高中物理实验 讲义.doc

中小学1对1课外辅导专家课 题 高中物理实验总结教学目标掌握高中常见物理实验考点重点、难点实验原理的掌握、物理实验灵活运用教学内容方法指导：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、误差和有效数字1.误差2.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。0123V051015012345678910例如031233435637839411043121445164718492051225324265557285901267891011345121314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一01234567890012345678910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。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50202515线圈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。振针振片永久磁铁4.打点计时器限位孔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0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000mg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：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。三、学生实验6.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。01 2 3 4 5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。9.测定玻璃折射率实验原理：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伏安法测电阻VAVAa b伏安法测电阻有a、b两种接法，a叫(安培计)外接法，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）滑动变阻器的连接a bRR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）实物图连线技术VAVA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）。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）描绘小电珠的伏安特性曲线因为小电珠（即小灯泡）的电阻较小（10左右）所以应该选用安培表外接法。U/VI/AO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。13用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻U/VI/Ao0.2 0.4 0.63.02.01.0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。VARS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）176543289017654328901765432890176543289017654328901765432890110010100001000001000四、设计实验举例例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：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：176543289017654328901765432890176543289017654328901765432890110010100001000001000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，。V解这个方程组可得E和r：。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： AVSCR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10