高考物理一轮复习 12.3 实验设计与探究同步课件.ppt

第3讲实验设计与探究 1 实验设计题是对实验的知识和能力综合考查 只有对实验目的 原理 器材的选择 安装 测试 操作 步骤及实验数据的记录 处理 实验误差分析和得出结论等方面掌握比较好的基础上 才能顺利完成设计实验 2 实验设计的基本方法 1 明确目的 联系已学知识 实验目的 即该实验是要求测定什么物理量 验证 探索什么规律 是实验设计的出发点 明确了目的后 要认真的思索 想想该物理量或物理规律在哪些内容中出现过 与哪些有关的物理现象 物理量 物理规律有联系 特别是对于探索型实验 更应注意广泛的联系 有关现象原理等的迁移 2 选择方案 简便精确每一个实验设计 皆是开放式的 其方案的选取往往是有几种 甚至是更多种方案 在众多的实验方案中 我们如何选择 通常来说 选择方案有以下几个原则 科学性原则 即实验方案中所依据的原理应遵循符合已学过的物理规律 且要求选用的规律要简明 正确 方案中的操作程序应具有科学性 符合实验规则的具体要素 安全性原则 即按方案实施中 应力保实验人员的安全 并对实验的器材不造成危害 如电学中的仪表的量程 电源电动势大小 滑动变阻器的选取等 精确性原则 即力保该方案的实验误差应是允许误差范围之内 如 伏安法 测电阻 内外接法的选取等 这就要求 从仪器的精确度 原理的选取力争更为与该实验的目标相匹配 还有就是数据处理方案的选取 如 多次测量求平均值等 方便 直观性原则 方案的实施 要使操作性强 易于操作 仪器方便选取 实验中比较容易观察 且效果明显 便于得出实验结论 节约性原则 即方案实施中 要考虑成本及仪器的损耗等等 如 滑线变阻器 当限流和分压都行时 要选取限流接法 3 依据方案 选定器材 实验方案选定之后 考虑该方案需要哪些装置 被测定量与哪些物理量有直接的定量关系 这些物理量分别需要用什么仪器来测定 从而确定整个实验需要哪些器材 4 拟定步骤 合理有序 实验之前 要做到心中有数 即实验装置如何配置 所测物理量的先后次序等 拟定一个合理操作 又高效的有序的实验步骤 附 在实验中 对一些可直接测量的物理量可先行测量 5 数据处理 误差分析 减少误差的措施有很多 主要是从实验的原理上要求 以及实验器材的限制上等 另外数据的处理往往采用 平均值法 逐差法 等效替代法 图像法等 高考设计实验在设计思想 原理 方法和技巧上不断创新 试题在设计上的变化主要有以下几种类型 1 变换实验目的 同样的实验器材和方法可以达到不同的实验目的 如 上海高考题中把伏安法测电阻变成测陶瓷管上均匀电阻膜的厚度 例1 如图5 32所示 p是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管 其长度l为50cm左右 直径d为10cm左右 镀膜材料的电阻率 已知 管的两端有导电箍mn 现给你米尺 伏特计v 安培计a 电源e 滑动变阻器r 开关s和若干导线 请设计一个测定膜层厚度d的实验方案 实验中应测定的物理量是 l d u i 在虚线框内用符号画出测量电路图 计算膜层厚度的公式是 解析 利用所学过的物理知识巧测很薄的物件的厚度 这是一道很能体现理论联系实际的好试题 学生不难根据对进行实验所需掌握的相关知识的理解和记忆 知道是利用欧姆定律 即r u i 困难在于找出厚度d与截面积s有何关系 学生以前通常接触的导体模型都是实心圆导体 能否仅凭题给的看似不足的已知条件正确地表示出s 就看学生等值转换的创造能力的高低了 实际上我们可以把这根管形空心导体的环形截面等效成一个矩形截面 其长为环的周长 d 由于膜很薄 d 0 故 d与平均周长 d d 2 相差甚微 因此它的截面积 s dd 解 得到d 实验中应测定的物理量是l d u i 测量电路如图5 33所示 本题也可用另一种思路求s s r2 r2 r r r r d d r r 2r d 而r r d 这样 s dd 解题回顾 有些学生能够写出s r2 r2 但无法摆脱r不是已知条件的束缚 缺乏物理思想中的辩证思维习惯 因而得不出s dd 2 变换实验原理 根据不同的实验原理可以达到相同的实验目的 例如 学生实验用伏安法测电阻的原理是部分电路的欧姆定律 而考题中却设计了依据闭合电路的欧姆定律测电阻的实验 3 变换实验器材 利用不同的实验器材也可以完成相同的实验任务 如可利用万用电表测电阻 也可以利用电流表和电压表测电阻 还可以利用一个定值电阻和电流表测电阻 利用一只电流表和两个阻值已知的定值电阻可以用来测电池的电动势 例2 从下表中选出适当的实验器材 设计一电路来测量电流表a1的内阻r1 要求方法简捷 有尽可能高的测量精度 并能测得多组数据 1 在虚线方框中画出电路图 