G表指针________(选填“不动”“右偏”“左偏”“不停振动”)；迅速抽出铁芯时，G表指针________(选填“不动”“右偏”“左偏”“不停振动”)．
(2)断开开关和电源，将铁芯重新插入内线圈中，把直流输出改为交流输出，其他均不变．接通电源，闭合开关，G表指针________(选填“不动”“右偏”“左偏”“不停振动”)．
(3)仅用一根导线，如何判断G表内部线圈是否断了？
________________________________________________________________________.
[答案]　(1)左偏　右偏
(2)不停振动
(3)短接G表前后各摇动G表一次，比较指针偏转，有明显变化，则线圈未断，反之则断了

感应电流产生的条件
(1)条件：穿过闭合电路的磁通量发生变化．
(2)特例：闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动．　
二、探究感应电流方向的规律
　如图是探究感应电流方向的示意图，根据实验填完整表格中的内容．


N极插入
S极插入
N极拔出
S极拔出
原磁场方向




原磁场磁通量的变化




感应电流方向(俯视)




感应电流的磁场方向




结论




[审题突破]　根据感应电流的条件得到：
(1)磁铁磁极插入、拔出，导致磁通量变化，产生感应电流，感应电流阻碍原磁通量的变化．
(2)磁铁的N、S对调后，实验结论与(1)相同．
(3)判断感应电流时应注意俯视还是仰视，去判断是顺时针还是逆时针．
[答案]　原磁场方向：向下　向上　向下　向上
原磁场磁通量的变化：增加　增加　减小　减小
感应电流方向(俯视)：逆时针　顺时针　顺时针　逆时针
感应电流的磁场方向：向上　向下　向下　向上
结论：磁铁磁极插入、拔出，导致磁通量变化，产生感应电流，感应电流阻碍原磁通量的变化

楞次定律的内容是感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化．　
三、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系
　如图所示，甲、乙两电路中，当a、b两端与e、f两端分别加上220 V的交流电压时，测得c、d间与g、h间的电压均为110 V，若分别在c、d两端与g、h两端加上110 V的交流电压，则a、b间与e、f间的电压分别为(　　)

A．220 V　220 V　　　　　　　 B．220 V　110 V
C．110 V　110 V D．220 V　0 V
[解析]　首先要搞清楚变压器和滑动变阻器在改变电压原理上的本质不同：对于变压器，a、b与c、d间的电压比总是等于它们间线圈的匝数比，与哪一个是原线圈无关，故a、b间接220 V交流电压，c、d间电压为110 V，c、d间改接110 V交流电压，则a、b间应输出电压220 V；而对于滑动变阻器，当e、f间接电压220 V时，电阻的e、g与f、g部分串联，g、h间电压仅f、g是部分电阻的电压，当g、h间接电压110 V时，由于e、g部分无电流，e、g两点等势，故e、f间电压等于g、h间电压，所以选B.
[答案]　B

变压比＝，不仅适用于原、副线圈只有一个的情况．而且适用于有多个副线圈的情况．也适用于任意的两个副线圈间电压的计算．变流比＝只适用于原、副线圈各有一个的情况，如果有两个或多个副线圈时，只能用理想变压器输入功率和输出功率相等的关系列出关系式U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn来确定电流间的关系．　
四、用双缝干涉测量光的波长
　在“用双缝干涉测量光的波长”实验中：
(1)如图所示，光具座上放置的光学元件依次为①光源、②________、③________、④________、⑤遮光筒、⑥光屏．对于某种单色光，为增加相邻亮纹(暗纹)间的距离，可采取________或________的方法．

