模块六专题十三物理实验

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模块定位：实验为历年来高考必考内容，高考力图通过在笔试的形式下考查考生对实验仪器的使用、实验原理的理解、实验步骤的掌握、实验数据的处理等能力，同时也希望通过考查一些简单的设计型实验来检验考生独立解决新问题的能力、“迁移”能力．在物理实验的第二轮复习中，要注重以下几方面：(1)要进一步熟悉基本仪器，掌握它们的性能、使用方法，会按照有效数字的规则读数．(2)对每一个实验都要明确实验目的是什么，搞清楚实验原理，理解和掌握实验的方法，并会根据实验要求来设计简单的实验．(3)要会从实验原理及方法的要求出发，再结合具体的实验条件来考虑实验器材的选取．要知道实验器材选取的一般原则．(4)要理解每个学生实验中操作程序的安排用意，自己会科学合理地安排设计性实验的步骤．(5)掌握实验数据处理的常用方法，如列表法、图象法、逐差法及其他一般计算方法．知道系统误差及一些实验中产生系统误差的原因．(6)会分析实验数据，能通过对杂乱无章的实验数据的分析来找出规律性的东西．要以科学的态度对待实验数据，要正确地看待误差，不可拼凑数据．(7)会根据中学物理中学过的知识、物理实验中学过的方法、用过的器材，来设计新的实验．要达到这一层次，只有真正悟懂学生实验中思想、方法的真谛，才有可能将这些思想方法灵活地迁移应用，只靠死记硬背实验是绝对做不到这一点的．近几年高考对实验的考查，多以一大带一小，小的为力学实验或仪器的使用，大的、也是重点的是电学实验，且以电学中滑动变阻器的分压限流、电流表的内接外接以及伏安法测电动势与内阻的实验为考查重点．对力学实验的考查以纸带数据的处理、机械能守恒定律的验证为主．预测2011年高考仍以电阻的测量(多种测量方法，电路设计、伏安曲线等)、电源电动势和内电阻的测量为重点考查对象，侧重于考查电路的设计、仪器的选择．力学实验则考查纸带数据的处理和游标卡尺或螺旋测微器的读数的可能性较高．知识网络：专题十三物理实验重点知识归纳一、测量读数类仪器使用1．游标卡尺(1)各种游标卡尺的有关参数如下表所示：游标尺(mm)精确度(mm)刻度格数刻度总长度(mm)每小格与1毫米差(mm)1090.10.120190.050.0550490.020.02(2)游标卡尺的读数方法：①以游标零刻度线位置为准，在主尺上读取整毫米数；②看游标上哪一条刻度线与主尺上的某一刻度线(此某一刻度线不需读出)对齐，由游标上对齐的刻度数(即格数)乘以游标卡尺的精确度得出毫米以下的小数；③总的读数为毫米整数加上毫米以下的小数．2．螺旋测微器(千分尺)量程一般为0～25mm，精确度是0.5mm÷50＝0.01mm.图13－1螺旋测微器的读数方法：①从固定标尺上读出整毫米数，要注意半毫米刻度线是否露出，如果露出再加上0.5mm.②0.5mm以下的读数则等于与固定标尺上横线对准的可动圆周上的读数(要估读一位)乘以精度0.01mm.③测量长度为上述二者之和．如图13－1中所示读数为6mm＋0.5mm＋20.2×0.01mm＝6.702mm.特别提醒螺旋测微器的使用要注意两点：(1)半毫米刻度线；(2)估读，末位估读的“0”不要漏掉．3．电流表、电压表(1)电流表、电压表使用时量程选择的规则：根据被测电流或电压值的大小选择量程．测量时最好使指针偏转超过所选量程的2/3，至少超过1/2.在不知道被测电流或电压大小的情况下，应选用电表的较大量程，然后再根据指针偏转情况选取合适的量程．(2)读数方法：读数时应使视线垂直于刻度盘表面．凡仪器最小刻度是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)；凡仪器最小刻度不是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．4．电阻箱电阻箱是按照各个数量级上指针的对应数值读数的，指针必须指向某一个确定的数值，不能在两个数值之间，因此电阻箱测量结果的各位读数都是从电阻箱上指针所指位置直接读出的，不再向下估读．如图13－2所示的电阻箱的阻值为84580.2Ω.图13－25．多用电表(1)使用多用电表测电压、电流时，应根据选择的量程确定最小刻度值，然后读数．(2)使用欧姆挡时，注意以下几个方面：①用多用电表测电阻时，测量前应根据估计的阻值选用适当的挡位．