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实验
专题6物理实验
知识网络
一、高考考点目标
归类
实验内容
说明
应用性
实验
1、游标卡尺的使用
测量原理、使用方法
2、练习使用螺旋测微器
构造、原理、使用方法、正确读数
3、传感器的简单使用
光电转换和热电转换及其简单应用
验证性
实验
4、验证力的平等四边形定则
实验的等效思想、作图法
5、验证牛顿运动定律
数据的读取及作图法进行数据的处理
6、验证机械能守恒定律
用自由落体进行验证;使用打点计算器和刻度尺等
测量性
实验
7、测定金属的电阻率
使用刻度尺和螺旋测微器;电流表、电压表、电路的选取
8、测定电源的电动势和内阻
实验电路的选取与连接,利用作图法求解
9、把电流表改装成电压表
“半偏法”的思想与误差,计算分压电阻
研究性
实验
10、研究匀变速直线运动
明确实验目的;使用打点计时器,利用纸带求加速度、速度
11、描绘小灯泡的伏安特性曲线
使用电流表、电压表、滑动变阻器;电路的选取及图像描绘
探究性
实验
12、探究弹力和弹簧伸长的关系
实验的原理与方法,实验数据的记录,实验结论的描述
13、探究动能定理
实验的设计原理、误差分析、注意事项
二、高考对实验的总体要求
1.要求会正确使用的仪器主要有:
刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧秤、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等。
2.要求认识误差问题在实验中的重要性,了解误差的概念,知道系统误差和偶然误差;知道用多次测量求平均值的方法减少偶然误差;能在某些实验中分析误差的主要来源;不要求计算误差。
3.要求知道有效数字的概念,会用有效数字表达直接测量的结果。
间接测量的有效数字运算不作要求。
三、物理实验的基本方法
1、等效法
例1“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示,其中A为固定橡皮筋的图钉,O为橡皮筋与细绳的结点,OB和OC为细绳.图乙是在白纸上根据实验结果画出的图.
(1)如果没有操作失误,图乙中的F与F′两力中,方向一定沿AO方向的是________.
(2)本实验采用的科学方法是________.
A.理想实验法 B.等效替代法
C.控制变量法D.建立物理模型法
【解析】
(1)因为F是根据平行四边形定则作出的F1、F2的合力,由于实验总存在误差,所以F的方向不一定沿AO方向,而F′是用一只弹簧秤拉时的拉力,如果没有操作失误,方向一定沿AO方向,所以应该为F′.
(2)“验证力的平行四边形定则”的基本原理是:
一个力F′的作用效果与两个共点力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮条结点拉伸到某点,所以F′为F1和F2的合力.作出F′的图示,再根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F的图示,比较F′与F大小是否相等,方向是否相同,所以应选B选项.
【答案】
(1)F′
(2)B
【方法指导】等效法师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法,可以将其转变为理想的简单的、已知规律的过程来处理,使问题的解决得以简单化。
如在“验证力的平行四边形定则”的实验中,要求一个弹簧秤单独拉橡皮条时,要与两个互成角度的弹簧秤同时拉橡皮条产生的效果相同,即使节点到达同一位置O点。
又如电学实验中电流表的改装,用替换法测电阻等等。
2、留迹法
例2如图所示为一次记录小车运动情况的纸带,图中A、B、C、D、E、F、G为相邻的计数点,相邻计数点的时间间隔T=0.1s.
(1)在图所示的坐标系中作出小车的v-t图线.
(2)将图线延长与纵轴相交,交点的速度大小是______cm/s,此速度的物理意义是________________.
【解析】
(1)应用vn=
,求出各计数点B、C、D、E、F对应的速度为vB=16.50cm/s,vC=21.40cm/s,vD=26.30cm/s,vE=31.35cm/s,vF=36.30cm/s,在v-t坐标系中描点,连线如图所示.
(2)由图中可以读出,图线与纵轴交点的速度大小为11.60cm/s,此速度表示A点的瞬时速度.
