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第六讲 物理实验考题应试策略
1.实验题的关键是什么?——是实验原理.实验原理是实验本身最具有灵魂的东西,也是实验拓展性、迁移性最强的地方,当然也是高考命题概率最高的地方.(1)确定实验原理.物理实验的精髓在于测量,测量分为直接测量和间接测量,其中间接测量是重点,也是我们确定实验原理的依据.(2)进行实验操作三因素:可行性是实验设计的基础、准确性是实验操作的核心、方便性是实验成功的保障.(3)数据处理:包括实验结果的获得及实验误差的分析.采用哪种数据处理方法以及对实验中出现的系统误差的分析的思维出发点,也是基本实验原理.2.强化要求:(1)常规仪器要会用(2)实验数据处理的常用方法要掌握(3)掌握实验中变通应用仪器的几种常用方法(4)熟悉实验的常用创新方法
3.落实策略:策略1基本仪器——正确使用,准确读数刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、打点计时器、电流表、电压表、多用电表都是基本仪器,要熟练掌握它们的使用方法和读数规则,在高考前要进行系统的实际测量和读数练习,特别是游标卡尺、螺旋测微器、电学实验仪器的读数.此类试题难度不大,要防止在读数的估读、结果的有效数字和单位上出错.策略2常规实验——紧扣教材,融会贯通教材中的实验是高考创新实验的命题根源,这就要求我们在高考实验备考中要紧扣教材中的实验,弄清和掌握教材中每一个实验的基本原理、实验步骤、操作过程、实验数据的处理、误差分析、实物图的连线、电路图的设计等,对每一个实验都应做到心中有数,并且能融会贯通.
策略3创新实验——活用原理,巧妙迁移近几年新课标全国卷实验题的第二题,往往注重考查实验原理的迁移、测量方法的迁移、数据处理方法的迁移,试题新颖、区分度高.但试题依然是以实验基础为依据,如计算形式的实验题、电学中实验原理图的设计等都是根据考生学过的实验方法、原理等来命制的,做题时一定要审清题意,明确实验目的,联想和迁移应用相关实验原理.
一、掌握测量读数类仪器使用方法1.游标卡尺游标卡尺的读数方法:①以游标零刻度线位置为准,在主尺上读取整毫米数;②看游标上哪一条刻度线与主尺上的某一刻度线(此某一刻度线不需读出)对齐,由游标上对齐的刻度数(即格数)乘以游标卡尺的精确度得出毫米以下的小数;③总的读数为毫米整数加上毫米以下的小数.2.螺旋测微器(千分尺)量程一般为0~25mm,精确度是0.5mm÷50=0.01mm.螺旋测微器的读数方法:①从固定标尺上读出整毫米数,要注意半毫米刻度线是否露出,如果露出再加上0.5mm.②0.5mm以下的读数则等于与固定标尺上横线对准的可动圆周上的读数(要估读一位)乘以精度0.01mm.③测量长度为上述二者之和.
【特别提醒】螺旋测微器的使用要注意两点:(1)半毫米刻度线;(2)估读,末位估读的“0”不要漏掉.
3.电流表、电压表(1)电流表、电压表使用时量程选择的规则:根据被测电流或电压值的大小选择量程.测量时最好使指针偏转超过所选量程的.在不知道被测电流或电压大小的情况下,应选用电表的较大量程,然后再根据指针偏转情况选取合适的量程.(2)读数方法:读数时应使视线垂直于刻度盘表面.凡仪器最小刻度是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);凡仪器最小刻度不是10分度的,只要求读到最小刻度所在的这一位,不再往下估读.
4.电阻箱电阻箱是按照各个数量级上指针的对应数值读数的,指针必须指向某一个确定的数值,不能在两个数值之间,因此电阻箱测量结果的各位读数都是从电阻箱上指针所指位置直接读出的,不再向下估读.如图所示的电阻箱的阻值为84580.2Ω.
