中学物理实验大全(高中部分).pdf
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1、1 专题 2011高考物理实验 (1) -1 、基本仪器的使用 方法归纳 1 刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、弹簧秤、温度表、电流表、电压表、多 2在力学和电学实验中,常需要利用测量工具直接测量基本物理量 基本物理量测量仪器 力学 长度刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器 时间秒表(停表)、打点计时器 质量天平 电学 电阻(粗测)欧姆表、电阻箱 电流电流表 电压电压表 刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表的读数 使用以上仪器时,凡是最小刻度是10 分度的, 要求读到最小刻度后再往下估读一位(估读的这位是不 可靠数字,但是是有效数字的不可缺少的组成部分)。凡是最小刻度不是1
2、0 分度的,只要求读到最小刻度 所在的这一位,不再往下估读。 例如 读出上左图中被测物体的长度。 上右图用3V量程时电压表读数为多少?用15V量 程时电压表度数又为多少? 右图中秒表的示数是多少分多少秒? 凡仪器的最小刻度是10 分度的,在读到最小刻度后 还 要 再往下估读一位。6.50cm。 1.14V。15V 量程时最小 刻 度 为 0.5V,只读到0.1V 这一位,应为5.7V 。秒表的读 数 分 两部分:小圈内表示分,每小格表示0.5 分钟;大圈内表示秒, 最小刻度为0.1 秒。 当分针在前0.5分内时,秒针在 030秒 内 读 数;当分针在后0.5 分内时,秒针在3060 秒内读数。
3、因 此 图 中秒表读数应为3 分 48.75 秒 (这个 5 是估读出来的) 。 游标卡尺 10 分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.9mm,比主尺上相邻两个刻度间距离小 0.1mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数,然后用游标读出0.1 毫米位的数值:游标的第几条刻线跟 主尺上某一条刻线对齐,0.1 毫米位就读几(不能读某)。其读数准确到0.1mm。 0 1 2 3 V 0 5 10 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 31 2 33 4 35 6 37 8 39 41 10 43 12 144516 47 18 49 20 51 22 53 24 26 55
4、 57 28 59 0 1 2 6 7 8 9 10 11 3 4 5 12 13 14 2 50 20 25 15 20 分度的游标卡尺。游标上相邻 两 个 刻度间的距离为0.95mm, 比主尺上相邻 两 个 刻度间距离小0.05mm。 读数时先从主尺 上 读 出厘米数和毫米数,然后用游标读出毫 米 以 下的数值:游标的第几条刻线跟主尺上 某 一 条刻线对齐,毫米以下的读数就是几乘0.05 毫米。其读数准确到0.05mm。 50 分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.98mm,比主尺上相邻两个刻度间距离小 0.02mm。这种卡尺的刻度是特殊的,游标上的刻度值,就是毫米以下的读数。这
5、种卡尺的读数可以准确到 0.02mm。如右图中被测圆柱体的直径为2.250cm。 要注意:游标卡尺都是根据刻线对齐来读数的,所以都不再往下一位估读。 螺旋测微器 固定刻度上的最小刻度为0.5mm(在中线的上侧) ;可动刻度每 旋 转 一 圈前进(或后退)0.5mm。在可动刻度的一周上平均刻有50 条刻线 , 所 以 相邻两条刻线间代表0.01mm。读数时,从固定刻度上读取整、半毫 米 数 , 然后从可动刻度上读取剩余部分(因为是10 分度,所以在最小刻度 后 应 再 估读一位),再把两部分读数相加,得测量值。右图中的读数应该是 6.702mm。 天平 天平使用前首先要进行调节。调节分两步:调底
