2010年江苏地区高三物理学科基本实验方法探究全国通用

1 基本实验方法探究基本实验方法探究 一 要点分析一 要点分析 1 1 考试说明要求 考试说明要求 能独立完成考试说明书中注明 实验 探究 的内容 明确实验目的 理解原理和 方法 控制实验条件 会使用实验仪器 会观察 分析实验现象 会记录 处理数据 并得出结论 对结 论进行一定的分析和评价 2 2 高考热点 高考热点 1 实验方案的设计 2 实验器材的选择 3 实验数据的处理 4 实验误差的分析 3 3 应对策略 应对策略 要注重实验的实际操作训练 掌握基本的实验方法和原理 明确基本实验仪器使用 的规则 能在实验任务的前提下 结合实际物理情景 确定完成实验目的的途径和方法 设计切实可行的实验方案 二 典型例题二 典型例题 题型一题型一 实验方案的设计实验方案的设计 规律方法规律方法 在明确实验目的的基础上 结合具体的物理实验情境 灵活确定完成 实验目的的途径和方法 例 1 某同学在资料上查得弹簧振子的周期公式为 弹簧的弹性势能 k m T 2 公式 式中k为弹簧的劲度系数 m为振子的质量 x为弹簧的形变量 为 2 2 1 kxE 了验证弹簧的弹性势能公式 他设计了如图 甲 所示的实验 轻弹簧的一端固定在非常 平滑的木板一端 另一端连接一个质量为m的滑块 滑块上竖直固定一个挡光条 每当 挡光条挡住从光源 A 发出的细光束时 传感器 B 因接收不到光线就产生一个电 信号 输入电脑后经自动处理就能形成一 个脉冲电压波形 开始时 滑块静止在平 衡位置恰好能挡住细光束 给滑块一个瞬 时冲量后 振子就振动起来 1 系统振动过程中 在电脑上所形 成的脉冲电压波如图 乙 所示 可知该 2 系统的振动周期 T 2 测得挡光条宽度为d 挡光时间 t 且 t远小于T0 则小球运动的最大动能 Ek 3 如果再测出滑块振动的振幅为A 利用题中提供的两个公式及测出的物理量表示 出系统振动过程中弹簧的最大弹性势能E 解析 通过本实验 在误差范围内如有Ek E 也就验证了弹簧的弹性势能 公式的正确性 1 给滑块一个瞬时冲量后 振子做简谐运动 由图 乙 可知 振子从平衡位置经 又回到平衡位置 所以该系统的振动周期 2 2 滑块在平衡位置时速度最大 由于滑块静止在平衡位置恰好能挡住细光束 且经 过平衡位置时挡光时间很短 所以可用滑块过平衡位置时的平均速度作为滑块的最大速 度 所以小球运动的最大动能 2 2 2 t md Ek 3 当滑块位于最大位移处时 弹簧的弹性势能最大 再根据弹簧振子的 2 2 1 kAE 周期公式计算出弹簧劲度系数 代入公式可得弹簧的最大弹性势能 2 0 22 2T mA ePm 知识链接 实验设计的基本步骤 1 明确目的 实验目的是题目或课题交给我们需要完成的实验任务 是实验设计的出发点 实验 目的明确后 运用所学知识 广泛联系 看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过 与哪些物理现象有关 与哪些物理量有直接的联系 再充分结合题目提供的具体实验情 境和提供的实验仪器来灵活地确定实验的原理 2 选择方案 对于同一个实验目的 可能存在多种实验原理 进而形成多种 可供选择的 设计方 案 一般说来 依据不同的实验原理选择不同的实验方案主要遵循四条原则 1 科学性 设计的方案有科学的依据和正确的方式 符合物理学的基本原理 2 可行性 按设计方案实施时 应安全可靠 不会对人身 器材造成危害 所需装 置和器材要易于置备 且成功率高 3 精确性 在选择方案时 应对各种可能的方案进行初步的误差分析 尽可能选用 精确度高的方案 4 简便 直观性 设计方案应便于操作 读数 便于进行数据处理 便于实验者直 观 明显的观察 题型二题型二 实验器材的选实验器材的选择择 规律方法规律方法 根据具体的物理实验情境 结合仪器使用的规则和仪器本身的规格选 择恰当的实验器材 并能在具体的问题当中能灵活的迁移运用 如电流表可作电压表使用 3 电学实验中会根据电流表和电压表和内阻及待测电阻的大小判断电流表内外接法 能够通过计算选择电流表和电压表的量程 当要求测量的电压和电流从零连续变化或者 