（广东版）高三物理第二轮专题复习（专家概述+解题思路与方法+专题测试）专题十三 实验.doc

专题十三实验 专家概述一、本专题的重点内容 实验一：研究匀变速直线运动 实验二：探究弹力和弹簧伸长的关系 实验三：验证力的平行四边形定则 实验四：验证牛顿运动定律 实验五：探究动能定理 实验六：验证机械能守恒定律 实验七：测定金属的电阻率(同时练习使用螺旋测微器) 实验八：描绘小电珠的伏安特性曲线 实验九：测定电源的电动势和内阻 实验十：练习使用多用电表 实验十一：传感器的简单使用 实验十二：验证动量守恒定律 实验十三：用油膜法估测分子的大小二、本专题的难点内容 电学实验是历年高考的重点，也是难点，主要考查的内容是：器材的选择、实物连线、电路故障分析、电路设计、数据分析、误差分析等.1电流表内、外接的选择方法 (1)临界电阻确定法 当rx时，电流表内接；当rx时，电流表外接；当rx时，电流表内、外接均可. (2)电阻确定法 当rxra时，电流表内接；当rvrx时，电流表外接. (3)试触法 将电流表、电压表和待测电阻rx组成图所示电路，且当电压表滑动头p由位置1变换到位置2时，若电流表读数变化明显，电流表要内接；若电压表读数变化明显，电流表应外接.2滑动变阻器限流式和分压式电路的选择方法.滑动变阻器在电路中有a、b两种常用的接法：a叫限流接法，b叫分压接法. (1)电阻确定法 若已知滑动变阻器的阻值范围为(0r0)，待测电阻为rx.当rxr0时，应选用分压式. (2)电压表读数变化确定法 若要求电压表示数从零开始连续变化，应选用分压式. (3)极限条件确定法 若已知滑动变阻器的阻值范围为(0r0)，待测电阻的估计值为rx，电源电动势为e，可选假设用限流式，则 当电路中电流的最小值imin超过滑动变阻器中额定电流值，或超过rx中的额定电流值，或超过电流表的量程的时，应用分压式. 当待测电阻rx两端电压的最小值umin超过rx中的额定电压值，或超过电压表量程的时，应用分压式. 当滑动变阻器消耗的功率值p0大于其额定电功率时，应用分压式.3电流表、电压表量程的选择方法 (1)安全性原则 电路中电流、电压的最大值imax、umaxe应小于电流表和电压表的量程或用电器的额定值. (2)准确性原则 电路中电流的范围(imin、imax)，电压的范围(umin、umaxe)应在量程的到范围之内.三、本专题的解题思路与方法 物理实验的主要思想方法1等效替代法：是科学研究中常用的方法之一，是在保证某种效果(特性和关系)相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来研究和处理的方法.如在电路中以一个电阻来等效代替多个电阻，以便于分析电路；在研究多力合成的问题上，以一个力等效替代多个力2测量量的转换法：某些物理量直接测量有困难，可以利用它与其他物理量间的某种关系，转换为测量那些较容易测量的物理量，这是物理实验中重要的方法.例如重力加速度g的测量就是如此，我们可以利用匀变速直线运动的位移公式sgt2，转换成测量位移s和时间t.在“碰撞中的动量守恒”的实验中，本应测量两物体碰撞前、后的速度，但速度难以直接测量，利用从同一高度平抛的物体的运动，水平位移s与初速度v0成正比的关系，把测速度转换成测长度.3控制变量法：在多因素的实验中，可以选控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响.如牛顿第二定律实验中可以先保持质量一定，研究加速度a和力f的关系；再保持力f一定，研究加速度a和质量m的关系.4留迹法：把瞬息即逝的现象(位置、轨迹、图象等)记录下来，如通过纸带上打出的小点记录小车的位置；用描迹法画出平抛物体的运动轨迹；用沙摆显示振动的图象等.5累积法：把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量，提高测量的精确程度，如测单摆振动的周期，应测量单摆3050次全振动的时间t，则单摆振动的周期为t(n为全振动次数)，以减小启动秒表及制动秒表造成的误差. 经典例说 例1 在利用打点计时器“测定匀变速直线运动的加速度”实验中，某同学在打出的纸带上每5点取一个记数点，共取了7个记数点.测出每两个相邻记数点间的距离分别为、.然后他把纸带上、各段准确的剪开成6段，按如图所示那样贴在坐标纸上，彼此不留间隙也不重叠，纸带下端都准确地与横轴重合，的左边准确地与纵轴重合，横轴为时间轴，纵轴为速度.该同学在这个图中作出了速度图象，并由图象求出了加速度a.请说明他是如何作出速度图象并求出加速度a的.图2-8 【分析】有关纸带的处理，是每年高考的热点.若纸带的运动是匀变速直线运动，则满足在相邻的相等时间内位移之差为常数，即sat2；时间中点的速度等于该段时间内的平均速度.