(2)如果将灯泡换成激光光源，该实验照样可以完成，这时可以去掉的部件是________(填数字代号)．
(3)关于本实验，正确的说法是(　　)
A．实验时应调节各器件共轴，并且单缝和双缝的缝应相互平行
B．观察到的白光的干涉图样是：可以看到彩色的干涉条纹，中央为一条白亮的零级干涉条纹；彩色条纹的排列，以零级亮条纹为中心左右对称，在第一级亮条纹中紫色在最外侧
C．看到白光的干涉条纹后，在单缝前面放上红色或绿色滤光片，即可看到红黑相间或绿黑相间的干涉条纹，且红条纹的间距比绿条纹的间距大
D．测量时应使测量头的分划板的中心刻线对齐条纹的中心再读数
[解析]　(1)由实验原理可知②③④分别是滤光片、单缝、双缝．由Δx＝λ可知，要增加相邻亮纹(暗纹)间的距离，可采取的办法有：
①增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)；
②减小双缝之间的距离．
(2)由于激光是相干光源，故可以去掉的部件是②③.
(3)实验时应使光源、单缝、双缝的中心位于遮光筒的轴线上，且使单缝与双缝平行，A正确；白光的干涉图样是彩色条纹，中央为白色亮纹，在第一级亮条纹中红色在最外侧，B错误；由Δx＝λ得红条纹的间距大于绿条纹间距，C正确；为了减小误差，应使分划板的中心刻线对齐条纹中心再读数，D正确．
[答案]　(1)滤光片　单缝　双缝　增大双缝到光屏间的距离(或选用较长的遮光筒)　减小双缝之间的距离
(2)②③　(3)ACD
　对实验数据的处理
一、探究单摆周期与摆长的关系
　(2019·温州模拟)(1)位于浙江大学的一位同学通过在线网络直播课堂与位于北京大学的另一位同学进行交流，各自在那里用DIS系统较准确地探究了“单摆的周期T与摆长L的关系”，并由计算机绘制了T2～L图象，如图甲所示．在浙江大学的同学所测实验结果对应的图线是________(填“A”或“B”)．

(2)浙江大学的同学还用螺旋测微器测得摆球的直径，如图乙所示，该读数为________mm.
[解析]　(1)由单摆的周期公式有：T＝2π，解得：g＝，所以图甲中的图线斜率表示加速度的大小的倒数，由图中我们看出A线加速度小，因此在浙江大学的同学所测实验结果对应的图线是A.
(2)由图可知，固定刻度示数为10 mm，可动刻度示数为29.7×0.01 mm＝0.297 mm，所以螺旋测微器的示数为10 mm＋0.297 mm＝10.297 mm.
[答案]　(1)A　(2)10.297
二、测定玻璃的折射率
　“测定玻璃的折射率”实验中，在玻璃砖的一侧竖直插两个大头针A、B，在另一侧再竖直插两个大头针C、D.在插入第四个大头针D时，要使它_________________
____________________．如图是在白纸上留下的实验痕迹，其中直线a、a′是描在纸上的玻璃砖的两个边．根据该图可算得玻璃的折射率n＝__________．(计算结果保留两位有效数字)

[解析]　测定玻璃折射率的实验是利用大头针得到进入玻璃的入射光线，在另一侧插入大头针挡住前面的A、B的像来确定C，同样插入大头针D挡住C及A、B的像，C和D确定了出射光线，利用入射点和出射点的连线来确定折射光线，作出法线FG，连接OO′，以O点为圆心画圆，分别交AB、OO′于E、Q两点，分别过E、Q向GF作垂线EG、FQ并用毫米刻度尺测其长度，如图所示，根据n＝可得：n＝＝1.8.
[答案]　挡住C及A、B的像　1.8(1.6～1.9)
三、探究碰撞中的不变量
　某同学设计了一个用电磁打点计时器探究碰撞中的不变量的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速直线运动．他设计的装置如图甲所示．在小车A后连着纸带，电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz，长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力．

