高三总复习高中物理实验之考点知识的展示与提炼.docx
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高三总复习高中物理实验之考点知识的展示与提炼
物理实验
考点知识的展示与提炼
一.基本仪器的使用
测量是实验的基础,也是实验的重要内容,而测量必须依赖于测量工具,因此,了解和掌握各种测量工具的结构特点、测量原理、使用方法、读数方法、保护措施等,就成了物理实验中最基本的要求,自然成为高考中常考的内容。
高考要求会正确使用的主要仪器有13种,测量长度的3种(刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器);测量质量的1种(天平);测量时间的2种(秒表、打点计时器);测量力的1种(弹簧秤);测温度的1种(温度计);测电学量的3种(电流表、电压表、万用表);电路中调节仪器滑动变阻器、电阻箱、热学中的气压计等。
使用各种测量工具,一般应遵从以下规则。
1.测量前
要了解结构特点、搞清测量原理,观察测量范围,检查零点,调整零点,了解分度读数方法。
2.测量时
要注意操作要点、保护措施,正确读数。
读数所遵从的一般原则是,读到仪器最小刻度下一位,其中游标尺和秒表不要求估读。
3.测量后
正确处理数据,恢复仪器达到保管要求。
示例1一游标卡尺主尺最小分度为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2.15-1所示同,该工件的直径为毫米。
分析指导该题是1997年一道高考试题。
做这类题目时,首先要看清题目对仪器的介绍,从中了解本卡尺的分度特点是10分度的,其次要注意题目要求测什么。
从题中介绍该主尺最小分度为1毫米,可看出图中的3和4是厘米数,将其化为毫米分别为30和40,然后才开始读数为29.8毫米。
卡尺读数的考查,连续在1993年、1994年、1997年高考中出现,说明高考很重视基本测量使用和对分度特点及测量原理的考查。
示例2一万用表的欧姆挡有4挡,分别为×1欧、×10欧、×100欧、×1000欧,现用它来测一未知电阻值,当用×100欧挡测量时,发现指针偏转角度很小,为了使测量结果更准确,测量前应进行如下两项操作,先,接着,然后再测量读数。
分析指导本题主要考查对欧姆表的使用,关键必须懂得,选挡的依据是昼使指针指中值附近,以减少误差,换挡后必须再调零。
对本题还要懂得用×100欧挡测量时,指针的偏转角度很小的含意,指针偏转角度很小,即指针从
处只转动了很小的角度,表示待测电阻值就可有更明显的偏转。
换挡后必须重新调零,才能继续使用。
所以答案应是:
换用×1000挡;重新调零。
高考对欧姆表的使用很重视,不仅要懂得选挡、调零,还要懂得表笔的插法,电流的走向,刻度的特点,用完后选择开关需置于空挡或交流电压最高挡,还需了解欧姆表仅是万用表中的一个测量项目,还可以用万用表测量电流和电压等。
二.测量性实验的实验思想
物理学是一门实验科学,实验又是以物理量的测量为基础的,因此,应该把测量作为实验复习的主线贯穿始终。
测量分为直接测量与间接测量,直接测量的关键在于,测量工具的选取与使用,这在第一点中已作了详细介绍,更大量的是间接测量。
对某物理量进行间接测量时,必须依据某一规律,即常说的公式,将该间接测量量转化为直接测量量来进行,这是进行间接测量的实验思想和依据。
如:
用单摆测重力加速度的实验,在此,重力加速度是间接测量量,所依据的规律是单摆振动的周期公式,T=2π
,转化为直接测量量的最终表达式是g=
=
,依据最终表达式,把g的测量转化为摆长l和振动n次的时间t的测量,以此来选取测量工具,就很自然易行,测摆长需用刻度尺,测时间需用秒表,无需去死记硬背每一个实验需要用什么测量工具。
因此,进行测量的转化是做好测量性实验的关键。
