（广东版）2013届高三物理第二轮专题复习（专家概述+解题思路与方法+专题测试）专题十三 实验

1 专题十三实验专题十三实验 专家概述 一 本专题的重点内容 实验一 研究匀变速直线运动 实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系 实验三 验证力的平行四边形定则 实验四 验证牛顿运动定律 实验五 探究动能定理 实验六 验证机械能守恒定律 实验七 测定金属的电阻率 同时练习使用螺旋测微器 实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线 实验九 测定电源的电动势和内阻 实验十 练习使用多用电表 实验十一 传感器的简单使用 实验十二 验证动量守恒定律 实验十三 用油膜法估测分子的大小 二 本专题的难点内容 电学实验是历年高考的重点 也是难点 主要考查的内容是 器材的选择 实物连线 电路故障分析 电路设计 数据分析 误差分析等 1 电流表内 外接的选择方法 1 临界电阻确定法 当 Rx 时 电流表内接 当 Rx 时 电流表外接 当 Rx 时 电流表内 RARVRARVRARV 外接均可 2 电阻确定法 当 Rx RA时 电流表内接 当 RV Rx时 电流表外接 3 试触法 将电流表 电压表和待测电阻 Rx组成图所示电路 且当电压表滑动头 P 由位置 1 变换到 位置 2 时 若电流表读数变化明显 电流表要内接 若电压表读数变化明显 电流表应外接 2 滑动变阻器限流式和分压式电路的选择方法 滑动变阻器在电路中有 a b 两种常用的接 法 a 叫限流接法 b 叫分压接法 1 电阻确定法 若已知滑动变阻器的阻值范围为 0 R0 待测电阻为 Rx 当 RxR0时 应选用分压式 2 电压表读数变化确定法 若要求电压表示数从零开始连续变化 应选用分压式 2 3 极限条件确定法 若已知滑动变阻器的阻值范围为 0 R0 待测电阻的估计值为 Rx 电源电动势为 E 可 选假设用限流式 则 当电路中电流的最小值 Imin 超过滑动变阻器中额定电流值 或超过 Rx中的额 E R0 Rx 定电流值 或超过电流表的量程的 时 应用分压式 2 3 当待测电阻 Rx两端电压的最小值 Umin 超过 Rx中的额定电压值 或超过电压表 ERx R0 Rx 量程的 时 应用分压式 2 3 当滑动变阻器消耗的功率值 P0 大于其额定电功率时 应用分压式 E2R0 R0 Rx 3 电流表 电压表量程的选择方法 1 安全性原则 电路中电流 电压的最大值 Imax Umax E 应小于电流表和电压表的量程或用电器的 E Rx 额定值 2 准确性原则 电路中电流的范围 Imin Imax 电压的范围 Umin Umax E 应在 E R0 Rx E Rx ERx R0 Rx 量程的 到 范围之内 1 3 2 3 三 本专题的解题思路与方法 物理实验的主要思想方法 1 等效替代法 是科学研究中常用的方法之一 是在保证某种效果 特性和关系 相同的前 提下 将实际的 复杂的物理问题和物理过程转化为等效的 简单的 易于研究的物理问题 和物理过程来研究和处理的方法 如在电路中以一个电阻来等效代替多个电阻 以便于分析 电路 在研究多力合成的问题上 以一个力等效替代多个力 2 测量量的转换法 某些物理量直接测量有困难 可以利用它与其他物理量间的某种关系 转换为测量那些较容易测量的物理量 这是物理实验中重要的方法 例如重力加速度 g 的测 量就是如此 我们可以利用匀变速直线运动的位移公式 s gt2 转换成测量位移 s 和时间 t 在 1 2 碰撞中的动量守恒 的实验中 本应测量两物体碰撞前 后的速度 但速度难以直接测量 利用从同一高度平抛的物体的运动 水平位移 s 与初速度 v0成正比的关系 把测速度转换成 测长度 3 控制变量法 在多因素的实验中 可以选控制一些量不变 依次研究某一个因素的影响 如牛顿第二定律实验中可以先保持质量一定 研究加速度 a 和力 F 的关系 再保持力 F 一定 研究加速度 a 和质量 m 的关系 4 