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教育公益网站“高中物理参考网”收集 基本实验方法山东 贾玉兵命题趋势要求考生“能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题”。具体体现在：在给定的条件下，进行实验设计；给出测量数据，选择数据处理的方法；给定原理和器材，设计实验方案；给出实验过程和情景，判断过程和方法的合理性等。如2001年理综考试中的实验题，就是要求考生灵活运用“伏安法”测定电阻。关于实验方法的考查，预计是两种形式：一是以学过的分组或演示实验为背景，考查对实验方法的领悟情况；二是考查灵活运用学过的实验方法设计新的实验。由于目前设计型实验是高考实验题的热点，而掌握一些有普遍意义的实验方法又是设计实验的基础，所以在复习已学过的实验时，有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法是很有意义的。知识概要围绕实验的设计原理、误差控制、数据处理三个环节，都有它们自己的一些有普遍意义的方法，在中学阶段涉及的主要是以下一些方法：1设计实验原理（1）控制变量法。如：在“验证牛顿第二定律的实验”中，加速度、力和质量的关系控制。在“研究单摆的周期”中，摆长、偏角和摆球质量的关系控制。（2）近似替代法。用伏安法测电阻时，选择了合适的内外接方法，一般就忽略电表的非理想性。（3）等效替代法。某些量不易测量，可以用较易测量的量替代，从而简化实验。在“验证碰撞中的动量守恒”的实验中，两球碰撞后的速度不易直接测量，在将整个平抛时间定为时间单位后，速度的测量就转化为对水平位移的测量了。（4）模拟法。当实验情景不易或根本无法创设时，可以用物理模型或数学模型等效的情景代替，尽管两个情景的本质可能根本不同。“描绘电场中的等势线”的实验就是用电流场模拟静电场。（5）微小量放大法。微小量不易测量，勉强测量误差也较大，实验时常采用各种方法加以放大。卡文迪许测定万有引力恒量，采用光路放大了金属丝的微小扭转；在观察玻璃瓶受力后的微小形变时，使液体沿细玻璃管上升来放大瓶内液面的上升。2控制实验误差（1）多次测量法。多次测量法减小偶然误差，这是所有实验必须采取的办法，也是做实验应具有的基本思想。（2）积累法。一些小量直接测量误差较大，可以累积起来测量，以减小误差。“用单摆测定重力加速度”的实验中，为了减小周期的测量误差，不是测量完成一次全振动的时间，而是测量完成3050次全振动的时间。3数据处理（1）逐差法。这就是用打点计时器打出的纸带计算加速度时用到的方法，这种方法充分利用了测量数据，具有较好的取平均的效果。（2）图象法。能从图象清楚看出物理量间的关系，在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，采用了这种方法得出电阻与温度有关的结论；可用图象法求物理量的值，在“测定电源电动势和内阻”的实验中用图象法来求E和不仅有取平均的效果，还可以剔除个别有错误的测量数据。围绕某一领域实验的共同需要，形成一些方法。在中学阶段主要有：1记录运动（1）用频闪照片记录运动。例如用小球自由下落的频闪照片研究自由落体运动的规律；用平抛小球的频闪照片研究平抛运动的规律；用弹簧振子的频闪照片研究简谐运动的规律。（2）用打点计时器记录运动轨迹。例如研究匀变速直线运动、验证机械能守恒等。2提供电压（1）限流法。如图1，选择合适的滑动变阻器串接在电路中，用它来改变电流，以控制负载电压。图1 图2（2）分压法。如图2，当滑动变阻器的电阻小于负载电阻时，可用此法调控电压。点拨解疑【例题1】 如图3，光滑水平轨道与光滑圆弧轨道相切，轻弹簧的一端固定在轨道的左端，OP是可绕O点转动的轻杆，且摆到某处就能停在该处；另有一小钢球。现在利用这些器材测定弹簧被压缩时的弹性势能。图3（1）还需要的器材是 、 。（2）以上测量实际上是把对弹性势能的测量转化为对 能的测量，进而转化为对 和 的直接测量。（3）为了研究弹簧的弹性势能与劲度系数和形变量的关系，除以上器材外，还准备了两个轻弹簧，所有弹簧的劲度系数均不相同。试设计记录数据的表格。【点拨解疑】 因不知道弹性势能计算公式，应采用等效替代的方法，把要测量的弹性势能转化为便于测量的量。在这个装置中，若用小钢球压缩弹簧至需要的量，然后由静止释放小球，弹簧的弹性势能会转化为小球的动能，进而在小球沿圆弧轨道上升的过程中转化为小球的重力势能。可用对重力势能的测量来代替对弹性势能的测量，因此需用天平测量小球的质量，用刻度尺测量小球上升的高度。要寻找弹性势能与弹簧的劲度系数和形变量两个物理量的关系，应采用控制变量法。先保持弹簧的劲度系数不变，研究弹性势能与形变量的关系；再保持形变量不变，研究弹性势能与劲度系数的关系。