示例3用三棱镜做测定折射率的实验,先在白纸上放好三棱镜,在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2,然后在棱镜的另一侧观察,调整视线使P1的像被P2挡住,接着在眼睛所在的一侧插上两枚大头针P3、P4,使P3挡住P1、P2的像,P4挡住P3和P1、P2的像,在纸上标出的大头针位置和三棱镜轮廓,如图2.15-6所示。
(1)在本题图上画出所需光路。
(2)为了测出棱镜玻璃的折射率,需要测量的量是,在图上标出它们。
计算折射率的公式是n=。
分析指导这是一个典型的光学间接测量性实验。
许多考生面对此高考题感到奇怪,课本上介绍的是用插针法测平行玻璃砖的玻璃折射率,而本题却要求测三棱镜玻璃的折射率,认为学过而不知如何下手。
实际上插针法只是一种方法,只是利用P1与P2的连线找到入射线和入射点O,利用P3与P4的连线找到出射线和出射点O’,从而找到在玻璃的光线OO’,即可进一步确定入射角i和折射角ν,根据折射率的公式n=
,就可计算出三棱镜玻璃的折射率,在此,实验的思想并未改变。
由上看出,从测平行玻璃砖的折射率,发展到测三棱镜的折射率,表面看是方法的延伸,实质是同一种测量思想的反映,是一种观念和体现。
这正是高考对实验求的第二点,“会用在这些实验中学过的实验方法”的具体展现。
示例4在研究平抛物体运动的实验中,用一张印有小方格的纸,记录轨迹如图2.15-8所示,其中每个小方格的边长l=1.25厘米。
若小球在平抛运动途中的几个位置如图中的a、b、c、d所示,则小球平抛的初速度的计算式为ν0=(用l、g表示),其值是(g取9.8米/秒2)
分析指导该试题中有一句关键话,“若小球在平抛运动途中的几个位置,如图中a、b、c、d所示”,说明a点并非平抛的起点,显然这是一道非常规性的题目。
虽然如此,但间接测量ν0的基本思想并未改变,仍然是利用竖直方向自由落下的距离找时间,利用水平匀速运动的距离求初速,所不同的仅是未知起点位置。
方法一;该题所给轨迹点的特点是相邻二点的水平间距相同,则所用时间也必相同,找到此时间即可求初速,设此时间为T,设a点竖直分速为νay,
在竖直方向上有Yb,a=l=
T+
Yc,a=3l=
×2T+
联立上二式求解可得T=
在水平方向
=
=
=2
=0.7(m/s)
方法二;若抓住相邻二点间的时间间隔相等,在竖直方向引用分析纸带求加速度的表达式,a=
,就可更为简便的解出,即
T2=
=
,T=
,ν0=
…
由此看出,要求应试者比较深刻地理解这一实验的实验思想,把实验中用过的数据处理方法,能迁移到本题的实验中。
三.验证性实验的特点与要求
所谓验证性实验,是对已经得出的某种规律,用实验进行再验证。
因此,实验时首先要了解需要验证的内容、实验的条件、实验的方法,然后根据所需验证的表达式进行分析,其中哪些物理量可直接测量,哪些物理量需间接测量,现将需间接测量的物理量转化为直接测量量来表示,写出最终需验证的表达式,继而选取测量工具进行实验。
验证性实验以测量性实验为基础,不同之处一般主要表现在验证性实验在测量后,需对各数据进行正确的处理,看所需验证的表达式是否成立。
实际的实验过程,仍是在进行各量的测量和现象的观察上。
如,验证“碰的动量守恒”的实验,需要验证的内容的表达式是m1ν1=m1ν1’+m2ν2’,实验的条件是一般碰撞,实验的方法是平抛测速法、转化测量量,将需验证的表达式转化为m1s1=m1s1’+m2s2’,由最终表达式可看出,要进行直接测量的物理量有质量m和长度s,所需测量工具有天平和刻度尺。
示例5某同学做“验证牛顿第二定律”的实验,得出一组外力一定时,研究加速度a与质量m的关系时的实验数据如表2.15-1。
加速度与质量关系
次序
1
2
3
4
5
m(kg)
0.30
0.50
0.70
0.90
1.10
a(m/s2)
0.64
0.39
0.28
0.20
0.17
1/m(kg-1)
为了验证在外力一定时,加速度与质量成反比,现采用图像法进行验证,要填表并在图.15-11