留迹法 把瞬息即逝的现象 位置 轨迹 图象等 记录下来 如通过纸带上打出的小点 记录小车的位置 用描迹法画出平抛物体的运动轨迹 用沙摆显示振动的图象等 5 累积法 把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量 提高测量的精确程度 如测单 摆振动的周期 应测量单摆 30 50 次全振动的时间 t 则单摆振动的周期为 T n 为全振 t n 动次数 以减小启动秒表及制动秒表造成的误差 经典例说 例 1 在利用打点计时器 测定匀变速直线运动的加速度 实验中 某同学在打出的纸 带上每 5 点取一个记数点 共取了 7 个记数点 测出每两个相邻记数点间的距离分别为 1 s 3 然后他把纸带上 各段准确的剪开成 6 段 按如图所示那样贴在坐标 2 s 6 s 1 s 2 s 6 s 纸上 彼此不留间隙也不重叠 纸带下端都准确地与横轴重合 的左边准确地与纵轴重合 1 s 横轴为时间轴 纵轴为速度 该同学在这个图中作出了速度图象 并由图象求出了加速度 a 请说明他是如何作出速度图象并求出加速度 a 的 图 2 8 分析 有关纸带的处理 是每年高考的热点 若纸带的运动是匀变速直线运动 则满 足在相邻的相等时间内位移之差为常数 即 s at2 时间中点的速度等于该段时间内的平 均速度 利用该两个结论 可以求得纸带的加速度和各点的瞬时速度 解 由于各段纸带是等宽的 所以每条纸带的宽度可表示一个时间单位 T 每条纸带 的高度和该单位时间内的平均速度的关系为 而等于时 n sTTn n vTsv nn n vTTn 间中点的速度 即有 这样就是第 n 段纸带上边缘中点的速度 当 n v Tsvv nnn n v 时 纵轴 1cm 高度表示 10cm s 的速度 因此测出各段纸带中点的位置s 1 0 T 1 2 6 便利用这些点可画出速度图象 在图象上相距较远处取 a b 两点 其坐标分 别为 由公式可计算出加速度 a a t a v b t b v abab ttvva 小结 打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器 它接在频率为 50Hz 的交流电源 上使用时 每隔 0 02s 打一个点 因此 纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同 时刻的位置 通过研究纸带上点迹间的距离 就可以确定物体的运动情况 变式训练 1 某同学用如图所示的装置测量重力加速度 g 打下如图所示的纸带 如果在所选纸带上取 某点为 0 号计数点 然后每隔 4 个点取一个计数点 相邻计数点之间的距离记为 s1 s2 s3 s4 s5 s6 4 1 实验时纸带的 端应和重物相连接 选填 A 或 B 2 该同学用两种方法处理数据 T 为相邻两计数点间的时间间隔 方法 A 由 g1 g2 g5 s2 s1 T2 s3 s2 T2 s6 x5 T2 取平均值 g 9 767m s2 方法 B 由 g1 g2 g3 s4 s1 3T2 s5 s2 3T2 s6 s3 3T2 取平均值 g 9 873m s2 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数据 方法 A 中 有 方法 B 中有 因此 选择方法 填 A 或 B 更合 理 2 某同学在 研究匀变速直线运动 的实验中 用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的 运动情况 在纸带上确定出 A B C D E F G 共 7 个计数点 其相邻点间的距离如图所 示 每两个相邻的计数点之间的时间间隔为 0 10s 1 试根据纸带上各个计数点间的距离 计算打下 B C D E F 五个点时小车的瞬时 速度 并将各个速度值填在下面的横线上 要求保留三位有效数字 vB m s vC m s vD m s vE m s vF m s 2 以 A 点为计时零点 将 B C D E F 