2011年高考专题：高中物理实验总结.pdf

20112011 年高考专题：年高考专题： 高中物理实验总结【最新完整版】 知识结构知识结构： 方法指导： 物理是以实验为基础的科学，实验能力是物理学科的重要能力，物理高考历来重视考 查实验能力。 一、基本实验的复习一、基本实验的复习 要应对各类实验试题，包括高层次的实验试题，唯一正确的方法是把要求必做的学生 实验真正做懂、做会，特别是在实验原理上要认真钻研，对每一个实验步骤都要问个为什 么，即不但要记住怎样做，更应该知道为什么要这样做对基本的实验，复习过程中要注 意以下六个方面的问题： （1）实验原理）实验原理 中学要求必做的实验可以分为 4 个类型：练习型、测量型、验证型、探索型对每一 种类型都要把原理弄清楚 应特别注意的问题： 验证机械能守恒定律中不需要选择第一个间距等于 2mm 的纸带 这 个实验的正确实验步骤是先闭合电源开关， 启动打点计时器， 待打点计时器的工作稳定后， 再释放重锤，使它自由落下，同时纸带打出一系列点迹按这种方法操作，在未释放纸带 前，打点计时器已经在纸带上打出点迹，但都打在同一点上，这就是第一点由于开始释 放的时刻是不确定的，从开始释放到打第二个点的时间一定小于 0.02s，但具体时间不确 定， 因此第一点与第二点的距离只能知道一定小于 2mm （如果这段时间恰等于 0.02s，则这 段位移 s=gt2/2=(100.022/2)m=210-3m=2mm） ，但不能知道它的确切数值，也不需要知 道它的确切数值不论第一点与第二点的间距是否等于 2mm，它都是从打第一点处开始作 自由落体运动的，因此只要测量出第一点 o 与后面某一点 p 间的距离 h，再测出打 p 点时 的速度 v，如果： gh ( )， 就算验证了这个过程中机械能守恒 （2）实验仪器）实验仪器 要求掌握的实验仪器主要有： 刻度尺、 游标卡尺、 螺旋测微器 （千分尺） 、 天平、 停表 （秒 表） 、打点计时器（电火花计时仪） 、弹簧秤、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动 变阻器、电阻箱，等等。对于使用新教材的省市，还要加上示波器等。对这些仪器，都要 弄清其原理、会正确使用它们，包括测量仪器的正确读数。 （3）实验装置）实验装置 对电学实验主要指电路图。 下面几个是应特别注意的： 验证牛顿第二定律的实验，如何平衡摩擦力是关键。 研究平抛物体的运动及碰撞中的动量守恒的实验，这两个实验都要使用斜槽轨道， 让小球从轨道上端无初速滚下，然后平抛出去，在安装装置时要注意保证轨道末端必须水 平，如果实验要进行多次，每次小球应从同一高度处下落，因此应有一个挡板。 验证机械能守恒定律的实验，要用铁架台并用夹子固定纸带，这样在开启打点计时 器而未释放重锤前，能保证打出的点迹在同一点上，若像课本上的实验装置图那样，用手 握住纸带，开启打点计时器而未释放纸带前，会由于手的抖动而打出一“堆”点，从而无 法准确找出第一个点（即自由落体运动起始位置） 。 用单摆测重力加速度的实验，在安装单摆时要注意悬点的固定，随便拴一个结系在 铁架台的横梁上是不可取的，因为悬点不确定， 就不是单摆， 并且摆长值也无法准确测量。 有关电路的电学实验要注意安培表的外接与内接，制流与分压电路的选择，电表内 阻的影响，等等。 （4）实验步骤）实验步骤 复习实验步骤时不能靠死背结论，而要与实验原理联系起来，要多问问自己，为什么要 按这样的步骤操作？把某些实验步骤交换一下是否可以？省掉某个步骤行不行？等等。 （5）实验数据的处理）实验数据的处理 重要的有打点计时器纸带的处理方法 （如分析是不是匀速运动或匀变速直线运动、 如果 是匀变速运动，如何求某时刻的速度、如何求加速度等） ；解方程求解未知量、用图像处理 数据 （把原来应该是曲线关系的通过改变坐标轴的量或单位而变成线性关系， 即变成直线， 是重要的实验能力） 。 （6）实验误差的定性分析）实验误差的定性分析 中学阶段不要求进行定量的误差分析，但对主要误差的产生原因、系统误差是偏大还 是偏小等，应能理解。在电路的实验中，粗略地看，认为电流表是短路、电压表是断路， 但精确一点看，电流表和电压表的内阻的影响都不能忽略，定性地讨论电表电阻对测量结 果的影响是我们应该掌握。 二、几种重要的实验方法二、几种重要的实验方法 下面几种实验方法是我们中学阶段物理实验中用过的， 从方法的角度整理、 复习一下， 有助于我们提高认识水平和能力。 （1）累积法：）累积法：在“用单摆测重力加速度”测周期时我们用的是累积法，即我们不直接 测一个周期的时间， 而是测 3050 个周期的总时间，再除以周期数即得周期 t 的值用累 积法的好处是：相当于进行多次测量而后取平均值，这样可以减少偶然误差；增加有 效数字的位数以测单摆的周期为例，我们实验时单摆的摆长大约是 1m 或不到 1m，用停 表（最小分度值是 0.1s）直接测 1 个周期的值，只能读出两位有效数字（机械停表的指针 是跳跃式前进的，因此不能估读） ，如 1.8s、2.0s 等，而测 30 个周期总时间，则可读出至 少 3 位有效数字。 