利用该两个结论，可以求得纸带的加速度和各点的瞬时速度. 【解】由于各段纸带是等宽的，所以每条纸带的宽度可表示一个时间单位t，每条纸带的高度和该单位时间内的平均速度的关系为：.而等于时间中点的速度，即有，这样就是第n段纸带上边缘中点的速度(当时，纵轴1cm高度表示10cm/s的速度).因此测出各段纸带中点的位置1、2、6，便利用这些点可画出速度图象，在图象上相距较远处取a、b两点，其坐标分别为(，)、(，)，由公式可计算出加速度a. 【小结】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打一个点，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. 变式训练某同学用如图所示的装置测量重力加速度g，打下如图所示的纸带.如果在所选纸带上取某点为0号计数点，然后每隔4个点取一个计数点，相邻计数点之间的距离记为s1、s2、s3、s4、s5、s6. (1)实验时纸带的_端应和重物相连接.(选填“a”或“b”) (2)该同学用两种方法处理数据(t为相邻两计数点间的时间间隔)： 方法a：由g1，g2，g5 取平均值g9.767m/s2； 方法b：由g1，g2，g3 取平均值g9.873m/s2. 从数据处理方法看，在s1、s2、s3、s4、s5、s6中，对实验结果起作用的数据，方法a中有_；方法b中有_.因此，选择方法_(填“a”或“b”)更合理.某同学在“研究匀变速直线运动”的实验中，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出a、b、c、d、e、f、g共7个计数点，其相邻点间的距离如图所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.10s. (1)试根据纸带上各个计数点间的距离，计算打下b、c、d、e、f五个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填在下面的横线上.(要求保留三位有效数字) vb_m/s，vc_m/s，vd_m/s， ve_m/s，vf_m/s. (2)以a点为计时零点，将b、c、d、e、f各个时刻的瞬时速度标在如图所示的坐标纸上，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线. (3)根据第(2)问中画出的vt图线，求出小车运动的加速度为_m/s2.(保留两位有效数字) 例2 李明同学在做“互成角度的两个力的合成”的实验时，利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置o点以及两只弹簧秤拉力的大小如图甲所示. (1)试在图中作出无实验误差情况下f1和f2的合力图示，并用f表示此力. (2)有关此实验，下列叙述正确的是_. a两弹簧秤的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大 b橡皮筋的拉力是合力，两弹簧秤的拉力是分力 c两次拉橡皮筋时，需将橡皮筋结点拉到同一位置o.这样做的目的是保证两次弹簧秤拉力的效果相同 d若只增大某一只弹簧秤的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变，只需调整另一只弹簧秤拉力的大小即可甲乙 (3)图乙所示是张华和李明两位同学在做以上实验时得到的结果，其中哪一个实验比较符合实验事实？(力f是用一只弹簧秤拉时的图示) 答：_. (4)在以上比较符合实验事实的一位同学中，造成误差的主要原因是什么？(至少写出两种情况) 答：_ 【分析】本题主要考查验证力的平行四边形定则的实验步骤、原理及结果分析等. 【解】(1)根据平行四边形定则，作出如图所示的合力. (2)ac，根据合力与分力的关系，两个分力都可以大于合力，因此两弹簧秤的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大，a正确；两弹簧秤的拉力是分力，橡皮筋的拉力与两弹簧秤的拉力的合力等大反向，b错误；若只增大某一只弹簧秤的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变，只调整另一只弹簧秤拉力的大小不一定能达到效果，有时还要调整方向，d错误. (3)张华做的符合实验事实 (4)f1的方向比真实方向偏左.f2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左.作图时两虚线不分别与f1线和f2线平行. 