当滑动变阻器阻值太小不能起到有效保护的作用时必须采用滑动变阻器的分压接法 例 2 某同学在实验室测汽车电热器R 的电功率 此电热器额定电压为 12 V 车用 蓄电池输出的最高直流电压 该同学用学生电源代替蓄电池 输出电压为 16 V 导线 开关等已经备齐 供选择的器材还有 A 电流表 0 3 A 0 1 B 电流表 O 0 6 A 10 C 电压表 O 3 V 1 k D 电压表 0 15 V 30 k E 滑动变阻器 0 10 0 5 A F 滑动变阻器 0 一 10 2 A 该同学测量的数据记录如下 U VO2 23 0 5 O 8 0 lO O 12 0 I A00 150 200 300 400 450 50 1 合理选择使用的器材 电流表选 电压表选 滑动变阻器选 填 序号 2 画出合理的测量电路图 3 在图中的坐标纸上作出U I图象 4 电热器的额定功率为 W 解析 1 要测汽车电热器Rx的电功率 根据提供的实验仪器 只需测出其两端 的电压U和流过的它电流I 便可得到电热器Rx的电功率P UI 由题意及记录数据可知 电热器额定电压为 12 V 流过电流表的最大电流为 0 5 A 所以电流表选 B 电压 G 表 选 D 滑动变阻器选 F 2 电热器电阻约为 20 与电流表内阻 接近 所以选用电流表外接法 且要求电热器 中电流从 0 开始连续变化 应选变阻器的分压 接法 测量电路如图所示 3 把记录数据点放到U I坐标系中 描 点连线得到U I图象如图所示 4 电热器额定电压为 12 V 此时流过电热器的额定电流为 0 5 A 所以电热器的 额定功率为 6 W 知识链接 电学实验器材主要是电表 滑动变阻器 电源等器材 选择实验器材 一般要考虑四个方面因素 1 安全因素 通过电源 电阻和电表的电流不能超过其允许的最大电流 2 误差因素 选用电表量程应考虑尽可能减小测量值的相对误差 电压表 电流 表在使用时尽可能使指针接近满量程 其指针应偏转到满偏度的 1 3 以上 使用欧姆表 时宜选用指针尽可能在中间刻度附近的倍率挡位 4 3 便于操作 选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围要既能满足实验 要求 又便于调节 在实验过程中 应使其大部分电阻线都用到 4 实验要求 除以上三个因素外 还应注重实验实际 如电压是否能从零开始起 调 所给电源与用电器是否匹配等 题型三题型三 实验数据的处理方法实验数据的处理方法 规律方法规律方法 要明确实验数据处理的常用方法 在实际实验中要根据具体的实验问 题和实验要求灵活地选择数据处理方法 例 3 用如图所示的装置做 探究机械能守恒定律 实验时 如果认为 g 10 m s2 打点计时器打点周期为T 0 02 s 则 1 关于纸带的第一点和第二点的距离大小及形成的原因 下列说法中正确的是 不 考虑阻力影响 A 若第一点和第二点的距离大于 2 mm 则表明在开始打点前就将纸带由静止释放 B 若第一点和第二点的距离大于 2 mm 则表明在开始打点后才将纸带由静止释放 C 若先开始打点后释放纸带 则不可能出现第一点和第二点距离大于 2 mm 的情况 D 若先开始打点后释放纸带 则不可能出现第一点和第二点距离小于 2 mm 的情况 2 该同学已经测得纸带上所打出的各点与打出的第一点即 0 的距离 并列入下表 线段 0A OB OC OD OE OF OG 代号 dl d2 d3 d4 d5 d6 d7 长度 cm 19 56 23 51 28 43 33 10 38 25 44 02 50 12 为了尽量准确地测出打 D 点时重锤的运动速度 他应采用的计 算公式是 计算的结果是 m s 保留 D v 三位有效数字 解析 1 不考虑阻力影响时 重物做自由落体运动 根据 运动学公式h gt 2 可知 如打下第一个点时纸带的速度为零 则第一个点与第二个 点的距离为 2 如果先打点后放纸带 则打下第一个点时纸带的速度肯定为零 打下 第二个点时重物下落的时间 0 02 s 两点间的距离s 2 如第一个点与第二个 点的距离大于 2 则表明打下第一个点时纸带的速度不为零 即先放纸带后打点 A C 正确 2 实验时 由于不可避免的存在阻力 