由于欧姆挡刻度的非线性，使用欧姆挡测电阻时，表头指针偏转过大或过小都有较大误差，通常只使用表盘中间一段刻度范围为测量的有效范围，否则要变换倍率．譬如，J0411型多用电表欧姆挡的R中＝15Ω，当待测电阻约为2kΩ时，则应采用R×100挡．②每更换一次倍率，都要重新进行欧姆调零．③由于欧姆挡表盘刻度不均匀，难于估读，测量结果只需取两位有效数字．计数时不要忘记乘上相应挡位的倍率．④测量时待测电阻要跟其他元件和电源断开，不然就不能得到正确的测量结果，甚至还可能损坏电表．⑤多用电表使用完毕后，应将选择开关拨离欧姆挡，旋至OFF挡或交流电压最高挡上．特别提醒要区分开“机械零点”与“欧姆零点”：“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置．调整的是表盘下边中间的定位螺丝．“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，调整的是欧姆挡的调零旋钮．二、力学实验1．“纸带类”实验(1)打点计时器打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，它接在频率为50Hz的交流电源上使用时，每隔0.02s打一次点，因此，纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置．通过研究纸带上点迹间的距离，就可以确定物体的运动情况．(2)纸带的应用①利用纸带计算瞬时速度图13－3②当物体做匀速直线运动时，某段时间内的平均速度等于各个时刻的瞬时速度．在“探究动能定理”实验中，就是据此求得物体最终获得的速度大小．因此要选取纸带上打点间隔基本相等的部分进行测量．(3)利用纸带计算加速度2．“胡克定律类”实验(1)原理：利用橡皮条或弹簧在弹性限度内、力与形变量成正比，计算(测量)其长度的变化分析力的变化情况或建立F－x坐标系，描点画图研究力的变化规律．(2)应用：①根据平行四边形定则验证力的合成与分解．②探究弹力和弹簧伸长量的关系．三、电学实验1．电路设计及仪器选取原则正确地选择仪器和设计实验电路，有一定的灵活性，应遵循以下几个基本原则：(1)正确性：实验所依据的原理应当符合物理学的基本原理．(2)安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害．要注意到各种电表均有量程、电阻等器件均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流，不能烧坏仪器．(3)方便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理．(4)精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小．2．“伏安类”实验中电流表的内、外接法特别提醒在RV、RA均不知的情况下，可采用试触法．如图13－4所示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表分压作用大，应采用外接法．图13－43．滑动变阻器的接法(1)若符合下列情况之一，则滑动变阻器必须接成分压式．①要求电表能从零开始读数；②要求电表能有较大的调节范围；③当待测电阻Rx≫R(滑动变阻器的最大阻值)时．(2)当待测电阻Rx≪R(滑动变阻器的最大阻值)时，既可接成分压式、也可接成限流式．(3)滑动变阻器连接的限流接法和分压接法的对比四、实验误差1．偶然误差和系统误差从性质和来源看，误差分为偶然误差和系统误差两种．(1)偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的误差．其特点是多次重复做同一实验时，误差总是时大时小，且偏大偏小的机会相同，所以减小偶然误差的方法就是通过多次测量求平均值．(2)系统误差是由于仪器本身不精确，或实验方法粗略或实验原理不完善而产生的．它的特点是使测量总是偏大或总是偏小，不会出现这几次偏大，另几次偏小的现象．所以，采用多次测量求平均值的方法不能减小系统误差．要减小系统误差，必须校准仪器，或改进实验方法，或完善实验原理．2．