2009年安徽肥西中学高考物理实验设计专题讲座试题.ppt

F Ma F Ma F Ma E MC2 E MC2 E MC2 高中物理实验知识讲座 肥西中学 张世伦 专题一 基本仪器的使用 专题二 实验设计 目录 力学仪器 电学仪器 基本仪器的使用及读数规则 2 基本仪器 1 读数规则 读数规则1 应了解仪器的构造和原理 会正确操作和读数 会用有效数字记录测量数据 2 测量仪器的读数规则 测量误差出现的位置由刻度尺最小分度决定的 对于常用仪器可按下列方法读数 游标卡尺 机械秒表 电阻箱除外 1 最小分度是 1 的仪器 测量误差出现在下一位 下一位按十分之一估读 2 最小分度是 2 或 5 的仪器 测量误差出现在同一位上 同一位按二分之一或五分之一估读 如 量程为0 6A的电流表 最小分度为0 02A 误差出现在安培的百分位上 只读到安培的百分位 估读半小格 不足半小格舍去 超过半小格按半小格读数 学生用量程为15V的电压表 最小分度为0 5V 只读到伏特的十分位 估读五分之几小格 1 游标卡尺一游标卡尺的主尺最小分度为1毫米 游标上有10个小等分间隔 现用此卡尺来测量工件的直径 如图所示 该工件的直径为 毫米 29 8 用游标为50分度的卡尺 测量值可准确到0 02mm 测定某圆筒的内径时 卡尺上的示数如图 可读出圆筒的内径为 mm 52 12 有一游标卡尺 主尺的最小分度是1毫米 游标上有20个小的等分刻度 用它测量一工件的长度 如图2所示 图示的读数是 mm 104 05 2 千分卡 螺旋测微器 11 472mm 0 861mm 3 471mm 7 320mm 例如图所示 在测金属丝直径时 螺旋测微器读数如图 可知该金属丝直径d 10 3m 0 900 2分7 6秒 3 秒表 1分51 4秒 2分23 4秒 4 打点计时器 物理 考试说明 中确定的力学实验有 研究匀变速直线运动 探究弹力和弹簧伸长的关系 验证力的平行四边形定则 验证牛顿运动定律 探究动能定理 验证机械能守恒定律 探究平抛运动的规律 其中有四个实验与纸带的处理有关 可见力学实验部分应以纸带的处理 打点计时器的应用为核心来展开复习 近几年力学实验中与纸带处理相关的实验 力学创新实验是高考的热点内容 以分组或演示实验为背景 考查对实验方法的领悟情况 灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势 要求考生掌握常规实验的数据处理方法 能将课本中分组实验和演示实验的实验原理 实验方法迁移到新的背景中 深刻理解物理概念和规律 并能灵活运用 要求考生有较强的创新能力 在复习过程中 应以掌握常规实验原理 实验方法 规范操作程序 数据处理方法等为本 同时从常规实验中 有意识的 积极的提取 积累一些有价值的方法 逐步过渡到灵活运用学过的实验方法设计新的实验 二 设计性实验的设计思路与典例分析 一 打点计时器系列实验中纸带的处理1 纸带的选取2 根据纸带上点的密集程度选取计数点3 测量计数点间距离4 判定物体运动的性质 例题1 做匀加速直线运动的小车 牵引一条纸带通过打点计时器 交流电源的频率为50Hz 由纸带上打出的某一点开始 每5个点剪下一段纸带 按图所示 使每一条纸带下端与x轴重合 左边与y轴平行 将纸带段粘贴在直角坐标系中 则小车运动的加速度是m s2 保留两位有效数字 命题意图 本题考查了匀变速直线运动的纸带处理 同时还要明确计数点的选取以及相隔时间的计算问题 要求学生能把常见的纸带数据处理中的数据与图中纸带的长度建立联系 获得相关数据 然后求得实验结果 备考提示 除正常的逐差法数据处理外 还要注意图像数据的处理 例题2 2002年广东 一个有一定厚度的圆盘 可以绕通过中心的水平轴转动 用下面的方法测量它匀速转动时的角速度 实验器材 电磁打点计时器 米尺 纸带 复写纸片 实验步骤 如图所示 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 