5.多用电表(1)使用多用电表测电压、电流时,应根据选择的量程确定最小刻度值,然后读数.(2)使用欧姆挡时,注意以下几个方面:①用多用电表测电阻时,测量前应根据估计的阻值选用适当的挡位.由于欧姆挡刻度的非线性,使用欧姆挡测电阻时,表头指针偏转过大或过小都有较大误差,通常只使用表盘中间一段刻度范围为测量的有效范围,否则要变换倍率.②每更换一次倍率,都要重新进行欧姆调零.③由于欧姆挡表盘刻度不均匀,难于估读,测量结果只需取两位有效数字.计数时不要忘记乘上相应挡位的倍率.④测量时待测电阻要跟其他元件和电源断开.⑤多用电表使用完毕后,应将选择开关拨离欧姆挡,旋至OFF挡或交流电压最高挡上.
【特别提醒】要区分开“机械零点”与“欧姆零点”:“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置.调整的是表盘下边中间的定位螺丝.“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调整的是欧姆挡的调零旋钮.
二、“纸带类”实验1.打点计时器打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,它接在频率为50Hz的交流电源上使用时,每隔0.02s打一次点,因此,纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置.通过研究纸带上点迹间的距离,就可以确定物体的运动情况.
2.纸带的应用①利用纸带计算瞬时速度②当物体做匀速直线运动时,某段时间内的平均速度等于各个时刻的瞬时速度.在“探究动能定理”实验中,就是据此求得物体最终获得的速度大小.因此要选取纸带上打点间隔基本相等的部分进行测量.
三、弄清以测电阻为核心的电学实验原理1.最常用的电阻测量方法(1)“伏安法”有电压表、电流表且电表量程恰当时选择“伏安法”.(2)“安安法”电压表不能用或没有电压表的情形下,若知道电流表内阻,可以将电流表当作电压表使用,即选择“安安法”.(3)“伏伏法”电流表不能用或没有电流表的情况下,若知道电压表内阻,可以将电压表当作电流表使用,即选择“伏伏法”.(4)“伏安加R法”在运用伏安法测电阻时,由于电压表或电流表的量程太小或太大,为了满足安全、精确的要求,加保护电阻的方法就应运而生,“伏安加R法”又叫做“加保护电阻法”.(5)电表的“三用”:如果知道电表的内阻,电流表、电压表就既可以测电流,也可以测电压,还可以作为定值电阻来用,即“一表三用”.
2.最为精确的电阻测量方法——等效替代法
3.电表内阻测量最常用的方法——半偏法(1)用半偏法测电流表内阻,如图所示,电阻箱应和电流表并联,然后与大电阻滑动变阻器串联,R测R真.
四、掌握测量电源电动势和内阻的三种常用方法1.电源电动势和内阻的测量方法任何一种实验方法.一定要紧扣闭合电路欧姆定律E=U+Ir,而最关键的是看电路中如何测量出路端电压U和电路中的总电流I,这也是命题专家命题时的入手点.
2.数据处理利用图象得出电动势和内阻是常见的方法,对于不同的电路设计,在作图象时都要画出倾斜直线,即得到有关电动势和内阻的一次函数关系,再利用图象中的斜率与截距求解.当电流表或电压表量程不符合实验要求时,要考虑改装电表进行测量,所以有时也会用两个电流表或两个电压表来进行测量.
五、“伏安类”实验中电流表的内、外接法
【特别提醒】1.在RV、RA均不知的情况下,可采用试触法.如图所示,分别将a端与b、c接触,如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显,说明电压表分流作用大,应采用内接法;如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显,说明电流表分压作用大,应采用外接法.2.如果电压表内阻已知,采用电流外接法;如果电流表内阻为已知,采用电流内接法.
六、控制电路的设计技巧1.滑动变阻器控制电路的方式有分压式和限流式两种,下列几种情况必须选用分压式接法:(1)要求被控制电路的电流(或电压)从零开始可连续调节时(如:测绘导体的伏安特性曲线等实验);(2)被控制电路的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时;(3)实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时;(4)若采用限流式接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过电表或电器的额定值时.2.若测量电路电流或电压没有要求从零开始连续调节,只是小范围内测量,且被控制电路的电阻RL与滑动变阻器的最大值R0接近或RL略小于R0,则应该采用限流式接法.测定电源的电动势和内阻实验必须采用限流式接法.
