2025年高考物理“設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”能力考查試題一、力學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：基于智能手機(jī)傳感器的單擺周期探究實(shí)驗(yàn)背景與任務(wù)某實(shí)驗(yàn)小組發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)中存在擺角測量誤差大、周期計(jì)時精度不足等問題，現(xiàn)提供智能手機(jī)（內(nèi)置Phyphox軟件可測量加速度、角速度等物理量）、輕質(zhì)不可伸長細(xì)線、金屬小球（直徑約2cm）、毫米刻度尺、電子天平（精度0.01g）、量角器等器材，要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單擺周期公式，并探究擺角對周期的影響規(guī)律（擺角范圍建議5°-30°）。實(shí)驗(yàn)原理與方案設(shè)計(jì)核心原理單擺周期公式為(T=2\pi\sqrt{\frac{L}{g}})，其中(L)為擺長（懸點(diǎn)到球心距離），(g)為重力加速度。實(shí)驗(yàn)需通過控制變量法分別驗(yàn)證周期與擺長、質(zhì)量、擺角的關(guān)系，重點(diǎn)解決擺長精確測量（需考慮小球半徑）和非小角度條件下的周期修正問題。創(chuàng)新方案擺長測量：用游標(biāo)卡尺測量小球直徑(d)，毫米刻度尺測量懸線長度(l)，則擺長(L=l+\fracz3jilz61osys{2})。周期測量：使用手機(jī)Phyphox軟件的“單擺計(jì)時器”功能，通過傳感器記錄擺球運(yùn)動軌跡，自動生成周期數(shù)據(jù)（采樣頻率100Hz），避免人工秒表計(jì)時的反應(yīng)誤差。變量控制：探究周期與擺長關(guān)系：保持?jǐn)[角10°、小球質(zhì)量不變，改變擺長（50cm-150cm，間隔20cm）；探究擺角影響：保持?jǐn)[長100cm、小球質(zhì)量不變，設(shè)置擺角5°、10°、15°、20°、25°、30°，每個角度測量3次取平均值。數(shù)據(jù)處理與誤差分析數(shù)據(jù)記錄表設(shè)計(jì)|實(shí)驗(yàn)序號|擺長(L)/m|擺角(\theta)/°|小球質(zhì)量(m)/kg|周期(T)/s（軟件測量）|(T^2)/s2||----------|---------------|-------------------|---------------------|---------------------------|--------------||1|0.500|10|0.020||||2|0.700|10|0.020|||圖像分析要求繪制(T^2-L)圖像，若為過原點(diǎn)直線則驗(yàn)證周期與擺長平方根成正比；繪制(T-\theta)圖像，分析擺角大于15°時周期的偏離情況，嘗試用公式(T=T_0(1+\frac{\theta^2}{16}))（(T_0)為小角度周期）進(jìn)行修正。誤差來源討論系統(tǒng)誤差：懸線彈性形變導(dǎo)致擺長變化、空氣阻力對周期的影響；偶然誤差：擺角測量時量角器的對準(zhǔn)誤差（建議拍攝擺球初始位置照片，用圖像處理軟件精確量角）。二、電磁學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：伏安法測非線性電阻特性及電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與器材某新型半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化顯著，現(xiàn)提供該材料制成的非線性電阻元件(R_x)（常溫下約500Ω）、直流電源（6V）、滑動變阻器（20Ω/2A）、電壓表（0-3V/0-15V，內(nèi)阻分別為3kΩ、15kΩ）、電流表（0-0.6A/0-3A，內(nèi)阻分別為0.1Ω、0.02Ω）、溫度計(jì)（0-100℃）、開關(guān)及導(dǎo)線若干。要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量(R_x)在0-6V電壓范圍內(nèi)的伏安特性曲線，并設(shè)計(jì)一個恒溫控制電路，使(R_x)兩端電壓穩(wěn)定在3V。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)測量電路選擇電流表內(nèi)接/外接判斷：計(jì)算臨界電阻(R_0=\sqrt{R_VR_A})（以3V量程為例，(R_V=3kΩ)，(R_A=0.1Ω)，則(R_0≈17Ω)）。因(R_x≈500Ω>>R_0)，采用電流表內(nèi)接法以減小系統(tǒng)誤差。控制電路設(shè)計(jì)：因滑動變阻器最大阻值（20Ω）遠(yuǎn)小于(R_x)，需采用分壓式接法，確保電壓從0V連續(xù)可調(diào)。