各个时刻的瞬时速度标在如图所示的坐标纸 上 并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线 5 3 根据第 2 问中画出的 v t 图线 求出小车运动的加速度为 m s2 保留两位 有效数字 例 2 李明同学在做 互成角度的两个力的合成 的实验时 利用坐标纸记下了橡皮筋 的结点位置 O 点以及两只弹簧秤拉力的大小如图甲所示 1 试在图中作出无实验误差情况下 F1和 F2的合力图示 并用 F 表示此力 2 有关此实验 下列叙述正确的是 A 两弹簧秤的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大 B 橡皮筋的拉力是合力 两弹簧秤的拉力是分力 C 两次拉橡皮筋时 需将橡皮筋结点拉到同一位置 O 这样做的目的是保证两次弹簧秤 拉力的效果相同 D 若只增大某一只弹簧秤的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变 只需调整另一只 弹簧秤拉力的大小即可 甲乙 3 图乙所示是张华和李明两位同学在做以上实验时得到的结果 其中哪一个实验比较 符合实验事实 力 F 是用一只弹簧秤拉时的图示 答 4 在以上比较符合实验事实的一位同学中 造成误差的主要原因是什么 至少写出两 种情况 答 分析 本题主要考查验证力的平行四边形定则的实验步骤 原理及结果分析等 解 1 根据平行四边形定则 作出如图所示的合力 2 AC 根据合力与分力的关系 两个分力都可以大于合力 因此两弹簧秤的拉力可以 同时比橡皮筋的拉力大 A 正确 两弹簧秤的拉力是分力 橡皮筋的拉力与两弹簧秤的拉力 的合力等大反向 B 错误 若只增大某一只弹簧秤的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变 只调整另一只弹簧秤拉力的大小不一定能达到效果 有时还要调整方向 D 错误 3 张华做的符合实验事实 4 F1的方向比真实方向偏左 F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左 作 图时两虚线不分别与 F1线和 F2线平行 小结 本实验误差的主要来源除弹簧测力计本身的误差外 还出现读数误差 作图误 6 差 因此读数时眼睛一定要正视 要按有效数字正确读数和记录 两力的对边一定要平行 变式训练 3 探究加速度与物体质量 物体受力的关系 的实验装置如图甲所示 1 在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中 打出了一条纸袋如图乙所示 计时器打点 的时间间隔为 0 02s 从比较清晰的点起 每 5 个点取一个计数点 量出相邻计数点之间的距 离 该小车的加速度 a m s2 结果保留两位有效数字 2 平衡摩擦力后 将 5 个相同的砝码都放在小车上 挂上砝码盘 然后每次从小车上取 一个砝码添加到砝码盘中 测量小车的加速度 小车的加速度 a 与砝码盘中砝码总重力 F 的 实验数据如下表 砝码盘中砝码总重力 F N 0 1960 3920 5880 7840 980 加速度 a m s 2 0 691 181 662 182 70 请根据实验数据作出 a F 的关系图象 3 根据提供的试验数据作出的a F 图线不通过原点 请说明主要原因 7 例 3 某兴趣小组在做 探究做功和物体速度变化关系 的实验时 提出了以下几种猜 想 W v W v2 W 他们的实验装置如图甲所示 PQ 为一块倾斜放置的木板 v 在 Q 处固定一个速度传感器 用来测量物体每次通过 Q 点的速度 在刚开始实验时 有位同 学提出 不需要测出物体质量 只要测出物体初始位置到速度传感器的距离和读出速度传感 器的读数就行了 大家经过讨论采纳了该同学的建议 1 请你简要说明为什么不需要测出物体的质量 2 让小球分别从不同高度无初速度释放 测出物体初始位置到速度传感器的距离 L1 L2 L3 L4 读出小球每次通过 Q 点的速度 v1 v2 v3 