專題4：高中物理實驗專題

專題4：高中物理實驗專題專題4：高中物理實驗專題專題4：高中物理實驗專題xxx公司專題4：高中物理實驗專題文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度專題4：高中物理實驗專題高中物理重要儀器的使用：在力學和電學實驗中，常需要利用測量工具直接測量基本物理量．基本物理量測量儀器力學長度刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器時間秒表（停表）、打點計時器質(zhì)量天平電學電阻（粗測）歐姆表、電阻箱電流電流表電壓電壓表①刻度尺、秒表、彈簧秤、溫度表、電流表、電壓表的讀數(shù)1021023051015010123456789100031233435637839411043121445164718492051225324265557285901267891011345121314⑴讀出上左圖中被測物體的長度。⑵上右圖用3V量程時電壓表讀數(shù)為多少用15V量程時電壓表度數(shù)又為多少⑶右圖中秒表的示數(shù)是多少分多少秒？

凡儀器的最小刻度是10分度的，在讀到最小刻度后還要再往下估讀一位。⑴6.50cm。⑵1.14V。15V量程時最小刻度為0.5V，只讀到0.1V這一位，應為5.7V。⑶秒表的讀數(shù)分兩部分：小圈內(nèi)表示分，每小格表示0.5分鐘；大圈內(nèi)表示秒，最小刻度為0.1秒。當分針在前0.5分內(nèi)時，秒針在0~30秒內(nèi)讀數(shù)；當分針在后0.5分內(nèi)時，秒針在30~60秒內(nèi)讀數(shù)。因此圖中秒表讀數(shù)應為3分48.75秒（這個5是估讀出來的）。②游標卡尺01234567801234567890012345678910⑵20分度的游標卡尺。游標上相鄰兩個刻度間的距離為0.95mm，比主尺上相鄰兩個刻度間距離小0.05mm。讀數(shù)時先從主尺上讀出厘米數(shù)和毫米數(shù)，然后用游標讀出毫米以下的數(shù)值：游標的第幾條刻線跟主尺上某一條刻線對齊，毫米以下的讀數(shù)就是幾乘0.05毫米。其讀數(shù)準確到0.05mm。⑶50分度的游標卡尺。游標上相鄰兩個刻度間的距離為0.98mm，比主尺上相鄰兩個刻度間距離小0.02mm。這種卡尺的刻度是特殊的，游標上的刻度值，就是毫米以下的讀數(shù)。這種卡尺的讀數(shù)可以準確到0.02mm。如右圖中被測圓柱體的直徑為2.250cm。要注意：游標卡尺都是根據(jù)刻線對齊來讀數(shù)的，所以都不再往下一位估讀。③螺旋測微器50202515線圈固定刻度上的最小刻度為0.5mm（在中線的上側(cè)）；可動刻度每旋轉(zhuǎn)一圈前進（或后退）0.5mm。在可動刻度的一周上平均刻有50條刻線，所以相鄰兩條刻線間代表0.01mm50202515線圈④天平010020030040050060070001002003004005006007008009001000mg⑤多用電表使用多用電表時首先應該根據(jù)被測物理量將選擇開關旋到相應的位置。使用前應先進行機械調(diào)零，用小螺絲刀輕旋調(diào)零螺絲，使指針指左端零刻線。使用歐姆擋時，還應進行歐姆調(diào)零，即將紅、黑表筆短接，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，使指針指右端零刻線處。歐姆擋的使用：⑴選擋。