用累积法的实验还有很多，如测一张纸的厚度、用刻度尺测金属丝的直径 （2）替代法：）替代法：在“互成角度两个共点力的合成”的实验中我们就用到了替代法，第一 次我们用两个弹簧秤成角度地拉橡皮筋，把结点拉到某一位置，再换成一个弹簧秤，同样 拉这个橡皮筋，也把结点拉到同样位置，这说明后一个弹簧秤的拉力与前面两个弹簧秤的 拉力效果相等因此右以互相替代对于“等效”这个问题，应正确理解：所谓效果相等， 是对某一方面说的，并不是在所有方面都等效，仍以合力与分力来说，它们只是在改变物 体的运动状态上等效，而在其他方面，例如在产生形变上，二者并不等效。 用替代法的例子还有很多，如用天平称物物体的质量，电阻测量等都可以用替代法， 我们古代三国时期曹冲称象的故事就是替代法的典型实例。 （3）测量量的转换：）测量量的转换：例如在“碰撞中的动量守恒”的实验中，把测物体的速度转换 为测物体平抛运动的水平位移，即把测速度转换为测长度。 又如在“测定玻璃的折射率”的实验中，本应测量入射角和折射角，再根据折射率 n=sini/sinr 求出折射率，但角度不容易测准确 （一般所用的量角器的最小分度是 1， 并 且测角度时顶点很难对得特别准确） ， 而通过做辅助线的方法可以把测角度转换为测线段的 长度，从而增加了有效数字的位数，即提高了测量的准确度。 （4）比较法：）比较法：用天平称物体的质量，就是把物体与砝码进行比较，砝码的质量是标准 的，把被测量与标准的量进行比较，就是比较法天平是等臂杠杆，因此用天平测物体质 量时，不用再进行计算，而是直接读出砝码的质量，它就等于物体的质量。一般情况下， 被测物跟标准量并不相等，而是要根据某种关系进行计算，最常用的是二者间满足一定的 比例关系，通过一定的比例计算即可得出结果，因此常常称为比例法。用比例法测电阻是 常见的，当两个电阻串联时，通过的电流相等，因此两电阻两端的电压跟它们的电阻成正 比，如果其中的一个电阻是标准电阻，另一个电阻的阻值就可测出同样，两电阻并联时， 由于两端电压相等，通过两支路的电流跟电阻成反比，只要一个是标准电阻，另一个电阻 的阻可测出。 一、误差和有效数字 1.误差误差 测量值与真实值的差异叫做误差。误差可分为系统误差和偶然误差两种。 系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。 偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。减小偶然误差的 方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。这个平均值比某一次测得的 数值更接近于真实值。 2.有效数字有效数字 带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字。有效数字是指近似数字而言。 只能带有一位不可靠数字，不是位数越多越好。 凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值 （可靠数字）后，再向下估读一位（不可靠数字） ，这里不受有效数字位数的限制。 间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用 23 位有效数字表示。 二、基本测量仪器及读数 高考要求会正确使用的仪器主要有：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、 打点计时器、弹簧秤、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。 1.刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表 的读数 使用以上仪器时，凡是最小刻度是 10 分度的，要求读到最小刻度后再往下估读一位 （估读的这位是不可靠数字，但是是有效数字的不可缺少 的组成部分） 。凡是最小刻度不是 10 分度的，只要求读到 最小刻度所在的这一位，不再往下估读。 例如 读出上左图中被测物体的长度。 上右图用 3v 量程时电压表读数为多少？用 15v 量程时电压表度数又为多少？ 右图中秒表的示数是多少分多少秒？ 凡仪器的最小刻度是 10 分度的，在读到最小刻度 后还要再往下估读一位。6.50cm。1.14v。15v 量程 时最小刻度为 0.5v，只读到 0.1v 这一位，应为 5.7v。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 v 0 5 10 15 0 31 2 33 4 35 6 37 8 39 41 10 43 12 14 45 16 47 18 49 20 51 22 53 24 26 55 57 28 59 0 1 2 6 7 8 9 10 11 3 4 5 12 13 14 5 0 20 25 15 秒表的读数分两部分：小圈内表示分，每小格表示 0.5 分钟；大圈内表示秒，最小刻度 为 0.1 秒。当分针在前 0.5 分内时，秒针在 030 秒内读数；当分针在后 0.5 分内时，秒针 在 3060 秒内读数。因此图中秒表读数应为 3 分 48.75 秒（这个 5 是估读出来的） 。 2.游标卡尺游标卡尺 10 分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为 0.9mm，比主尺上相邻两个 刻度间距离小 0.1mm。读 数时先从主尺上读出厘米 数和毫米数，然后用游标 读出 0.1 毫米位的数值： 游 标的第几条刻线跟主尺上 某一条刻线对齐，0.1 毫米位就读几（不能读某） 。