高中物理实验设计.ppt

2020/5/19,1,高中物理实验,安徽肥西中学：张世伦,2020/5/19,2,2,目录,专题一、基本仪器的使用,专题二、实验设计,2020/5/19,3,力学仪器,电学仪器,专题一、基本仪器的使用及读数规则,2、基本仪器,1、读数规则,游标卡尺、,螺旋测微器、,天平、,秒表、,电压表、,电流表、,多用电表、,滑动变阻器、,电阻箱、,示波器,2020/5/19,4,读数规则1、应了解仪表的构造和原理，会正确操作和读数，会用有效数字记录测量数据,2、测量仪表的读数规则：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。,题目,2020/5/19,6,1、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.,29.8,2020/5/19,7,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,52.12,2020/5/19,8,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，如图所示图示的读数是_mm,104.05,题目,2020/5/19,10,2、千分卡（螺旋测微器）,11.472mm,0.861mm；,3.471mm,7.320mm,2020/5/19,11,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=_103m,0.900,例题,题目,2020/5/19,14,2分7.6秒,3、秒表,2020/5/19,15,1分51.4秒,2020/5/19,16,2分23.4秒,2020/5/19,17,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,题目,2020/5/19,20,1.清楚仪器的量程,2清楚仪器的最小分度,学生用的电流表00.6A挡的最小分度是0.02A，03A挡的最小分度是0.1A,学生用的电压表03V挡的最小分度是0.1V，015V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03V挡读数为，015V挡读数为，,1.90V,9.5V,电流表00.6A挡读数为，03A挡读数为,0.18A,0.90A,读数时：,题目,2020/5/19,22,122,1、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,2020/5/19,23,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,滑动变阻器的使用,2020/5/19,24,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,0U,两种电路比较：,2020/5/19,25,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（1/31/5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。,常规,特殊,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。,f、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。,文字,题目,2020/5/19,28,示波器面板各旋钮的作用,辉度调节旋钮调节图象亮度,聚焦调节旋钮,辅助聚焦调节旋钮,使电子束会聚成一细束，在屏上出现小亮斑，使图象线条清晰。,电源开关,指示灯指示电源通断,2020/5/19,29,示波器扫描原理,根据电子在水平偏转电场中的偏转公式,（U为水平偏转电压）,将如图示的电路接入示波器的x输入和地之间，若滑动头P位于最右端A时，无偏转，亮点在中心，当P从A向B缓慢滑动时，加在示波器上的偏转电压逐渐增大，x逐渐增大，亮点向右移动。,若调换电池的正负极，当P从A向B缓慢滑动时，加在示波器上的偏转电压为负值且逐渐增大，x逐渐增大，则亮点向左移动。,当P从A向B很快地来回滑动时，在示波器的屏幕上出现一条亮线。扫描线,2020/5/19,30,水平偏转板,当水平偏转板上不加电压时，亮点在中央，若加上如图示的锯齿电压时，随着电压的增大，亮点从左向右移动，,第二个周期中，同上移动，若周期T很小，由于眼睛的视觉暂留，在示波器屏幕上出现一条亮线。,2020/5/19,31,根据电子在竖直偏转电场中的偏转公式：,（U为竖直偏转电压）,将如图示的电路接入示波器的Y输入和地之间，若滑动头P位于最右端A时，无偏转，亮点在中心，当P从A向B缓慢滑动时，加在示波器上的偏转电压逐渐增大,y逐渐增大，亮点向上移动。,若调换电池的正负极，当P从A向B缓慢滑动时，加在示波器上的偏转电压逐渐增大，y逐渐增大，则亮点向下移动，,2020/5/19,32,当竖直偏转板和水平偏转板上同时加如图示的正弦电压和锯齿电压时，由位移的合成，,若Tx=Ty则在示波器屏幕上出现一个正弦波。,若Tx=nTy（n为整数）则在示波器屏幕上出现n个正弦波。,2020/5/19,33,1、在没有输入电压的情况下，若将光屏上的亮斑由右侧的A图变为B图应调节，要使B图中的亮斑变成水平亮线应，要使B图中的水平亮线变长应调节.(2)使用示波器观察亮斑在竖直方向的偏移时，扫描范围旋扭应置于,若所给器材如下图，请将下列器材用线连接起来。,竖直位移旋扭,将扫描范围旋扭置于频率较高的挡；,X增益旋扭,外X挡,2020/5/19,34,解题感悟：关于示波器的使用，要熟练掌握面板上所有旋扭的使用方法，注意事项。以前分压线路的考查主要是测量电阻的实验电路，而将示波器连入分压电路还是第一次，此题比较独特、新颖，应引起考生的足够重视。