标明所用器材的代号 2 若选测量数据中的一组来计算r1 则所用的表达式为r1 式中各符号的意义是 解析 该题为电路设计型实验 要求选择适当的器材组成测量电流表内阻的电路 要求有尽可能高的测量精度 并能测得多组数据 求解该题时 首先要把被测电流表 a1 等效为可显示电流值的电阻 该题成败的关键在于器材的选择 选择器材应遵循三个原则 可行 精确 方便 测量电路有两种可能的连接方式 采用伏安法测电阻 即将电压表 v 与电流表 a1 并联 测出电流表 a1 的电压u和电流i1 由r1 u i1即可求出r1 然而被测电流表 a1 允许加的电压在0 0 4v之间 而电压表量程为10v 故电压表的读数误差较大 从精确这一原则来看 此方法应舍去 采用比较法测电阻 即将电流表与电流表并联 利用并联电路电压相等的特点得 i1r1 i2r2 即可求出r1 i2 i1 r2 式中 i1 i2分别是电流表a1 a2的读数 r1 r2分别是电流表a1 a2的电阻 这种设计可以使两电流表的读数同时接近满刻度 满足实验对测量精度的要求 另外这种设计还要求克服电流表不能并联这一思维定势的影响 设计电路的基本方法首先是选择电路 然后再考虑电路连接问题 本题中 r1 r2 e s 导线若干必须要选 问题出在是选用电流表 a2 还是选用电压表 v 因为电池的电动势为1 5v 而电压表 v 的量程为10v 若选用电压表 v 则电压表 v 上最大读数约为 读数仅是电压表 v 量程的4 3 读数误差太大 所以不选电压表 v 而选用电流表 a2 而题中让测电流表 a1 内阻 选用电流表 a2 只有两表并联 对变阻器接法限流 分压均可 实验电路如图5 34所示 例4 某同学和你一起探究弹力和弹簧伸长的关系 并测弹簧的劲度系数k 做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上 然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧 并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上 当弹簧自然下垂时 指针指示的刻度数值记作l0 弹簧下端挂一个50g的砝码时 指针指示的刻度数值记作l1 弹簧下端挂两个50g的砝码时 指针指示的刻度数值记作l2 挂七个50g的砝码时 指针指示的刻度数值记作l7 1 下表记录的是该同学已测出的6个值 其中有两个数值在记录时有误 它们的代表符号分别是 和 测量记录表 2 实验中 l3和l7两个值还没有测定 请你根据图13 4 1所示 将这两个测量值填入记录表中 图13 4 1 3 为充分利用测量数据 该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差 分别计算出了三个差值 d1 l4 l0 6 90cm d2 l5 l1 6 90cm d3 l6 l2 7 00cm请你给出第四个差值 d4 cm 4 根据以上差值 可以求出每增加50g砝码的弹簧平均伸长量dl dl用d1 d2 d3 d4表示的式子为 dl 代入数据解得dl cm 5 计算弹簧的劲度系数k n m g取9 8m s2 解析 1 刻度尺读数应做读一位 所以l5和l6两组有误 2 根据有效位数 最后一位为估计数 两个读数分别是 6 85 6 84 6 86 cm 14 05 14 04 14 06 cm 3 l7 l3 7 20 7 18 7 22 5 28 评析 此题考查了基本仪器 刻度尺 的使用 以及基本试验方法 逐差法 的应用 这是高中物理实验的基本能力的考查 值得注意 变式题1 气垫导轨是常用的一种实验仪器 它能使滑块悬浮在导轨上 滑块在导轨上的运动可视为无摩擦的 在实验室中我们可以用带竖直挡板c和d的气垫导轨和质量均为m的滑块a和b做探究动量守恒定律的实验 如图13 4 2所示 实验步骤如下 1 在a上固定一质量为m的砝码 在a和b之间放入一个压缩状态的弹簧 用电动卡销置于气垫导轨上 2 按下电钮放开卡销 同时分别记录滑块a b运动时间的计时器开始工作 当滑块a b分别碰撞c d挡板时计时结束 计时装置自动记下a b分别到达c d的运动时间t1 t2 重复几次实验 问 在调整气垫导轨时应注意 还应测量的数据有 调整装置使气垫导轨水平 a左端到c板的距离l1 b右端到d板的距离l2 解析 本题以气垫导轨来考查动量守恒定律 必须掌握动量守恒的条件与规律 系统合外力为零 公式为m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 由于气垫导轨阻力很小 近似看成匀速直线运动 以v 