一般比被測電阻的估計值低一個數(shù)量級，如估計值為200Ω就應該選×10的倍率。⑵調(diào)零。⑶將紅黑表筆接被測電阻兩端進行測量。⑷將指針示數(shù)乘以倍率，得測量值。⑸將選擇開關扳到OFF或交流電壓最高擋。用歐姆擋測電阻，如果指針偏轉(zhuǎn)角度太小，應增大倍率；如果指針偏轉(zhuǎn)角度太大，應減小倍率。⑥電阻箱右圖中的電阻箱有6個旋鈕，每個旋鈕上方都標有倍率，將每個旋鈕上指針所指的數(shù)值（都為整數(shù)）乘以各自的倍率，從最高位依次往下讀，即可得到這時電阻箱的實際阻值。圖中最左邊的兩個黑點是接線柱。若指針所示如圖，則阻值為84580.2Ω?！痢?.1×10×1×1K×10K×100176543289017654328901765432890176543289017654328901765432890【特別提示】一般來說，除游標卡尺、電阻箱外，其他測量儀器的讀數(shù)都需要估讀，即讀到精度的下一位．實驗的的方法和數(shù)據(jù)的處理方法：常用的實驗方法：（1）累積法：在“用單擺測重力加速度”測周期時我們用的是累積法，即我們不直接測一個周期的時間，而是測30～50個周期的總時間，再除以周期數(shù)即得周期T的值．用累積法的好處是：①相當于進行多次測量而后取平均值，這樣可以減少偶然誤差；②增加有效數(shù)字的位數(shù)．以測單擺的周期為例，我們實驗時單擺的擺長大約是1m或不到1m，用停表（最小分度值是0.1s）直接測1個周期的值，只能讀出兩位有效數(shù)字（機械停表的指針是跳躍式前進的，因此不能估讀），如1.8s、2.0s等，而測30個周期總時間，則可讀出至少3位有效數(shù)字。用累積法的實驗還有很多，如測一張紙的厚度、用刻度尺測金屬絲的直徑…（2）替代法：在“互成角度兩個共點力的合成”的實驗中我們就用到了替代法，第一次我們用兩個彈簧秤成角度地拉橡皮筋，把結點拉到某一位置，再換成一個彈簧秤，同樣拉這個橡皮筋，也把結點拉到同樣位置，這說明后一個彈簧秤的拉力與前面兩個彈簧秤的拉力效果相等因此右以互相替代．對于“等效”這個問題，應正確理解：所謂效果相等，是對某一方面說的，并不是在所有方面都等效，仍以合力與分力來說，它們只是在改變物體的運動狀態(tài)上等效，而在其他方面，例如在產(chǎn)生形變上，二者并不等效。用替代法的例子還有很多，如用天平稱物物體的質(zhì)量，電阻測量等都可以用替代法，我們古代三國時期曹沖稱象的故事就是替代法的典型實例。（3）測量量的轉(zhuǎn)換：例如在“碰撞中的動量守恒”的實驗中，把測物體的速度轉(zhuǎn)換為測物體平拋運動的水平位移，即把測速度轉(zhuǎn)換為測長度。又如在“測定玻璃的折射率”的實驗中，本應測量入射角和折射角，再根據(jù)折射率n=sini/sinr求出折射率，但角度不容易測準確（一般所用的量角器的最小分度是1°，并且測角度時頂點很難對得特別準確），而通過做輔助線的方法可以把測角度轉(zhuǎn)換為測線段的長度，從而增加了有效數(shù)字的位數(shù)，即提高了測量的準確度。（4）比較法：用天平稱物體的質(zhì)量，就是把物體與砝碼進行比較，砝碼的質(zhì)量是標準的，把被測量與標準的量進行比較，就是比較法．天平是等臂杠桿，因此用天平測物體質(zhì)量時，不用再進行計算，而是直接讀出砝碼的質(zhì)量，它就等于物體的質(zhì)量。一般情況下，被測物跟標準量并不相等，而是要根據(jù)某種關系進行計算，最常用的是二者間滿足一定的比例關系，通過一定的比例計算即可得出結果，因此常常稱為比例法。