數(shù)據(jù)采集與處理電壓調(diào)節(jié)：從0V開始，每間隔0.5V記錄一組電流、電壓數(shù)據(jù)，同時用溫度計(jì)測量(R_x)的溫度；特性曲線繪制：用坐標(biāo)紙繪制(I-U)圖像，觀察曲線斜率變化（反映電阻變化），計(jì)算不同電壓下的電阻值(R_x=U/I)。恒溫控制電路設(shè)計(jì)原理分析：利用(R_x)的負(fù)溫度系數(shù)特性（溫度升高電阻減?。O(shè)計(jì)分壓電路如圖1所示。當(dāng)(R_x)溫度升高時，其分壓減小，導(dǎo)致加熱功率降低，實(shí)現(xiàn)溫度負(fù)反饋調(diào)節(jié)。元件參數(shù)選擇：滑動變阻器選用20Ω，與(R_x)串聯(lián)后接6V電源，通過調(diào)節(jié)滑片位置使(R_x)兩端電壓穩(wěn)定在3V（需計(jì)算理論滑片位置并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）。關(guān)鍵能力考查點(diǎn)儀器選擇與誤差控制電壓表量程選擇：當(dāng)電壓超過3V時需切換至15V量程，需說明量程切換的判斷依據(jù)及操作規(guī)范；讀數(shù)誤差處理：對指針式電表進(jìn)行估讀訓(xùn)練（如15V量程最小分度為0.5V，需估讀到0.05V）。電路設(shè)計(jì)與故障分析若測量時發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)接近6V且調(diào)滑動變阻器無變化，可能原因是滑動變阻器接成限流接法，要求考生通過畫出實(shí)際電路圖進(jìn)行故障排查。三、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰C合考查要求科學(xué)探究能力問題提出與假設(shè)能基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出可探究的科學(xué)問題，如“當(dāng)擺角增大到30°時，單擺周期是否仍符合簡諧運(yùn)動規(guī)律？”，并作出“周期隨擺角增大而增大”的合理假設(shè)。方案評價與優(yōu)化例如對單擺實(shí)驗(yàn)中“用光電門測量周期”和“用手機(jī)傳感器測量”兩種方案進(jìn)行對比，從測量精度、操作復(fù)雜度、成本等維度評估優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案并說明理由。數(shù)據(jù)處理與創(chuàng)新思維數(shù)學(xué)工具應(yīng)用用最小二乘法擬合(T^2-L)數(shù)據(jù)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)(r)（要求(|r|>0.999)）；對非線性電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，嘗試用(R=kT+b)（(T)為溫度）建立經(jīng)驗(yàn)公式。跨學(xué)科知識遷移如將單擺周期測量與智能手機(jī)傳感器技術(shù)結(jié)合，體現(xiàn)信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的融合；在非線性電阻電路設(shè)計(jì)中運(yùn)用控制論的反饋調(diào)節(jié)思想。四、評分標(biāo)準(zhǔn)（總分20分）實(shí)驗(yàn)原理與方案設(shè)計(jì)（6分）正確選擇實(shí)驗(yàn)方法（控制變量法、圖像法）得2分；儀器選擇合理（如單擺實(shí)驗(yàn)中選用游標(biāo)卡尺測小球直徑）得2分；電路設(shè)計(jì)符合要求（如伏安法中電流表內(nèi)接、分壓式控制）得2分。數(shù)據(jù)處理與誤差分析（5分）數(shù)據(jù)記錄表格規(guī)范（含單位、有效數(shù)字）得2分；圖像繪制準(zhǔn)確（坐標(biāo)軸標(biāo)度合理、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻）得2分；誤差來源分析全面（系統(tǒng)誤差、偶然誤差各舉一例）得1分。實(shí)驗(yàn)操作與安全規(guī)范（4分）單擺實(shí)驗(yàn)中擺線固定牢固（防脫落）、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中開關(guān)斷開時連接電路得2分；儀器讀數(shù)方法正確（如游標(biāo)卡尺的“找對齊線”讀數(shù)法）得2分。結(jié)論表達(dá)與創(chuàng)新建議（5分）結(jié)論表述科學(xué)（如“在5°-15°擺角范圍內(nèi)，周期與擺長平方根成正比”）得2分；提出創(chuàng)新性改進(jìn)方案（如“用真空罩減小空氣阻力對單擺的影響”）得3分。本試題設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循2025年高考物理考試