高中物理实验专题.doc

高中物理实验专题一、高考能力要求：高考把对能力的考核放在首要位置。要通过考核知识及其运用来鉴别考生能力的高低，但不应把某些知识与某种能力简单地对应起来。目前，高考物理科要考核的能力主要包括以下几个方面：1、理解能力：理解物理概念、物理规律的确切含义，理解物理规律的适用条件，以及它们在简单情况下的应用；能够清楚地认识概念和规律的表达形式（包括文字表述和数学表达）；能够鉴别关于概念和规律的似是而非的说法；理解相关知识的区别和联系。2、推理能力：能够根据已知的知识和物理事实、条件，对物理问题进行逻辑推理和论证，得出正确的结论或作出正确的判断，并能把推理过程正确地表达出来。3、分析综合能力：能够独立地对所遇到的问题进行具体分析，弄清其中的物理状态、物理过程和物理情境，找出其中起重要作用的因素及有关条件；能够把一个复杂问题分解为若干较简单的问题，找出它们之间的联系；能够理论联系实际，运用物理知识综合解决所遇到的问题。4、应用数学处理物理问题的能力：能够根据具体问题列出物理量之间的关系式，进行推导和求解，并根据结果得出物理结论，必要时能运用几何图形，函数图像进行表达、分析。5、实验能力：能独立完成知识内容表中所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论。能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题。二、实验方法：（一）实验原理的设计方法1、控制变量法在实验中或实际问题中，常有多个因素在变化，造成规律不易表现出来，这时可以先控制一些物理量不变，依次研究某一个因素的影响，最后再进行统一。欧姆定律、牛顿第二定律等都是用这种方法研究的。如牛顿第二定律实验中可以先保持质量一定，研究加速度和力的关系；再保持力一定，研究加速度和质量的关系。在研究欧姆定律的实验中，先控制电阻一定，研究电流与电压的关系，再控制电压一定，研究电流和电阻的关系。2、等效替代法 等效替代法是科学研究中常用的一种思维方法。某些物理量不直观或不易测量，可以用较直观、较易测量而且又有等效效果的量代替，从而简化问题。如在“验证力的平行四边形定则”的实验中，要求用一个弹簧秤单独拉橡皮条时要与用两个弹簧秤互成角度同时拉橡皮条产生的效果相同使结点到达同一位置O，即要在合力与分力等效的条件下，才能找出它们之间合成与分解时所遵守的关系平行四边形定则；在验证动量守恒实验中，发生碰撞的两个小球的速度不易直接测量，可用水平位移代替水平速度研究。3、模拟法有时受客观条件的限制，不能对某些物理现象进行直接实验和测量，于是就人为地创造一定的模拟条件，在这样模拟的条件下进行实验。模拟法是一种间接实验的方法，它是通过与原型相似的模型，来说明原型的规律性。模拟法在中学物理实验中的典型应用是“电场中等势线的描绘”这一实验。由于直接描绘静电场的等势线很困难，而恒定电流的电场与静电场相似，所以用恒定电流的电场模拟静电场中等势线的分布情况；又如在确定磁场中磁感线的分布，因为磁感线实际不存在，我们就用铁屑的分布来模拟磁感线的存在。4、留迹法留迹法即是利用某些特殊的手段，把一些瞬间即逝的现象（如位置、轨迹图象等）记录下来，以便对其进行仔细的研究。如用打点计时器打出的纸带上的点迹记录小车的位移与时间的关系；用频闪照相机拍摄平抛运动中小球的位置、轨迹；用沙摆显示振动的图象；在测定玻璃的折射率的实验中，用大头针的插孔显示入射光线和出射光线的方位；在电场中等势线的描绘的实验中，用探针通过复写纸在白纸上留下的痕迹记录等势点的位置，都是留迹法在实验中的应用。5、外推法（极限法）有些物理量可以局部观察或测量，作为它的极端情况，不易直观观测，如果把这局部观察测量得到的规律外推到极端，可以达到目的。