因此记录数据的表格可设计成如下两表：小球的质量m= Kg，弹簧A压缩量x（m）上升高度h（m）E=mgh（J）压缩量x= cm，小球的质量m= Kg弹簧ABC劲度系数k（N/m）上升高度h（m）E=mgh（J）【答案】（1）天平、刻度尺（2）重力势、质量、上升高度（3）见上。【例题2】 （2001年上海卷）利用打点计时器研究一个约1. 4高的商店卷帘窗的运动。将纸带粘在卷帘底部，纸带通过打点计时器随帘在竖直面内向上运动。打印后的纸带如图4所示，数据如表格所示。纸带中AB、BC、CD每两点之间的时间间隔为0.10s，根据各间距的长度，可计算出卷帘窗在各间距内的平均速度。可以将近似地作为该间距中间时刻的瞬时速度v。（1）请根据所提供的纸带和数据，绘出卷帘窗运动的v - t图线。（2）AD段的加速度为 m/s2，AK段的平均速度为 m/s。 图5图4【点拨解疑】 根据题目要求。把各段时间的平均速度当做这段时间中间时刻的瞬时速度，可算出一系列时刻的速度，见下表。根据表中数据在v-t图上描点画出图象，如图5所示。由图象可以看出，卷帘窗开始做匀加速直线运动，中间有一段作匀速运动，然后作加速度变化的运动。AD段的加速度可由v-t图对应段的斜率确定，为5m/s2。AK段的平均速度可根据表中数据由公式算出，为1.39m/s。时刻（s）0.050.450.550.650.750.850.95速度（m/s）0.501.01.52.02.02.02.01.70.800.40点评：要研究物体的运动，利用打点计时器把运动记录下来是一种可供选择的方法。用图像处理数据可以把物体各阶段的运动性质清楚地反映出来。【例题3】 如图6所示是测定电流表内阻的电路图。电流表的内阻约100左右，满偏电流为500A，用电池做电源。图6（1）现备有以下可变电阻：A电阻箱，阻值范围为0100B电阻箱，阻值范围为0999.9C滑动变阻器，阻值范围为0200D滑动变阻器，阻值范围为020 K在上述可变电阻中，电路图中的R应选用 ，R应选用 。（2）某同学进行的实验步骤如下：先将R的阻值调到最大，合上S1，调节R的阻值，使电流表的指针转到满刻度。合上S2，调节R和R的阻值，使电流表的指针转到满刻度的一半。记下R的阻值指出上述实验步骤中有什么错误。答： 【点拨解疑】 由题中给出的电路图可知，该题要求用半偏法测电流表的内阻。半偏法的原理是：先断开S2，闭合S1，让电流通过电流表并使其满偏，然后接上电阻箱，并调节它使电流表半偏，由于总电流几乎不变，因此电阻箱中应有另一半电流，电流表和R上各有一半电流意味着它们电阻相等，此时读出电阻箱的电阻，即为电流表的内阻。由以上原理可知，选电阻箱时，只要它能调出与电流表内阻相当的电阻即可；另外，当电阻箱接入时，维持总电流几乎不变是至关重要的，因为这时才可以说两条支路上各有一半电流。为此：滑动变阻器的实际组织应远大与电流表的内阻，成为整个电路电阻的主要部分，使R的接入仅使电阻发生微小变化。在调节电阻箱时，电阻R不应变化。【答案】（1）滑动变阻器应选电阻大的D；电阻箱应选B，（2）第步中，合上S2后不应再调节R。点评：半偏法实际上也是比较法，比较两支路的电流，只是比较特殊，两支路电流是相等的关系，因此电阻也是相等的关系。这样特殊的比较简化了运算。【例题4】 有两只电压表V1和V2。量程已知，内阻未知。另有一干电池，它的内阻不能忽略，但大小未知。试用这两只电压表、开关、导线测定这只干电池的电动势（已知电动势不超过电压表的量程）。（1）画出测量时所用的电路图。（2）以测量的量为已知量，导出计算电动势的表达式。【点拨解疑】 测电源的电动势和内电阻，一般采用多次测量（至少两次），列方程组的数学方法。测两次需要两个负载电阻，现在一个都没有。但两个实际的电压表内阻不是无穷大，因此它们可以作为负载。单独V1、单独V2、V1和V2。考虑到没有电流表，两次负载应有些联系，选1、3两种或2、3两种。【答案】（1）测量时所用的电路图如图7中甲、乙所示。（甲） （乙）图7（2）对第一次测量，测得U1，有 其中R1为表V1的内阻对第二次测量，测得U1和U2，有 将作为一个未知数，由以上两方程可解得针对训练1图8所示为测量电阻的电路。R x为待测电阻，R的阻值已知，R为保护电阻，电源的电动势E未知，S1、S2均为单刀双掷开关，V为电压表，其内阻非常大。图8 图9（1）按图8所示的电路，在图9所示的实物电路上连线。（2）测量R x 的步骤为：将S2向c闭合， S1向 闭合，记下电压表的读数U1；再将S2向d闭合，S1向 闭合，记下电压表的读数U2。计算R x的公式是R x= 2给出下列器材：待测电压表（3V、3k）、电阻箱（09999）、滑动变阻器（020）、电池（6V内阻不计）开关、导线若干。要求用半偏法测电压表的内电阻。（1）试画出实验电路图（2）写出实验步骤。3将几根相同的弦一端固定，在另一端系着质量不同的小物体，让其自然下垂，使弦绷紧，做成如图10所示的装置。拨动弦的中心，使其振动，进行实验，研究振动频率f随悬挂物体的质量m及弦的长度L变化的规律。方法是：只让m或只让L变化，