用比例法測電阻是常見的，當兩個電阻串聯(lián)時，通過的電流相等，因此兩電阻兩端的電壓跟它們的電阻成正比，如果其中的一個電阻是標準電阻，另一個電阻的阻值就可測出．同樣，兩電阻并聯(lián)時，由于兩端電壓相等，通過兩支路的電流跟電阻成反比，只要一個是標準電阻，另一個電阻的阻可測出。2、高中物理常用的物理數(shù)據(jù)分析：（1）．常見間接測量的物理量及其測量方法有些物理量不能由測量儀器直接測量，這時，可利用待測量和可直接測量的基本物理量之間的關系，將待測物理量的測量轉(zhuǎn)化為基本物理量的測量．待測物理量基本測量方法力學速度①利用紙帶，；②利用平拋，加速度①利用紙帶，逐差法；②利用單擺力根據(jù)F=ma轉(zhuǎn)化為測量m、a功根據(jù)轉(zhuǎn)化為測量m、S、v電學電阻（精確測量）①根據(jù)轉(zhuǎn)化為測量U、I（伏安法）；②電阻箱（半偏、替代）電功率根據(jù)P=IU轉(zhuǎn)化為測量U、I電源電動勢根據(jù)E＝U＋Ir轉(zhuǎn)化為測量U、I（2）．處理實驗數(shù)據(jù)的常用方法為了減小由于實驗數(shù)據(jù)而引起的偶然誤差，常需要采用以下方法進行處理．（1）多次測量求平均值；（2）圖象法（3）．實驗誤差的分析中學物理中只要求初步了解系統(tǒng)誤差和偶然誤差、絕對誤差和相對誤差的概念；能定性分析某些實驗中產(chǎn)生誤差的主要原因；知道用平均值法、圖象法減小偶然誤差；但不要求計算誤差．（a）系統(tǒng)誤差和偶然誤差：測量值總是有規(guī)律的朝著某一方向偏離真值（總是偏大或總是偏?。┑恼`差，稱為系統(tǒng)誤差．系統(tǒng)誤差的主要來源是儀器本身不夠精確，或?qū)嶒炘怼⒎椒ú粔蛲晟疲捎谂既灰蛩氐挠绊?，造成測量值的無規(guī)則起伏稱為偶然誤差．偶然誤差是由于各種偶然因素對實驗者、測量儀器，被測物理量的影響而產(chǎn)生的，多次測量偏大和偏小的機會相同，因此，多次測量求平均值可減小偶然誤差．（b）絕對誤差和相對誤差：設某物理量的真值為A0，測量值為A，則絕對誤差，相對誤差為．真值A0常以公認值、理論值或多次測量的平均值代替．（c）有效數(shù)字帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)字，叫做有效數(shù)字。⑴有效數(shù)字是指近似數(shù)字而言。⑵只能帶有一位不可靠數(shù)字，不是位數(shù)越多越好。凡是用測量儀器直接測量的結果，讀數(shù)一般要求在讀出儀器最小刻度所在位的數(shù)值（可靠數(shù)字）后，再向下估讀一位（不可靠數(shù)字），這里不受有效數(shù)字位數(shù)的限制。間接測量的有效數(shù)字運算不作要求，運算結果一般可用2~3位有效數(shù)字表示。重點實驗：1.研究勻變速直線運動右圖為打點計時器打下的紙帶。選點跡清楚的一條，舍掉開始比較密集的點跡，從便于測量的地方取一個開始點O，然后每5個點取一個計數(shù)點A、B、C、D…。測出相鄰計數(shù)點間的距離s1、s2、s3…利用打下的紙帶可以：BCDs1s2s3A⑴求任一計數(shù)點對應的即時速度BCDs1s2s3At/s0T2T3T4T5T6Tv/(ms-t/s0T2T3T4T5T6Tv/(ms-1)⑶利用上圖中任意相鄰的兩段位移求a：如⑷利用v-t圖象求a：求出A、B、C、D、E、F各點的即時速度，畫出如右的v-t圖線，圖線的斜率就是加速度a。2.探究彈力和彈簧伸長的關系（胡克定律）利用右圖裝置，改變鉤碼個數(shù)，測出彈簧總長度和所受拉力（鉤碼總重量）的多組對應值，填入表中。