例如在测电源电动势和内电阻的实验中，无法直接测量I=0（断路）时的路端电压（电动势）和短路（U=0）时的电流强度，通过一系列U、I对应值点画出直线并向两方延伸，交U轴点为电动势，交I轴点为短路电流。6、近似法(理想化方法)在复杂的物理现象和物体运动中，影响物理量的因素较多，有时为了突出现象的本质因素，可以有意识的设计实验条件、忽略次要因素的影响或假定一些理想条件的办法，便于深入研究，用近似量当成真实量进行测量，从而取得实际情况下合理的近似结果例如在“用单摆测定重力加速度”的实验中，假定悬线不可伸长，悬点的摩擦和小球在摆动过程的空气阻力不计；在电学实验中把电压表变成内阻无穷大的理想电压表，电流表变成内阻等于0的理想电流表等等，实际都采用了理想化法。7、放大法 在现象、变化、待测物理量十分微小的情况下，往往采用放大法。根据实验的性质和放大对象的不同，放大所使用的物理方法也各异。例如游标卡尺、放大镜、显微镜等仪器都是按放大原理制成的，在测定金属电阻率实验中所便用的螺旋测微器：主尺上前进（或后退）0.5毫米，对应副尺上有5n个等分，实际上是对长度的机械放大；许多电表如电流表、电压表是利用一根较长的指针把通电后线圈的偏转角显示出来。此外在高中物理实验中还有比较法、替代法等。（二）实验误差的控制方法实验中，测量值与真实值的差异称为误差。误差不可避免，但可以减少。从误差来源看，误差可分为系统误差和偶然误差。系统误差主要来源于仪器设备本身不够精确或实验原理、方法不够完善。其基本特点：测量值总是有规律的朝着某一方向偏离真实值，即总是偏大或总是偏小。减小系统误差的方法：完善实验原理、提高实验仪器的测量精度、设计更精巧的实验方法。偶然误差是由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测量物理量的影响而产生的。其基本特点：测量结果有时偏大、有时偏小，且多次测量偏大、偏小的机会相等。减小偶然误差的方法：增加测量次数，取多次测量值的平均值作为实验结果。所以常见实验误差的控制方法：1、多次测量法：大多数实验采取多次测量取平均值的方法减少实验误差。在实验中多次测量有两种情形：（1）相同条件多次测量：例如验证动量守恒、用单摆测重力加速度等实验，是在相同条件下重复操作进行多次测量。（2）改变某些参数多次测量：例如测定电源电动势和内阻时，改变滑动变阻器的阻值测量多组电压、电流值。2、累积法：把某些难以用常规仪器直接准确测量的物理量用累积的方法，将小量变大量测量后求平均值，不仅可以便于测量，而且还可以提高测量的准确程度，减小误差。如在缺乏高精密度的测量仪器的情况下测细金属丝的直径，可把细金属丝绕在圆柱体上测出若干匝的总长度，然后除以匝数可求细金属丝的直径；测一张薄纸的厚度时，常先测量若干页纸的总厚度，再除以被测页数而求每页纸的厚度；在用单摆测定重力加速度实验中，需要测定单摆周期，用秒表测一次全振动的时间误差很大，于是采用测量30-50次全振动的时间T，从而求出单摆的周期T=t/n(n为全振动次数)；分析打点计时器打出的纸带时，可隔几个点找出计数点分析等。（三）实验数据的测量方法1、直接测量2、间接测量（转换法）：将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于直接测量的物理量（力、热、声、光、电等物理量）的方法称为转换法。转换法是物理实验中常用的方法。例如，测力计是把力的大小转化为弹簧的伸长量；打点计时器是把流逝的时间转换成振针的周期性振动；电流表是利用电流在磁场中受力，把电流转换成指针的偏转角；还有一些物理量不能由仪器直接测量，这时可利用待测量和可直接测量的基本物理量之间的关系，将待测量物理量的测量转换为基本物理量的测量。（四）实验数据的处理方法1、直接比较法高中物理的某些实验，只需定性地确定物理量间的关系，或将实验结果与标准值相比较，就可得出实验结论的，这即是直接比较法。