【答案】
(1)见解析
【方法指导】
留迹法就是利用某些特殊手段,将一些稍纵即逝的现象(如位置、轨迹等)记录下来,以便以后对其进行研究的方法。
如打点计时器在纸带上打出的点迹记录小车的位移与时间的关系等。
3、控制变量法
例3在探究物体的加速度与所受外力、质量的关系实验中,小车及车中的砝码质量用M表示,盘及盘中的砝码质量用m表示。
⑴当M与m的大小关系满足m< ⑵某一组同学先保持盘及盘中的砝码质量m一定来做实验,其具体操作步骤如下,以下做法正确的是__B______。 A.平衡摩擦力时,应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上 B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力 C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器的电源 D.用天平测出m以及小车质量M,小车运动的加速度可直接用公式a= 求出 ⑶另两组同学保持小车及车中的砝码质量M一定,探究加速度a与所受外力F的关系,由于他们操作不当,这两组同学得到的a-F关系图象分别如图1和图2所示,其原因分别是: 图1: m过大(或M过小)造成不满足m< 图2: 没有平衡摩擦力获木板倾角过小. 【方法指导】 在多因素的实验中,可以先控制一些量不变,依次研究某一个因素的影响。 如在“验证牛顿第二定律”的实验中,可以先保持质量一定,研究加速度和力的关系;再保持力一定研究加速度和质量的关系;最后综合得出加速度与力、质量的关系。 四、实验数据的处理方法 1、列表法 例4右图是伽利略1604年做斜面实验时的一页手稿照片,照片左上角的三列数据如下表。 表中第二列是时间,第三列是物体沿斜面运动的距离.第一列是伽利略在分析实验数据时添加的。 撤据表中的数据,伽利略可以得出的结论是 A物体具有惯性 B斜面倾角一定时,加速度与质量无关 C物体运动的距离与时间的平方成正比 D物体运动的加速度与重力加速度成正比 【答案】C 【解析】分析表中数据,发现物体运动的距离之比近似等于时间平方之比,所以C选项正确。 【方法指导】 在记录与处理数据时,常常将数据列成表格。 数据列表可以简单而又明确地表示出物理量之间的关系,有助于找出物理量之间关系的规律性。 2、图像法 例5 利用图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 x/t(m/s) 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). 【解析】 (1)由运动学公式x=v0t+ at2=(v1-at)t+ at2=- at2+v1t,变形为 =- at+v1,从此式可知, -t图线是一条斜率为负值的直线. (2)根据题目提供的数据按 进行处理,把处理的数值对应描点,然后用一根直线连接这些点,所得图象如图所示. (3)由图线知斜率绝对值为k= =1.0,又从 =- at+v1知,斜率的绝对值为 a,故有 a=1.0,即a=2.0m/s2. 【答案】 (1) =- at+v1或x=- at2+v1t (2)见解析图 (3)2.0(1.8~2.2范围内均正确) 【方法指导】 图像法是物理实验广泛应用的处理实验数据的方法。 图像法的最大优点是直观、简便。 在探索物理量之间的关系时,由图像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,并理清图线的截距、斜率、面积的含义。 作图的规则: ⑴作图一定要用坐标纸 ⑵要标明轴名、单位,在数轴上每隔一定的间距标明数值 ⑶图线上的连线不一定要通过所有的数据点,而应尽量使没有落在图线上的点均匀分布在图线的两侧。 注意去掉偶然误差较大的点 ⑷作图时要注意选取适当的坐标轴使图线“线性化”,即“化曲为直” 五、电学实验电路的基本结构及设计 例6有一个额定电压为2.8V,功率约为0.8W的小灯泡,现要用伏安法描绘这个灯泡的I-U图线,有下列器材供选用: A.电压表(0~3V,内阻6kΩ) B.电压表(0~15V,内阻30kΩ) C.电流表(0~3A,内阻0.1Ω) D.电流表(0~0.6A,内阻0.5Ω) E.滑动变阻器(10Ω,5A) F.滑动变阻器(200Ω,0.5A) G.蓄电池(电动势6V,内阻不计) (1)用如图所示的电路进行测量,电压表应选用______________,电流表应选用________.滑动变阻器应选用________.(用序号字母表示) (2)通过实验测得此灯泡的伏安特性曲线如图所示.