其读数准确到 0.1mm。 20 分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为 0.95mm，比主尺上相邻两个 刻度间距离小 0.05mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出毫米以 下的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，毫米以下的读数就是几乘 0.05 毫 米。其读数准确到 0.05mm。 50 分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为 0.98mm，比主尺上相邻两个 刻度间距离小 0.02mm。这种卡尺的刻度是特殊的，游标上的刻度值，就是毫米以下的读 数。这种卡尺的读数可以准确到 0.02mm。如右图中被测圆柱体的直径为 2.250cm。 要注意：游标卡尺都是根据刻线对齐来读数的， 所以都不再往下一位估读。 3.螺旋测微器螺旋测微器 固定刻度上的最小刻度为 0.5mm（在中线的上侧） ；可动刻度 每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。在可动刻度的一周上平均刻有 50 条刻线，所以相邻两条刻线间代表 0.01mm。读数时，从固定刻 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 线圈 度上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分（因为是 10 分度，所以在最小刻 度后应再估读一位） ，再把两部分读数相加，得测量值。右图中的读数应该是 6.702mm。 4.打点计时器打点计时器 打点计时器是一种特殊的计时仪器， 电源用 50hz 的交流电， 所以打相邻两个点 的时间间隔是 0.02s。 5.天平天平 天平使用前首先要进行调节。调节分两步：调底座水平和横梁水平（在调节横梁水平 前，必须把游码移到左端零刻度处，左端与零刻线对齐，如 图中虚线所示） 。测量读数由右盘中砝码和游标共同读出。横 梁上的刻度单位是毫克（mg） 。若天平平衡时，右盘中有 26g 砝码，游码在图中所示位置，则被测物体质量为 26.32g（最小刻度为 0.02g，不是 10 分度， 因此只读到 0.02g 这一位） 。 6.多用电表多用电表 使用多用电表时首先应该根据被测物理量将选择 开关旋到相应的位置。使用前应先进行机械调零，用小 螺丝刀轻旋调零螺丝，使指针指左端零刻线。使用欧姆 挡时，还应进行欧姆调零，即将红、黑表笔短接，调节 欧姆调零旋钮， 使指针指右端零刻线处。 欧姆挡的使用： 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 mg 限位孔 振针 振片 永久磁铁 选挡。 一般比被测电阻的估计值低一个数量级， 如估计值为 200就应该选10 的倍率。 调零。将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。将指针示数乘以倍率，得测量值。 将选择开关扳到 off 或交流电压最高挡。用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小，应增 大倍率；如果指针偏转角度太大，应减小倍率。 7.电阻箱电阻箱 右图中的电阻箱有 6 个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数 值（都为整数）乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到这时电阻箱的实际阻值。 图中最左边的两个黑点是接线柱。若指针所示如图，则阻值为 84580.2。 0.1 10 1 1k 10k 100 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 三、重点的学生实验三、重点的学生实验 1.研究匀变速直线运动研究匀变速直线运动 右图为打点计时器打下的纸带。选点迹清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，从便 于测量的地方取一个开始点 o，然后每 5 个点取一个计数点 a、b、c、d 。测出相邻计 数点间的距离 s1、s2、s3 利用打下的纸带可以： 求 任 一 计 数 点 对 应 的 即 时 速 度 v ： 如 t ss vc 2 32+ = (其中 t=50.02s=0.1s） 利用“逐差法”求 a： () () 2 321654 9t ssssss a + = 利用上图中任意相邻的两段位移求 a：如 2 23 t ss a = 利用 v- t图象求 a：求出 a、b、c、d、e、f 各点的即时 速度，画出如右的 v- t 图线，图线的斜率就是加速度 a。 2.探究弹力和弹簧伸长的关系探究弹力和弹簧伸长的关系 （胡克定律） 利用右图装置，改变钩码个数，测出弹簧总长度和所受拉力（钩码总重 量）的多组对应值，填入表中。算出对应的弹簧的伸长量。在坐标系中描点， 根据点的分布作出弹力 f 随伸长量 x 而变的图象，从而发确定 f- x 间的函数 关系。