2008二轮高中物理实验专题二

20082008 二轮高中物理实验专题二 物理实验常用方法二轮高中物理实验专题二 物理实验常用方法 专题二 物理实验常用方法 考情动态分析 从高考实验试题可以看出 高考对实验的考查 除了注重基本的实验操作外 还十分注重学生对实验 原理 实验方法的理解程度及其迁移应用能力的考查 特别是近几年的实验考查 每年都有设计性实验题 而设计实验的依据就是教材中 19 个学生实验涉及到的原理 方法 所以在第二阶段的复习中 应认真剖析 大纲中所要求的 19 个学生实验 提炼出其中所蕴藏的思想方法 加以深刻的领会 理解 从而做到灵活 地迁移应用 考点核心整合 一 实验设计的原理性方法 1 等效法 等效法是科学研究中常用的一种思维方法 对一些复杂问题采用等效方法 将其变换成理想的 简单 的 已知规律的过程来处理 常可使问题的解决得以简化 因此 等效法是物理实验中常用的方法 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 即要在合力与两分力等效的条件下 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 碰撞中的动量守恒 实验中 用小球的水 平位移代替小球的水平速度 验证牛顿第二定律 的实验中 通过调节木板的倾角使重力的分力抵消摩 擦力而等效于物体不受摩擦力作用 还有 电学实验中电流表的改装 用替换法测电阻等 都是等效法的 应用 2 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 易于测量的物理量的方法称为转换法 间 接测量法 转换法是物理实验常用的方法 例如 测力计是把力的大小转换为弹簧的伸长量 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 把电流转化为指针的偏转角 用单摆测定重力加速度 g 是通过公式 T 2 把 g 的测量转换为 T 和 l 的测量 估测分子的大小时不是直接测量分子的直径 而是测油滴的体积和它所形成的单分子油膜的面积而间 接测得分子的直径 测光的波长是通过测易于测量的双缝干涉条纹之间的宽度后来求得的 等等 3 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 轨迹等 记录下来 以便于此后对 其进行仔细的研究 留迹法也是物理实验中常用的方法 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 用描迹法描绘平抛运动的轨迹 在 测定玻璃折射率 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 4 累积法 是把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量 以提高测量的准确度 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 常把细金属丝绕在圆柱体上测若干匝的总长度 然后除以匝数可求细金属 丝的直径 测一张薄纸的厚度时 常先测出若干页纸的总厚度 再除以被测页数而求每页纸的厚度 在 用 单摆测重力加速度 的实验中 单摆周期的测定就是通过测单摆完成多次全振动的总时间除以全振动次数 以减少个人反应时间造成的误差影响等 5 模拟法 模拟法是一种间接实验方法 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来模拟静电场 通过它来了解静电场中等势线的分布情况 6 黑箱法 黑箱是指内部结构不明的系统 黑箱方法是指在不打开黑箱的情况下 通过观察或是通过有目的的向 黑箱输入信息记录黑箱相应的输出 找出其行为的规律 然后根据已有的知识对黑箱的内部结构作出推测 的方法 学生实验 用多用电表探索黑箱内的电学元件 就是典型的黑箱方法的应用 方法应用见例 4 二 减小系统误差的方法 从误差的来源看 误差分为偶然误差和系统误差两种 偶然误差是由于各种偶然因素对实验的影响而产生的 偶然误差具有随机性 有时偏大 有时偏小 所以减小偶然误差的方法就是通过多次测量求平均值 系统误差是由于仪器本身不精确或实验方法粗略或实验原理不完善而产生的 它的特点是使测量总是 偏大或总是偏小 所以 采用多次测量求平均值的方法不能减少系统误差 要减少系统误差 必须校准仪器 或改进实验方法或设计在原理上更为完善的实验 学生实验中就有不少减少实验系统误差的方法和措施 譬如 在 研究匀变速运动 的实验中 若使 用电磁打点计时器测量 由于电磁打点计时器的振针与纸带之间有较大的且不连续 不均匀的阻力作用 给加速度的测定带来较大的系统误差 若改用电火花计时器 就可以使这一阻力大为减小 从而减小了加 速度测定的系统误差 再如 在用 伏安法 测电阻时 为减小电阻测量的系统误差 就要根据待测电阻 阻值的大小考虑是采用电流表的 外接法 