由图线可求得此灯泡在正常工作时的电阻为________Ω. (3)若将此灯泡与电动势6V、内阻不计的电源相连,要使灯泡正常发光,需串联一个阻值为________Ω的电阻. 【解析】 小灯泡的额定电压为2.8V,故电压表选用(0~3V);功率约为0.8W,故小灯泡的电流约为0.3A,电流表选取(0~0.6A);滑动变阻器一般选择小的便于调节.根据图表的横坐标电压2.8V对应的纵坐标电流为0.28A,根据欧姆定律得电阻为10Ω;当与6V电源相连时,根据欧姆定律可得需串联11Ω电阻. 【答案】 (1)A D E (2)10 (3)11 【方法指导】 1、实验电路的基本结构 一个完整的实验电路往往包括测量电路域控制电路两部分。 测量电路: 指体现实验原理和测量方法的那部分电路,通常由电表、被测原件、电阻箱等构成。 控制电路: 指能提供电能、控制和调节电流(电压)大小的那部分电路,通常由电源、开关、滑动变阻器等构成。 有些实验电路的测量电路与控制电路浑然一体,不存在明显的分界。 如“测定电源的电动势和内阻”的实验电路。 2、实验电路构思的一般程序 ⑴审题 ①实验目的;②给定器材的性能参数(例如电表的量程、正确程度;滑动变阻器的最大阻值、额定电流等) ⑵电表的选择 根据被测电阻及给定电源的相关信息、如电动势、被测电阻的阻值范围、额定电流等,估算出被测电阻的端电压以及通过它的电流的最大值,以此为依据,选定量程适当的电表。 ⑶测量电路的选择 将电压表和电流表接入电路可以采用电流表内接法和外接法 内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表分压 U测=Ux+UA 电压表分流 I测=Ix+IV 电阻测量值 R测= =Rx+RA>Rx 测量值大于真实值 R测= = 测量值小于真实值 适用条件 RA≪Rx RV≫Rx 适用于测量 大电阻 小电阻 两种电路的选择 ①阻值比较法: 先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较,若Rx较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法.简单概括为“大内偏大,小外偏小”. ②比值比较法 若 > ,则用电流表外接法.若 < ,则用电流表内接法. ③试触法: 如图所示,将电压表分别接在a、c和b、c两点间时,若电流表示数变化较大,说明电压表分流较大,应选用内接法,若电压表示数变化较大,则选用外接法. ⑷控制电路的选择 滑动变阻器的限流接法和分压接法比较 方式 内容 限流接法 分压接法 对比说明 两种接法 电路图 串、并联关系不同 负载R上电 压调节范围 ≤U≤E 0≤U≤E 分压接电压能从零 开始连续变化 负载R上电 流调节范围 ≤I≤ 0≤I≤ 分压接法调节范围大 闭合S前 触头位置 b端 a端 都是为了保护电路元件 分压和限流电路的选择原则 ①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求,即若滑动变阻器阻值调到最大时,待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程,或超过待测电阻的额定电流(或电压),则必须选用分压式电路. ②若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多,以致在限流电路中,滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时,待测电阻上的电流或电压变化范围不够大,此时,应改用分压式电路. ③若实验中要求电压从零开始调节,则必须采用分压式电路. ④两种电路均可使用的情况下,应优先采用限流式接法,因为限流式接法电路简单、能耗低. 3、电表的反常规接法 例7如图所示是一些准备用来测量待测电阻Rx阻值的实验器材,器材及其规格列表如下: 器材 规格 待测电阻Rx 阻值在900Ω~1000Ω之间 电源E 具有一定内阻,电动势约9.0V 电压表V1 量程2.0V,内阻r1=1000Ω 电压表V2 量程5.0V,内阻r2=2500Ω 电流表A 量程3.0A,内阻r=0.10Ω 滑动变阻器R 最大阻值约100Ω,额定电流0.5A 开关S、导线若干 为了能正常进行测量并尽可能减小测量误差,实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半,而且调节滑动变阻器能使电表读数有较明显的变化.请用实线代替导线,在所给的实验器材中选择合适的器材,连成满足要求的测量Rx阻值的电路. 【解析】 由于待测电阻约1000Ω,滑动变阻器最大电阻为100Ω,要使电表读数发生较明显的变化,滑动变阻器必须使用分压式接法.