算出對應的彈簧的伸長量。在坐標系中描點，根據(jù)點的分布作出彈力F隨伸長量x而變的圖象，從而發(fā)確定F-x間的函數(shù)關系。解釋函數(shù)表達式中常數(shù)的物理意義及其單位。該實驗要注意區(qū)分彈簧總長度和彈簧伸長量。對探索性實驗，要根據(jù)描出的點的走向，嘗試判定函數(shù)關系。（這一點和驗證性實驗不同。）3.互成角度度兩個力的合成該實驗是要用互成角度的兩個力和另一個力產(chǎn)生相同的效果，看其用平行四邊形定則求出的合力與這一個力是否在實驗誤差允許范圍內(nèi)相等，如果在實驗誤差允許范圍內(nèi)相等，就驗證了力的合成的平行四邊形定則。4.研究平拋物體的運動（用描跡法）該實驗的實驗原理：平拋運動可以看成是兩個分運動的合成：一個是水平方向的勻速直線運動，其速度等于平拋物體的初速度；另一個是豎直方向的自由落體運動。利用有孔的卡片確定做平拋運動的小球運動時的若干不同位置，然后描出運動軌跡，測出曲線任一點的坐標x和y，利用、就可求出小球的水平分速度，即平拋物體的初速度。注意事項：⑴斜槽末端的切線必須水平。⑵用重錘線檢驗坐標紙上的豎直線是否豎直。⑶以斜槽末端所在的點為坐標原點。⑷如果是用白紙，則應以斜槽末端所在的點為坐標原點，在斜槽末端懸掛重錘線，先以重錘線方向確定y軸方向，再用直角三角板畫出水平線作為x軸，建立直角坐標系。⑸每次小球應從斜槽上的同一位置由靜止開始下滑。5.驗證動量守恒定律由于v1、v1/、v2/均為水平方向，且它們的豎直下落高度都相等，所以它們飛行時間相等，若以該時間為時間單位，那么小球的水平射程的數(shù)值就等于它們的水平速度。在右圖中分別用OP、OM和O/N表示。因此只需驗證：m1OP=m1OM+m2(O/N-2r）即可。注意事項：⑴必須以質(zhì)量較大的小球作為入射小球（保證碰撞后兩小球都向前運動）。⑵小球落地點的平均位置要用圓規(guī)來確定：用盡可能小的圓把所有落點都圈在里面，圓心就是落點的平均位置。⑶所用的儀器有：天平、刻度尺、游標卡尺（測小球直徑）、碰撞實驗器、復寫紙、白紙、重錘、兩個直徑相同質(zhì)量不同的小球、圓規(guī)。⑷若被碰小球放在斜槽末端，而不用支柱，那么兩小球?qū)⒉辉偻瑫r落地，但兩個小球都將從斜槽末端開始做平拋運動，于是驗證式就變?yōu)椋簃1OP=m1OM+m2ON，兩個小球的直徑也不需測量了。6.驗證機械能守恒定律驗證自由下落過程中機械能守恒，圖示紙帶的左端是用夾子夾重物的一端。注意事項：⑴要多做幾次實驗，選點跡清楚，且第一、二兩點間距離接近2mm的紙帶進行測量。0012345⑵用刻度尺量出從0點到1、2、3、4、5各點的距離h1、h2、h3、h4、h5，利用“勻變速直線運動中間時刻的即時速度等于該段位移內(nèi)的平均速度”，算出2、3、4各點對應的即時速度v2、v3、v4，驗證與2、3、4各點對應的重力勢能減少量mgh和動能增加量是否相等。⑶由于摩擦和空氣阻力的影響，本實驗的系統(tǒng)誤差總是使⑷本實驗不需要在打下的點中取計數(shù)點。也不需要測重物的質(zhì)量。7.用單擺測定重力加速度擺長的測量：讓單擺自由下垂，用米尺量出擺線長L/（讀到0.1mm），用游標卡尺量出擺球直徑（讀到0.1mm）算出半徑r，則擺長L=L/+r注意事項：開始擺動時需注意：擺角要小于5°（保證做簡諧運動）；不要使擺動成為圓錐擺。必須從擺球通過最低點時開始計時，測出單擺做50次全振動所用時間，算出周期的平均值T。