,2020/5/19,35,2008年高考理综北京卷21（1）,2、用示波器观察某交流信号时，在显示屏上显示出一个完整的波形，如图。经下列四组操作之一，使该信号显示出两个完整的波形，且波形幅度增大。此组操作是。（填选项前的字母）A.调整X增益旋钮和竖直位移旋钮B.调整X增益旋钮和扫描微调旋钮C.调整扫描微调旋钮和Y增益旋钮D.调整水平位移旋钮和Y增益旋钮,C,解见下页,2020/5/19,36,示波器面板上旋钮的作用：X增益、Y增益旋钮分别用来调节图像在水平方向和竖直方向的幅度，水平位移、竖直位移旋钮分别用来调节图像在水平方向和竖直方向的位置，扫描微调旋钮在扫描范围旋钮选定的频率范围内，用来连续改变水平方向扫描电压的频率,信号电压加在竖直偏转电极上。,当时即X方向的扫描电压的周期等于Y方向信号电压周期的整数倍（n）时，光屏上才能形成具有n个波长的完整波形的图案（因为当水平方向的扫描电压完成一个周期的变化时竖直方向的信号电压已经完成了n个周期的变化）,解析:,2020/5/19,37,本题还要从一个完整波形变成两个完整波形，就是把中的n从1变成2，即增大水平扫描电压的周期，降低水平扫描的频率，需要扫描微调旋钮实现,本题要使波形幅度增大，需要Y增益旋钮来实现。,综合以上分析选C。,2020/5/19,38,专题二、电路设计,1、测量电路,一、电路设计的原则,二、电路设计,2、控制电路,3、保护电路,三、综合例题,2020/5/19,39,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,2020/5/19,40,1、测量电路(电阻的测量）,方法：,a、伏安法,b、比较法伏安法拓展,c、替代法,d、半偏法,2020/5/19,41,伏安法测电阻,内接、限流RxRA,外接、限流RxRV,测量值大于真实值,测量值小于真实值,2020/5/19,42,例1.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。,Rx,R,2020/5/19,43,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）,A,v,Rx,R,2020/5/19,44,例1、（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。,电压比较法之“伏伏法”测电阻,2020/5/19,45,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,2020/5/19,46,例2、用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值(9001000)电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；电压表V1，量程为1.5V，内阻r1750；电压表V2，量程为5V，内阻r22500；滑线变阻器R，最大阻值约为100；单刀单掷开关K，导线若干。,（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的1/3，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）.,电压比较法之“伏伏法”测电阻,2020/5/19,47,（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。,R,E,K,RX,(3)若电压表V1的读数用U1表示，电压表V2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx。,2020/5/19,48,（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。,R,E,K,RX,(3)若电压表V1的读数用U1表示，电压表V2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx。,2020/5/19,49,例3、（05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=,电压比较法之“伏阻法”测电压表的内电阻,E=U1+U1R1/RV,E=U2+U2R2/RV,2020/5/19,50,为了测量一量程为3V的电压表的内阻RV(约几千欧)，某同学采用了如图甲所示的电路进行测量，电路中电阻箱R0的最大值为9999，滑动变阻器R的最大值为50。,说明该同学的设计依据。,说明实验步骤,伏特表内阻为多少？说明各量物理意义,发散,2020/5/19,51,例4、（08全国卷）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R1=。,6000,E=0.9+0.9R1/1000E=0.7+0.7(R1+2000)/1000,电压比较法之“伏阻法”测电压表的内电阻,2020/5/19,52,电流比较法之安安法测量电阻,（1）电流表A1内阻未知，A2已知时,原理：,如：2000年高考卷,如：2001年全国理综卷,得:r1=I2r2I1,由I1r1=I2r2,（2）两电流表内阻均未知时,等效,由Ir=I1R1,得:r=(I-I)R1I,2020/5/19,53,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1、00年高考：,电流比较法之安安法测电阻,2020/5/19,54,电流表I1m=10mA,r140R1=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。,解：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=I2r2I1,2020/5/19,55,例2、实验室中现有器材如实物图1所示,有电池E,电动势约10V,内阻约1电流表A1,量程10A,内阻r1约为0.2电流表A2,量程300mA,内阻r2约为5电流表A3,量程250mA,内阻r3约为5电阻箱R1,最大阻值999.9,阻值最小改变量为0.1滑线变阻器R2，最大阻值100；开关S；导线若干。