当电源电动势全部加在待测电阻上时,流过的电流约为I= = A=9mA≪3.0A,显然不能用电流表来测电流,而应该把其中一个电压表V1当电流表来使用.根据比值法容易判断出待测电阻是大电阻,伏安法应使用内接法. 【答案】 【方法指导】 电流表、电压表是一个特殊的电阻。 它是一个能测出通过本身电流或两端电压的电阻。 因此,若已知内阻,电流表可以当做电压表使用,电压表可以当做电流表使用。 达标检测 1、图示为探究牛顿第二定律的实验装置,该装置由气垫导轨、两个光电门、滑块和沙桶等组成。 光电门可以测出滑块分别通过两个光电门的瞬时速度,导轨标尺可以测出两个光电门间的距离,另用天平测出滑块和沙桶的质量分别为M和m.下面说法正确的是_______ A.用该装置可以测出滑块的加速度 B.用该装置探究牛顿第二定律时,要保证拉力近似等于沙桶的重力,因此必须满足m< C.可以用该装置验证机械能守恒定律,但必须满足m< D.可以用该装置探究动能定理,但不必满足m< 答案: AB解析: 2、某同学在做“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点以及两只弹簧测力计拉力的大小,如图(a)所示. (1)试在图(a)中作出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.两弹簧测力计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,两弹簧测力计的拉力是分力 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测力计拉力的效果相同 D.若只增大某一只弹簧测力计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测力计拉力的大小即可 (3)图(b)所示是甲和乙两位同学在做以上实验时得到的结果,其中哪一个比较符合实验事实? (力F′是用一只弹簧测力计拉时的图示). 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: (至少写出两种情况) 答: ________________________________________________________________________. 【解析】 (1)以F1、F2为邻边作平行四边形,其对角线OF即为所求的合力(如图所示). (2)两只弹簧测力计的拉力与橡皮筋的拉力的合力为零,它们之间不是合力与分力的关系,B错误;结点位置不变,合力不变,当一只弹簧测力计的拉力大小改变时,另一只弹簧测力计的拉力的大小和方向必须都改变,故D错误;正确的选项为A、C. (3)用平行四边形定则求出的合力可以与橡皮筋拉力的方向有偏差,但用一只弹簧测力计拉结点的拉力与橡皮筋拉力一定在同一直线上,故甲同学实验得到的结果符合实验事实. (4)①F1的方向比真实方向偏左; ②F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左; ③作图时两虚线没有分别与F1线和F2线平行.(任选其二) 【答案】 (1)见解析图 (2)AC(3)甲同学实验得到的结果(4)见解析 3、如图所示,在“探究功与物体速度变化的关系”的实验中,关于橡皮筋做的功,下列说法中正确的是( B ) A.橡皮筋做的功可以直接测量 B.通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加 C.橡皮筋在小车运动的全程中始终做功 D.把橡皮筋拉伸为原来的两倍,橡皮筋做功也增加为原来的两倍 4、某探究学习小组的同学欲验证动能定理,他们在实验室组装了一套如图5-5-4所示的装置,另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、细沙.当滑块连接上纸带,用细线通过滑轮挂一空的砂桶时,释放砂桶,滑块处于静止状态. 若你是小组中的一位成员,要完成该项实验. (1)你认为还需要的实验器材有__________________________. (2)实验时为了保证滑块受到的合力与砂桶的总重力大小基本相等,细沙和砂桶的总质量应满足的实验条件是______________________,实验时首先要做的步骤是________. (3)在 (2)的基础上,某同学用天平称量滑块的质量为M.往砂桶中装入适量的细沙,用天平称出此时细沙和砂桶的总质量为m.让砂桶带动滑块加速运动.用打点计时器记录其运动情况,在打点计时器打出的纸带上取两点,测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2(v1<v2).