改變擺長重做幾次實驗，計算每次實驗得到的重力加速度，再求這些重力加速度的平均值。8用描跡法畫出電場中平面上等勢線實驗所用的電流表是零刻度在中央的電流表，在實驗前應先測定電流方向與指針偏轉(zhuǎn)方向的關系：將電流表、電池、電阻、導線按圖1或圖2連接，其中R是阻值大的電阻，r是阻值小的電阻，用導線的a端試觸電流表另一端，就可判定電流方向和指針偏轉(zhuǎn)方向的關系。GGRraa圖1圖2GGRraa圖1圖29.測定玻璃折射率實驗原理：如圖所示，入射光線AO由空氣射入玻璃磚，經(jīng)OO1后由O1B方向射出。作出法線NN1，則折射率n=Sinα/Sinγ注意事項：手拿玻璃磚時，不準觸摸光潔的光學面，只能接觸毛面或棱，嚴禁把玻璃磚當尺畫玻璃磚的界面；實驗過程中，玻璃磚與白紙的相對位置不能改變；大頭針應垂直地插在白紙上，且玻璃磚每一側(cè)的兩個大頭針距離應大一些，以減小確定光路方向造成的誤差；入射角應適當大一些，以減少測量角度的誤差。10．伏安法測電阻VAVAab1伏安法測電阻有a、b兩種接法，a叫(安培計)外接法，b叫（安培計）內(nèi)接法。外接法的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的，測量值總小于真實值，小電阻應采用外接法；內(nèi)接法的系統(tǒng)誤差是由電流表的分壓引起的，測量值總大于真實值，大電阻應采用內(nèi)接法。如果無法估計被測電阻的阻值大小，可以利用試觸法：如圖將電壓表的左端接a點，而將右端第一次接b點，第二次接c點，觀察電流表和電壓表的變化，若電流表讀數(shù)變化大，說明被測電阻是大電阻，應該用內(nèi)接法測量；若電壓表讀數(shù)變化大，說明被測電阻是小電阻，應該用外接法測量。（這里所說的變化大，是指相對變化，即ΔI/IVAVAab（1）滑動變阻器的連接滑動變阻器在電路中也有a、b兩種常用的接法：a叫限流接法，b叫分壓接法。分壓接法被測電阻上電壓的調(diào)節(jié)范圍大。當要求電壓從零開始調(diào)節(jié)，或要求電壓調(diào)節(jié)范圍盡量大時應該用分壓接法。用分壓接法時，滑動變阻器應該選用阻值小的；用限流接法時，滑動變阻器應該選用阻值和被測電阻接近的。ababRR（2）實物圖連線技術VAVAVA對分壓電路，應該先把電源、電鍵和滑動變阻器的全部電阻絲三部分用導線連接起來，然后在滑動變阻器電阻絲兩端之中任選一個接頭，比較該接頭和滑動觸頭兩點的電勢高低，根據(jù)伏安法部分電表正負接線柱的情況，將伏安法部分接入該兩點間。（3）描繪小電珠的伏安特性曲線因為小電珠（即小燈泡）的電阻較小（10Ω左右）所以應該選用安培表外接法。U/VI/AO小燈泡的電阻會隨著電壓的升高，燈絲溫度的升高而增大，所以U-I曲線不是直線。為了反映這一變化過程，U/VI/AO由實驗數(shù)據(jù)作出的I-U曲線如右，說明燈絲的電阻隨溫度升高而增大，也就說明金屬電阻率隨溫度升高而增大。（若用U-I曲線，則曲線的彎曲方向相反。）若選用的是標有“3.8V0.3A”的小燈泡，電流表應選用0-0.6A量程；電壓表開始時應選用0-3V量程，當電壓調(diào)到接近3V時，再改用0-15V量程。11．把電流表改裝為電壓表⑴、用圖(a)測定電流表內(nèi)阻rg，方法是：先斷開S2，閉合S1，調(diào)節(jié)R，使電流表滿偏；然后閉合S2，調(diào)節(jié)R/，使電流表達到半滿偏。當R比R/大很多時，可以認為rg=R/。（當R比R/大很多時，調(diào)節(jié)R/基本上不改變電路的總電阻，可認為總電流不變，因此當電流表半滿偏時，通過R/的電流也是滿偏電流的一半，兩個分路的電阻相等）。