如在“研究电磁感应现象”的实验中，可在观察记录的基础上，经过比较和推理，得出产生感应电流的条件和判定感应电流的方向的方法。2、平均值法：把测量的若干组数据相加求和，然后除以测量次数求平均值。但必须注意求取平均值时应该按原来测量仪器的精确度决定保留的位数。3、列表法：在记录和处理数据时，常将数据列成表格，数据列表可以简单而又明确的表示出有关物理量之间的数据关系，有助于找出物理量之间的规律性的关系。4、图象法：所谓的图像法,就是用实验探究的两个物理量作直角坐标系的两个坐标轴，在直角坐标系中标出各组测数据对应的点，再用平滑曲线把这些点连接起来，构成这两个物理量之间的关系图线，然后分析图线，找出物理规律，或者将画出的图线与己知的数学函数图像对比，从而得出定量的函数关系。图像法既形象、直观，又能将个别测量错误的数据很容易地加以排除，因此它是研究物理学的重要实验方法之一。描绘图象的要求是：（1）根据测量的要求选定坐标轴，一般以横轴为自变量，纵轴为因变量。坐标轴要标明所代表的物理量的名称及单位。（2）坐标轴的标度的选择应合适，使测量数据能在坐标轴上得到准确的反映。为避免图纸上出现大片空白，坐标原点可以是零，也可以不是零。坐标的标度值一般不必用有效数字表示，例如100、150、200 ，只要写明1 、15 、2 、25 即可。但坐标轴的分度的估读数，应与测量值的估读数（即有效数字的末位）相对应。（3）根据测量所得数据，在图中标出坐标点。如同一坐标图上要描几条曲线，应分别用不同的符号，如“X”，“”，“”加以区别。（4）借助直尺或曲线板将图中的坐标点连成直线、折线或光滑曲线。注意并非所有的点都必须落在曲线上，但在线外的点应比较均匀地分布在线的两侧。个别偏差过大的点可以舍去或重新测量进行核对。（5）如要求计算直线的斜率，可以取直线上相隔较远的两点，不一定取由实验测出的用以描绘直线的数据点。（6）如果所研究的两个物理量不是成正比关系，可以变换坐标使其成为线性关系，从而得到一条直线。三、实验的五个环节：提出问题设计方案准备实验实验操作处理数据、得出结论。从近几年的高考物理实验试题的设置来看，特别重视实验能力的考查，能利用已学知识、原理和方法在题设的条件和情境下，按照题设的要求制定出实验方案，选择实验器材、安排实验步骤、设计实验数据处理方法及实验误差分析。对于实验的设计，首先要重视用已学过和掌握的实验模型、方法来类比分析并设计实验。比如要测量电压表的内阻，而题目中没有设置电流表，这样的实验如何设计？如果我们联想到教材中有半偏法测电流表内阻的实验模型，就可以根据这个实验的原理和方法，类比分析用半偏法测量电压表的内阻，这两个实验虽然都是用同一方法，但实验原理和实验电路完全不同，减少实验误差的原理也不同，这就要求设计者有自己的思想和解决问题的办法。其次要用猜想、假设的方法设计实验。猜想与假设，就是以已有的经验和已知的事实为基础，对求知事实或现象作一种有一定推测性或假定性的判断，然后再进行分析和推理。看到题目后，可能对实验的完成有几种方案（猜想）然后再对这几种方案进行整理、总结，从中找出最佳方案来设计实验。例1、以下是一些有关高中物理实验的描述，其中正确的是 A在“研究匀变速直线运动”实验中，应该先释放小车，让其运动稳定后，再接通电源，让打点计时器在纸带上打下一系列的点；B在“验证力的平行四边形定则”实验中拉橡皮筋的细绳要稍长，并且实验时要使弹簧与木板平面平行；C在“验证机械守恒定律”的实验中，需要用天平测出重物的质量；D在“验证动量守恒定律”的实验中，入射小球的质量应该大于被碰小球的质量；例2对粒子散射实验装置的描述，我认为正确的是（ ）A、实验器材有放射源、金箔、荧光屏、显微镜B、金箔的厚度对实验无影响C、如果不用金箔，用铝箔，就不会发生明显散射现象D、实验装置放在空气中和真空中都可以例3如图甲所示，将验电器通过导线与带电空心金属球壳的内壁接触（设导线足够长，验电器不受带电体电场影响）；又如图乙所示，将验电器置于金属球腔内并通过导线与金属球壳壁接触；则在以上两种情况下，验电器金属箔将（ ）A、甲图中验电器金属箔张开，乙图中验电器金属箔不张开B、甲图中验电器金属箔张开，乙图中验电器金属箔张开C、甲、乙图中验电器金属箔均张开D、甲、乙图中验电器金属箔均不张开例4、某同学为估测摩托车在水泥路上行驶时所受牵引力，设计了下述实验：将输液用的500ml的玻璃瓶装适量水后连同输液管一起绑在摩托车上，调节输液管的滴水速度，刚好每隔1.00s滴一滴，该同学骑摩托车，先使之加速至某一速度，然后熄火，让摩托车沿直线滑行，下图为某次实验中水泥路面上部分水滴（左侧为起点）。设该同学质量50kg，摩托车质量75kg，根据该同学的实验结果，可计算：4.58.312.115.9单位：m10.29.99.69.3单位：m骑摩托车加速时加速度大小为 m/s2；骑摩托车滑行时加速度大小为 m/s2；骑摩托车加速时的牵引力大小为 N。例5、为了测量木板和斜面间的动摩擦因素,某同学设计如下实验. 在小木板上固定一个轻弹簧秤, 弹簧秤下面掉一个光滑的小球. 将木板连同小球一起放在斜面上, 如图所示, 木板固定时,弹簧秤示数为F1, 放手后木板沿斜面下滑, 稳定时弹簧秤的示数为F2 , 测得斜面的高为h, 底边长为d, 由测量的数据可以计算出小木板跟斜面间的动摩擦因素= . 例6、人造卫星绕地球做匀速圆周运动时处于完全失重状态，物体对支持面没有压力，所以在这种环境中已无法用天平称量物体的质量。针对这种环境，某兴趣小组通过查阅资料获知，弹簧振子做简谐运动的周期（其中是振子的质量，是弹簧的劲度系数）他们设计了一种装置来间接测量物体的质量，如图所示，A是带夹子的金属块，金属块和夹子的总质量为，B是待测质量的物体（可以被A上的夹子固定）弹簧的劲度系数未知，但他们有一块秒表（i）（6分）请你简要写出测量待测物体质量的方法，测量的物理量用字母表示 ； （ii）（4分）用所测的物理量和已知物理量求待测物体质量的计算式为 例7、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，用下面的方法测量圆盘匀速转动时的角速度。（1）实验器材：电磁打点计时器，米尺，纸带，复写纸片（2）实验步骤：如图9-7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。（3）实验处理：由已知量和测得量表示的角速度的表达式= ，式中各量的意义是 某次实验测得圆盘半径r=5.5010-2m，得到的纸带的一段如图9-8所示，求得角速度为 。（4）试说明本实验方法中的一个潜在问题，可能会严重影响到测量的准确性问题是： 例8、现提供下列器材：电流表G（满偏电流300A，内阻100）电流表A1（量程为0.6A，内阻约0.1）电压表V1（量程为2V，内阻约2000）电阻箱R1（阻值范围09999）电阻箱R2（阻值范围0999.9）滑动变阻器R3（最大阻值为100）滑动变阻器R4（最大阻值为100k）电源E（电动势6V，内阻约0.5）单刀单掷开关s一个导线若干现需要将电流表G改装成3V的电压表，需要将电阻箱_的阻值调节为_与电流表G_联。为了测量电压表V1的内阻，要求有尽可能高的测量精度，并能测量多组数据。请你从上述器材中选择必要的器材，设计一个测量实验电路，在虚线方框中画出电路原理图（电路原理图要用题中相应的英文字母标注。若你需用到改装后的电压表，则改装后的电压表用V表示）。电压表V1的内阻RV的计算公式为RV =_，式中各符号的意义是_。例9、（2007年山东卷）检测一个标称值为5的滑动变阻器。