有效数字(1)测量既然总有误差，测量的数值就只能是近似数，如“174.2mm”最末的一位数字“2”是不可靠数字，但它仍有意义不能舍，因为它代表了一个大概数量关系，比如这里174.2与174.8相比是接近174还是175就显而易见了．像174.2mm这种带一位不可靠数字的近似数字叫有效数字，有效数字的最后一位为误差所在位．在实验中，测量时要按有效数字的规则来读数．(2)确定有效数字时，应注意以下问题：①有效数字的位数与小数点的位置无关．有效数字的位数与单位无关．②关于“0”在有效数字中的特殊性：0在前时，从左往右数第一个不为零的数字才是有效数字.0在后时，计入有效数字．③乘方不算有效数字；比如3.020×10－3m/s中的－3不是有效数字，10也不是．3．减小实验误差的方法为了减小由于实验数据而引起的偶然误差，常需要采用以下方法控制实验误差．(1)多次测量求平均值：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)累积法：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．(3)图象法：作图法是实验数据处理的最常用方法，通过描点、画线消除数据误差，有取平均的效果．五、创新实验1．创新实验方案的设计，一般应遵循以下四条原则(1)科学性原则：实验方案所依据的原理要简明正确；(2)可靠性原则：实验方案的设计要安全可靠；(3)方便性原则：在保证实验能够正常进行的情况下，应便于操作，便于读数，便于进行数据处理；(4)准确性原则：要尽可能选用准确度、可靠性强的实验方案．2．设计性实验的设计思路3．常见实验创新举例(1)可否设计一种游标卡尺，游标尺20分格，总长为9mm？游标卡尺原理可否移置到电表的读数中去？可否移置到角度的测量读数中去？(2)验证力的平行四边形定则用一个测力计怎么完成？(3)匀变速直线运动打点计时器数据处理．(4)可否验证物体在光滑斜面上下滑时机械能守恒？(5)重力加速度g有多种测量方法：用单摆的周期公式测量；根据频闪照相测量；由物体自由下落过程中打出的纸带测量．(6)多种电场的模拟方法：在导电纸上平行放两根直导体棒作电极可模拟匀强电场；用一个环形电极和圆柱形电极，圆柱形电极正好放在圆环中心，可模拟点电荷电场．(7)电阻测量的方法举例：用一块电表和一个电阻箱、一个单刀双掷开关，采用等效替代法；没有合适的电流表时，可用已知内阻的电压表作电流表用，没有合适的电压表时，可用已知内阻的电流表作电压表用．(8)电学实验中利用图象处理数据时，两坐标轴的物理意义及斜率、截距代表的物理量，如利用电阻或电流的倒数作为坐标轴．高考热点示例热点一实验数据的读取例1(2010年高考安徽理综卷)(1)在测定金属的电阻率实验中，用螺旋测微器测量金属丝的直径，示数如图13－5所示，读数为________mm.(2)在用单摆测定重力加速度实验中，用游标为20分度的卡尺测量摆球的直径，示数如图13－6所示，读数为________cm.图13－5图13－6【自主解答】(1)固定刻度部分读数为0.5mm，可动刻度部分读数为11.7×0.01mm＝0.117mm，则螺旋测微器的读数为0.5mm＋0.117mm＝0.617mm(0.616mm～0.619mm都对)．(2)主尺上的读数为0.6cm游标尺上的第15条刻线与主尺的某一刻线对齐，游标尺读数为15×0.05mm＝0.75mm，则游标卡尺的读数为0.6cm＋0.075cm＝0.675cm.【答案】(1)0.617mm(0.616mm～0.619mm)(2)0.675cm强化训练1．(2009年高考上海卷)用多用表的欧姆挡测量阻值约为几十千欧的电阻Rx，以下给出的是可能的实验操作步骤，其中S为选择开关，P为欧姆挡调零旋钮．把你认为正确步骤前的字母按合理的顺序填写在下面的横线上．a．将两表笔短接，调节P使指针对准刻度盘上欧姆挡的0刻度，断开两表笔b．将两表笔分别连接到被测电阻的两端，读出Rx的阻值后，断开两表笔c．旋转S使其尖端对准欧姆挡×1kd．旋转S使其尖端对准欧姆挡×100e．旋转S使其尖端对准交流500V挡，并拔出两表笔__．根据图13－7所示指针位置，此被测电阻的阻值约为___Ω.图13－7解析：使用欧姆表时，指针指在“中值”附近较为准确．由图知中值电阻为30Ω，而被测电阻Rx为几十千欧，故选用×1k挡．测量前必须调零，实验完毕后，将选择开关拨至交流最高挡，故操作顺序应为：c、a、b、e.答案：c、a、b、e