實際上，S2閉合后，總電阻略有減小，總電流略有增大，當電流表半滿偏時，通過R/的電流比通過電流表的電流稍大，即R/比rg稍小，因此此步測量的系統(tǒng)誤差，總是使rg的測量值偏小。其中R不必讀數(shù)，可以用電位器，R/需要讀數(shù)，所以必須用電阻箱。根據(jù)rg、Ig和擴大后的量程，計算出需要給電流表串聯(lián)的電阻R1的值。((b)（a）⑵、用(b)圖把改裝的電壓表和標準電壓表進行校對。校對要每0.5V校對一次，所以電壓要從零開始逐漸增大，因此必須選用分壓電路。百分誤差的計算：如果當改裝電壓表示數(shù)為U時，標準電壓表示數(shù)為U/，則這時的百分誤差為|U-U/|/U/。如果校對時發(fā)現(xiàn)改裝電壓表的示數(shù)總是偏大，則應該適當增大R1的阻值(使表頭的分壓減小一些)，然后再次重新進行校對。12.測定金屬的電阻率被測電阻絲的電阻較小，所以選用電流表外接法；本實驗不要求電壓調(diào)節(jié)范圍，可選用限流電路。因此選用上面左圖的電路。開始時滑動變阻器的滑動觸頭應該在右端。本實驗通過的電流不宜太大，通電時間不能太長，以免電阻絲發(fā)熱后電阻率發(fā)生明顯變化。VARVARS根據(jù)閉合電路歐姆定律：E=U+Ir，本實驗電路中電壓表的示數(shù)是準確的，電流表的示數(shù)比通過電源的實際電流小，所以本實驗的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的。為了減小這個系統(tǒng)誤差，電阻R的取值應該小一些，所選用的電壓表的內(nèi)阻應該大一些。U/VI/Ao0.20.40.63.02.01.0為了減小偶然誤差，要多做幾次實驗，多取幾組數(shù)據(jù)，然后利用U-I圖象處理實驗數(shù)據(jù)：將點描好后，用直尺畫一條直線，使盡量多的點在這條直線上，而且在直線兩側(cè)的點數(shù)大致相等。這條直線代表的U-I關系的誤差是很小的。它在U軸上的截距就是電動勢E（對應的I=0），它的斜率的絕對值就是內(nèi)阻r。（特別要注意：有時縱坐標的起始點不是0，求內(nèi)阻的一般式應該是rU/VI/Ao0.20.40.63.02.01.0為了使電池的路端電壓變化明顯，電池的內(nèi)阻宜大些。（選用使用過一段時間的1號電池）14.用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學元件設定黑箱上有三個接點，兩個接點間最多只能接一個元件；黑箱內(nèi)所接的元件不超過兩個。測量步驟和判定：⑴用直流電壓擋測量，A、B、C三點間均無電壓；說明箱內(nèi)無電源。⑵用歐姆擋測量，A、C間正、反接阻值不變，說明A、C間有一個電阻。⑶用歐姆擋測量，黑表筆接A紅表筆接B時測得的阻值較小，反接時測得的阻值較大，說明箱內(nèi)有一個二極管，可能在AB間，也可能在BC間，如右圖中兩種可能。⑷用歐姆擋測量，黑表筆接C紅表筆接B測得阻值比黑表筆A紅表筆接B時測得的阻值大，說明二極管在AB間。所以黑箱內(nèi)的兩個元件的接法肯定是右圖中的上圖。實驗設計實驗設計應把重點放在力學和電學實驗上，力學以打點計時器為中心展開，電學以電阻測量為中心展開．1．進行實驗設計的總體原則（1）精確性：在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，應盡可能選擇誤差較小的方案．（2）安全