实验专题.docx
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实验专题
实验专题
一、知识网络构建
二、实验数据记录与处理
1.系统误差和偶然误差
（1）系统误差的特点是测量值总是有规律地朝着某一方向偏离真实值（误差总是偏大或总是偏小）．系统误差的主要来源是仪器本身不够精确、实验原理方法不够完善．
（2）偶然误差是由于偶然因素的影响，造成测量值的无规则起伏，有时偏大、有时偏小．可用多次测量求平均值的方法减小偶然误差，平均值比某一次测得的数值更接近于真实值．
2．有效数字：
带有一位不准确数字的近似数字．
（1）凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值（可靠数字）后，再向下估读一位（不可靠数字），不受有效数字位数的限制，间接测量的有效数字，运算结果可用2～3位有效数字表示；
（2）1分度、2分度下估一位，5分度本位估读；
（3）游标卡尺、秒表、电阻箱不估读。
三、力学实验中测量方法
待测量
测量工具
方法说明
长度
刻度尺
毫米刻度尺精度为1mm，读数时应估度到0.1mm
游标
卡尺
①读数方法：
测量值＝主尺上指示的毫米数＋精度×游标尺对齐的格数
②精度：
10分度的游标卡尺精度为0.1mm，20分度的游标卡尺精度为0.05mm，50分度的游标卡尺精度为0.02mm，游标卡尺不估读
螺旋
测微器
①读数方法：
测量值＝主尺上指示的毫米数（注意半毫米刻线是否露出）＋精度×转动圆筒上与主尺中心刻线所对刻度值（注意刻度值要估读）
②精度：
螺旋测微器精度为0.01mm
时间
打点计时器
光电计时器
①t＝nT（n表示打点的时间间隔的个数，T表示打点周期）
②打点周期与所接交流电周期相同
光电计时器能自动记录挡光时间，显示在读数窗口
力
弹簧测力计
力的大小＝精度×指针指示的格数（注意估读）
速度
打点纸带
若纸带做匀变速直线运动，则打某点时的瞬时速度等于对应的平均速度
频闪照相
（利用等时间间隔照片信息记录物体在不同时刻的位置）同上
光电门
①v0＝
（d表示滑块上挡光片的宽度，Δt表示挡光片挡光时间）
②由于挡光片的宽度很小，在这里可用平均速度表示其瞬时速度
加速度
打点纸带
（频闪照相）
若纸带做匀变速直线运动，则a＝
或a＝
光电门
若纸带做匀变速直线运动，则a＝
（v1、v2分别表示通过光电门测得的滑块在t1、t2两个时刻的速度，Δt表示对应的时间）
四、实
验创新与设计
五、典例分析
题型一：
测量性实验
测量可分为直接测量和间接测量，高中物理实验涉及的测量性实验大多为间接测量实验，即先直接测量与待测量相关的物理量，然后通过推导计算间接得到待测量，联系起直接测量量和待测量的关系是该实验的实验原理．
图5－11－2
例1利用如图5－11－2所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度．一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动．当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离x，记下相应的t值；所得数据如下表所示．
x/m
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
0.950
t/ms
292.9
371.5
452.3
552.8
673.8
776.4
/（m·s－1）
1.71
1.62
1.55
1.45
1.34
1.22
完成下列填空和作图：
（1）若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度v1、测量值x和t四个物理量之间所满足的关系式是________；
（2）根据表中给出的数据，在图5－11－3给出的坐标纸上
画出
－t图线；
（3）由所画出的
－t图线，得出滑块加速度的大小
为a＝________m/s2（保留2位有效数字）．
图5－11－3
变式题物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的
动摩擦因数．实验装置如图5－11－4所示，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接．打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz.开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点．
（1）图5－11－5给出的是实验中获取的一条纸带的一部分：
0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还
有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．根据图中数
图5－11－4
据可计算出加速度a＝____m/s2（保留三位有效数字）．
图5－11－5
（2）为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有__．（填入所选物理量前的字母）
A．木板的长度LB．木板的质量m1C．滑块的质量m2
D．托盘和砝码的总质量m3E．滑块运动的时间t
（3）滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________（用被测物理量的字母表示，重力加速度为g）．与真实值相比，测量的动摩擦因数________（选填“偏大”或“偏小”）．写出支持你的看法的一个论据：
______________.
题型二验证性实验
解决验证性实验相关问题的关键是根据题目给定的实验条件、实验过程、实验情景领会命题意图，找出实验中应测定的物理量，明确在误差允许的范围内通过怎样的定量关系才能达到实验目的
图5－11－6
例2现要通过实验验证机械能守恒定律．实验装置如图5－11－6所示：
水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，x表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度．用g表示重力加速度．完成下列填空和作图：
（1）若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减少量可表示为____，动能的增加量可表示为____．若在运动过程中机械能守恒，
与x的关系式为
＝______.