启动控制装置使圆盘转动 同时接通电源 打点计时器开始打点 经过一段时间 停止转动和打点 取下纸带 进行测量 由已知量和测得量表示的角速度的表达式为 式中各量的意义是 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所示 求得的角速度为 命题意图 利用打点计时器求转盘的角速度 这是本题的创新之处 转盘边缘的线速度与纸带的线速度相等是解决本题的关键 此题的实验器材 和实验步骤题干中已经给出 不需考生自己设计 对于此类常规试题略加变化的创新题型 能否有效排除干扰信息 直指问题关键是高考考查能力的一种全新命题方式 本题也可以在实验器材及实验步骤设计上进行深化考查 从而变成设计性实验 备考提示 以上各考题都涉及纸带数据的处理或类似纸带数据的处理 同时测定的量也不再局限于加速度 速度之类的量 具有一定的开放性和创新性 尤其是上海的题目更是如此 但所用的知识仍是最基本的 这便要求我们能练熟掌握基本实验方法 灵活应变 只有这样才能应对将来的高考 并且该部分很容易和牛顿第二定律 动能定理 验证机械能守恒定律的探究结合 构建创新的 符合新课程理念的 更注重考查实验素养及综合运用知识能力的探究性实验题 二 电学实验仪器的使用常规 在中学电学实验中 常用的测量仪器是电压表 电流表 灵敏电流计 多用表等 使用它们时一般要先做到 B 清楚仪器的最小分度 C 清楚仪器的读数方法 D 检查并调整机械零点 E 对欧姆表要检查并调整机械零点 A 清楚仪器的量程 了解电表的内阻 1 电表的使用 电流和电压的测量 电流表是由灵敏电流计并联一个小的分流电阻而成 因此内电阻很小 理想电流表内电阻为零 电流表要串联在电路中 电压表是由灵敏电流计串联一个大的分压电阻而成 因此内电阻很大 理想电压表内电阻为无穷大 电压表要并联在电路两端 1 清楚仪器的量程 2 清楚仪器的最小分度 学生用的电流表0 0 6A挡的最小分度是0 02A 0 3A挡的最小分度是0 1A 学生用的电压表0 3V挡的最小分度是0 1V 0 15V挡的最小分度是0 5V 3 清楚仪器的读数方法 请读出图示电压表 电流表的示数 电压表0 3V挡读数为 0 15V挡读数为 1 90V 9 5V 电流表0 0 6A挡读数为 0 3A挡读数为 0 18A 0 89A 串联限流电路 并联分压电路 分压器 滑动变阻器的两种主要连接方式 两种接法均可起到调压 限流作用 但调节范围不同 功率损耗也不同 2 滑动变阻器的使用 分压接法的优势是 电压变化范围大 限流接法的优势在于电路连接简便 附加功率损耗较小 当两种接法均可满足实验要求时 一般选限流接法 当负载Rx较小 变阻器总阻值R较大时 R是Rx的几倍 限流接法对电流 电压控制范围较宽 控制作用显著 一般用限流接法 但当负载电阻Rx较大 而变阻器总阻值R较小时 Rx是R的几倍 限流接法对电流 电压控制范围较小 调控作用不明显 一般选分压接法 0 U 两种电路比较 判断方法a 负载电阻Rx远大于 3 5倍 滑动变阻器总电阻R 须用分压式接法 此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用 b 负载电阻的阻值Rx小于 1 3 1 5倍 滑动变阻器的总电阻R或相差不大 并且电压表 电流表示数变化不要求从零开始起调且最大电流 最大电压不超过电流表的量程或超过用电器的额定电流 电压 时 可用限流式接法 c 要求负载上电压或电流变化范围大 且从零开始连续可调 须用分压式接法 d 采用限流电路时 电路中的最小电流 电压 仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流 电压 时 应采用变阻器的分压式接法 e 采用分压电路时 电路中的最小电流仍超过滑动变阻器的额定电流时应采用限流式接法 e 两种电路均可使用时应优先用限流式接法 因为限流式接法总功率较小 常规 