甲

乙
(1)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(已标在图上)．A为运动的起点，则应选________段来计算A碰前的速度．应选________段来计算A和B碰后的共同速度(以上两空选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)．
(2)已测得小车A的质量m1＝0.4 kg，小车B的质量为m2＝0.2 kg，则碰前两小车的总动量为________ kg·m/s，碰后两小车的总动量为________ kg·m/s.
[解析]　(1)从分析纸带上打点的情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大速度，因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况，应选用BC段计算小车A碰前的速度．从CD段打点的情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段内小车运动稳定，故应选用DE段计算A和B碰后的共同速度．
(2)小车A在碰撞前速度
v0＝＝ m/s＝1.050 m/s
小车A在碰撞前动量
p0＝mAv0＝0.4×1.050 kg·m/s＝0.420 kg·m/s
碰撞后A、B的共同速度
v＝＝ m/s＝0.695 m/s
碰撞后A、B的总动量
p＝(mA＋mB)v＝(0.4＋0.2)×0.695 kg·m/s
＝0.417 kg·m/s.
[答案]　(1)BC　DE　(2)0.420　0.417
[课后作业(二十五)]
(建议用时：45分钟)
1．在“研究电磁感应现象”实验中：
(1)首先要确定电流计指针偏转方向和电流方向间的关系．实验中所用电流计量程为100 μA，电源电动势为1.5 V，待选的保护电阻有：R1＝100 kΩ，R2＝1 kΩ，R3＝10 Ω，应选用________作为保护电阻．
　　
(2)实验中已得出电流计指针向右偏转时，电流是“＋”接线柱流入的，那么在如图1所示的装置中，若将条形磁铁S极朝下插入线圈中，则电流计的指针应向________偏转．
(3)在给出的实物图2中，用实线作为导线将实验器材连成实验电路．
(4)将线圈L1插入L2中，合上开关．能使感应电流与原电流的绕行方向相同的实验操作是______．
A．插入软铁棒
B．拔出线圈L1
C．使变阻器阻值变大
D．断开开关
解析：(1)为保护电流计安全，保护电阻最小阻值R＝＝ Ω＝1.5×104 Ω，因此保护电阻应选R1.
(2)将条形磁铁S极朝下插入线圈中，穿过线圈的磁场方向向上，磁通量增加，由楞次定律可知，感应电流从“＋”接线柱流入电流计，电流计的指针应向右偏转．
(3)将线圈L2和电流计串联形成一个回路，将开关、滑动变阻器、电源、线圈L1串联而成另一个回路即可，实物图如图所示．
(4)根据楞次定律可知，若使感应电流与原电流的绕行方向相同，则线圈L2中的磁通量应该减小，故拔出线圈L1，使变阻器阻值变大，断开开关均可使线圈L2中的磁通量减小，故A错误，B、C、D正确．
答案：(1)R1　(2)右　(3)如解析图　(4)BCD
2．在“探究感应电流的方向与哪些因素有关”的实验中，请完成下列实验步骤：

(1)为弄清灵敏电流计指针摆动方向与电流方向的关系，可以使用一个已知正负极性的直流电源进行探究．某同学想到了多用电表内部某一挡含有直流电源，他应选用多用电表的__________挡(选填“欧姆”“直流电流”“直流电压”“交流电流”或“交流电压”)对灵敏电流计进行测试．由实验可知当电流从正接线柱流入电流计时，指针向右摆动．
(2)该同学先将多用电表的红表笔接灵敏电流计的正接线柱，再将黑表笔________(选填“短暂”或“持续”)接灵敏电流计的负接线柱．若灵敏电流计的指针向左摆动，说明电流由电流计的________(选填“正”或“负”)接线柱流入灵敏电流计的．
(3)实验中该同学将磁铁某极从线圈上方向下插入线圈时，发现电流表的指针向左偏转，请在图中用箭头画出线圈电流方向，并用字母N、S标出磁铁的极性．
解析：(1)欧姆挡含有直流电源，故换到欧姆挡．
(2)试探性的，所以需要短暂接触，从上面可以知道当电流从正接线柱流入电流计时，指针向右摆动，现要使指针向左摆动，则应使电流从负接线柱流入灵敏电流计．
答案：(1)欧姆　(2)短暂　负　(3)如图

3．在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中，实验室中备有下列可供选择的器材：
A．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)
B．条形磁铁
C．直流电源
D．多用电表
E．开关、导线若干
(1)上述器材在本实验中不必用到的是________(填器材前的字母)，本实验中还需用到的器材是________________________________________________________________________．
(2)操作步骤如下：
①将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；
②闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；
③将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一组作为副线圈，接上小灯泡；
④将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤．
以上操作的合理顺序是______(只填步骤前数字序号)．
解析：(1)变压器线圈两端的电压与匝数的关系为＝，所以实验中需要知道原、副线圈的匝数，即可拆变压器必用；变压器的原理是原线圈磁场的变化引起副线圈磁通量的变化，所以不需要外界的磁场，故条形磁铁不需要．直流电源不会使原线圈产生变化的磁场，而需要用到低压交流电源，并需要测交流电压，所以多用电表必用；做电学实验，开关、导线必用．即上述器材在本实验中不必用到的是B、C；还需用到的器材是低压交流电源．
(2)在实验中，首先将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；再将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一组作为副线圈，接上小灯泡；闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤．
答案：(1)BC　低压交流电源　(2)①③②④
4．(1)在“探究单摆周期与摆长的关系”实验中，两位同学用游标卡尺测量小球的直径如图甲、乙所示．测量方法正确的是________(选填“甲”或“乙”)．


(2)实验时，若摆球在垂直纸面的平面内摆动，为了将人工记录振动次数改为自动记录振动次数，在摆球运动最低点的左、右两侧分别放置一激光光源与光敏电阻，如图丙所示．光敏电阻与某一自动记录仪相连，该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t变化图线如图丁所示，则该单摆的振动周期为________．若保持悬点到小球顶点的绳长不变，改用直径是原小球直径2倍的另一小球进行实验，则该单摆的周期将________(填“变大”“不变”或“变小”)，图丁中的Δt将________(填“变大”“不变”或“变小”)．