七、电学仪器的选择技巧电学实验器材和电路选择的原则是安全、精确和方便,器材的选择与实验所用的电路密切相关,因此在选择器材前首先要根据实验目的和实验原理设计测量精确、安全可靠、操作方便的实验电路,再根据实验电路的需要选择器材.具体如下:1.电源的选择:一般可以根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源.2.电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大电流选择电流表;选择的电表的量程应使电表的指针摆动的幅度较大,一般应使指针能达到半偏左右,以减小读数的偶然误差,提高精确度.3.变阻器的选择:所选用的变阻器的额定电流应大于电路中通过变阻器的最大电流,以确保变阻器的安全;为满足实验中电流变化的需要和调节的方便,在分压式接法中,应选用电阻较小而额定电流较大的变阻器,在限流式接法中,变阻器的阻值不能太小.
八、实验误差1.偶然误差和系统误差从性质和来源看,误差分为偶然误差和系统误差两种.(1)偶然误差是由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误差.减小偶然误差的方法就是通过多次测量求平均值.(2)系统误差是由于仪器本身不精确,或实验方法粗略或实验原理不完善而产生的.要减小系统误差,必须校准仪器,或改进实验方法,或完善实验原理.
2.有效数字(1)测量既然总有误差,测量的数值就只能是近似数,如“174.2mm”最末的一位数字“2”是不可靠数字,但它仍有意义不能舍,因为它代表了一个大概数量关系,比如这里174.2与174.8相比是接近174还是175就显而易见了.像174.2mm这种带一位不可靠数字的近似数字叫有效数字,有效数字的最后一位为误差所在位.在实验中,测量时要按有效数字的规则来读数.(2)确定有效数字时,应注意以下问题:①有效数字的位数与小数点的位置无关.有效数字的位数与单位无关.②关于“0”在有效数字中的特殊性:0在前时,从左往右数第一个不为零的数字才是有效数字.0在后时,计入有效数字.③乘方不算有效数字;比如3.020×10-3m/s中的-3不是有效数字,10也不是.
3.减小实验误差的方法(1)多次测量求平均值.(2)累积法.(3)图象法.
【典例1】试题图为某物理兴趣小组测定弹簧劲度系数的实验装置.弹簧下端固定在水平桌面上,上端连接一托盘P,在托盘P下方和桌面上方同一竖直线上安装有光电测距仪A和B,通过数据线可以将二者间的距离信息输入到电脑,距离测量精度可达到0.1mm.实验时,小组同学将6个规格为m=50g的砝码逐个放在托盘P上,每加放一个砝码待系统静止后均打开光电测距电路开关进行测距,测距结果直接输入电脑,测距完成关闭测距开关,然后将对应的托盘上放置砝码的数目信息输入电脑,形成一组测量数据.实验过程中弹簧始终保持竖直且在弹性限度内.实验完成后小组同学在电脑上对坐标轴和坐标轴所表示物理量的单位进行了设置,纵轴表示托盘P上砝码的总重力F与单个砝码重力mg的比值;横轴表示A、B间的距离h,单位设置为cm.设置完成后,电脑系统根据实验数据自动拟合出图象如图所示,已知当地的重力加速度为9.8m/s2.
(1)根据图可求出弹簧的劲度系数k=N/m.(结果保留一位小数)(2)输入电脑的数据没有托盘和弹簧的重力,这一疏漏对测量结果(选填“有影响”或“无影响”).(3)针对实验小组在电脑上的设置操作,请你提出一条提高测量精度的改进建议:.
【分析】根据弹簧弹力和形变量的正比例关系,可知砝码盘的质量遗漏对实验结果无影响,根据图象的函数关系,得到图象的斜率为,利用图象可计算出劲度系数k.横轴若改为mm,在数据处理时会提高计算的准确度.
【素养点拨】力学实验中与弹簧有关的是两个实验,其中探究弹力与弹簧伸长的关系的实验验证了弹力和弹簧伸长量之间符合胡克定律,而验证力的平行四边形定则的实验则是利用了弹性绳也符合胡克定律的特性来验证了平行四边形定则.这类试题的考查通常会在课本实验的基础上做出一些延伸,其中探究弹簧的弹性势能这一方向是考查的热点.这类问题要注意以下几点:1.弹簧的弹力大小等于下面所挂钩码的重力(静止时),改变所挂钩码的个数,可以改变弹簧的弹力大小.2.弹簧的长度可用刻度尺直接测出,伸长量可由弹簧伸长后的长度减去弹簧的原长来计算.3.涉及力的合成的问题要紧扣等效思想.实验过程中要做好三记录(即力的大小、力的方向、力的作用点),并利用平行四边形定则做好力的图示.4.涉及能量问题时,重点分析理解实验原理,灵活应用弹簧(橡皮筋)的弹性势能和其他能间的转化.