还是 内接法 在用 半偏法 测电流表的内阻时 如图 5 2 1 所示 为减少测量的系统误差 就要使串接的限流电阻 R 比并联在电流表两端的电阻箱 R 的阻值大 得多 图 5 2 1 链接 思考 用上图所示的电路测电流表内阻时 系统误差是使电流表内阻的测量值偏大还是偏小 要减少测量的 系统误差 对电源电动势的大小有什么要求 答案 偏小 电源电动势增大则限流电阻 R 也将随之增大 三 控制实验条件的方法 实验就是利用仪器设备在人为控制的条件下进行的观察研究活动 其中对实验过程恰当准确的控制是 做好实验的关键 通过控制可使复杂的条件得到简化和纯化 凸显要研究的因素在现象中的作用 通过控制 可使实验按要求的条件进行 从而得出准确的结论 实验中的控制包括对实验参量的控制和对实验条件的控制 对实验参量的控制是指在实验涉及多个参量时 为了清楚地显现出各个参量之间的关系 实验时只改 变其中的一个自变量 研究这一自变量与因变量之间的关系 而保持其他的自变量不变 譬如 在 研究牛 顿第二定律 的演示实验中 涉及到加速度 合外力和物体的质量这三个参量 在研究加速度与合外力的 关系时 要保持物体的质量不变 在研究加速度与质量的关系时 要保持物体所受的合外力不变 每个实验都有对实验环境和条件的特殊要求 对实验条件的控制即是指实验中要通过对仪器设备及环 境的控制使之符合实验的条件 譬如 在 研究平抛物体的运动 这一实验中 要调节斜槽末端的水平 来保证每次小球飞出的初速度沿水平方向 要使小球从斜槽上的同一位置开始滑下 保证小球每次从斜槽 末端飞出时的速度大小相同 电学实验中使用滑动变阻器时 要根据实验的要求 确定滑动变阻器是采用 限流式 接法还是 分压式 接法 在 把电流表改装为电压表 的实验中 用 半偏法 测定电流表 的内阻时 器材的选取要符合限流电阻 R 比分流电阻 R 大得多这一条件 只有在这一条件得以保证的情 况下 才可认为电流表的内阻等于分流电阻 R 在 验证机械能守恒定律 的实验中 所用重锤的质量 要大 纸带要竖直拉起后再松手 这样才可认为纸带受的阻力是可忽略的因素 重锤的机械能 守恒 四 处理实验数据的方法 1 实验结果的有效数字表示方法 中学物理实验对测量读数 直接测量 是要求按有效数字的规则来读写的 但对有效数字的运算不作要 求 间接测量的结果一般写为 2 3 位有效数字就可以了 2 列表法 在实验中常将数据列表记录 为了发挥列表在数据处理中的作用 要求设计表格要简明 便于看出有 关量之间的关系 表中各符号所代表物理量的意义要清楚 并写明单位 单位一般写在标题栏中 不重复地 记录在各数字上 3 图象法 图象法是物理实验中广泛应用的处理实验数据的方法 图象法的最大优点是直观简便 在探索物理量之 间的关系时 用作图描点的方法很方便 由图象可以直观地看出物理量之间的函数关系或变化趋势 由此 建立经验公式 由于描绘图线时要求数据点的分布要尽量均匀地分布在图线的两侧 所以作出的图线对数 据有取平均的效果 如果有个别点偏离图线特别大 则可能是测量或数据计算中的错误 应予舍弃或重新 测量 虽然图象法有许多优点 但它仅仅是一种粗略的数据处理方法 譬如 在图纸上连线时有相当大的主 观任意性 另外连线的粗细 图纸的大小 图纸本身的均匀程度等 都对结果的准确性有影响 考题名师诠释 例 1 2006 重庆高考 22 某同学用图 5 2 2 所示装置测量重力加速度 g 所用交流电频率为 50 Hz 在 所选纸带上取某点为 0 号计数点 然后每 3 个点取一个计数点 所有测量数据及其标记符号如图 5 2 3 所 示 图 5 2 2 图 5 2 3 该同学用两种方法处理数据 T 为相邻两计数点的时间间隔 方法 A 由 g1 g5 取平均值 8 667 m s2 方法 B 由 g1 g2 g3 取平均值 8 637 m s 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 方法 A 中有 方 法 B 中有 因此 选择方法 A 或 B 更合理 这样可以减少实验的 系 统或偶然 误差 本实验误差的主要来源有 试举出两条 解析 方法 A 所以 S1 S6 或 37 5 193 5 起作用 方法 B 所以 S1 S2 S3 S4 S5 S6 或 37 5 69 0 100 5 131 5 163 0 193 5 均起作用 多次测量数据的选取可以减小偶然误差 实验误差的来源来自于阻力 空气阻力 振针的阻力 限位孔的 阻力 复写纸的阻力等 交流电频率波动 长度测量 数据处理方法等 答案 S1 S6 或 37 5 193 5 S1 S2 S3 S4 S5 S6 或 37 5 69 0 100 5 131 5 163 0 193 5 B 偶然阻力 空气阻力 振针的阻力 限位孔的阻力 复 写纸的阻力等 交流电频率波动 长度测量 数据处理方法等 点评 1 本例中的方法 B 称 逐差法 它可以使所测数据均能得到使用 起到了正负误差相互抵消 的作用 减小了实验的偶然误差 2 