30k(或30000)热点二

“纸带类”数据的处理例2

在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用打点计时器打下的纸带如图13－8所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F等6个计数点(每相邻两个计数点间还有4个计时点，本图中没有画出)，打点计时器接的是220V、50Hz的交变电源．他把一把毫米刻度尺放在纸带上，其零刻度和计数点A对齐．图13－8(1)按照有效数字的读数规则读出相邻计数点AB、BC、CD、DE、EF间的距离s1、s2、s3、s4、s5，它们依次为________cm、________cm、________cm、________cm、________cm.(2)由以上数据计算打点计时器在打B、C、D、E各点时，物体的即时速度vB、vC、vD、vE依次是________m/s、________m/s、________m/s、________m/s.(3)根据以上结果，试用两种不同的方法计算该物体的加速度a.(4)根据(2)中得到的数据，试在如图13－9所示的坐标系中，用作v－t图象的方法，从图象中求物体的加速度a.图13－9(5)从图象上求纸带上的A、F点所对应的物体的即时速度vA＝________m/s，vF＝________m/s.并由此计算：当打点计时器打下A点的时刻，物体已经从静止开始做匀加速运动________s了．(6)如果当时电网中交变电流的频率是f＝49Hz，而做实验的同学并不知道，那么由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏________．理由是______________________．(4)图象如图13－10所示．图13－10【答案】(1)1.00