解释函数表达式中常数的物理意义及其单位。 该实验要注意区分弹簧总长度和弹簧伸长量。对探索性实验，要根据描 出的点的走向，尝试判定函数关系。 （这一点和验证性实验不同。 ） 3.互成角度度两个力的合成互成角度度两个力的合成 该实验是要用互成角度的两个力和另一个力产生相同的效果，看其用平行四边形定则 求出的合力与这一个力是否在实验误差允许范围内相等， 如果在实验误差允许范围内相等， 就验证了力的合成的平行四边形定则。 t/s 0 t 2t 3t 4t 5t 6t v/(ms- 1) b c d s1 s2 s3 a 4.研究平抛物体的运动研究平抛物体的运动（用描迹法） 该实验的实验原理：平抛运动可以看成是两个分运动的合成：一个是水平方向的匀速 直线运动，其速度等于平抛物体的初速度；另一个是竖直方向的自由落体运动。利用有孔 的卡片确定做平抛运动的小球运动时的若干不同位置，然后描出运动轨迹，测出曲线任一 点的坐标 x 和 y，利用 vtx =、 2 2 1 gty =就可求出小球的水平分速度，即平抛物体的初速度。 该试验的注意事项有： 斜槽末端的切线必须水平。 用重锤线检验坐标纸上的竖直线是否竖直。 以斜槽末端所在的点为坐标原点。 如果是用白纸，则应以斜槽末端所在的点为坐标原点，在斜槽末端悬挂重锤线，先 以重锤线方向确定 y 轴方向，再用直角三角板画出水平线作为 x 轴，建立直角坐标系。 每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始下滑。 5.验证动量守恒定律验证动量守恒定律 由于 v1、v1/、v2/均为水平方向，且它们的竖直下落高度都相等，所以它们飞行时间相 等，若以该时间为时间单位，那么小球的水平射程的数值就等于它们的水平速度。在右图 中分别用 op、om 和 o /n 表示。因此只需验证：m1? op=m1? om+m2? (o /n- 2r）即可。 注意事项： 必须以质量较大的小球作为入射小球（保证碰撞后两小球都向前运动） 。 小球落地点的平均位置要用圆规来确定：用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面， 圆心就是落点的平均位置。 所用的仪器有：天平、刻度尺、游标卡尺（测小球直径） 、碰撞实验器、复写纸、 白纸、重锤、两个直径相同质量不同的小球、圆规。 若被碰小球放在斜槽末端，而不用支柱，那么两小球将不再同时落地，但两个小球 都将从斜槽末端开始做平抛运动，于是验证式就变为：m1? op=m1? om+m2? on，两个小球 的直径也不需测量了。 0 1 2 3 4 5 6.验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律 验证自由下落过程中机械能守恒，图示纸带的左端是用夹子夹重物的一端。 要多做几次实验，选点迹清楚，且第一、二两点间距离接近 2mm的纸带进行测量。 用刻度尺量出从 0 点到 1、2、3、4、5 各点的距离 h1、h2、h3、h4、h5，利用“匀 变速直线运动中间时刻的即时速度等于该段位移内的平均速度” ，算出 2、3、4 各点对应的 即时速度 v2、v3、v4，验证与 2、3、4 各点对应的重力势能减少量 mgh 和动能增加量 2 2 1 mv 是否相等。 由于摩擦和空气阻力的影响，本实验的系统误差总是使 2 2 1 mvmgh 本实验不需要在打下的点中取计数点。也不需要测重物的质量。 7.用单摆测定重力加速度用单摆测定重力加速度 摆长的测量：让单摆自由下垂，用米尺量出摆线长 l/（读到 0.1mm） ，用游标卡尺量 出摆球直径（读到 0. 1mm）算出半径 r，则摆长 l=l/+r 开始摆动时需注意：摆角要小于 5（保证做简谐运动） ；不要使摆动成为圆锥摆。 必须从摆球通过最低点时开始计时，测出单摆做 50 次全振动所用时间，算出周期的 平均值 t。 改变摆长重做几次实验，计算每次实验得到的重力加速度，再求这些重力加速度的平 均值。 8 用描迹法画出电场中平面上等势线用描迹法画出电场中平面上等势线 实验所用的电流表是零刻度在中央的电流表， 在实验前应先测定电流方向与指针偏转 g g r r a a 图 1 图 2 方向的关系：将电流表、电池、电阻、导线按图 1 或图 2 连接，其中 r 是阻值大的电阻， r 是阻值小的电阻，用导线的 a 端试触电流表另一端，就可判定电流方向和指针偏转方向 的关系。 该实验是用恒定电流的电流场模拟静电场。与电池正极相连的 a 电极相当于正点电 荷，与电池负极相连的 b 相当于负点电荷。白纸应放在最下面，导电纸应放在最上面（涂 有导电物质的一面必须向上） ， 复写纸则放在 中间。 9.测定玻璃折测定玻璃折射率射率 实验原理：如图所示，入射光线 ao 由空气射入玻璃砖，经 oo1后由 o1b 方向射出。作出 法线 nn1，则折射率 n=sin/sin 注意事项：手拿玻璃砖时，不准触摸光洁的光学面，只能 接触毛面或棱，严禁把玻璃砖当尺画玻璃砖的界面；实验 过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变；大头针应垂 直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两个大头针距离应大 一些，以减小确定光路方向造成的误差；入射角应适当大一些，以减少测量角度的误差。 