方法 B 中 这表明只要把这六组数据一分为二 前三组的和看作 S 后三组的和看作 S 由 S S at2 t 3T 即可得到用 逐差法 表示的测量结果 这种观点具有普适性 如已知 S1 S2 S3 S4 则 可形象称为 一分为二 链接 提示 使用 s at2 时 要弄清 t 和打点周期 T 的关系 t 不一定等于 T 例 2 经典回放 图 5 2 4 为某一热敏电阻 电阻值随温度的改变而改变 且对温度很敏感 的 I U 关 系曲线图 图 5 2 4 1 为了通过测量得到图 5 2 4 所示 I U 关系的完整曲线 在图 5 2 5 和图 5 2 6 两个电路中应选择的是 图 简要说明理由 图 5 2 5 图 5 2 6 电源电动势为 9 V 内阻不计 滑动变阻器的阻值为 0 100 2 图 5 2 7 电路中 电源电压恒为 9 V 电流表读数为 70 mA 定值电阻 R1 250 由热敏电阻的 I U 关系曲线可知 热敏电阻两端的电压为 V 电阻 R2 的阻值为 图 5 2 7 3 举出一个可以应用热敏电阻的例子 解析 由图象可以看出 通过热敏电阻的电流是随着电阻上电压的增大而增大的 但不是正比关系 是非 线性的 电压越高 图线的斜率越大 说明热敏电阻的阻值越小 我们还注意到 该实验中热敏电阻上的电 压和电流是从零开始调节的 且电压的调节范围比较大 由此可以知道 滑动变阻器一定是分压式接法 因为限流式接法不可能将电压调至零 由部分电路欧姆定律先求出通过 R1 的电流 再由分流关系求出通过热敏电阻的电流 然后从图象读 出热敏电阻对应的电压 1 应选择图 5 2 5 因为用图 5 2 5 的电路测量时 电压可从 0 V 开始调节 且电压的调节范围较大 2 流过 R1 的电流 I1 A 36 mA 流过 R2 及热敏电阻的电流 I2 I I1 70 mA 36 mA 34 mA 从 I U 图象可读出热敏电阻上对应的电压为 Ur 5 2 V 则 R2 111 8 3 电冰箱的温度控制和室内温度的控制均可使用热敏电阻 答案 1 略 2 5 2 111 8 3 略 点评 在教材中 传感器的简单应用 这一实验中 涉及到了热敏电阻 不过只是用多用电表测量热敏电 阻的阻值是如何随温度变化的 未要求画出它的 I U 图象 在 描绘小电珠的伏安特性曲线 的实验中 也已知道小电珠的阻值是随着温度变化的 其伏安特性是非线性的 滑动变阻器的限流式接法和分压式接 法更是电学实验中经常用到的 所以该实验实际上是一个组合式实验题 用来考查考生迁移应用 综合应 用的能力 图象法是处理实验数据的重要方法 要会根据测量数据准确地描绘图象 但描绘图象不是目的 描绘图 象的目的是从图象中获取有用的信息 得出正确的实验结论或取得新的发现 所以能够理解图象的物理意 义 学会从图象中收集信息是更重要的学习目标 例 3 图 5 2 8 所示是教材中测定电流表内电阻实验的电路图 电流表的内电阻约在 100 左右 满 偏电流为 500 A 用电池作电源 图 5 2 8 1 实验室中配有的可变电阻为 A 电阻箱 阻值范围为 0 10 B 电阻箱 阻值范围为 0 9 999 C 电位器 阻值范围为 0 200 D 电位器 阻值范围为 0 20 k 在上述配有的可变电阻中 电路图中的 R 应选用 R 应选用 填写字母代号 2 某学生进行的实验步骤如下 先将 R 的阻值调到最大 合上 S1 调节 R 的阻值 使电流表的指针偏转到满刻度 合上 S2 调节 R 和 R 的阻值 使电流表的指针偏转到满刻度的一半 记下 R 的阻值 指出上述实验步骤中有什么错误 答 3 如果按正确实验步骤测得 R 的值为 100 已知电流表的满偏电流为 500 A 现在要把它改装成 量程为 2 V 的电压表 则应串联的分压电阻为 4 以下四种说法中正确的是 A 上述电流表内电阻的测得值比其真实值小 这一因素使得用上述改装成的电压表测定电压时 其读数比 电压表两端的实际电压小 B 上述电流表内电阻的测得值比其真实值大 这一因素使得用上述改装成的电压表测定电压时 其读数比 电压表两端的实际电压小 C 上述电流表内电阻的测得值比其真实值小 这一因素使得用上述改装成的电压表测定电压时 其读数比 电压表两端的实际电压大 D 上述电流表内电阻的测得值比其真实值大 这一因素使得用上述改装成的电压表测定电压时 其读数比 电压表两端的实际电压大 解析 1 正确选项是 D B 若电源电压为 1 5 V 由电流表的满偏电流为 500 A 可估算回路中的限流电阻至少应为 k 3 k 故 R 不能选阻值范围为 0 200 的电位器 因为这样即使电位器阻值调到最大 通过电流表的电流仍将 超过满偏电流 这是不允许的 而选阻值为 0 20 k 的电位器是符合要求的 R 是要读数的 所以必须用电阻箱 而且应选阻值范围为 0 9 999 的电阻箱 这是因为已知电流 表的内阻在 100 左右 而 R 的选值按原理应和此值相等 所以只能选 B 而不能选 A 2 合上 S2 后 不应再调节 R