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113.长度的测量
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)打点计点器、弹簧测力计、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱,等等。
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小偶然误差;
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。
114.研究匀速直线运动
115.探究弹力和弹簧伸长的关系
116.验证力的平行四边形定则
117.验证动量守恒定律
118.研究平抛物体的运动
119.验证机械能守恒定律
120.用单摆测定重力加速度
121.用油膜法估测分子的大小
122.用描述法画出电场中平面上的等势线
123.测定金属的电阻率(同时练习使用螺旋测微器)
124.描绘小电珠的伏安特性曲线
125.把电流表改装为电压表
126.测定电源的电动势和内阻
127.用多用电表探索黑箱内的电学元件
128.练习使用示波器
129.传感器的简单应用
130.测定玻璃的折射率
131.用双缝干涉测光的波长
复习指导:
物理是一门以实验为基础的学科,物理实验也一直是高考考查的重要内容。
从对近几年的高考实验试题的分析可以看出,高考对实验的考查有如下特点:
1.重视对基本仪器的使用和读数的考查。
如游标卡尺、螺旋测微器、弹簧秤、电流表、电压表、滑动变阻器的使用或读数问题,是历年高考考查的热点问题。
2.注重联系实际操作的考查。
高考实验试题中有很多题目都是联系实际操作的,如游标卡尺的读数、电表的读数等问题,实验电路的连线问题,描绘电场中等势线时几种纸的铺放顺序等等,都是实际操作的全真模拟,如果考生没有动手做过这些实验就不可能答好这些问题。
这也正体现了高考命题的初衷—“只有动手做过实验的学生才能得高分”。
3.重视对实验数据处理的考查。
对实验数据进行正确的处理和分析,从而得出正确的实验结论,是实验全过程的一个重要的环节。
高考主要要求会根据数据画图象,知道舍弃错误数据,会根据图象推结论。
另外在实验数据处理中还常用算术平均值法、逐差法、列表法、描迹法等。
4.注重对实验思想、实验方法及实验原理的理解的考查。
譬如,“测玻璃折射率”的实验,课本实验中用的是平行玻璃砖,但高考实验题中给的却是三棱镜。
虽然器材不同,但测量的原理、方法却是相同的—确定入射点和出射点,连接这两点画出折射光线。
考查“研究平抛物体的运动”的实验,所给方格图中的第一点并不是小球平抛的初始位置,这就要求考生要在认真分析的基础上找出解决问题的关键,把匀变速直线运动中的研究方法(Δs=aT2)迁移到平抛运动中,来研究小球在竖直方向的分运动。
对伏安法测电阻的考查更是不断花样翻新:
测金属丝的阻值,测电压表的阻值,测电流表的阻值……虽然题目是全新的,但原理还是伏安法。
还有伏安法测电阻实验中对实验条件的控制方法(滑动变阻器的接法),实验误差的控制方法(电流表的内、外接法),作图时对个别误点的舍弃,图线的“曲化直”,测量电路的设计、实验器材的选取原则,等等。
这一切都说明近年来高考对学生的实验能力提出了更高层次的要求,对实验的考查已从简单的背诵实验转向考查对实验的思想、方法和原理的理解。
而设计性实验正是考查考生对实验思想的理解程度、对所学方法灵活迁移应用程度的有效途径。
从更大的方面说,通过设计性实验可以较好地考查出考生的实践能力和创新精神,这也正是近些年“实验考查不是读数就是设计”的根本原因。
基于高考实验考查的以上特点,相应在实验复习备考中应注意落实好以下几个方面:
1.要真正学会考纲中所列基本仪器的使用。
对这些仪器要掌握它们的构造原理、使用方法,会根据实验要求选取量程,会按照有效数字的规则读数。
2.要真正动手去做实验。
没有实际的操作过程就没有实验,也就不可能对实验产生深刻的认识和理解。
只靠“纸上谈兵”成不了军事家,同理,只靠“课堂上听实验,书本上做实验”提高不了实验能力。
对考纲中所要求的各个学生实验都要亲手做一做,这样才会体验深刻。
3.要深刻地理解实验的原理和实验的方法。
实验不仅仅是动手,还要动脑,是知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三位一体的综合表现。
做每一个实验时都要想一想,这个实验所依据的原理是什么?
为什么要选用这些器材?
实验的步骤为什么要这样安排?
应该采用什么方法来处理实验的数据?
这个实验中产生系统误差的原因是什么?