特殊 3 电阻箱的使用 45190 读数规则 不需估读 4 多用电表的使用 122 1 欧姆表的使用方法 1 选档 2 调零 3 测量 4 换档 5 再调零 6 测量 7 读数 8 结束 2 若选择开关置于欧姆档 10 则阻值为多大 3 若选择开关置于直流电压档10V处 则电压为多大 4 若选择开关置于直流电流档50mA处 则电流为多大 5 5V 2 75A 专题二 电路设计 1 测量电路2 控制电路3 保护电路4 电路设计综合例题 一 电路设计的原则 二 电路设计 电路设计一般原则 1 安全性原则 不超过电表量程 2 精确性原则 尽量减小测量误差a 选择量程时 尽量使得在读数时 电流表 电压表指针的偏角超过满刻度的2 3 偏角最小不能低于1 3 欧姆表指针尽量在表盘的中间附近 b 多次重复测量 求平均值 4 简便性原则 3 方便性原则 1 测量电路 电阻的测量 方法 a 伏安法 b 比较法 替代法 C 半偏法 伏安法测电阻 内接 限流Rx RA 外接 限流Rx RV 测量值大于真实值 测量值小于真实值 22 18分 08全国 卷 2 08全国 卷 13分 右图为一电学实验的实物连线图 该实验可用来测量待测电阻Rx的阻值 约500 图中两个电压表量程相同 内阻都很大 实验步骤如下 调节电阻箱 使它的阻值R0与待测电阻的阻值接近 将滑动变阻器的滑动头调到最右端 合上开关S 将滑动变阻器的滑动头向左端滑动 使两个电压表指针都有明显偏转 记下两个电压表和的读数U1和U2 多次改变滑动变阻器滑动头的位置 记下和的多组读数U1和U2 求Rx的平均值 伏安法测电阻的变形 伏伏法测电阻 电压比较法测量电阻 回答下列问题 根据实物连线图在虚线框内画出实验的电路图 其中电阻符号为 滑动变阻器的符号为 其余器材用通用的符号表示 不计电压表内阻的影响 用U1 U2 和R0表示Rx的公式为Rx 考虑电压表内阻的影响 用U1 U2 R0 的内阻r1 的内阻r2表示Rx的公式为Rx 2005年全国卷 利用图中给定的器材测量电压表V的内阻RV 图中B为电源 内阻可忽略不计 R为电阻箱 S为电键 将图中实物连接为测量所用的电路 写出实验中必须记录的数据 用符号表示 并指出各符号的意义 用 中记录的数据表示RV的公式为RV 考查的是 伏阻法 测电压表的内电阻 08全国 卷 12分 一直流电压表 量程为1V 内阻为1000 现将一阻值为5000 7000 之间的固定电阻R1与此电压表串联 以扩大电压表的量程 为求得扩大后量程的准确值 再给定一直流电源 电动势E为6 7V 内阻可忽略不计 一阻值R2 2000 的固定电阻 两个单刀开关S1 S2及若干线 1 为达到上述目的 将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图 2 连线完成以后 当S1与S2均闭合时 电压表的示数为0 90V 当S1闭合 S2断开时 电压表的示数为0 70V 由此可以计算出改装后电压表的量程为V 电源电动势为V 伏安法测电阻的变形 伏阻法测电阻 电流比较法测量电阻 其中一电流表内阻已知 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 例 2000年高考 解 电流表I1m 10mA r1 40R1 100R2 50 若滑动变阻器用限流接法 Imin 1 5 190 0 08A 8mA Imax 10mA 电流的变化范围很小 应该用分压器接法 因为电压表读数很小 Um 0 4V 不能用伏安法测量 根据并联电路两端电压相等 将两电流表并联 如图示 调节滑动变阻器的电阻 测出多组两电流表的读数 由I1r1 I2r2 得r1 I2r2 I1 考查的是 安安法 测电流表的内电阻 已知R1 140 R2 60 当电键S1闭合 S2断开时 电流表读数为6 4mA 当S1 S2均闭合时 电流表读数为8 5mA 由此可以求出RA 利用图1所示的电路测量电流表mA的内阻RA 