（2）多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A点）下滑，测量相应的s与t值，结果如下表所示：
1
2
3
4
5
x/m
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
t/ms
8.22
7.17
6.44
5.85
5.43
/104s－2
1.48
1.95
2.41
2.92
3.39
以x为横坐标，
为纵坐标，在图5－11－7的坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k＝________×104m－1·s－2（保留3位有效数字）．
图5－11－7
变式题图5－11－8为验证牛顿第二定律的实验装置示意图．图中打点计时器的电源为50Hz的交流电源，打点的时间间隔用Δt表示．在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”．
（1）完成下列实验步骤中的填空：
①平衡小车所受的阻力：
小吊盘中不放物块，调整木板右端的高度，
用手轻拨小车，直到打点计时器打出一系列______的点．
②按住小车，在小盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码．
③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有一系列点的纸带，在纸带上标出小车中砝码的质量m.
④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③.
⑤在每条纸带上清晰的部分每5个间隔标注一个计数点，测量相邻计数点的间距s1，s2，…求出与不同m相对应的加速度a.
图5－11－8
⑥以砝码的质量m为横坐标，
为纵坐标，在坐标纸上作出
－m关系图线．若加速度与小车和砝码的总质量成反比，则
与m应成________（选填“线性”或“非线性”）关系．
（2）完成下列填空：
（ⅰ）本实验中，为了保证在改变小车中砝码的质量时，小车所受的拉力近似不变，小吊盘和盘中物块的质量之和应满足的条件是________．
（ⅱ）设纸带上三个相邻计数点的间距为x1、x2和x3.a可用x1、x3和Δt表示为a＝________．图5－11－9为用米尺测量某一纸带上的x1、x3的情况，由图可读出x1＝________mm，x3＝________mm，由此求得加速度的大小a＝________m/s2.
图5－11－9
（ⅲ）图5－11－10为所得实验图线的示意图．设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿第二定律成立，则小车受到的拉力为________，小车的质量为________．
图5－11－10
题型三探究性的实验
探究性实验要求学生将自己掌握的物理知识和实验技能创造性地应用到新的实验情境中，由题给条件自行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律．
图5－11－11
例3某兴趣小组在做“探究动能定理”的实验前，提出了以下几种猜想：
①W∝v，②W∝v2，③W∝
.他们的实验装置如图5－11－11所示，PQ为一块倾斜放置的木板，在Q处固定一个速度传感器，物块从斜面上某处由静止释放，物块到达Q点的速度大小由速度传感器测得．为探究动能定理，本实验还需测量的物理量是________；根据实验所测数据，为了直观地通过图象得到实验结论，应绘制________图象．
变式题探究弹力与弹簧伸长量的关系．
（1）将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹簧一侧，弹簧轴线和刻度尺都应在________（选填“水平”或“竖直”）方向．
（2）弹簧自然悬挂，待弹簧________时，长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时，长度记为Lx；在砝码盘中每次增加10g砝码，弹簧长度依次记为L1至L6，数据如下表：
代表符号
L0
Lx
L1
L2
L3
L4
L5
L6
数值（cm）
25.35
27.35
29.35
31.30
33.4
35.35
37.40
39.30
表中有一个数值记录不规范，代表符号为_____．由表可知所用刻度尺的最小分度为____．
（3）图5－11－12是该同学根据表中数据作的图，纵轴是砝码的质量，横轴是弹簧长度与________（选填“L0”或“Lx”）的差值．
图5－11－12
（4）由图可知弹簧的劲度系数为________N/m；通过图和表可知砝码盘的质量为________g（结果保留两位有效数字，重力加速度取9.8m/s2）．
变式题某实验小组利用光电计时器探究物块沿倾斜气垫导轨下滑
过程中重力做功与动能的关系，装置如图5－11－17甲所示，让小物块从倾斜气垫导轨顶端滑下，测得小物块通过A、B光电门的时间分别为t1和t2.AB之间的距离为L，遮光板的宽度为d，斜面的倾角为α，重力加速度为g.