6、座水平和横梁水平(在调节横梁水平前,必须把游码 移到左端零刻度处,左端与零刻线对齐,如图中虚线所示)。测量读数由右盘中砝码和游标共同读出。横梁 上 的 刻 度 单 位 是 毫 克 (mg) 。若天平平衡时,右盘中有26g 砝码,游码在图中所示位置,则被测物体 质量为 26.32g(最小刻度为0.02g,不是 10 分度,因此只读到0.02g 这一位)。 多用电表 使用多用电表时首先应该根据被测物理量将选择开 关 旋 到相应的位置。使用前应先进行机械调零,用小螺丝刀轻 旋 调 零螺丝,使指针指左端零刻线。使用欧姆挡时,还应进行 欧 姆 调零,即将红、黑表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使指针 指 右
7、端零刻线处。欧姆挡的使用:选挡。一般比被测电阻的 估 计 值低一个数量级,如估计值为200就应该选 10 的倍率。 调 零。 将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。将指针示 数 乘 以倍率, 得测量值。 将选择开关扳到OFF 或交流电压最高挡。 用欧姆挡测电阻, 如果指针偏转角度太小,应增大倍率;如 果 指 针偏转角度太大,应减小倍率。 电阻箱 右图中的电阻箱有6 个旋钮, 每个旋钮上方都标有倍率,将 每个旋钮上指针所指的数值(都为整数)乘以各自的倍率,从最高位依次往下读,即可得到这时电阻箱的 实际阻值。图中最左边的两个黑点是接线柱。若指针所示如图,则阻值为84580.2。 0 1 2 3 4 5
8、6 7 8 90 01234567891 线圈 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 mg 3 【特别提示】一般来说,除游标卡尺、秒表、电阻箱外,其他测量仪器的读数都需要估读,即读到精度的下一位 专题 2011高考物理实验 (2) -2独立完成实验 方法归纳 1 有些物理量不能由测量仪器直接测量,这时,可利用待测量和可直接测量的基本物理量之间的关系, 将待测物理量的测量转化 为基本物理量的测量 待测物理量基本测量方法 力 学 速度利用纸带, 1 2 nn m SS v T ;利用平抛, 2 g vx y 加速度利用纸带,逐差法 2 S a T ;利用单摆
9、2 2 4L g T 力根据 F=ma 转化为测量m、a 功根据 k WE 转化为测量m、S、v 电 学 电阻(精确测 量) 根据 U R I 转化为测量U、I(伏安法);电阻箱(半偏、 替代) 电功率根据 P=IU 转化为测量U、I 电源电动势根据 EUIr 转化为测量U、I 2(前有) 0.1101 1K10K100 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 4 (1)多次测量求平均值; (2
10、3 中学物理中只要求初步了解系统误差和偶然误差、绝对误差和相对误差的概念;能定性分析某些实验 (1)系统误差和偶然误差:测量值总是有规律的朝着某一方向偏离真值(总是偏大或总是偏小)的误 差,称为系统误差系统误差的主要来源是仪器本身不够精确,或实验原理、方法不够完善由于偶然因 素的影响,造成测量值的无规则起伏称为偶然误差偶然误差是由于各种偶然因素对实验者、测量仪器, 被测物理量的影响而产生的,多次测量偏大和偏小的机会相同,因此,多次测量求平均值可减小偶然误差 (2)绝对误差和相对误差:设某物理量的真值为A0,测量值为A,则绝对误差 0 |AA,相对误差 为 0 00 |AA AA 真值 A0常以
11、公认值、理论值或多次测量的平均值代替 (3)有效数字 带有一位不可靠数字的近似数字,叫做有效数字。有效数字是指近似数字而言。只 能带有一位不可靠数字,不是位数越多越好。 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),这里不受有效数字位数的限制。 间接测量的有效数字运算不作要求,运算结果一般可用23 位有效数字表示。 专题 2011高考物理实验 (3) -3. 独立完成实验的能力 (1)理解实验原理、实验目的及要求; 实验原理 中学要求必做的实验可以分为4 个类型:练习型、测量型、验证型、探索型对每一种类型都要把原 理弄清
12、楚 (2)掌握实验方法步骤; (3)会控制实验条件和使用实验仪器 ,会处理实验安全问题; 实验仪器 要求掌握的实验仪器主要有:刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器(千分尺)、天平、停表(秒表)、打点 计时器(电火花计时仪)、弹簧秤、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱,等等。对 于使用新教材的省市,还要加上示波器等。对这些仪器,都要弄清其原理、会正确使用它们,包括测量仪 器的正确读数。 实验装置 对电学实验主要指电路图。 下面几个是应特别注意的: 验证牛顿第二定律的实验,如何平衡摩擦力是关键。 5 研究平抛物体的运动及碰撞中的动量守恒的实验,这两个实验都要使用斜槽轨道,让小球从轨道上