所示的方格纸上作图。
表中数据来自条纸带;此次实验外力大小是牛;由于所作图线是一条,由此可以得出的结论。
分析指导这是一个常规型的验证性实验试题,首先要搞清需验证的内容是F一定,a∝
,既然要验证a与m的关系,当然需对a和m进行测量,一条纸带对应一个匀加速运动情况,只能有一个加速度,因此,表中数据来自
条纸带。
从所连的图线上找一个点,根据该点数可求出外力,F=am=0.19牛顿。
由于所作图线是一条过原点射线,可得出在外力一定时,加速度与质量成反比的结论。
示例6某次为“验证机械能守恒定律”所做实验中,使用频率为50赫兹的交流电源,重锤自由下落打出质量为纸带如图2.15-12所示,现欲验证图中计数点B点与E机械能守恒,请写出所需验证的表达式,并根据纸带所给数据,进行计算,可得出什么结论。
分析指导题目要求验证的是B、E两点的机械能守恒,而该两点都属中途点,因此两点都有速度和所对应的动能,重力势能的零点可任意选取,为了方便可选后面的E点为重力势能零点,则所需验证的表达式为
mνB2+mghBE=
mνE2+0
根据纸带数据可分别求出B、E点的速度
νB=
=
=140厘米/秒=1.40米/秒
νE=
=
=260厘米/秒=2.60米/秒
B点的机械能EB=
mν
+mghBE=
m×1.42+m×9.8×0.24=3.33m
E点的机械能EE=
mνE2=
m×2.62=3.38m
相对误差=
=1.5%
相对误并为1.5%,说明实验结果在实验允许的实验误差范围内,B点和E点的机械能相等,验证了B、E两点机械能是守恒的。
若EB与EE相差过大,则说明本次实验未能验证机械能守恒,而不能认为机械能守恒,而不能认为机械能守恒定律不正确。
四.电学实验的特色
电学实验的实验思想与力学实验基本相同,关键仍是将间接测量量转化为直接测量量来进行,但电学实验还有它的特殊性。
1.常规电学实验的步骤
(1)测量前
要确定电路原理图或看懂所给电路图,选择合适的仪器,观察仪器的测量范围,了解分度特点、检查调整零点。
(2)测量中
要注意电学实验的操作要点(包括仪器的放置、开关的通断、滑线变阻器滑动头的位置、连线的方法及顺序、试碰等)保护措施、读数方法。
(3)测量后
要关断电源、处理数据、最后整理仪器使其恢复到保管要求。
2.电学器材的选取原则
概括起来可用三句话表示,“以可行为据;以精确为准;以方便为好。
”
(1)可行性原则
可行是指器材符合题目要求,不超量程,不损坏仪器。
对电源,要注意交直流电表;关键是不超量程。
对滑动变阻器,主要是实际电流不超过最大允许通过的电流,阻值符合要求。
(2)精确性原则
选用内阻大的电压表;内阻小的电流表;尽量使二表读数范围在其量程的2/3附近;使欧姆表读数在其中值附近。
(3)方便性原则
主要是指对滑线变阻器和电阻箱的选择,若小阻值已符合要求,就不宜选大阻值的。
3.电路的选取与设计
(1)安培表的内外接
在用安培与伏特表同时测某用电器的电流和电压时,对电表的联接可有两种不同的接法,称为安培表内接电路与外接电路,选择的目的就是为了减少系统误差,在中学范围内,可采用粗略的计算后再选取,选取原则是(设用电器电阻为Rx、电压表内阻为RV、电流表内阻为RA):
当RX≥RA时,一般选安培表内接;
当RX≤RV时,一般选安培表外接;
若不知RX的大致值,则可分别采用安培表内接和外接试测,若安培表二次读数变化不大,则选用安培表外接;若伏特表二次读数变化不大,则选用安培表内接。
(2)限流电路与分压电路
在选用和设计电路前,要了解两种电路的特点。
限流电路调节范围一般较小,但电路简单,功率损耗小。
而分压调节范围一般较大,电路比较复杂,功率损耗较大。
选取与设计电路是根据实验要求进行的,若实验要求对某用电器的电压、电流,从零伏测起,这只能选分压
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