1.40

1.84

2.26

2.67(2)0.120

0.162

0.205

0.247(3)0.42m/s2(4)如图13－10所示0.42m/s2(5)0.079

0.290

0.188(6)大实际周期大于0.02s，a＝Δs/T2∝1/T2，实际加速度小于测量加速度强化训练2．(2010年郑州市预测卷)某同学用如图13－11所示装置测量重力加速度g，所用交流电频率为50Hz.在所选纸带上取某点为0号计数点，然后每3个点取一个计数点，测量数据(用符号表示)如图乙所示．图13－11(1)在实际操作中应该先释放纸带还是先接通电源？________________________________________________________________________.(2)从数据处理方法看，选择方法________(填“一”或“二”)更合适，这样可以减少实验的________(填“系统”或“偶然”)误差．(3)此实验系统误差产生的原因是：(至少写两条)________________．解析：在使用打点计时器时，应先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，这样打出的点才准确；两种数据处理方法中，方法一只用了s1和s6，其他数据被消去了，而方法二，六个数据全部使用了，这样减小了实验中的偶然误差．答案：(1)先接通电源(2)二偶然(3)重物下落受到阻力；长度测量；交流电频率波动；数据处理方法(任写两条)热点三“胡克定律类”实验的处理例3(2010年高考浙江卷)在“探究弹簧弹力大小与伸长量的关系”的实验中，甲、乙两位同学选用不同的橡皮绳代替弹簧．为测量橡皮绳的劲度系数，他们在橡皮绳下端依次逐个挂上钩码(每个钩码的质量均为m＝0.1kg，取g＝10m/s2)，并记录绳下端的坐标X加i(下标i表示挂在绳下端钩码个数)，然后逐个拿下钩码，同样记录绳下端的坐标X减i，绳下端坐标的平均值Xi＝(X加i＋X减i)/2的数据如下表：挂在橡皮绳下端的钩码个数橡皮绳下端的坐标(Xi/mm)甲乙1216.5216.52246.7232.03284.0246.54335.0264.25394.5281.36462.0301.0(1)同一橡皮绳的X加i________X减i(大于或小于)；(2)________同学的数据更符合实验要求(甲或乙)；(3)选择一组数据用作图法求出该橡皮绳的劲度系数k(N/m)；(4)为了更好地测量劲度系数，在选用钩码时需考虑的因素有哪些？【自主解答】(1)当所挂钩码增加时，橡皮绳的形变量增加，橡皮绳的长度变长，但发生形变需要一定的时间，因而在刚刚挂上钩码时，橡皮绳的长度应小于挂上钩码平衡时的长度；同理可知当所挂钩码减小时，橡皮绳的长度应大于挂上钩码平衡时的长度，而坐标x即为橡皮绳的长度，所以x加i小于x减i.(2)每增加一个钩码，橡皮绳的形变量应相等，所以乙同学的数据更符合实验要求．(3)根据题意，求出挂上不同钩码时，橡皮绳的形变量，钩码的重力等于橡皮绳的弹力F，做出弹力F随形变量变化的图线，图线的斜率即为橡皮绳的劲度系数．(4)尽可能使橡皮绳的伸长量在弹性范围内，同时要有足够大的伸长量，以减小长度测量的误差．【答案】(1)小于(2)乙(3)由所给数据得改变量如下表所示挂在橡皮绳下端的钩码个数改变量(Xi－X1)/mm甲乙1230.215.5367.530.04118.547.75178.064.86245.584.5由上表作图得图13－12由图13－12可得k乙＝57～70(N/m)或图13－13对于甲同学的数据，因为只有前几个数据可认为在弹性范围内，由图13－13中切线的斜率得k甲＝25～34(N/m)．(4)尽可能使伸长量在弹性范围内，同时有足够大的伸长量，以减少长度测量的误差．强化训练3．(2010年高考天津卷)在探究求合力的方法时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上带有绳套的两根细绳．实验时，需要两次拉伸橡皮条，一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条，另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条．(1)实验对两次拉伸橡皮条的要求中，下列哪些说法是正确的________(填字母代号)．A．将橡皮条拉伸相同长度即可B．将橡皮条沿相同方向拉到相同长度C．将弹簧秤都拉伸到相同刻度D．将橡皮条和绳的结点拉到相同位置(2)同学们在操作过程中有如下议论，其中对减小实验误差有益的说法是________(填字母代号)．A．两细绳必须等长B．弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行C．用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些解析：(1)实验对两次拉伸橡皮条的要求是两次拉伸橡皮条的作用效果要相同，故选项B、D正确．(2)要减小实验误差，弹簧秤、细绳、橡皮条都必须与木板平行.用两弹簧秤同时拉细绳时，弹簧秤的示数之差适当大些即可，拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，故选项B、D正确．答案：(1)BD