10伏安伏安法测电阻法测电阻 伏安法测电阻有 a、 b 两种接法， a 叫(安培计)外接法，v a v a a b b 叫（安培计）内接法。外接法的系统误差是由电压表的分流引起的，测量值总小于真实 值，小电阻应采用外接法；内接法的系统误差是由电流表的分压引起的，测量值总大于真 实值，大电阻应采用内接法。如果无法估计被测电阻的阻值大小，可以利用试触法：如图 将电压表的左端接 a 点，而将右端第一次接 b 点，第二次接 c 点，观察电流表和电压表的 变化，若电流表读数变化大，说明被测电阻是大电阻，应该用内接法测量；若电压表读数 变化大， 说明被测电阻是小电阻， 应该用外接法测量。 （这里所说的变化大， 是指相对变化， 即i/i 和u/u） 。 （1）滑滑动变阻器的动变阻器的连接连接 滑动变阻器在电路中也有 a、b 两种常用的接法：a 叫限流接法，b 叫分压接法。分压 接法被测电阻上电压的调节范围大。当要求电压从零开始调节，或要求电压调节范围尽量 大时应该用分压接法。 用分压接法时， 滑 动变阻器应该选用阻值小的；用限流接 法时， 滑动变阻器应该选用阻值和被测 电阻接近的。 （2）实实物物图连图连线线技术技术 无论是分压接法还是限流接法都应该先把伏安法部分接好；对限流电路，只需用笔画 线当作导线，从电源正极开始，把电源、电键、滑动变阻器、伏安法四部分依次串联起来 即可（注意电表的正负接线 柱和量程，滑动变阻器应调 到阻值最大处） 。 v a v a a b r r 对分压电路， 应该先把电源、 电键和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来， 然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头， 比较该接头和滑动触头两点的电势高低， 根据伏安法部分电表正负接线柱的情况，将伏安法部分接入该两点间。 （3）描描绘小绘小电电珠珠的的伏安特性曲伏安特性曲线线 因为小电珠（即小灯泡）的电阻较小（10左右）所以应该选用安培表外接法。 小灯泡的电阻会随着电压的升高，灯丝温度的升高而增大，所以 u- i 曲线不是直线。 为了反映这一变化过程，灯泡两端的电压应该由零逐渐增 大到额定电压。所以滑动变阻器必须选用分压接法。在上 面实物图中应该选用右面的那个图，开始时滑动触头应该 位于左端（使小灯泡两端的电压为零） 。 由实验数据作出的 i- u 曲线如右，说明灯丝的电阻随 u/v i/a o (b) （a） 温度升高而增大，也就说明金属电阻率随温度升高而增大。 （若用 u- i 曲线，则曲线的弯曲 方向相反。 ） 若选用的是标有“3.8v 0.3a”的小灯泡，电流表应选用 0- 0.6a 量程；电压表开始时 应选用 0- 3v 量程，当电压调到接近 3v时，再改用 0- 15v 量程。 11把电流表改装为电压表把电流表改装为电压表 、用图(a)测定电流表内阻 rg，方法是：先断开 s2，闭合 s1，调节 r，使电流表满偏；然 后闭合 s2，调节 r/，使电流表达到半满偏。当 r 比 r/大很多时，可以认为 rg=r/。 （当 r 比 r/大很多时，调节 r/基本上不改变电路的总电阻，可认为总电流不变，因此当电流表半满 偏时，通过 r/的电流也是满偏电流的一半，两个分路的电阻相等） 。实际上，s2闭合后，总 电阻略有减小，总电流略有增大，当电流表半满偏时，通过 r/的电流比通过电流表的电流 稍大，即 r/比 rg稍小，因此此步测量的系统误差，总是使 rg的测量值偏小。其中 r 不必读 数，可以用电位器，r/需要读数，所以必须用电阻箱。 根据 rg、ig和扩大后的量程，计算出需要给电流表串联的电阻 r1的值。 、用(b)图把改装的电压表和标准电压表进行校对。校对要每 0.5v 校对一次，所以电压 要从零开始逐渐增大，因此必须选用分压电路。 百分误差的计算： 如果当改装电压表示数为 u 时， 标准电压表示数为 u / ， 则这时的百分误差为|u- u / | / u /。 如果校对时发现改装电压表的示数总是偏大，则应该适当增大 r1的阻值(使表头的分 压减小一些)，然后再次重新进行校对。 12.测定金属的电阻率测定金属的电阻率 被测电阻丝的电阻较小，所以选用电流表外接法；本实验不要求电压调节范围，可选 用限流电路。因此选用上面左图的电路。开始时滑动变阻器的滑动触头应该在右端。本实 验通过的电流不宜太大，通电时间不能太长，以免电阻丝发热后电阻率发生明显变化。 13 用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻 根据闭合电路欧姆定律：e=u+ir，本实验电路中电压表的示数是准确的，电流表的 示数比通过电源的实际电流小， 所以本实验的系统 误 差是由电压表的分流引起的。 为了减小这个系统误 差， 电阻 r 的取值应该小一些，所选用的电压表 的 内阻应该大一些。 为了减小偶然误差，要多做几次实验，多 取几组数据， 然后利用 u- i 图象处理实验数据： 将点描好后， 用直尺画一条直线， 使尽量多的点在这条直线上，而且在直线两侧的点数大致相等。这条直线代表 的 u- i 关系的误差是很小的。它在 u 轴上的截距就是电动势 e（对应的 i=0） ，它的斜率的 绝对值就是内阻 r。 （特别要注意：有时纵坐标的起始点不是 0，求内阻的一般式应该是 r=| u/i |） 。 