v4 并绘制了如图乙所 示的 L v 图象 若为了更直观地看出 L 和 v 的变化关系 他们下一步应怎么做 3 在此实验中 木板与物体间摩擦力的大小会不会影响探究出的结果 为什么 分析 1 因为对物体做的功 W 与物体初始位置到测速器的距离 L 成正比 对物体进 行受力分析可知 受到重力 弹力 摩擦力 合力对物体所做的功为 W mgsin mgcos L 由此可看出 对于一定质量的物体 对物体做的功 W 与物体初 始位置到测速器的距离 L 成正比 因而不需要测量出质量 2 下一步应该绘制 L v2图象由于从 L v 图象上可以看出 L 与 v 的关系不是成正比 关系 为了更好地找出它们之间的关系 可以进一步考虑绘制 L v2图象来研究 3 不会 摩擦力和重力的合力对物体做功也与距离 L 成正比因为整个过程考虑的是摩 擦力和重力的合力所做的功 它们与距离 L 成正比 因而木板与物体间摩擦力的大小不会影 响探究的结果 解 见分析 小结 本题将物理问题和实际问题结合起来 情景新颖 设计巧妙 求解时既要善于 简化物理模型 还要具有观察 探究的综合能力 符合新课标下高考的要求 变式训练 4 有一种能伸缩的圆珠笔 其内装有一根小弹簧 尾部有一个小帽 压一下小帽 笔尖就 伸出 使笔的尾部朝下 如图 8 所示 将笔向下压 使小帽缩进 然后放手 可见笔将向上弹起至一定高度 请你设计一个实验 粗 略测出压笔的小帽时 其内弹簧弹性势能的增加量 要求写出所需 的器材 实验步骤 需要测量的物理量及弹性势能增加量的表达式 例 4 在验证 机械能守恒定律 的实验中 一同学进行如下操作 8 将打点计时器水平固定在铁架台上 将长约 0 5m 的纸带用小夹子固定在重物上后穿过打点计时器 用手提着纸带 使重物 静止在靠近打点计时器的地方 先松开纸带 后接通电源 让重物自由下落 打点计时器就在纸带上打下一系列的点 换几条纸带 重做上面的实验 在打出的纸带中挑选第一 二两点间距接近 2mm 且点迹清楚的纸带进行测量 先记 下 O 点的位置 依次再取四个计数点 A B C D 求出相应位置对应的速度及其下落的高度 将测量数据及计算结果填入自己设计的表格中 根据以上测得的数据计算相应的和的值 验证机械能守恒定律 2 2 1 v n gh 以上操作有错误的是 实验中选出一条纸带如图所示 其中 O 点为起始点 A B C D 为四个计数点 打点 计时器所选用电源是频率为 50的交流电 用最小刻度为 1mm 的刻度尺 测得Hz OA 11 13cm OB 17 69cm OC 25 9cm 这三个数据中不符合有效数据要求的是 在计数点 A 和 B 之间 B 和 C 之间各还有一个点 重锤的质量为 根据以上数据 kgm5 1 当打点到 B 点时重锤的重力势能比开始下落时减少了 这时它的动能是 2 8 9smg 实验中往往出现重锤的重力势能减少量大于动能的增加量 其主要原因是 分析 中应将打点计时器竖直固定在铁架台上 中应先接通电源 后松开纸带 让重物自由下落 到 B 点时重锤的重力势能比开始下落时减少了 B 点JJmghB60 21769 0 8 95 1 的速度为 B 点的动能为 smsm t h v AC B 846 1 04 0 2 10 13 11 9 25 2 2 JmvE BK 56 2 2 1 2 解 OC 2 60J 2 56J 实验中存在阻力 如 空气阻力 振针与纸带 间阻力 小结 以第一点 起始点 为基准进行验证 在实验误差范围内可以认为 Ek Ep 从而验证机械能守恒定律 本例中不仅训练求重力势能的变化量和动能的变化量 而且还对 分析误差的原因等进行了考查 变式训练 5 如图所示 两个质量各为 m1和 m2的小物块 A 和 B 分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端 已知 m1 m2 现要利用此装置验证机械能守恒定律 1 若选定物块 A 从静止开始下落的过程中进行测量 则需要测量的物理 9 量有 物块的质量 m1 m2 物块 A 下落的距离及下落这段距离所用的时间 