则本实验最终要验证的数学表达式为____________.(用题中的字母表示实验中测量得到的物理量) 【解析】 (1)为了测出滑块的质量和砂桶(及细沙)的总质量需要选用天平测量.为了对纸带进行数据处理需要选用刻度尺. (2)在平衡摩擦力的前提下,当滑块加速运动时,设绳的拉力大小为T,对滑块有T=Ma,对沙和砂桶有mg-T=ma,解得T= ,所以要保证滑块受到的拉力T与砂桶的总重力大小基本相等应满足m≪M.实验时首先要做的步骤是平衡摩擦力. (3)由动能定理可得mgL= Mv - Mv . 【答案】 (1)天平、刻度尺 (2)细沙和砂桶的总质量远小于滑块的质量 平衡摩擦力 (3)mgL= Mv - Mv 5、在“验证机械能守恒定律”的实验中,已知电磁打点计时器所用的电源的频率为50Hz,查得当地的重力加速度g=9.80m/s2,测得所用的重物质量为1.00kg.实验中得到一条点迹清晰的纸带(如图所示),把第一个点记为O,另选连续的四个点A、B、C、D作为测量的点,经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm. (1)根据以上数据,可知重物由O点运动到C点,重力势能的减少量等于________J,动能的增加量等于________J(取三位有效数字). (2)根据以上数据,可知重物下落时的实际加速度a=________m/s2,a________g(填“大于”或“小于”),原因是__________________________________. (1)7.62 7.57 (2)9.75 小于 重物受空气阻力,纸带受限位孔或打点计时器振针的阻力 6、用如图所示装置探究“加速度与力的关系”。 已知砂和砂桶的总质量为m,小车的质量为M,实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小. (1)实验中要进行质量m和M的选取,以下最合理的一组是. A.M=40g,m=10g、20g、30g、40g、50g B.M=100g,m=10g、20g、30g、40g、50g C.M=500g,m=10g、20g、30g、40g、50g D.M=500g,m=30g、60g、90g、120g、150g (2)本实验中应在释放小车(选填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源。 下图所示为实验中打出的一条纸带,A、B、C、D、E为计数点,相邻计数点间还有四个点没有画出,计数点间的距离如图所示.已知打点计时器的工作频率为50Hz.则小车加速度a=m/s2.(结果保留两位有效数字) (3)实验时,某同学由于疏忽,遗漏了平衡摩擦力这一步骤,他测量得到的a—F图象,可能是图中的图线。 (选填“甲”、“乙”或“丙”) 答案: (1)C (2)之前0.50(3)丙 解析: 由于实验要求小车质量远远大于砂和砂桶的总质量,所以最合理的一组是C。 本实验中应在释放小车之前接通打点计时器的电源。 由△x=aT2和逐差法可得小车加速度a=0.5m/s2.若遗漏了平衡摩擦力这一步骤,他测量得到的a—F图象,可能是图中的图线丙。 7、如图所示为伏安法测电阻的一种常用电路,以下分析正确的是( AD ) A.此接法的测量值大于真实值 B.此接法的测量值小于真实值 C.此接法要求待测电阻值小于电流表内阻 D.开始实验时滑动变阻器滑动头P应处在最左端 8、在“测定金属的电阻率”的实验中,用螺旋测微器测量金属丝直径时的刻度位置如图所示,用米尺测出金属丝的长度l,金属丝的电阻大约为5Ω,先用伏安法测出金属丝的电阻R,然后根据电阻定律计算出该金属材料的电阻率. (1)从图中读出金属丝的直径为________mm. (2)为此取来两节新的干电池、电键和若干导线及下列器材: A.电压表0~3V,内阻10kΩ B.电压表0~15V,内阻50kΩ C.电流表0~0.6A,内阻0.05Ω D.电流表0~3A,内阻0.01Ω E.滑动变阻器,0~10Ω F.滑动变阻器,0~100Ω ①要求较准确地测出其阻值,电压表应选________,电流表应选________,滑动变阻器应选________.(填序号) ②实验中某同学的实物接线如图所示,请指出该同学实物接线中的两处明显错误. 错误1: ________________________________________________________________
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