为了使电池的路端电压变化明显，电池的内阻宜大些。 （选用使用过一段时间的 1 号 电池） 14.用多用电表探用多用电表探索黑索黑箱箱内内的电的电学元件学元件 设定黑箱上有三个接点， 两个接点间最多只能接一个元件； 黑箱内所接的元件不超过两个。 测量步骤和判定： 用直流电压挡测量，a、b、c三点间均无电压；说明箱内无电源。 用欧姆挡测量，a、c间正、反接阻值不变，说明 a、c间有一个电阻。 用欧姆挡测量，黑表笔接 a 红表笔接 b 时测得的阻值较小，反接时测得的阻 值较大，说明箱内有一个二极管，可能在 ab 间，也可能在 bc间，如右图中 v a r s u/v i/a o 0.2 0.4 0.6 3.0 2.0 1.0 两种可能。 用欧姆挡测量， 黑表笔接c红表笔接b测得阻值比黑表笔a红表笔接b时测得的阻值大， 说明二极管在 ab 间。所以黑箱内的两个元件的接法肯定是右图中的上图。 四、重要的演示实验 1.用油膜法估测分子的大小用油膜法估测分子的大小 实验前应预先计算出每滴油酸溶液中纯油酸的实际体积： 先了解配好的油酸溶液的浓 度，再用量筒和滴管测出每滴溶液的体积，由此算出每滴溶液中纯油酸的体积 v。 油膜面积的测量：油膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，将油膜的形状用彩笔画在 玻璃板上；将玻璃板放在坐标纸上，以 1cm边长的正方形为单位，用四舍五入的方法数出 油膜面积的数值 s（以 cm2为单位） 。 由 d=v/s 算出油膜的厚度，即分子直径的大小。 2 加速度和力的关系加速度和力的关系 加速度和质量的关系加速度和质量的关系 两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上，小车前端系上细线，线的另一端跨过定滑 轮各挂一个小盘，盘里分别放有不同质量的砝码。小车所受的水平拉力 f 的大小可以认为等于砝码（包括砝码盘）的重力大小。小车后端也系 有细线，用一只夹子夹住两根细线，控制两辆小车同时开始运动和结束 运动。 由于两个小车初速度都是零，运动时间又相同， s= 2 1 at2a，只 要测出两小车位移 s 之比就等于它们的加速度 a 之比。 实验结果是：当小车质量相同时，af，当拉力 f相等时，a1/m。 实验中用砝码（包括砝码盘）的重力 g 的大小作为小车所受拉力 f 的大小，这样做 会引起什么样的系统误差？怎样减小这个系统误差？ 3.卡卡文迪许实文迪许实验验 左下图是卡文迪许扭秤实验的示意图。其中固定在 t 形架上 的小平面镜起着非常大的作用。利用光的反射定律可以把 t m1 m2 f1 f2 形架的微小转动放大到能够精确测量的程度。设小平面镜到刻度尺的距离为 l，t 形架两 端固定的两个小球中心相距为 l， 设放置两个大球 m/ 后， 刻度尺上的反射光点向左移动了 x，那么在万有引力作用下，小球向大球移动了多少？ 4.描绘单摆的振动图象描绘单摆的振动图象 对同一个单摆，如果两次拉出木板得到的图形分别如 a、b 所示，说明两次拉木板的 速度之比为 32。 对摆长不同的单摆，如果两次拉 木板速度相同，说明摆的周期之比为 32，摆长之比为 94。 5.波的叠加波的叠加 在一根水平长绳的两端分别向上抖动一下， 就分别右两个凸起状 态 1 和 2 在绳上相向传播。它们在相遇后，彼此穿过，都保持各自的 运动状态继续传播，彼此都没有受到影响。 观察一下： 在它们相遇过程中， 绳上质点的最大位移出现在什么 位置？每个点都有可能达到这个位移吗？ 在同一根绳子上，各种频率的波传播速度都是相同的。 a b 6.扩散现象扩散现象 装有无色空气的广口瓶倒扣在装有红棕色二氧化氮气体的广口瓶上， 中间用玻璃板隔 开。抽去玻璃板，过一段时间可以发现，两种气体混合在一起，上下两瓶气体的颜色变得 均匀一致。 扩散现象也证明分子在做永不停息的无规则运动。 从热力学第一定律分析一下：设环境温度不变。在扩散过程中，瓶中气体将吸热还是 放热？这个实验也证明扩散现象有方向性。 7. 绝热过程，做功改变物体内能绝热过程，做功改变物体内能 用打气筒向容器中打气到一定压强，稳定后读出灵敏温度计的读数。打开卡子，气体 迅速冲开胶塞，温度将会明显降低。 （u=q+w，作用时间极短，来不及热交换，是绝热 过程，因此 q=0，而 w 为负，所以u 必然为负，即气体内能减小，温度降低） 。 迅速向下压活塞， 玻璃气缸内的硝化棉会燃烧起来(u=q+w， 也是绝热过程， q=0， w 为正，所以u 为正，气体内能增大，温度升高，达到硝化棉的燃点，因此被点燃） 。 这就是柴油机的工作原理。 8.平行板电容器的电容平行板电容器的电容 静电计是测量电势差的仪器。指针偏转角度越大，金属外壳和上方金属小球间的电势 差越大。在本实验中，静电计指针和 a 板等电势，静电计金属壳和 b 板等电势，因此指针 偏转角越大表示 a、b 两极板间的电压越高。 本实验中，极板带电量不变。三个图依次表示：正对面积减小时电压增大；板间距离 增大时电压增大；插入电介质时电压减小。由 uu q c 1 = 知，这三种情况下电容分别减 小、减小、增大。因此可以确定 c和 s、d、的关系是 d s c 。 思考：如何测量电容器两极板间的电压？ 9.磁磁电电式式电表电表原理原理 圆柱形铁芯的作用是在磁铁两极和铁芯间 生成均匀地辐向分布的磁场。 