物块 B 下落的距离及下落这段距离所用的时间 绳子的长度 2 为提高实验结果的准确程度 某小组同学对此实验提出以下建议 绳的质量要轻 在 轻质绳 的前提下 绳子越长越好 尽量保证物块只沿竖直方向运动 不要摇晃 两个物块的质量之差要尽可能小 以上建议中确实对提高准确程度有作用的是 3 写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议 答案 1 或 2 3 例如 对同一高度进行多次测量取平均值 选取受力后相对伸长尽量小的绳子 等等 解析 1 通过连结在一起的 A B 两物体验证机械能守恒定律 既验证系统的势能变化 与动能变化是否相等 A B 连结在一起 A 下降的距离一定等于 B 上升的距离 A B 的速度 大小总是相等的 故不需要测量绳子的长度和 B 上升的距离及时间 2 如果绳子质量不能 忽略 则 A B 组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能 从而为验证机械能守恒定律 带来误差 若物块摇摆 则两物体的速度有差别 为计算系统的动能带来误差 绳子长度和 两个物块质量差应相当 3 多次取平均值可减少测量误差 绳子伸长量尽量小 可减少测 量的高度的准确度 例 5 某兴趣小组为了测量一待测电阻 Rx的阻值 准备先用多用电表粗测出它的阻值 然后再用伏安法精确地测量 实验室里准备了以下器材 A 多用电表 B 电压表 V1 量程 6V 内阻约 10k C 电压表 V2 量程 15V 内阻约 20k D 电流表 A1 量程 0 6A 内阻约 0 2 E 电流表 A2 量程 3A 内阻约 0 02 10 F 电源 电动势 E 9V G 滑动变阻器 R1 最大阻值 10 最大电流 2A H 导线 电键若干 1 在用多用电表粗测电阻时 该兴趣小组首先选用 10 欧姆挡 其阻值如图甲 中指针所示 为了减小多用电表的读数误差 多用电表的选择开关应换用 欧姆挡 按正确的操作程序再一次用多用电表测量该待测电阻的阻值时 其阻值如图乙中指针所示 则 Rx的阻值大约是 2 在用伏安法测量该电阻的阻值时 要求待测电阻的电压从 0 开始可以连续调节 则在上述器材中应选出的器材是 填器材前面的字母代号 在虚线框内画出用伏安法测量该电阻的阻值时的实验电路图 分析 1 选用 10 欧姆挡时指针偏转角度太小 说明挡位选大了 应选用较 小的挡位即 1 欧姆挡 欧姆表读数为表盘读数与挡位的乘积 2 选择电表的依据是安全 准确 因为电源的电动势 E 9V 所以电压表选 B 电流 表选 D 要求待测电阻的电压从 0 开始可以连续调节 所以滑动变阻器采用分压式接法 比较电流表内阻 电压表内阻和待测电阻的大小判定采用电流表外接法 11 解 1 1 9 2 BDFGH 如图所示 小结 这是一道考虑电表内阻对实验影响的实验题 在解决这类问题时 首先弄清楚 电表内阻对实验结果的影响大小 从而有效地选取测量电路 变式训练 6 为了测定一根长为 20 00cm 直径为 0 220mm 的镍铬丝的电阻率 电阻率约为 1 10 6 m 提供下列器材 a 电动势为 15V 的直流电源一个 b 量程为 0 200 A 内阻约为 3 7K 的电流表一个 c 量程为 0 20mA 内阻约为 40 的电流表一个 d 量程为 0 2A 内阻约为 0 4 的电流表一个 e 量程为 0 12V 内阻约为 40K 的电压表一个 f 量程为 O 15V 内阻约为 50K 的电压表一个 g 阻值为 0 10 额定电流为 1A 的滑动变阻器一个 h 阻值为 0 1K 额定电流为 0 1A 的滑动变阻器一个 i 电键一个 j 导线若干 现采用如图所示电路进行测定 为使测量尽量准确 需要选用的器材是 A abfgij B acegij C acehij D abfhij 例 6 用下列器材组成描绘电阻 R0伏安特性曲线的电路 请将图中实物连接成为实验电 路 微安表 A 量程 200 A 内阻约 200 A 12 电压表 V 量程 3V 内阻约 10k 