可供使用的器材如下：A待测滑动变阻器Rx，全电阻约5（电阻丝绕制紧密，匝数清晰可数）B电流表A1，量程0.6A，内阻约0.6C电流表A2，量程3A，内阻约0.12D电压表V1，量程15V，内阻约15KE电压表V2，量程3V，内阻约3KF滑动变阻器R，全电阻约20G直流电源E，电动势3V，内阻不计H游标卡尺I毫米刻度尺J电键S导线若干（1）用伏安法测定Rx的全电阻值，所选电流表_(填“A1”或“A2”)，所选电压表为_(填“V1”或“V2”)。（2）画出测量电路的原理图，并根据所画原理图将下图中实物连接成测量电路。（3）为了进一步测量待测量滑动变阻器电阻丝的电阻率，需要测量电阻丝的直径和总长度，在不破坏变阻器的前提下，请设计一个实验方案，写出所需器材及操作步骤，并给出直径和总长度的表达式。方案：需要的器材： 主要操作步骤： 例10、在“测定一节干电池电动势和内阻”的实验中（实验用的电表视为理想电表）第一组同学利用如图a的实验装置测量，电压表应选择量程 （填“3V”或“15V”），实验后得到了如图b的UI图象，则电池内阻为_W。第二组同学也利用图a的连接测量另一节干电池，初始时滑片P在最右端，但由于滑动变阻器某处发生断路，合上电键后发现滑片P向左滑过一段距离x后电流表才有读数，于是该组同学分别作出了电压表读数U与x、电流表读数I与x的关系图，如图c所示，则根据图象可知，电池的电动势为 V，内阻为 W。例11、（1）要用伏安法测量Rx的电阻，已知电压表内阻约几k，电流表内阻约1 ，若用图甲电路，Rx的测量值比真实值 填“偏大”或“偏小”），若Rx的阻值约为10，应采用 （选“甲图”或“乙图”）的电路，误差会比较小（2）无论是用甲图或乙图测量，都不可避免产生由电表内阻引起的测量误差，有两个研究性学习小组分别设计了以下的实脸方案：第一组利用如图丙的电路进行测量，主要实验步骤如下：第一步：将电键S2接2 ，闭合电键S1 ，调节滑动变阻器RP和RW ，使电表读数接近满量程，但不超过量程，记录此时电压表和电流表的示数U1、I1 。 请你写出接着的第二步，并说明需要记录的数据： 由以上记录的数据计算出被测电阻Rx的表达式为Rx .第二组同学利用图丁的电路测量，其中R1是电阻箱，R2 = 72 、R3 100合上S ，灵敏电流计G 的指针法会偏转，将R1调至如图中所示时，灵敏电流计的指针回到零位。 在方框内画出与图丁对应的电路图 读出图中电阻箱的阻值为R1= ，算出待测电阻的值Rx= 。例12、数字万用电表是近年来发展起来的高科技数码产品，是传统机械式表的更新换代产品。如图甲所示。数字万用表有测量精度高、读数方便等许多独特的优点。 具体表现在：测量精度高，以型号“DF930”普通数字万用表为例，其电压挡所有量程内阻高达10M欧，而机械指针式电压表内阻一般为几千欧到几十千欧，内电阻高出23个数量级。直流电压挡和直流电流挡的精度为0.05，欧姆挡精度为0.08，而用指针式电压表、电流表的精度只有2.5，欧姆表的精度更低，数字万用表内电阻非常理想。 现有一块型号为“DF930”的数字万用电表，用它来测量一只电池的电动势和内电阻。提供的测量器材还有：一只滑动变阻器R（030），两只开关，导线若干。实验要求：利用这些器材，尽量采用最简单的测量方法，分两步进行。首先测量电动势，待电动势测定之后再测量其内电阻。（1）连接数字万用表。在图乙中，电路中的各个元器件都已连接妥当，数字万用表的一个表笔也已与电路连接好，请将另一只表笔正确连入电路。答：另一只表笔应接在 点（2）操作步骤：将数字万用表选择开关置于 档，选择合适的量程，断开开关 ，闭合开关 ，记录表的示数，然后反复测量多次，取平均值并记为X将数字万用表选择开关置于 档，选择合适的量程，进行调零，断开开关 ，闭合开关 ，记录表的示数，记为Y，紧接着进行以下的操作：将选择开关置于 档，选择合适的量程，然后同时闭合开关S1和S2，记录表的示数并记作Z，把Y和对应的Z作为一组数据记录下来，然后反复测量多次，得到多组数据。 