图中R1 R2为电阻 S1 S2为电键 B是电源 内阻可忽略 根据图1所给出的电路原理图 在图2的实物图上连线 2005年全国卷 43 考查的是 安阻法 测电流表的内电阻 替代法测电阻 例1 为了测量电流表A1的内阻 采用图示的电路 其中电流表A1的量程是0 300 A 内阻约为100 待测 A2是标准电流表 量程0 200 A R1为电阻箱 阻值范围0 999 9 为电池 电动势3V 内阻不计 S1为开关 S2为单刀双掷开关 按电路图接好电路后 将可变电阻器R2和电阻箱R1适当调节后 将单刀双掷开关S2扳到接点1处 接通开关S1 调节可变电阻R2 使两电表的读数都是150 A 然后将开关S2扳到接点2 调节电阻箱R1使标准电流表的读数仍是150 A 若此时电阻箱各旋钮位置如图 则 1 电流表A1的内阻Rg 2 为了保证两电流表的安全使用 限流电阻R3的阻值应选A 100 B 150 C 10K D 15K 3 可变电阻器R2应选 A 2K B 5K C 200 D 500 替代法测电阻 当R2 0时 要保证两个电流表都不超过量程 R3 E Imin 3 0 2mA 15k 选D R2 R3 E I 3 0 15mA 20k R2 5k 选B Rg 92 8 3 半偏法测量电表电阻 半偏法 R1 R2R测量 R真实 RR真实 1 半偏法测量电流表的内阻 方法 1 按图接线 图中R1R2为电阻箱 2 先合下S1 调节R1使电流表指针满偏 3 再合下S2 保持电阻R1不变 调节R2使电流表指针半偏 记下R2的值 4 若R1 100R2 有Rg R2 思考 R1能否用阻值很大的滑动变阻器代替 一般情况R测量 R真实 2 半偏法测量电压表电阻 方法 1 按图接线 图中R0为电阻箱 2 先合下S1 调节R0 0 再调节R使电压表指针满偏 3 保持变阻器电阻R不变 调节R0使电压表指针半偏 记下R0的值 4 若R0 R 有RV R0一般情况R测量 R真实 上述操作步骤中 必要的操作步骤按合理顺序排列应为 若在步骤 中 读出R0的值为2400 则电压表的内阻RV 用这种方法测出的内阻RV与其真实值相比偏 E 调节滑动变阻器的阻值 使电压表的示数为3 0V 例1 为了测量一个量程为3 0V的电压表的内阻 可以采用图示的电路 在测量时 可供选择的步骤如下 A 闭合开关S B 将电阻箱R0的阻值调到最大 F 断开开关S C 将电阻箱R0的阻值调到零 H 将滑动变阻器的滑动触头调到a端 G 将滑动变阻器的滑动触头调到b端 D 调节电阻箱R0的阻值 使电压表示数为1 5V 读出此时电阻箱R0的阻值 2400 大 例2 现有一量程为3V的电压表 内阻约3k 为了较准确地测量其内阻 在没有电流表的情况下 某同学设计了如图所示的实验电路 按此电路可以测出电压表的内电阻 本实验中 若提供以下器材 A 电池组 电动势4V B 电阻箱 0 999 9 C 电阻箱 0 9999 9 D 滑动变阻器 0 20 1A E 滑动变阻器 0 1k 0 5A 为完成上述实验 电阻箱R应选 滑动变阻器R0应选 R0选D R选C 例3 利用如图所示的电路测量电流表的内阻 图中电源的电动势E 4V 先闭合S1 调节R 使电流表指针偏转到满刻度 满偏电流Ig 300 A 再闭合S2 保持R不变 调节R 使电流表指针偏转到满刻度的2 3 读出此时R 的阻值为200 则电流表内阻的测量值Rg为多大 半偏法测电流表内阻的变形 例4 半偏法的拓展 从下表的实验器材中 电源E1 E2供选用 设计一电路来测量定值电阻R0阻值 要求方法简捷 试设计测量电路 标明所用器材的代号 写出测量的表达式R0 式中各符号的意义是 其测量值较真实值 填 偏大 或 偏小 例5 使用伏安法测电阻 不论是采用安培表内接还是外接 仍然存在误差 现在有人设计了如图的实验电路来测定电阻 其中的R是一个电阻箱 根据电路图 1 请你写出实验需要测量的物理量 并写出求Rx的方程式或表达式 