电阻 R0 阻值约 20k 滑动变阻器 R 最大阻值 50 额定电流 1A 电池组 E 电动势 3V 内阻不计 开关 S 及导线若干 分析 由于 0 5 100 可以看出 R0 RA 故采用电流表内接法 画出电路原 RV R0 R0 RA 理图如图所示 把实物与原理图结合起来完成连线 注意电压表 电流表的正 负接线柱 保证电流从正接线柱进从负接线柱出 连线如图所示 解 见分析图 小结 描绘电阻 R0的伏安特性曲线实验中 由于电阻 R0的电阻较大 在电路连接时 应使电流表内接 这样测量的误差较小 为了能较大范围地测量通过 R0的电流和 R0两端的 电压 滑动变阻器应用分压接法 例 7 某同学对实验室的一个多用电表中的电池进行更换时发现 里面除了一节 1 5V 的 干电池外 还有一个方形的电池 层叠电池 如图甲所示 为了测定该电池的电动势和内电 阻 实验室提供了下列器材 A 电流表 G 满偏电流 10mA 内阻 10 B 电流表 A 0 0 6A 3A 内阻未知 C 滑动变阻器 R 0 100 1A D 定值电阻 R0 阻值 990 E 开关与导线若干 1 请根据实验器材 自行设计电路画在方框乙中 2 丙图为该同学根据上述设计的实验电路利用测出的数据绘出的 I1 I2图线 I1为电流 13 表 G 的示数 I2为电流表 A 的示数 则由图线可以得到被测电池的电动势 E V 内阻 r 分析 1 器材中给出了一个内阻已知的电流表 G 和一个定值电阻 R0 可考虑将它们 改装成一个量程为 10V 的电压表 然后用伏安法测层叠电池的电动势和内阻 因电流表 A 的 内阻未知 故需用安培表外接法 电路图见答案 2 由电路结构有 E I1 R0 RG I1 I2 r 由 I1 I2图线知 I1与 I2相差两个数量级 则可认为 I1 I2 I2 故有 I1 I2 再结合 I1 I2图线可得 r R0 RG E R0 RG 9 0mA 1 0 10 2 有 E 9 0V r 10 0 E R0 RG r R0 RG 解 1 电路图 2 9 0 10 0 小结 该实验电路一定要 内接法 则测得的电源电动势和内阻都将减小 但与真 实值非常接近 如果利用 外接法 虽然测得的电源电动势与真实值相同 但测得的电源 内阻将显著变大 变式训练 7 如图所示的电路是某同学自行设计的 利用此图可以测量电池 E 的内阻 r 电池的电动势 未知 图中 A 是电流表 其内阻并不很小 V 为电压表 其内阻亦不很大 R 是一限流电阻 阻值未知 3 个电键 K1 K2 K3都处于断开状态 1 写出测量电池内阻的实验步骤 用适当的符号表示 该步骤中应测量的物理量 2 用所测得的物理量表示电池内阻的表达式为 r 例 8 某课外小组练习使用多用电表测量电阻 他们的操作过程如下 1 将红 黑表笔分别插入多用电表的 插孔 选择开关旋钮转至电阻 10 挡 14 2 将红 黑表笔短接 调节欧姆调零旋钮使指针指零 3 红 黑表笔分别与电阻的两端相连 此时多用电表的示数如图甲所示 接下来他们 的操作步骤应为 A 将选择开关旋钮转至电阻 1 挡 红 黑表笔分别与电阻的两端相连 读出电阻 的阻值 B 将选择开关旋钮转至电阻 100 挡 红 黑表笔分别与电阻的两端相连 读出电 阻的阻值 C 将选择开关旋钮转至电阻 100 挡 红 黑表笔短接 调节欧姆调零旋钮使指针 指零 然后将红 黑表笔分别与电阻的两端相连 读出电阻的阻值 D 将选择开关旋钮转至电阻 1 挡 红 黑表笔短接 调节欧姆调零旋钮使指针指 零 然后将红 黑表笔分别与电阻的两端相连 读出电阻的阻值 4 换挡后多用电表的示数如图乙所示 该电阻的阻值为 5 将选择开关旋至 OFF 挡 取出红 黑表笔 分析 当选用 10 挡 读数如图甲所示 说明读数太小 所选挡位太大 应换用 小倍率挡位 即 1 挡 而且换挡后必须重新进行欧姆调零 故应选 D 图乙的读数为 18 解 3 D 4 18 小结 多用电表欧姆挡的读数应尽量在刻度盘的中央 这样做误差较小 变式训练 8 1 已知用不同的工具测量某物体的长度时 有下列不同的