（1）图乙表示用螺旋测微器测量物块上遮光板的宽度d，由此读出d＝________mm.
图5－11－17
（2）探究小物块沿倾斜气垫导轨下滑过程中重力做功与动能的关系，实验数据满足的关系式为____（用实验测定的物理量对应的字母表示）．
电学实验设计
电学设计性实验是近几年高考试题中常出现的题型之一，其灵活性较强，难度也较人，这类试题要求学生在对课本中的实验原理、方法有透彻理解的基础上，能止确使削仪器及运用实验中学过的方法综合分析解决新的实验问题。
本文拟对电学实验没计的基本原则和基本思想及常用方法进行系统的介绍，并对相应问题进行归类分析。
一、一个“中心”
物理电学实验是每年高考的必考内容，其考查形式多样，题型也变化多端。
然而，万变不离其宗，几乎所有题型都围绕着一个核心问题，即测电阻，如测电表的内阻、测电源的内阻等。
二、两个“基本点”
在各种实验考查题中，解决问题的最终落点多在于测量电路的选择和供电电路的选择上。
（一）测量电路的选择
电流表接入电路的方式有两种：
外接法和内接法．无论采用哪种接法，由于电表内阻的影响，都存在测量误差。
为了减少误差，常采用如下方法选择电路：
1．临界值计算法
当内、外接法相对误筹相等时有Rx＝
.
（1）当Rx>>RA或Rx＞
时，选择内接法
（2）当Rx<时，选择外接法；
（3）当Rx＝
时，内、外接法均可。
2．试触法
在Rx、RA、Rv均未知的情况下，可用试触法选择电路。
如图1所示。
将开关S分别接触a、b两点，设接触a、b两点时，电流表示数分别为Ia、Ib，电压表示数分别为Ua、Ub。
当
＞
时，选用内接法；当
＜
时，选用外接法。
（二）供电电路的选择
供电电路一股由电源和滑动变阻器按一定的连接方式组成。
在供电电路中，滑动变阻器有两种接法：
如图2所示为限流式，图3为分压式。
限流式少了一个耗电支路，具有节省电能、电路连接简单的优点；而分压电路的优点是电压可调范围较人。
一股情况下，两种接法的选择费从以下几方向综合考虑：
（1）若负载阻值远大于滑动变阻器的总阻值，则滑动变阻器限流作用弱，若用限流式接法，电表指针在滑动变阻器阻值改变后偏转不明显，无法测得多组数据，故应采用分压式接法；若电阻的阻值与滑动变阻器的总电阻相差不大，分压式、限流式都可以。
（2）若要求负载上的电压或电流从零开始连续变化，必须用分压电路。
（3）两种电路均可的情况下，若要求电源消耗功率小，必须用限流电路。
三、设计电路的三条原则
从设计电路的要求米看，常以下列三条原则为依据来设计电路：
（一）安全性
无论电路是何种连接方式，首先要保证所用仪器的安全，如要考虑电源的电压、电表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流等．即选择电表时，要保证其电流和电压均不超量程；选择滑动变阻器时，流经滑动变阻器的电流不能超过允许通过的最大电流。
（二）精确性
尽量减小实验误差．选择电表时，应在保证电流和电压均不超过量程的前提下，合理选择电表规格，如指针偏转一般应达到满刻度的2/3；选择滑动变阻器时，应注意其阻值大小对实验操作与实验过程的影响．
（三）方便性
在保证实验正常进行的前提下，选用的电路和器材应便于操作，所得实验数据要便于处理．
以上是设计电路时必须遵循的原则，在满足以上原则的同时，应尽可能节省器材、节约能源．
四、定值电阻的五种作用
电学设计实验中，给定器材中往往有定值电阻，而定值电阻的作用教材中却很少涉及，所以，
在此简单归纳总结定值电阻的应用，供人家参考。
（一）用于改装电表或扩大已有电表的量程
常见情况有三类：
（1）将电流表改装为电压表；
（2）扩大电流表量程；（3）扩大电压表量程。
1．为了测定一节干电池的电动势和内阻，在实验中备有下列器材：
干电池（电动势纸为1.5V，内阻小于1.0Ω）；
电流表G（满偏电流1.5mA，内阻值RG＝20Ω）；
电流表A（0～0.6A，内阻0.1Ω）；
滑动变阻器R1（0～20Ω，10A）；
滑动变阻器R2（0～100Ω，1A）；