13、端无初速滚下,然后平抛出去,在安装装置时要注意保证轨道末端必须水平,如果实验要进行多次,每次 小球应从同一高度处下落,因此应有一个挡板。 验证机械能守恒定律的实验,要用铁架台并用夹子固定纸带,这样在开启打点计时器而未释放重锤 前,能保证打出的点迹在同一点上,若像课本上的实验装置图那样,用手握住纸带,开启打点计时器而未 释放纸带前, 会由于手的抖动而打出一“堆” 点,从而无法准确找出第一个点(即自由落体运动起始位置)。 用单摆测重力加速度的实验,在安装单摆时要注意悬点的固定,随便拴一个结系在铁架台的横梁上 是不可取的,因为悬点不确定,就不是单摆,并且摆长值也无法准确测量。 有关电路的电学实验要注
14、意安培表的外接与内接,制流与分压电路的选择,电表内阻的影响,等等。 (4)会观察、解释实验现象,会分析、处理实验数据; (5)会分析和评价实验结果,并得出合理的实验结论 实验数据的处理 重要的有打点计时器纸带的处理方法(如分析是不是匀速运动或匀变速直线运动、如果是匀变速运动, 如何求某时刻的速度、如何求加速度等);解方程求解未知量、用图像处理数据(把原来应该是曲线关系的 通过改变坐标轴的量或单位而变成线性关系,即变成直线,是重要的实验能力)。 实验误差的定性分析 中学阶段不要求进行定量的误差分析,但对主要误差的产生原因、系统误差是偏大还是偏小等,应能 理解。在电路的实验中,粗略地看,认为电流表
15、是短路、电压表是断路,但精确一点看,电流表和电压表 的内阻的影响都不能忽略,定性地讨论电表电阻对测量结果的影响是我们应该掌握。 2. 、设计实验的能力 能根据要求灵活运用已学过的物理理论、实验方法和仪器,设计简单的实验方案并处理相关的实验问题 【注】几种重要的实验方法 下面几种实验方法是我们中学阶段物理实验中用过的,从方法的角度整理、复习一下,有助于我们提 高认识水平和能力。 (1)累积法: 在“用单摆测重力加速度”测周期时我们用的是累积法,即我们不直接测一个周期的时 间,而是测30 50 个周期的总时间,再除以周期数即得周期T的值用累积法的好处是:相当于进行多 次测量而后取平均值,这样可以减
16、少偶然误差;增加有效数字的位数以测单摆的周期为例,我们实验 时单摆的摆长大约是1m或不到 1m ,用停表(最小分度值是0.1s )直接测1 个周期的值,只能读出两位有 效数字(机械停表的指针是跳跃式前进的,因此不能估读),如 1.8s 、2.0s 等,而测30 个周期总时间,则 可读出至少3 位有效数字。 用累积法的实验还有很多,如测一张纸的厚度、用刻度尺测金属丝的直径 (2)替代法: 在“互成角度两个共点力的合成”的实验中我们就用到了替代法,第一次我们用两个弹 簧秤成角度地拉橡皮筋,把结点拉到某一位置,再换成一个弹簧秤,同样拉这个橡皮筋,也把结点拉到同 样位置,这说明后一个弹簧秤的拉力与前面
17、两个弹簧秤的拉力效果相等因此右以互相替代对于“等效” 这个问题,应正确理解:所谓效果相等,是对某一方面说的,并不是在所有方面都等效,仍以合力与分力 来说,它们只是在改变物体的运动状态上等效,而在其他方面,例如在产生形变上,二者并不等效。 用替代法的例子还有很多,如用天平称物物体的质量,电阻测量等都可以用替代法,我们古代三国时 期曹冲称象的故事就是替代法的典型实例。 (3)测量量的转换:例如在“碰撞中的动量守恒”的实验中,把测物体的速度转换为测物体平抛运动 的水平位移,即把测速度转换为测长度。 又如在“测定玻璃的折射率”的实验中,本应测量入射角和折射角,再根据折射率n=sini/sinr求出 折
18、射率,但角度不容易测准确 (一般所用的量角器的最小分度是1, 并且测角度时顶点很难对得特别准确), 而通过做辅助线的方法可以把测角度转换为测线段的长度,从而增加了有效数字的位数,即提高了测量的 6 准确度。 (4)比较法: 用天平称物体的质量,就是把物体与砝码进行比较,砝码的质量是标准的,把被测量与 标准的量进行比较,就是比较法天平是等臂杠杆,因此用天平测物体质量时,不用再进行计算,而是直 接读出砝码的质量,它就等于物体的质量。一般情况下,被测物跟标准量并不相等,而是要根据某种关系 进行计算,最常用的是二者间满足一定的比例关系,通过一定的比例计算即可得出结果,因此常常称为比 例法。用比例法测电