2 能否利用上述电路图测出A表或V表的内阻 答 A表内阻 V表内阻 选填 能 或 不能 3 若上图不能测出电表的内阻 请设法选择图中的电阻箱和待测的电表测出此电表的内阻 设计一个电路图画在方框内 在电源内阻忽略不计的情况下说出你要读出的物理量是 用这些物理量表示待测电表内阻的计算式是 解 调整电阻箱 使其阻值为R1 记录此时电压 电流的值U1 I1 改变电阻箱的电阻值为R2时 记录此时电压和电流的值U2 I2 消去式中的RA 可得 其它表达式也可 1 2 2 控制电路 b 分压式控制电路 a 限流式控制电路 1 种类 2 选择电路的原则 例1 测量金属丝的电阻率 要先测出它的电阻Rx 约为10 备用器材如下 A 电源 电动势3V左右 B 电流表 量程0 500mA 内阻约2 C 电流表 量程0 3A 内阻约0 15 D 电压表 量程0 3V 内阻约3k E 电压表 量程0 15V 内阻约15k F 阻值变化范围0 10 额定电流为0 3A的滑动变阻器 1 为了准确的测出电阻 电流表选电压表选 2 画出测量电路图 B C 用分压式时 I 0 3A 例2 已知一个电阻额定功率为0 5W 粗测其阻值约为16 现用伏安法测定它的阻值 电流表A1 量程0 200mA 内阻约20 电流表A2 量程0 3A 内阻约0 1 电压表V1 量程0 3V 内阻约10K 电压表V2 量程0 15V 内阻约30K 滑动变阻器 0 20 额定电流1A 电源电压12V电键K和若干根导线 试选择适当的器材 选取适当的电路 使测量尽可能准确 并画出电路图 电流表选A1电压表选V1 用限流式最小电流超过额定电流 3 保护电阻 1 保护电阻的估算 2 保护电阻安置的位置 估算方法 保护电阻在电路中作用是保护用电器或电表 估算方法是将滑动变阻器调节到使用电器或电表电压 电流 最大 适当选取保护电阻的阻值 使用电器或电表接近额定 满偏 电压或额定 满偏 电流 例1 09年合肥二模 某同学准备用500的电流表改装成一块量程为3 0V的电压表 他为了能够更精确地测量电流表的内电阻 设计了如图甲所示的实验电路 图中各元件及仪表的参数如下 A 电流表 量程1 0mA 内电阻约100 B 电流表 量程500 A 内电阻约200 C 电池组 电动势为3 0V 内电阻很小 D 滑线变阻器 0 25 K 四旋钮电阻箱 总阻值9999 F 保护电阻G 开始 单刀杀掷开关在备用的保护电阻有阻值约100 和约350 的两种 应选用阻值约 的 保护电阻的估算 例1 08年合肥三模卷 实验室新进一批毫安表 现要对新进毫安表逐格进行校对 以检测表的质量 可供使用的器材如下 待检测的毫安表A1 量程为10mA 内阻为50 标准毫安表A2 量程为15mA 内阻约为30 标准毫安表A3 量程为50mA 内阻约为10 定值电阻R1 阻值为100 定值电阻R2 阻值为47 滑动变阻器R3 最大阻值为20 滑动变阻器R4 最大阻值为1K 干电池E 电动势约1 5V 内阻很小开关及导线若干请从上述器材中选出必要的器材 设计尽可能精确用于校对的电路 并且使滑动变阻器有较大的调节范围 便于调节 请将设计的电路图画在方框中 标明所用器材的代号 保护电阻的安置和估算 综合例1 有一个电阻Rx 其阻值大约是25k 可供选择的器材是 电流表A1 0 100 A 2k 电流表A2 0 500 A 300 电压表V1 0 10V 100k 电压表V2 0 50V 500K 直流稳压电源E 15V 1A 滑动变阻器R 1k 1W 电键K和若干根导线 试选择适当的器材 选取适当的电路 使测量尽可能准确 并画出电路图 并将实物图连线 1 安培表内接法和外接法的选择因为RX 25K RA 300 所以采用安培表内接法 2 分压电路和限流电路的选择 滑动变阻器在电路中起调节电流电压的作用 为了使电流电压有较明显的变化 在限流电路中 一般滑动变阻器的阻值R 3 5 RX在分压器电路中 一般滑动变阻器的阻值R 1