【小结】本实验误差的主要来源除弹簧测力计本身的误差外，还出现读数误差、作图误差，因此读数时眼睛一定要正视，要按有效数字正确读数和记录，两力的对边一定要平行. 变式训练“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。 (1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸袋如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02s.从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a=_m/s2.(结果保留两位有效数字) (2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力f的实验数据如下表：砝码盘中砝码总重力f(n)0.1960.3920.5880.7840.980加速度a(ms-2)0.691.181.662.182.70 请根据实验数据作出a-f的关系图象. (3)根据提供的试验数据作出的-f图线不通过原点，请说明主要原因。 例3 某兴趣小组在做“探究做功和物体速度变化关系”的实验时，提出了以下几种猜想：wv；wv2；w.他们的实验装置如图甲所示，pq为一块倾斜放置的木板，在q处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过q点的速度).在刚开始实验时，有位同学提出，不需要测出物体质量，只要测出物体初始位置到速度传感器的距离和读出速度传感器的读数就行了，大家经过讨论采纳了该同学的建议. (1)请你简要说明为什么不需要测出物体的质量？ (2)让小球分别从不同高度无初速度释放，测出物体初始位置到速度传感器的距离l1、l2、l3、l4、，读出小球每次通过q点的速度v1、v2、v3、v4、，并绘制了如图乙所示的lv图象.若为了更直观地看出l和v的变化关系，他们下一步应怎么做？ (3)在此实验中，木板与物体间摩擦力的大小会不会影响探究出的结果，为什么？ 【分析】(1)因为对物体做的功w与物体初始位置到测速器的距离l成正比，对物体进行受力分析可知，受到重力、弹力、摩擦力，合力对物体所做的功为：w(mgsinmgcos)l，由此可看出，对于一定质量的物体，对物体做的功w与物体初始位置到测速器的距离l成正比，因而不需要测量出质量. (2)下一步应该绘制lv2图象由于从lv图象上可以看出，l与v的关系不是成正比关系，为了更好地找出它们之间的关系，可以进一步考虑绘制lv2图象来研究. (3)不会；摩擦力和重力的合力对物体做功也与距离l成正比因为整个过程考虑的是摩擦力和重力的合力所做的功，它们与距离l成正比，因而木板与物体间摩擦力的大小不会影响探究的结果. 【解】见分析 【小结】本题将物理问题和实际问题结合起来，情景新颖、设计巧妙.求解时既要善于简化物理模型，还要具有观察、探究的综合能力，符合新课标下高考的要求. 变式训练有一种能伸缩的圆珠笔，其内装有一根小弹簧，尾部有一个小帽，压一下小帽，笔尖就伸出.使笔的尾部朝下，如图8所示，将笔向下压，使小帽缩进，然后放手，可见笔将向上弹起至一定高度.请你设计一个实验，粗略测出压笔的小帽时，其内弹簧弹性势能的增加量.要求写出所需的器材，实验步骤，需要测量的物理量及弹性势能增加量的表达式. 例4 在验证“机械能守恒定律”的实验中，一同学进行如下操作： 将打点计时器水平固定在铁架台上 将长约0.5m的纸带用小夹子固定在重物上后穿过打点计时器.用手提着纸带，使重物静止在靠近打点计时器的地方 先松开纸带，后接通电源，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打下一系列的点 换几条纸带，重做上面的实验 在打出的纸带中挑选第一、二两点间距接近2mm，且点迹清楚的纸带进行测量，先记下o点的位置，依次再取四个计数点a、b、c、d、求出相应位置对应的速度及其下落的高度 将测量数据及计算结果填入自己设计的表格中 根据以上测得的数据计算相应的和的值.验证机械能守恒定律 以上操作有错误的是_; 实验中选出一条纸带如图所示，其中o点为起始点，a、b、c、d为四个计数点，打点计时器所选用电源是频率为50的交流电，用最小刻度为1mm的刻度尺，测得oa=11.13cm，ob=17.69cm，oc=25.9cm.这三个数据中不符合有效数据要求的是_，在计数点a和b之间，b和c之间各还有一个点，重锤的质量为，根据以上数据，当打点到b点时重锤的重力势能比开始下落时减少了_，这时它的动能是_.() 实验中往往出现重锤的重力势能减少量大于动能的增加量，其主要原因是_. 