(2)BD热点四电学实验器材的选取及应用例4(18分)(2010年高考北京卷)(1)甲同学要把一个量程为200μA的直流电流计G，改装成量度范围是0～4V的直流电压表．图13－14①她按图13－14所示电路用半偏法测定电流计G的内电阻rg，其中电阻R0约为1kΩ.为使rg的测量值尽量准确，在以下器材中，电源E应选用________，电阻器R1应选用________，电阻器R2应选用________(选填器材前的字母)．A．电源(电动势1.5V)B．电源(电动势6V)C．电阻箱(0～999.9Ω)D．滑动变阻器(0～500Ω)E．电位器(一种可变电阻，与滑动变阻器相当)(0～5.1kΩ)F．电位器(0～51kΩ)②该同学在开关断开情况下，检查电路连接无误后，将R2的阻值调至最大．后续的实验操作步骤依次是：________，________，________，________，最后记录R1的阻值并整理好器材．(请按合理的实验顺序，选填下列步骤前的字母)A．闭合S1B．闭合S2C．调节R2的阻值，使电流计指针偏转到满刻度D．调节R2的阻值，使电流计指针偏转到满刻度的一半E．调节R1的阻值，使电流计指针偏转到满刻度的一半F．调节R1的阻值，使电流计指针偏转到满刻度③如果所得的R1的阻值为300.0Ω，则图13－14中被测电流计G的内阻rg的测量值为________Ω，该测量值________实际值(选项“略大于”、“略小于”或“等于”)．④给电流计G________联(选填“串”或“并”)一个阻值为________kΩ的电阻，就可以将该电流计G改装为量程为4V的电压表．(2)乙同学要将另一个电流计G改装成直流电压表，但他仅借到一块标准电压表V0、一个电池组E、一个滑动变阻器R′和几个待用的阻值准确的定值电阻．①该同学从上述具体条件出发，先将待改装的表G直接与一个定值电阻R相连接，组成一个电压表；然后用标准电压表V0校准．请你画完图13－15方框中的校准电路图．图13－15②实验中，当定值电阻R选用17.0kΩ时，调整滑动变阻器R′的阻值，电压表V0的示数是4.0V时，表G的指针恰好指到满量程的五分之二；当R选用7.0kΩ时，调整R′的阻值，电压表V0的示数是2.0V时，表G的指针又指到满量程的五分之二．由此可以判定，表G的内阻rg是________kΩ，满偏电流Ig是________mA.若要将表G改装成量程是15V的电压表，应配备一个________kΩ的电阻．【规范解答】(1)①考虑到减小误差，电源应选电动势较大的B；R1要选能读出接入电路的电阻值的电阻箱；R2在电路中是限流连接，应选用总阻值大于30kΩ的电位器F.(2分)②电流半偏法的具体操作顺序是：a.S1断开，S2闭合；b.调节R2，使电流计指针满偏；c.闭合S1；d.保持R2不变，调节R1，使电流计指针半偏；e.读出R1，即为电流计内阻值．(4分)③根据半偏法原理，rg＝R1＝300Ω.由于闭合S1后，干路电流会略为变大，故半偏时，流过R1的电流略大于电流计的电流，故R1的阻值略小于电流计的内阻．(8分)图13－16【答案】(1)①B

C

F②B

C

A

E③300略小于④串19.7(2)①见解析②3.0

0.50

27.0强化训练4．(2009年高考福建理综卷)某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件．图13－17为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，现需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：图13－17器材(代号)规格电流表(A1)量程0～50mA，内阻约为50Ω电流表(A2)量程0～200mA，内阻约为10Ω电压表(V1)量程0～3V，内阻约为10kΩ电压表(V2)量程0～15V，内阻约为25kΩ滑动变阻器(R1)阻值范围0～15Ω，允许最大电流1A滑动变阻器(R2)阻值范围0～1kΩ，允许最大电流100mA直流电源(E)输出电压6V，内阻不计开关(S)导线若干(1)为提高实验结果的准确程度，电流表应选用________；电压表应选用________；滑动变阻器应选用________．(以上均填器材代号)(2)为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号．(3)若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小灯泡的伏安特性曲线有何异同点？相同点：____________________________；不同点：______________________________.(2)待测元件的电阻满足RA<Rx≪RV，所以选择电流表外接法，伏安特性曲线中要求电压从零开始变化，所以选择滑动变阻器分压式连接．(3)伏安特性曲线的斜率表示电阻的倒数，所测出的伏安特性曲线是