不管线圈转到什么 角度，线圈平面都跟磁感线平行，线圈受到的安培力矩的大小只跟电流大 小成正比。线圈绕在铝框上，线圈的两端分别和两个螺旋弹簧相接，被测电流由这两个弹 簧流入线圈。铝框可以起到电磁阻尼的作用。指针偏转方向与电流方向有关。因此根据指 针偏转方向，可以知道被测电流方向。 10.研究电研究电磁感应现象磁感应现象 首先要查明电流表指针偏转方向和电流方向的关系（方 法与画电场中平面上等势线实验相同） 。 电键闭合和断开时、电键闭合后滑动变阻器的滑动触头 移动过程中、电键闭合后线圈 a 在 b 中插入、拔出时，都会 发现电流表指针发生偏转，说明有电流产生。而电键保持闭合、滑动触头不动、线圈 a 在 b 中不动时，电流表指针都不动，说明无电流产生。 结论：闭合电路中有感应电流产生的充要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。 11.单缝衍射单缝衍射 从图中看出： 当狭缝宽度在 0.5mm以上时， 缝越窄亮斑也越窄；当狭缝宽度在 0.5mm 一下 时，缝越窄中央亮条越宽，整个亮斑范围越宽， 亮纹间距越大。 12.小孔衍射和泊松亮斑小孔衍射和泊松亮斑 小孔衍射和泊松亮斑的中心都是亮斑。区别是：泊 松亮斑中心亮斑周围的暗斑较宽。 13.伦琴射线管伦琴射线管 电子被高压加速后高速射向对阴极，从对阴极上激发出x 射线。在 k、a 间是阴极射 线即高速电子流，从 a 射出的是频率极高的电磁波，即 x 射线。 x 射线粒子的最高可能的频率可由 ue=h计算。 1.5mm 0.7mm 0.4mm 0.2mm 0.1mm 14.粒子散射实验粒子散射实验 全部装置放在真空中。荧光屏可以沿 着图中虚线转动，用来统计向不同方向散 射的粒子的数目。观察结果是，绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前 进，但是有少数粒子发生了较大的偏转。 15.光电效应实验光电效应实验 把一块擦得很亮的锌板连接在灵每验电器上，用弧光灯照锌板，验电器的指针就张开一个 角度，表明锌板带了电.进一步检查知道锌板带( )电。这表明在弧光灯的照射下，锌板中 有一部分( )从表面飞了出去锌板中少了( )，于是带( )电。 五、设计实验举例 例例 1略测定玩具手枪子弹射出时的初速度。除玩具手枪外，所给的测量仪器为： 只有秒表；只有米尺。 解：解：若只有秒表，可如图(a)，将玩具手枪从地面竖直向 上发射子弹，用秒表记下从发射到子弹落会地面所用的时间 t， 则子弹上升的时间为 t/2， 故子弹初速度 v0=gt/2。 若只有米尺， 可如图(b)，将玩具手枪子弹从某一高度处水平射出，用米尺测 量射出时离地面的高度 h 和水平射程 s，则子弹初速度 h g s t s v 2 0 = 。 例例 2利用如图所示的一只电压表、一个电阻箱和一个电键，测量一 个电池组的电动势和内电阻。画出实验电路图，并用笔画线作导线将 所给器材连接成实验电路。用记录的实验数据写出电动势和内电阻的 表达式。 解：解：与学生实验相比，用电阻箱代替了电流表。由于电压可测，由电压、电阻就可以 算出电流。电路图如右。实验方法有两种： 改变电阻箱阻值，读出两组外电阻和对应的路端电压值 r1、u1、r2、u2，根据闭 合 电 路 欧 姆 定 律 列 出 两 种 情 况 下 的 方 程 ， r r u uer r u ue 2 2 2 1 1 1 ,+=+= 。 v0 v0 h s (a) (b) v 5 5 5 5 5 5 5 解这个方程组可得 e 和 r： ()() 2112 2121 2112 2121 , ruru rruu r ruru uurr e = = 。 改变电阻箱阻值，读出电压表对应的示数，多测几组数据，利用 u- i 图象求电动势 和内电阻。这样偶然误差会更小一些。 该实验的系统误差是由于电压表的分流引起的。所以选取电阻箱阻值时不宜太大，电 压表则应该选用内阻较大的。 如果只给出电阻箱和电流表，同样可以测量电源的电动势和内电阻。 例例 3某同学在研究弹簧振子的周期和振子质量的关系时，利用同一根弹簧，记录了不同 振子质量对应的周期值如下表： 他在 t- m 坐标系中根据此表描点后发现 t、m 间不是正比关系，而好 象是 t 2m 关系，请你进一步验证这一猜想是否正确？ 解：可以根据表中的 t值计算出相应的 t 2值填入表中，画出对应的 t 2- m 图象。如果所描出的点很接近在一条过原点的直线上，就可以确认 t 2m 关系成立。 在给出的表中增加一行对应的 t (s2)值： m (g) 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 t (s) 0.40 0.57 0.69 0.80 0.89 0.98 t (s2) 0.16 0.32 0.48 0.64 0.79 0.96 如图作出 t 2- m 图象：得到的 6 个点可以认为在同一条直线上，因此可以确定 t2m m (g) 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 t (s) 0.40 0.57 0.69 0.80 0.89 0.98 t /s2 m 1. 0. 0. 0. 0. o 10 20 30 关系成立。 