所以不能用运动学公式来计算某一gtv 点的速度 而应利用纸带上记录的数据求得某点的瞬时速度 m s46 2 2 2 35 TddTDECDvD 知识链接 实验数据的处理方法主要有以下几种 1 直接比较法 有些实验 只需通过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 可应用直接比较法来进行数据处理 5 2 平均值法 通常在同样的测量条件下 对于某一物理量进行多次测量的结果不会 完全一样 用多次测量的算术平均值作为测量结果 是真实值的最好近似 3 列表法 实验中将数据列成表格 可以简明地表示出有关物理量之间的关系 便 于检查测量结果和运算是否合理 有助于发现和分析问题 列表法常与图象法一起应用 且列表法常常是图象法的基础 4 图象法 选取适当的自变量 通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系 并便于找出其中的规律 确定对应量的函数关系 5 描迹法 描迹可形象直观地直接反映实验结果 如实验 研究平抛物体的运动 电场中等势线描绘 均采用了描迹法 题型四题型四 实验误差的分析 实验误差的分析 规律方法规律方法 要明确实验误差的来源 并能在实验中通过控制 改进实验条件和合 理的数据处理来减小实验误差 例 4 伏安法 测电阻时 由于电压表 电流表内阻的影响 使得测量结果总 存在误差 而按如图所示电路进行测量 则由电压表 电流表内阻所造成的误差可消 除 1 在答题纸相应的横线上简要写出还未完成的主要操作步骤 并用字母表达出相应 的测量值 闭合电键s1 电键s2接 2 调节RP和RP 使电压表和电流 表的读数尽可能大 读出电流表和电压表读数I2 U2 保持RP不变 2 推导出待测电阻Rx的表达式 解析 本实验的目的是为了消除电压表 电流表内阻所造成的 误差 根据实验环境 实验原理是测出电流表和变阻器Rp的电阻和 再得到被测电阻 R 的阻值 1 实验过程为 闭合电键s1 电键s2接 2 调节RP和RP 使电压表和电流表的读 数尽可能大 读出电流表和电压表读数I2 U2 再把s2接 1 闭合s1 调节RP 使伏 特表 安培表读数尽可能大 并读出数值I1 U1 2 根据欧姆定律有 所以 PAx RRR I U 2 2 PA RR I U 1 1 1 1 2 2 I U I U Rx 方法技巧 1 本实验通过两次测量 第一次先得到的总阻值 第二 PAx RRR 次得到的阻值 从而巧妙消除了电压表 电流表内阻所造成的误差影响 得到 PA RR 了较为精确的Rx的值 2 减小实验误差的常用方法 1 校准测量仪器 如电表 天平等使用前应先调零校准 2 恰当选择仪器的量程和精确度 3 改进实验方法 完善实验原理 6 4 多次测量求平均值可有效的减小偶然误差 5 恰当的数据处理方法可有效的减小实验误差 知识链接 1 系统误差和偶然误差 测量值总是有规律地朝着某一方向偏离真值 总是偏大或总是偏小 的误差 称为系统误差 系统误差的主要来源是仪器本身不够精 确 或实验原理 方法不够完善等 偶然误差总是有时偏大 有时偏小 并且偏大和偏 小的几乎机会均同 减小偶然误差的方法 可以多进行几次测量 求出几次测量的数值 的平均值 这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值 而系统误差不能通过多测 几次求平均值的方法以来减小 只能通过提高提高仪器的精确程度或改变实验原理 完善 实验方法来实现 2 绝对误差和相对误差 设某物理量的真值为 A0 测量值为 A 则绝对误差 相对误差为 真值 常以公认值 理论值或多次测量的平均值 0 AA 0 0 0 A AA A 代替 三 三 巩巩固固训练训练 1 现有一阻值为R 10 0 的定值电阻 一个电源 一个电键 若干根导线和一个电 压表 该电压表表面上有刻度但无刻度值 请设计一个能粗略测定上述电源内阻的实验 方案 已知电压表内阻很大 电压表量程大于电源电动势 要求 1 画出实验电路图 2 简要写出完成接线后的实验步骤 3 写出用测得的量计算电源内阻的表达式 2 在 