【分析】中应将打点计时器竖直固定在铁架台上，中应先接通电源，后松开纸带，让重物自由下落. 到b点时重锤的重力势能比开始下落时减少了：，b点的速度为：，b点的动能为：. 【解】。oc，2.60j，2.56j。实验中存在阻力，如：空气阻力，振针与纸带间阻力. 【小结】以第一点(起始点)为基准进行验证，在实验误差范围内可以认为ekep，从而验证机械能守恒定律.本例中不仅训练求重力势能的变化量和动能的变化量，而且还对分析误差的原因等进行了考查. 变式训练如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块a和b，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。 (1)若选定物块a从静止开始下落的过程中进行测量，则需要测量的物理量有_。 物块的质量m1、m2； 物块a下落的距离及下落这段距离所用的时间； 物块b下落的距离及下落这段距离所用的时间； 绳子的长度。 (2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议： 绳的质量要轻； 在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好； 尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃； 两个物块的质量之差要尽可能小。 以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_。 (3)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：_。 答案：(1)或；(2)；(3)例如：“对同一高度进行多次测量取平均值”，“选取受力后相对伸长尽量小的绳子”等等。 解析：(1)通过连结在一起的a、b两物体验证机械能守恒定律，既验证系统的势能变化与动能变化是否相等，a、b连结在一起，a下降的距离一定等于b上升的距离；a、b的速度大小总是相等的，故不需要测量绳子的长度和b上升的距离及时间。(2)如果绳子质量不能忽略，则a、b组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能，从而为验证机械能守恒定律带来误差；若物块摇摆，则两物体的速度有差别，为计算系统的动能带来误差；绳子长度和两个物块质量差应相当。(3)多次取平均值可减少测量误差，绳子伸长量尽量小，可减少测量的高度的准确度。 例5 某兴趣小组为了测量一待测电阻rx的阻值，准备先用多用电表粗测出它的阻值，然后再用伏安法精确地测量，实验室里准备了以下器材： a、多用电表 b、电压表v1，量程6v，内阻约10k c、电压表v2，量程15v，内阻约20k d、电流表a1，量程0.6a，内阻约0.2 e、电流表a2，量程3a，内阻约0.02 f、电源：电动势e9v g、滑动变阻器r1，最大阻值10，最大电流2a h、导线、电键若干 (1)在用多用电表粗测电阻时，该兴趣小组首先选用“10”欧姆挡，其阻值如图甲中指针所示，为了减小多用电表的读数误差，多用电表的选择开关应换用_欧姆挡；按正确的操作程序再一次用多用电表测量该待测电阻的阻值时，其阻值如图乙中指针所示，则rx的阻值大约是_. (2)在用伏安法测量该电阻的阻值时，要求待测电阻的电压从0开始可以连续调节，则在上述器材中应选出的器材是_(填器材前面的字母代号). 在虚线框内画出用伏安法测量该电阻的阻值时的实验电路图. 【分析】(1)选用“10”欧姆挡时指针偏转角度太小，说明挡位选大了，应选用较小的挡位即“1”欧姆挡，欧姆表读数为表盘读数与挡位的乘积. (2)选择电表的依据是安全、准确.因为电源的电动势e9v，所以电压表选b，电流表选d、要求待测电阻的电压从0开始可以连续调节，所以滑动变阻器采用分压式接法；比较电流表内阻、电压表内阻和待测电阻的大小判定采用电流表外接法. 【解】(1)“1”9(2)bdfgh如图所示 【小结】这是一道考虑电表内阻对实验影响的实验题，在解决这类问题时，首先弄清楚电表内阻对实验结果的影响大小，从而有效地选取测量电路. 变式训练为了测定一根长为20.00cm、直径为0.220mm的镍铬丝的电阻率(电阻率约为110-6m)，提供下列器材： a.电动势为15v的直流电源一个 b.量程为0200a、内阻约为3.7k的电流表一个 c.量程为020ma、内阻约为40的电流表一个 ad.量程为02a、内阻约为0.4的电流表一个 e.量程为012v、内阻约为40k的电压表一个 f.量程为o15v、内阻约为50k的电压表一个 g.阻值为010、额定电流为1a的滑动变阻器一个 h.