……把这些问题一个个搞清楚了,对这个实验就理解和掌握了。
其中实验的原理是实验的“纲”,其他的各项,如实验方法及步骤、实验器材的选择、数据的处理等一切与实验有关的问题都是从实验原理中派生出来的,这些是实验的“目”,“纲举目张”,即只要紧紧抓住实验原理这个纲,许多问题就会迎刃而解。
有了以上基础,才能进一步迁移应用在这些实验中学到的原理和方法,将它们灵活应用到新的情境中去,即去做设计性实验。
4.除考纲中所列出的学生实验外,还要重视教材中演示实验的复习。
近些年的高考实验试题已向演示实验拓展,通过演示实验来考查考生的观察能力和理解能力,对实验的复习提出了更全面的要求。
5.要加强对实验数据分析处理能力的训练。
对处理实验数据常用的方法,如算术平均值法、作图法、逐差法、列表法等都要进行系统的训练。
对某些实验,要会分析产生系统误差的原因,并知道如何减小误差。
●要点精析
☆误差与有效数字:
一、误差的初步知识
1.绝对误差和相对误差
在实际测量过程中,测量所得到的数值与被测量真实值之间不可避免地存在差异,这种差异称为测量误差。
我们把测量值x和真值μ的差值Δx称为测量值的绝对误差。
Δx=x-μ
由于测量值的绝对误差不能很好反映一个测量的精确程度,例如:
长度测量10米绝对误差2厘米,和长度测量1米绝对误差2厘米相比较,显然第一个测量精确程度好一些,因此在实际测量中,我们把测量的绝对误差与真值的比值(取绝对值)称为测量值的相对误差:
通常,相对误差用百分数表示,因此也把它称为百分误差,上例中,第一个长度测量的相对误差Ε1和第二个测量的相对误差Ε2分别为:
Ε1=0.02/10×
100%=0.2%
Ε2=0.02/1×
100%=2%
因为被测量的真值μ难以获知,实际测量中,常用公认值或用更精确方法测定值来代替,以估计误差,也可根据误差理论,用测量平均值X代替真值μ,对Δx加以估定。
测量误差是不可避免的,因此我们通常所说的精确总是相对的,在科学技术、生产生活实际中,人们对测量的要求总是根据实际需要提出的,例如测身高只要准确到厘米就可以了,要求准确到毫米意义就不大了,而在制造拖拉机油泵活塞柱时,就要求准确到零点几微米才行,测量的要求就很高了,合理地提出实际需要的测量要求,不仅可以用经济快捷的方法进行测量,而且也是非常重要的科学思想和科学态度。
2.系统误差和随机误差
根据误差产生的来源,通常把误差分为两大类,一类称系统误差,另一类称随机误差。
系统误差是由于仪器自身制造要求的精确程度限制、实验原理或实验方法的不完善而产生的误差。
例如天平的不等臂性、砝码质量本身有误差、钢刻度尺的热胀冷缩、电表内部磁极的退磁等都属仪器本身原因造成的系统误差。
在利用单摆测重力加速度时,所依据的单摆周期公式本身就是近似公式,用伏安法测电阻时不计电表内阻影响而造成的测量误差,则属于实验原理与方法上的不完备而造成的系统误差。
系统误差的特点是多次测量结果总是偏大,或总是偏小,或某些测量区域偏大而另一些区域偏小。
减小系统误差的方法是改进仪器,完善测量原理或方法,在一些情况下也可对数据加修正值。
随机误差(偶然误差)则是各种不确定因素对测量各环节,例如测量者、测量仪器、被测对象及测量过程等影响而造成的测量误差。
例如测量者读数时带来的误差、调节仪器时(如透镜成像时像屏位置的调节)带来的误差都是随机误差。
随机误差的特点与系统误差不同,它的特点是测量结果偏大、偏小是随机的、不确定的,但是随着测量次数的增加,偏大、偏小的机会是均等的,因而我们可以采取多次测量,取平均值的方法来减小随机误差,理论上可以证明,若在没有系统误差时,只要测量次数足够多,多次测量值的算术平均值是真值的最佳近似。
二、有效数字
既然测量存在误差,那么怎样表达和理解实验测量的结果呢?
最基本和最简单的方法是用有效数字来表达测量结果。
我们以长度测量为例说明有效数字的有关概念。
用毫米刻度尺测一工件长度,工件左端已与零刻度线对齐,右端的读数为5.14厘米,在这几个数字中,前两位数字是准确的,而最后一位是估计的,也就是说测量误差发生在这一位。
我们把测量结果的准确数字加上一位测量误差所在位数字,统称为有效数字。
这样,在用有效数字记录测量结果时,我们就可理解为测量误差发生在最后一位。
显然一个测量结果的有效数字越多,测量误差也就越小。
在实际记录测量结果时,应注意以下关于有效数字正确使用方法:
1.有效数字位数与十进制单位变换无关,即与小数点位置无关。
例如上面的测量中长度可写为:
5.14厘米=5l.4毫米=0.0514米,这几种写法中,都是三位有效数字,在用米作单位时,最高位非零数字5之前的两个零不是有效数字,只是用来定位的。
2.出现在非零数字之间的“0”与最后误差位的“0”都是有效数字,因而不能随意取舍,也不能在最后误差所在位之后任意加“0”。
例如某一长度用螺旋测微器测得结果为2.080毫米,是四位有效数字,最后一位“0”表示误差所在位。
3.对于很大的数与很小的数,应采用科学记数法,以正确表示误差所在位。
例如地球半径记为R=6.371×
106米,表示四位有效数字,误差发生在103这一位。
在一般情况下,应使小数点前有一位非零数字。
4.有效数字表达的是测量结果,非测量值的数字,如公式中的确定倍数、指数、测量的次数都是准确数,系数是无理数时,也是准确数,它们的有效位数都可认为无限多,例如利用公式S=πD2/4测量圆面积时,直径D为测量值,而式中数字π、4及幂指数2均为准确数,计算时π一般取到比测量值D的有效数字多一位即可。
测量仪器读数的情况,如果读数时需要对最小分度之内作估读的,则数据记录应按上述有效数字记录要求进行记录。
如果不要求估读的,则其记录的均为准确数字。
☆常用力热仪器:
一、测量仪器使用常规
1.使用测量仪器之前,应首先弄清测量对象、测量范围、最小分度及单位。
2.了解使用方法,包括保护措施。
3.使用前应检查零点,包括复零情况。
4.使用前应先弄清读数方法。
二、测量仪器的读数
测量仪器的最小分度是由仪器制造能达到的准确程度决定的,我们通常所说的读数方法,即读到最小分度加一位估计值,实际上是读到最小分度时,其测量数值是准确的,进入最小分度内读一位估计值,通常就进入到仪器自身的误差值了,因此在作估读时,要根
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