解析：(1)游标卡尺测量小球的直径，应将小球卡在外爪的刀口上，故选乙．
(2)单摆在一个周期内两次经过平衡位置，每次经过平衡位置，单摆会挡住细激光束，从R－t图线可知周期为2t0.摆长等于摆线的长度加上小球的半径，根据单摆的周期公式T＝2π，摆长变大，所以周期变大．挡光时间等于球的直径与速度的比值，由于球的直径变大，故挡光时间增加．
答案：(1)乙　(2)2t0　变大　变大
5．(2019·宁波月考)如图所示，某同学用插针法测定一半圆形玻璃砖的折射率．在平铺的白纸上垂直纸面插大头针P1、P2确定入射光线，并让入射光线过圆心O，在玻璃砖(图中实线部分)另一侧垂直纸面插大头针P3，使P3挡住P1、P2的像，连接OP3，图中MN为分界线，虚线半圆与玻璃砖对称，B、C分别是入射光线、折射光线与圆的交点，AB、CD均垂直于法线并分别交法线于A、D点．
(1)设AB的长度为l1，AO的长度为l2，CD的长度为l3，DO的长度为l4，为较方便地表示出玻璃砖的折射率，需用刻度尺测量________，则玻璃砖的折射率可表示为________．　
(2)该同学在插大头针P3前不小心将玻璃砖以O为圆心顺时针转过一小角度，由此测得玻璃砖的折射率将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．
解析：(1)sin θ1＝，sin θ2＝，因此玻璃的折射率n＝＝＝，因此只需测量l1和l3即可．
(2)当玻璃砖顺时针转过一个小角度时，在处理数据时，认为l1是不变的，即入射角不变，而l3减小，所以测量值n＝将偏大．
答案：(1)l1和l3　n＝　(2)偏大
6．现有毛玻璃屏A、双缝B、白光光源C、单缝D和透红光的滤光片E等光学元件，要把它们放在如图所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长．

(1)本实验的实验步骤有：
①取下遮光筒左侧的元件，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏照亮；
②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上；
③用米尺测量双缝到屏的距离；
④用测量头(其读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距离．
在操作步骤②时还应注意________________和________________．
(2)将测量头的分划板中心刻线与某亮纹中心对齐，将该亮纹定为第1条亮纹，此时手轮上的示数如图甲所示，然后同方向转动测量头，使分划板中心刻线与第6条亮纹中心对齐，记下此时如图乙所示的手轮上的示数______mm，求得相邻亮纹的间距Δx为________mm.

(3)已知双缝间距d为2.0×10－4 m，测得双缝到屏的距离l为0.700 m，由计算式λ＝________，求得所测红光波长为________nm.
解析：(1)单缝与双缝的间距为5～10 cm，使单缝与双缝相互平行．
(2)图甲的读数为2.320 mm，图乙的读数为13.870 mm，
Δx＝ mm＝2.310 mm.
(3)由Δx＝λ可得：λ＝Δx
可求出λ＝×2.310×106 nm
＝6.6×102 nm.
答案：(1)单缝与双缝的间距为5～10 cm　使单缝与双缝相互平行　(2)13.870　2.310　(3)Δx　6.6×102
7．气垫导轨(如图)工作时，空气从导轨表面的小孔喷出，在导轨表面和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．为了探究碰撞中的不变量，在水平气垫导轨上放置两个质量均为a的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为b.气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动．


如图为某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以相同间距的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度x1、x2和x3.若题中各物理量的单位均为国际单位，那么，碰撞前两滑块的动量大小分别为______________、____________，两滑块的总动量大小为____________；碰撞后两滑块的总动量大小为________．重复上述实验，多做几次．若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内相等，则碰撞前后两滑块动量不变．
解析：打点周期为，打x1、x2、x3均用时.碰前其中一个滑块的动量
p1＝mv1＝m＝a＝0.2abx1
碰前另一个滑块的动量
p2＝mv2＝m＝a＝0.2abx3.
故碰前总动量p＝p1－p2＝0.2ab(x1－x3)，
同理碰后总动量p′＝2m＝0.4abx2.
答案：0.2abx1　0.2abx3(第1，2空可互换)
0．2ab(x1－x3)　0.4abx2