要求用图2所示的电路测定图中电流表A的内阻。,（1）在所给的三个电流表中，哪几个可用此电路精确测出其内阻？（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象，在实物图上连成测量电路。（3）你要读出的物理量是。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是。,电流比较法之安安法测电阻,2020/5/19,56,（1）A2、A3（4分，答对其中一个给2分。若答了A1则不给这4分。）,（1）在所给的三个电流表中，哪几个可用此电路精确测出其内阻？（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象，在实物图上连成测量电路。（3）你要读出的物理量是。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是。,2020/5/19,57,R1,R2,E,K,A1,A3,A2,（2）若测r3，实物图如图：（8分，将A2、A3的位置互换不扣分；将A2、A3换成A1，或连线有错，都不给这8分。）,2020/5/19,58,（3）A2、A3两电流表的读数I2、I3和电阻箱R1的阻值R1。,（1）在所给的三个电流表中，哪几个可用此电路精确测出其内阻？（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象，在实物图上连成测量电路。（3）你要读出的物理量是。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是。,4分，计算公式与测量实物图要相符，否则不给这4分。如图不正确也不给这4分。,2020/5/19,59,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。,电流比较法之安阻法测电阻,43,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=_。,E=I1(R1+RA)E=I2(R1+R2+RA),发散：（1）若电源有内阻，能否测量？（2）利用此方法可以测量E，若RA已知，可以测量r。,2020/5/19,60,替代法测电阻,2020/5/19,61,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0300A、内阻约为100（待测）；A2是标准电流表，量程0-200A；R1为电阻箱，阻值范围0999.9；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150A；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150A，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。（）,2020/5/19,62,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=20kR2=5k选B,Rg=92.8,2020/5/19,63,3、半偏法测量电表电阻,电流表半偏法：R1R2R测量Imax=176mA,所以不能用限流式,用电器的额定电流Imax=176mAUmax=2.8v,控制电路之分压式,用限流式最小电流超过额定电流,2020/5/19,73,3、保护电阻：,1保护电阻的估算,2保护电阻放置的位置,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，然后再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。,2020/5/19,74,例1、（09年合肥二模）某同学准备用500A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G1（量程1.0mA，内电阻约100）B电流表G2（量程500A，内电阻约200）C电池组E（电动势为3.0V，内电阻很小）D滑线变阻器R0（025）K四旋钮电阻箱R1（总阻值9999）F保护电阻R2G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,350,估算方法：首先将滑动变阻器触头调到最右边,若保护电阻R2接于图中所示位置，使G1、G2流过最大电流为500A,据此可以算出R2的阻值：,R2=438,2020/5/19,75,：,例2（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。,保护电阻放置的位置和估算,若保护电阻采用如右上图接法且取阻值为R2=47，通过电流表的最大电流Imax=,所以不能用此种接法,若保护电阻改用如右上图接法且取电阻R2=47,通过电流表A1的最大电流Imax=11.8mA10mA,满足要求.,2020/5/19,76,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(0-100A,2k)电流表A2(0-500A,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。,2020/5/19,77,1.安培表内接法和外接法的选择因为RX=25KRA=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（35）RX在分压器电路中，一般滑动变阻器的阻值R（1/31/5）RX,所以选用调节作用范围大的分压电路,2020/5/19,78,3、电压表、电流表的选择,超过两表量