阻值为01k、额定电流为0.1a的滑动变阻器一个 i.电键一个j.导线若干 现采用如图所示电路进行测定，为使测量尽量准确，需要选用的器材是 aabfgij bacegij cacehij dabfhij 例6 用下列器材组成描绘电阻r0伏安特性曲线的电路，请将图中实物连接成为实验电路. 微安表a(量程200a，内阻约200)； 电压表v(量程3v，内阻约10k)； 电阻r0(阻值约20k)； 滑动变阻器r(最大阻值50，额定电流1a)； 电池组e(电动势3v，内阻不计)； 开关s及导线若干. 【分析】由于0.5，100，可以看出r0ra，故采用电流表内接法，画出电路原理图如图所示.把实物与原理图结合起来完成连线，注意电压表、电流表的正、负接线柱，保证电流从正接线柱进从负接线柱出.连线如图所示. 【解】见分析图 【小结】描绘电阻r0的伏安特性曲线实验中，由于电阻r0的电阻较大，在电路连接时应使电流表内接，这样测量的误差较小，为了能较大范围地测量通过r0的电流和r0两端的电压，滑动变阻器应用分压接法. 例7 某同学对实验室的一个多用电表中的电池进行更换时发现，里面除了一节1.5v的干电池外，还有一个方形的电池(层叠电池)，如图甲所示.为了测定该电池的电动势和内电阻，实验室提供了下列器材： a、电流表g(满偏电流10ma，内阻10) b、电流表a(00.6a3a，内阻未知) c、滑动变阻器r(0100，1a) d、定值电阻r0(阻值990) e、开关与导线若干 (1)请根据实验器材，自行设计电路画在方框乙中. (2)丙图为该同学根据上述设计的实验电路利用测出的数据绘出的i1i2图线(i1为电流表g的示数，i2为电流表a的示数)，则由图线可以得到被测电池的电动势e_v，内阻r_. 【分析】(1)器材中给出了一个内阻已知的电流表g和一个定值电阻r0，可考虑将它们改装成一个量程为10v的电压表，然后用伏安法测层叠电池的电动势和内阻.因电流表a的内阻未知，故需用安培表外接法，电路图见答案. (2)由电路结构有ei1(r0rg)(i1i2)r，由i1i2图线知i1与i2相差两个数量级，则可认为i1i2i2，故有i1i2.再结合i1i2图线可得9.0ma，1.0102，有e9.0v，r10.0. 【解】(1)电路图(2)9.0，10.0 【小结】该实验电路一定要“内接法”，则测得的电源电动势和内阻都将减小，但与真实值非常接近，如果利用“外接法”，虽然测得的电源电动势与真实值相同，但测得的电源内阻将显著变大. 变式训练如图所示的电路是某同学自行设计的，利用此图可以测量电池e的内阻r.电池的电动势未知.图中a是电流表，其内阻并不很小，v为电压表，其内阻亦不很大，r是一限流电阻，阻值未知，3个电键k1、k2、k3都处于断开状态. (1)写出测量电池内阻的实验步骤，用适当的符号表示该步骤中应测量的物理量：_ (2)用所测得的物理量表示电池内阻的表达式为r=_. 例8 某课外小组练习使用多用电表测量电阻.他们的操作过程如下： (1)将红、黑表笔分别插入多用电表的“”“”插孔，选择开关旋钮转至电阻“10”挡； (2)将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮使指针指零； (3)红、黑表笔分别与电阻的两端相连，此时多用电表的示数如图甲所示；接下来他们的操作步骤应为_. a、将选择开关旋钮转至电阻“1”挡，红、黑表笔分别与电阻的两端相连，读出电阻的阻值 b、将选择开关旋钮转至电阻“100”挡，红、黑表笔分别与电阻的两端相连，读出电阻的阻值 c、将选择开关旋钮转至电阻“100”挡，红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮使指针指零，然后将红、黑表笔分别与电阻的两端相连，读出电阻的阻值 d、将选择开关旋钮转至电阻“1”挡，红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮使指针指零，然后将红、黑表笔分别与电阻的两端相连，读出电阻的阻值 (4)换挡后多用电表的示数如图乙所示，该电阻的阻值为_. (5)将选择开关旋至“off”挡，取出红、黑表笔. 【分析】当选用“10”挡，读数如图甲所示，说明读数太小，所选挡位太大，应换用小倍率挡位，即“1”挡，而且换挡后必须重新进行欧姆调零，故应选d，图乙的读数为18. 【解】(3)d(4)18 【小结】多用电表欧姆挡的读数应尽量在刻度盘的中央，这样做误差较小。 变式训练(1)已知用不同的工具测量某物体的长度时，有下列不同的结果： a2.4cm b2.37cm c2.372cm d2.3721cm 其中，用最小分度值为厘米的刻度尺测量的结果是_；用游