用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻 的实验中 现备有以下器材 A 干电池 l 节 B 滑动变阻器 0 50 C 滑动变阻器 0 10 k D 电压表 0 3 V 5 k E 电压表 0 15 V 25 k F 电流表 0 0 6 A 1 G 电流表 O 一 3A 0 1 H 电键 导线若干 1 其中滑动变阻器应选 电流表应选 电压表应选 2 为了最大限度地减小实验误差 画出该实验合理的电路图 3 某同学记录的实验数据如下表所示 根据这些数据在图中画出U I 图线 根据图 线得到被测电池的电动势E V 内电阻r 物理量123456 A 0 050 10 O 20O 25O 30 0 40 U V 1 451 401 321 271 221 13 7 3 某学生把一捆重量为 50 N 的书籍带回家 上电梯时把书放在电梯地板上 电梯 直达小明家所在楼层 每层楼高约 3 米 书随电梯竖直向上运动过程中速度的变化情况如 下表所示 电梯的启动和制动过程可以看做是匀变速直线运动 时间 O12345678910ll12 速度 m s 02 04 0 5 O 5 0 5 O 5 O 5 0 4 O 3 02 01 00 由上表中的数据可以推测出 2 3 秒时书对电梯地板的压力为 N 根据数据分 析可得知小明家最有可能住在 楼 4 用伏安法测一节干电池的电动势和内电阻 伏安图象如图所示 根据图线回答 1 干电池的电动势和内阻各多大 2 图象上a点对应的外电路电阻是多大 电源此时内部热耗功率是多少 3 图象上a b两点对应的外电路电阻之比是多大 对应的输出功率之比是多大 4 在此实验中 电源最大输出功率是多大 5 电路图中 E 为电源 其电动势为E R1为滑动变阻器 R2为电阻箱 A 为电流 表 用此电路 经以下步骤可近似测得 A 的内阻RA 闭合 S1 断开 S2 调节R1 使电 流表读数等于其量程I0 保持R1不变 闭合 S2 调节R1 使电流表读数等于I0 2 然后读出R2 的值 取RA R2 1 真实值与测量值之差除以真实值所得比值叫做测量结果的相对误差 即 A A R RR 2 试导出它与电源电动势E 电流表量程 0及电流表内阻R 的关系式 2 若已知Io 10 mA 真实值R 约为 30 要想使测量结果的相对误差不大于 5 电源电动势最小应为多少伏 6 有一小灯泡标有 4 8V 2W 的字样 现在测定小灯泡在不同电压下的电功率 并作出小灯泡的电功率P与它两端的电压U2的关系曲线 有下列器材可供选用 A 电压表 V1 0 3V 内阻 3K B 电压表 V2 0 15V 内阻 15K C 电流表 A 0 0 6A 内阻约 1 D 定值电阻R1 3K E 定值电阻R2 15K F 滑动变阻器R 10 2A G 学生电源 直流 6V 内阻不计 H 开关 导线若干 8 1 实验中所用的电压表应选用 定值电阻用选用 2 为尽量实验误差 并要求从零开始多取几组数据 请在方框内画出满足实验要 求的实验电路图 3 得用上述实验电路图测出的电压读数 UV 与此时小灯泡两端的电压U的定量关 系是 下图的四个图象中可能正确的是 参考答案 1 由于电压表内阻很大 所以可以直接把电压表接在电源两端测电源的电动势 再 利用电压表测出定值电阻两端电压 便可得到电源内阻r与定值电阻R的比例大小关 系 虽然电压表表面上无刻度值但表面上有刻度 由于电压表表盘上的刻度是均匀变化 的 所以可求得电源的内阻 1 实验电路原理图如图所示 2 断开电键 记下电压表指针偏转格数N 合上电键 记下电 压表指针偏转格数 2 3 电源电动势E 电阻R两端电压为U 根据电路 图连接关系有 E r U R 故 l一 2 2 1 B F D 干电池允许通过的最大电流一般不超过 0 5 A 电流表应选 F 干电池的电动势在 1 5V 左右 电压表应选 D 干电池内阻一般不是很大 所以选用变阻 器 B 便可完成实验 2 电流表内阻与干电池内阻接近 为 了最大限度地减小实验误差 应采用电流 表相对干电池外接法 实验电路如图所 示 3 作出U I图线如图所示 从U I图 线上可以直接读出电源的电动势约为 1 5 V 图线的斜率即为电源的内阻