19、阻是常见的,当两个电阻串联时,通过的电流相等,因此两电阻两端的电压跟它们的 电阻成正比,如果其中的一个电阻是标准电阻,另一个电阻的阻值就可测出同样,两电阻并联时,由于 两端电压相等,通过两支路的电流跟电阻成反比,只要一个是标准电阻,另一个电阻的阻可测出。 专题 2011高考物理实验 (4) 重点的学生实验 1.研究匀变速直线运动 右图为打点计时器打下的纸带。选点迹清楚的一条,舍掉开始比较密集的点迹,从便于测量的地方取 一个开始点O,然后每 5 个点取一个计数点A、B、C、D , 。测出相邻计数点间的距离s1、s2、s3 ,利用 打下的纸带可以: 求 任 一 计 数 点 对 应 的 即 时 速
20、度v : 如 T ss vc 2 32 (其中 T=50.02s=0.1s) 利用“逐差法”求a: 2 321654 9T ssssss a 利用上图中任意相邻的两段位移求a:如 2 23 T ss a 利用 v-t 图象求 a:求出 A、B、C、D、E、F 各点的即时速度,画 出如右的v-t 图线,图线的斜率就是加速度a。 2.探究弹力和弹簧伸长的关系(胡克定律) 利用右图装置, 改变钩码个数,测出弹簧总长度和所受拉力(钩码总重量)的多组 对应值,填入表中。算出对应的弹簧的伸长量。在坐标系中描点,根据点的分 布 作 出 弹力 F 随伸长量x 而变的图象,从而发确定F-x 间的函数关系。解释函
21、数表达 式 中 常 数的物理意义及其单位。 该实验要注意区分弹簧总长度和弹簧伸长量。对探索性实验, 要根据描出 的 点 的 走向,尝试判定函数关系。(这一点和验证性实验不同。) 3.互成角度度两个力的合成 该实验是要用互成角度的两个力和另一个力产生相同的效果,看其用平行四边形定则求出的合力与这 一个力是否在实验误差允许范围内相等,如果在实验误差允许范围内相等,就验证了力的合成的平行四边 形定则。 4.研究平抛物体的运动(用描迹法) t/s 0 T 2T 3T 4T 5T 6T v/(ms -1) 7 0 1 2 3 4 该实验的实验原理:平抛运动可以看成是两个分运动的合成:一个是水平方向的匀速
22、直线运动,其速 度等于平抛物体的初速度;另一个是竖直方向的自由落体运动。利用有孔的卡片确定做平抛运动的小球运 动时的若干不同位置,然后描出运动轨迹,测出曲线任一点的坐标x 和 y,利用 vtx、 2 2 1 gty就可求出小球的水平分速度,即平抛物体的初速度。 注意事项: 斜槽末端的切线必须水平。 用重锤线检验坐标纸上的竖直线是否竖直。 以斜槽末端所在的点为坐标原点。 如果是用白纸,则应以斜槽末端所在的点为坐标原点,在斜槽末端悬挂重锤线,先以重锤线方向确 定 y 轴方向,再用直角三角板画出水平线作为x 轴,建立直角坐标系。 每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始下滑。 5.验证动量守恒定律 由
23、于 v1、v1/、v2/均为水平方向,且它们的竖直下落高度都相等,所以它们飞行时间相等,若以该时间 为时间单位,那么小球的水平射程的数值就等于它们的水平速度。在右图中分别用OP、 OM 和 O /N 表示。 因此只需验证:m1OP=m1OM+m2(O /N-2r)即可。 注意事项: 必须以质量较大的小球作为入射小球(保证碰撞后两小球都向前运动)。 小球落地点的平均位置要用圆规来确定:用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面,圆心就是落点的 平均位置。 所用的仪器有:天平、刻度尺、游标卡尺(测小球直径)、碰撞实验器、复写纸、白纸、重锤、两个 直径相同质量不同的小球、圆规。 若被碰小球放在斜槽末端,而不
24、用支柱,那么两小球将不再同时落地,但两个小球都将从斜槽末端 开始做平抛运动,于是验证式就变为:m1OP=m1OM+m2ON,两个小球的直径也不需测量了。 6.验证机械能守恒定律 验证自由下落过程中机械能守恒,图示纸带的左端是用夹子夹重物的一端。 注意事项: 要多做几次实验,选点迹清楚,且第一、二两点间距离接近2mm 的纸带进行测量。 用刻度尺量出从0 点到 1、2、3、4、5 各点的距离h1、h2、h3、h4、h5,利用“匀变速直线运动中间 时刻的即时速度等于该段位移内的平均速度”,算出 2、3、4各点对应的即时速度v2、v3、v4,验证与 2、3、 4 各点对应的重力势能减少量mgh 和动能
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