定值电阻R3＝980Ω，开关，导线若干。
请你画出利用本题所提供的器材而设计的实验电路图（实验数据要求尽量准确）
（二）用于保护电路
S
2．现有一特殊的电池，其电动势E约为9V，内阻r在35～55Ω范围内，允许通过的最大电为50mA。
为测定该电池的电动势和内阻，某同学利用如图所示的电路进行实验。
图中电压表内电阻很大，对电路的影响可以忽略；R为电阻箱，阻值范同为0～9999Ω。
R0是定值电阻，实验室备有固定阻的电阻R0有以下几种规格：
A．10Ω2.5WB．50Ω1.0W
C．150Ω1.0WD．1500Ω5.0W
本实验应选用___________，其作用是______________。
（三）用来增大待测量，减少实验误差
3．在“测电源电动势和内阻”的实验中，实验室提供了下列器材：
电压表V1（0～3V），电压表V2（0～15V）；
电流表A1（0～0.6A），电流表V2（0～3A）；
滑动变阻器R1（0～10Ω，2A）；
滑动变阻器R2（0～100Ω，0.5A）
阻值为1Ω的标准定值电阻R0；
开关1只，导线若干。
己知待测电源为电动势约2V，内阻约0.1的蓄电池，为了使测量出的电动势和内阻都尽可能准确，实验时电压表应选________，电流表应选_________，滑动变阻器选__________，请画出本实验的电路图，并简要说明你的理由。
（四）已知电流的定值电阻可当作电压表使用
4．现欲测量某一电流表A的内阻r1，给定器材有：
A．待测电流表A（量程300A，内阻r1约为100Ω）
B．电压表V（量程3V，电r2=1kΩ）
C．电源E（电动势4V，内阻忽略不计）
D．定值电阻R1＝10Ω
E．滑动变阻器R2（阻值范同0～20Ω，允许通过的最人电流0.5A）
F．开关S一个，导线若干
要求测量时两块电表指针的偏转均超过量程的一半。
（1）画出测量电路原理图；
（2）电路接通后，测得电压表读数为U，电流表读数为I，用电流表内阻r1＝___________。
（五）已知电压的定值电阻可当作电流表使用
5．测量一电压表的内阻，给定的器材有：
A．待测电压表（量程2V，内阻约4kΩ）
B．电流表量程1.2mA，内阻约500Ω
C．直流电源E约2.4V，内阻不计
D．定值电阻3个：
R1=4000Ω，R2=10000Ω，R3=15000Ω
开关及导线若干。
要求测量时两电表指针偏转均超过量程的一半。
试从3个固定电阻中选用一个与其他器材一起组成测量电路。
画出原理图。
五、测电阻的六种方法
1．欧姆表直接测量法
利用多用电表欧姆挡来测量电阻是最简单的方法，但这种方法只能对电阻进行粗测，为下一步的精确测量提供一个参考依据。
应用多用电表测电阻时应注意：
（1）因流经表头的电流与被测电阻的阻值是非线性关系，故欧姆表刻变是不均匀的；
（2）红黑表笔短接时被测电阻为零，流经电流计的电流最大，故电阻的零刻度线在表头的右端（电流计指针满偏处）；当红黑表笔断开时，流经电流计的电流为零，指针位置为欧姆刻度的无穷大处（表头左端是电流为零处），故当表头指针偏转角度较小时，可能是所选倍率小或被测电阻阻值较大；（3）多用电表测电阻时，当针在中央附近时误差较小，所以应选择合适的倍率，但更换不同倍率的挡位时必须重新进行欧姆调零；（4）因多用电表作欧姆表使用时内部有电源，故使用时被测电阻要与其他远件和电源断开，两手也不能同时接触两表笔的金属部分，如图1所示。
2．伏安法
伏安法测电阻是高中最常用的电阻测量方法之一。
测量原理是欧姆定律（包括部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律），需要的基本测量仪器是电压表和电流表。
当然，伏安法也有变式。
若没有合适的电流表时，可用内阻的电压表作电流表用；没有合适的电压表时，已知内阻的电流表作电压表用。
（即两表一箱原理）
内阻已知则Rx＝
＝
Rv1
内阻已知则Rx＝
3．替代法
替代法测电阻是一种简捷、精确度高的方法。