即为干电池的电动势（填“X”、“Y”或“Z”）干电池的内电阻的表达式r = （用X、Y、Z表示），将步骤测得的数据代入公式，求出r的平均值，即为干电池的内电阻例13、 影响物质材料电阻率的因素很多，一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，而半导体材料的电阻率则与之相反，随温度的升高而减少某课题研究组需要研究某种材料的导电规律，他们用该种材料制作成电阻较小的线状元件Z做实验，测量元件Z中的电流随两端电压从零逐渐增大过程中的变化规律（1）他们应选用下图所示的哪个电路进行实验？答：（ ）元件ZZAVAZAVBZAVCZAVD(2)按照正确的电路图连接下图的实物图（3）实验测得元件Z的电压与电流的关系如下表所示根据表中数据，判断元件Z是金属材料还是半导体材料？答： U(V)00.400.600.801.001.201.501.60I(A)00.200.450.801.251.802.813.20ZRErSA（4）把元件Z接入右图所示的电路中，当电阻R的阻值为R1 = 2时，电流表的读数为1.25A；当电阻R的阻值为R2 = 3.6时，电流表的读数为0.80A 结合上表数据，求出电池的电动势为 V，内阻为 (不计电流表的内阻，结果保留两位有效数字) 例14、发光二极管是目前很多用电器的指示灯的电子无件，在电路中的符号是 ，只有电流从标有“+”号的一端流入，从标有“”号的一端流出时，它才能发光，这时可将他视为一个纯电阻，现有某厂有提供的某种型号的发光二极管的伏安特性曲线如图所示。 （1）已知该型号的发光二极管的正常工作电压为2.0V，若用电动势为12V、内阻可以忽略不计的直流电源供电，为使该二极管正常工作，需要在电源和1,3,5二极管之间串联一只阻值为 的定值电阻。 （2）已知该型号的发光二极管允许通过的最大电流为56mA，请用实验证明这种无件的伏安特性曲线与厂家提供的数据是否一致，可选用的器材有： 待测发光二极管 直流电源E（电动势4.5V，内阻可以忽略不计） 滑动变阻器R（最大阻值为20） 电压表V1（量程10V，内阻约50k）电压表V2（量程5V，内阻约20k） 电压表A1（量程10mA，内阻约50k） 电流表A2（量程60mA，内阻约100k） 电键S、导线若干 为准确、方便地进行检测，电压表应选用 ， 电流表应选用 。（填字母符号）（3）在虚线框中画出利用第（2）问中器材设计的实验电路图。例15、某同学用如图甲所示的电路测量一个电容器的电容。图中R为20k的电阻，电源电动势为6.0V。将传感器连接在计算机上，经处理后画出电容器放电的it 图象如图乙所示。实验时先将开关S接1，经过一段时间后，当电流表示数为 A时表示电容器极板间电压最大。由it 图象可知，图象与两坐标所围成的面积就是电容器放出的电量。试根据it 图象，求该电容器所放出的电荷量Q= C，该电容器的电容C= F（保留两位有效数字）例16、黑箱中有一个理想二极管(正向电阻为零，反向电阻无穷大)，还有两个阻值均为1k的电阻，它们与黑箱的接线柱1、2、3接成电路。再用多用电表的欧姆挡对三个接线柱间的电阻进行测量，得到的数据如表格所示。那么黑箱中的线路应该是如图所示电路中的哪一个( )黑笔触点112红笔触点231表头读数00.5 k2 k如果用欧姆表测电阻时，因表内电他用久，使其电动势变小，内阻变大，但我们仍可转动“调整旋钮”使表针调到零欧姆刻度，调零后测电阻时，欧姆表的总内阻将 ，测出的电阻值将 (填变大、变小或不变)。例17、飞机在海域发生空难，“黑匣子”的打捞工作始终是人们关注的焦点，为了尽快将它打捞出水，专家们一般都要用声纳技术在失事海域进行探测。下面是几个有关“黑匣子”的物理问题，请根据所学知识