求解速度的大小 变式题2 一块玻璃砖有两个相互平行的表面 其中一个表面是镀银的 光线不能通过表面 现要测定此玻璃的折射率 给定的器材还有 白纸 铅笔 大头针4枚 p1 p2 p3 p4 带有刻度的直角三角板 量角器 实验时 先将玻璃砖放到白纸上 使上述两个相互平行的表面与纸面垂直 在纸上画出直线aa 和bb aa 表示镀银的玻璃表面 bb 表示另一表面 如图所示 然后 在白纸上竖直插上两枚大头针p1 p2 位置如图13 4 3所示 用p1 p2的连线表示入射光线 1 为了测量折射率 应如何正确使用大头针p3 p4 在bb 一侧观察p1 p2 经bb 折射 aa 反射 再经bb 折射后 的像 在适当的位置插上p3 使得p3与p1 p2的像在一条直线上 即让p3挡住p1 p2的像 再插上p4 让它挡住p2 或p1 的像和p3 图13 4 3 试在题图中标出p3 p4的位置 p3 p4的位置如图 a 2 然后 移去玻璃砖与大头针 试在题图中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角q1与折射角q2 简要写出作图步骤 3 写出 1 2表示的折射率公式为n 过p1 p2作直线与bb 交于o 过p3 p4作直线与bb 交于o 利用刻度尺找到oo 的中点m 过o点作bb 的垂线cd 过m点作bb 的垂线与aa 相交与n 如图 a 所示 连接on p1od q1 con q2 例五 光强传感器对接收到的光信号会产生衰减 且对于不同波长的光衰减程度不同 可以用 表示衰减程度 其定义为输出强度与输入强度之比 i出 i入 如图13 5 1所示 表示 与波长l之间的关系 当用此传感器分别接收a b两束光时 传感器的输出强度正好相同 已知a光的波长la 625nm b光由lb1 605nm和lb2 665nm两种单色光组成 且这两种单色光的强度之比ib1 ib2 2 3 由图可知 a a光强度与b光强度之比ia ib 图13 5 1 解析 答案 0 35 27 35 变式题1 一水平放置的圆盘绕过其圆心的竖直轴匀速转动 盘边缘上固定一竖直的挡光片 盘转动时挡光片从一光电数字计时器的光电门的狭缝中经过 如图13 5 2a所示 图b为光电数字计时器的示意图 光源a中射出的光可照到b中的接收器上 若a b间的光路被遮断 显示器c上可显示出光线被遮住的时间 图13 5 2 挡光片的宽度用螺旋测微器测得 结果如图c所示 圆盘直径用游标卡尺测得 结果如图d所示 由图可知 1 挡光片的宽度为mm 2 圆盘的直径为cm 3 若光电数字计时器所显示的时间为50 0ms 则圆盘转动的角速度为弧度 秒 保留3位有效数字 10 243 24 220 1 69 解析 由螺旋测微器与游标卡尺的读数规则可得两者的读数 d 10mm 24 2 0 01mm 10 242mm d 242mm 4 0 05mm 242 20mm 24 220cm 变式题2 一个有一定厚度的圆盘 可以绕通过中心垂直于盘面的水平轴转动 用下面的方法测量它匀速转动的角速度 实验器材 电磁打点计时器 米尺 纸带 复写纸片 实验步骤 1 如图13 5 3甲所示 将电磁打点计时器固定在桌面上 将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后 固定在待测圆盘的侧面上 使得圆盘转动时 纸带可以卷在圆盘侧面上 图13 5 3 t为电磁打点计时器打点的时间间隔 r为圆盘的半径 x1 x2是纸带上选定的两点分别对应的米尺上的刻度值 n为选定的两点间的打点数 含两点 某次实验测得圆盘半径r 5 50 10 2m 得到的纸带的一段如图13 5 3乙所示 求得角速度为 6 8rad s 变式题3 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究 动能定理 如图13 5 4 他们将拉力传感器固定在小车上 用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连 用拉力传感器记录小车受到拉力的大小 在水平桌面上相距50 0cm的a b两点各安装一个速度传感器记录小车通过a b时的速度大小 小车中可以放置砝码 图13 5 4 1 实验主要步骤如下 测量和拉力传感器的总质量m1 把细线的一端固定在拉力传感器上 另一端通过定滑轮与钩码相连 正确连接所需电路 将小车停在c点 小车在细线拉动下运动 记录细线拉力及小车通过a b时的速度 在小车中增加砝码 或 重复 的操作 小车 然后释放小车 改变钩码数量 2 表1是他们测得的一组数据 其中m是m1与小车中砝码质量之和 v22 v12 是两个速