没有系统误差，但要完成实验必须有电阻箱，单刀双掷开关。
（1）如图所示，S接1，调节R0，使电流表偏至满偏度的1/2以上，记下电流值I；S接2，调节电阻箱R，使电流值仍为I，则Rx＝R。
（2）如图所示，S接1，调节R0，使电压表偏至满偏刻度的1/2以上，记下电压值U；S接2，调节电阻箱R，使电压值仍为U，则Rx＝R。
4．比值法
在电阻测量中，如有可以作为标准的已知电阻，可以采用比值法测电阻。
例如图所示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500Ω）。
图中两只电压表量程相同，内阻都很大，实验步骤如下：
①调节电阻箱，使它的阻值R0与待测电阻的阻值接近；将滑动变阻器的滑片调到最右端；
②合上开关S；
③将滑动变阻器的滑片向左端滑动，使两个电压表指针都有明显偏转；
④记下两个电压表V1和V2的读数U1和U2；
⑤多次改变滑动变阻器滑片的位置，记下电压表V1和V2的多组读数U1和U2；
⑥求Rx的平均值。
（1）根据实物连线图在虚线框内画出实验的电路原理图（电阻箱的符号为，滑动变阻器的符号为，其余器材用通用的符号表示）；
（2）不计电压表内阻的影响，用U1、U2和R0表示Rx的公式为Rx＝_____________；
（3）考虑电压表内阻的影响，用U1、U2、R0、V1的内阻r1、V2的内阻r2表示Rx的公式为
Rx＝_____________。
5．半偏法
（1）半偏法测电流表内阻：
用如图所示的电路测量电流表G的内阻。
①断开S2，闭合S1，调节R，使G表满偏为I0；
②保持R不变，闭合S2，调节R’，使电流表读数为I0；
③综上得Rg＝R’
注意：
当R>>Rg时，测量误差小，此方法适合测小阻值电流表内阻，
且测量值偏小，电源电动势宜大一些，以便于电流计达到满偏。
（2）半偏法测电压表内阻，如图所示，测电压表
的内阻方法如下；
①将滑动变阻器的滑片P滑到最右端，电阻箱R的阻值调到最大；
②闭合S1、S2，调节R，使电压表示数指到满刻度；
③断开S2，保持R不变，调节R’，使电压表示数指到满刻度的一半；
④综上可行RV＝R’。
6．惠斯通电桥法
电桥法是一种较精确测量电阻的方法，但这种方法在教学中很少用到。
电路如图所示．
（1）原理：
当A、B两点的电势相等时，通过电流计G的电流强度IR＝0，此时称为电桥平衡（可通过调节R3的值来实现）。
根据分压定律可知：
＝
Rx=
．
（2）变形：
由于电阻箱阻值不能连续变化，可能导致无法使IR＝0，所以可结合图改进电路（阴影部分为金属丝），由上述原理可知：
Rx＝
R0．
1.某同学在进行扩大电流表量程的实验时，需要知道电流表的满偏电流和内阻．他设计了一个用标准电流表G1来校对待测电流表G2的满偏电流和测定G2内阻的电路，如图5－12－1所示．已知G1的量程略大于G2的量程，图中R1为滑动变阻器，R2为电阻箱．该同学顺利完成了这个实验．
（1）实验过程包含以下步骤，其合理的顺序依次为
__________________（填步骤的字母代号）；
A．合上开关S2
图5－12－1
B．分别将R1和R2的阻值调至最大
C．记下R2的最终读数
D．反复调节R1和R2的阻值，使G1的示数仍为I1，使G2的指针偏转到满刻度的一半，此时R2的最终读数为r
E．合上开关S1
F．调节R1使G2的指针偏转到满刻度，此时G1的示数为I1，记下此时G1的示数
（2）仅从实验设计原理上看，用上述方法得到的G2内阻的测量值与真实值相比____________（选填“偏大”、“偏小”或“相等”）；
（3）若要将G2的量程扩大为I，并结合前述实验过程中测量的结果，写出必须在G2上并联的分流电阻RS的表达式：
RS＝__________．
2.在测量金属丝电阻率的实验中，可供选用的器材如下：
待测金属丝：
Rx（阻值约4Ω，额定电流约0.5A）；
电压表：
V（量程3V，内
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