例例 4某同学利用一架固定好的自动相机，用同一张底片多次曝光的方法，拍下了一辆小 轿车启动后不久做匀加速直线运动的照片。相邻两次曝光的时间间隔为 2.0s。已知小轿车 的车长为 4.5m他用刻度尺测量照片上的长度关系，结果如图所示。请你估算这辆小轿车 的加速度 a 和小轿车在照片中第 2 个像所对应的时刻的即时速度大小 v。 解：解： 从照片上可得， 刻度尺的 1 厘米相当 于实际长度 3m。量出前后两段位移分别为 4.00cm 和 6.70cm，对应的实际位移分别为 12m和 20.1m， 由s=at2可得 a=2.0m/s2， 再 根据这 4 秒内的平均速度等于中间时刻的即 时速度，可得照片中第 2 个像对应的速度 v=8.0m/s。 例例 5如图所示，是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电 压为 u 时所带的电荷量 q，从而求出其电容 c。该实验的操作步骤如下： 按电路图接好实验电路； 接通电键 s， 调节电阻箱 r 的阻值， 使微安表的指针接近满刻度 记 下这时的电压表读数 u0=6.2v 和微安表读数 i0=490a； 断开电键 s 并同时开始计时， 每隔 5s 或 10s 读一次微安表的读数 i， 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (cm) i/ a 0 20 40 60 80 t/s 600 500 400 300 200 100 a v s c r 将读数记录在预先设计的表格中； 根据表格中的 12 组数据，以 t 为横坐标，i为纵坐标，在坐标纸上描点（右图中用“” 表示） 。根据以上实验结果和图象，可以估算出当电容器两端电压为 u0时该电容器所带的 电荷量 q0约为_c，从而算出该电容器的电容约为_f。 解：解：按照图中的点，用光滑曲线把它们依次连接起来，得到 i- t 图线，图线和横轴所围 的面积就是放电量，即原来电容器的带电量。每小格相当于 2.510- 4c，用四舍五入法数 得小方格有 32 个，所以 q0=810- 3c。再由 c= q0/ u0，得 c=1.310- 3f。 例例 6某同学在做探究弹力和弹簧伸长的关系的实验中，设计了如图所示的实验 装置。所用的钩码每只的质量都是 30g，他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度， 再将 5 个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次都测出相应的弹簧总长度，将数据填 在了下面的表中。(弹力始终未超过弹性限度，取 g=9.8m/s2) 试根据这些实验数据在右图给定的坐标纸上作出弹簧所受弹力大小f跟弹簧总长l 之间的函数关系图线，说明图线跟坐标轴交点的物理意义。 上一问所得图线的物理意义?该弹簧的劲度 k 是多大? 解：解：根据实验数据在坐标纸上描出的点，基本上在同 一条直线上。可以判定 f 和 l 间是一次函数关系。画一条直 线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线上的点均匀 地分布在直线两侧。该图线跟横轴交点的横坐标表示弹簧的 原长。 图线的物理意义是表明弹簧的弹力大小和弹簧伸长量大小 成正比。由 x f k = 可得 k=25n/m。 f/n x/10- 2m 5 6 8 10 12 1.6 1.2 0.8 0.4 0 砝码质量(g) 0 30 60 90 120 150 弹簧总长(cm) 6.00 7.15 8.34 9.48 10.64 11.79 弹力大小(n) 例例 7 在上海市青少年校外活动营地 “东方绿舟” 内有一个绿色能源区， 同学们可以在这里做太阳 能和风能的研究性实验。 某同学为了测定夏季中 午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，制作了 一个太阳能集热装置、实验器材有： （a）内壁涂黑 的泡沫塑料箱一个，底面积为 1m2； （b）给你盛水 塑料袋一个； （c） 温度计一个； （d） 玻璃板一块 （约 1m2） 。如右图所示。 有一块斜坡草地，太阳光垂直照射到草地表面，请将上述实验器材按实验设计要求画 在右图中。 已知水的比热容 c，被水吸收的热量 q 与水的质量 m、水温升高量t 间的关系是 q cmt，则为了测定中午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了需要测量 m、t 外，还应测量的物理量是 。本实验会有一定误差，试写出一条产生误差的主要原 因： 。 解：解：装置图如右。还应该测量的物理量是温度 t。产生误差的主要原因是太阳能没有全部 被水吸收。 (a) (b) (c) (d) 六、实验练习题六、实验练习题 1按照有效数字规则读出以下各游标尺的测量值. 读数为_cm. 读数为_mm. 读数为_m. 读数为_cm. 读数为_cm. 2按照有效数字规则读出下列电表的测量值. 0 1 2 3 0 5 10 15 v 0 0.2 0.4 0.6 0 1 2 3 a 接 03v 量程时读数为_v. 接 03a 量程时读数为_a. 接 015v 量程时读数为_v. 接 00.6a 量程时读数为_a. 3多用电表表头的示意图如右。 当指针位置如图中灰三角箭头所示,则测量的