【典例2】某同学探究钩码加速度与合外力的关系,其实验装置如图所示,一端带有定滑轮的长木板固定在桌面上,用轻绳绕过定滑轮及光滑的动滑轮将滑块与弹簧测力计相连.实验中保持钩码的质量不变,在滑块上增加砝码进行多次测量,每一次滑块均从同一位置P由静止释放,在钩码带动下滑块向右运动,此过程中,记录弹簧测力计的示数F和光电门的遮光时间t,用弹簧测力计测得钩码受到的重力为G,用刻度尺测得P与光电门间的距离为s,用螺旋测微器测得滑块上窄片的宽度为d.
(1)实验中(选填“需要”或“不需要”)平衡滑块受到的滑动摩擦力;(2)钩码的加速度大小a=(用含有d、t、s的表达式表示).(3)根据实验数据绘出的下列图象中最符合本实验实际情况的是.
【解析及答案】(1)根据实验原理可知,力通过弹簧测力计测出,因此滑块是否需要平衡摩擦力,对其没有影响,因此实验中不需要平衡滑块受到的滑动摩擦力.
【典例3】某同学在进行扩大电流表量程的实验时,需要知道电流表的满偏电流和内阻.他设计了一个用标准电流表G1来校对待测电流表G2的满偏电流和测定G2内阻的电路,如图所示.已知G1的量程略大于G2的量程,图中R1为滑动变阻器,R2为电阻箱.该同学顺利完成了这个实验.(1)实验过程包含以下步骤,其合理的顺序依次为(填步骤的字母代号).A.闭合开关S2B.分别将R1和R2的阻值调至最大C.记下R2的最终示数D.反复调节R1和R2的阻值,使G1的示数仍为I1,使G2的指针偏转到满刻度的一半,此时R2的最终示数为rE.闭合开关S1F.调节R1使G2的指针偏转到满刻度,此时G1的示数为I1,记下此时G1的示数
(2)仅从实验设计原理上看,用上述方法得到的G2内阻的测量值与真实值相比(选填“偏大”“偏小”或“相等”).(3)若要将G2的量程扩大为I,并结合上述实验过程中测量的结果,写出需在G2上并联的分流电阻RS的表达式,RS=.
【解析及答案】(1)实验首先要保证G1、G2不被烧坏,应先将R1、R2的阻值调至最大。实验中应保持闭合S2与断开S2两种情况下G1的示数I1为G2的满偏电流,当闭合S2时,G2示数为,此时流过R2的电流也为,得R2=RG2。综上所述可知步骤为BEFADC。(2)这种方法测量的G2的内阻与真实值相等。(3)扩大G2量程时原理如图所示。有(I-I1)RS=I1r,
【素养点拨】高考物理实验题基本上是在规定实验的基础上,在基本实验方法的基础上进行拓展迁移.像以上三例.基本的实验方法包括:实验原理的设计方法、实验误差的控制方法和实验数据的处理方法,而考题往往将基本的实验方法和物理原理合理迁移,设计出测量不同的物理量、可探究不同问题的实验方案.教材中所学过的物理规律、物理公式中只要含有某一物理量,则该规律、公式就可作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验方法设计.如用伏安法测电阻,,也可迁移到测电压表内阻和电流表内阻上去.
【典例4】某同学要测定一电源的电动势E和内电阻r,实验器材有:一只DIS电流传感器(可视为理想电流表,测得的电流用I表示),一只电阻箱(阻值用R表示),一只开关和导线若干.该同学设计了如图甲所示的电路进行实验和数据采集.
(1)该同学设计实验的原理表达式是E=(用r、I、R表示)。(2)该同学在闭合开关之前,应先将电阻箱调到(选填“最大值”“最小值”或“任意值”),实验过程中,将电阻箱调至如图乙所示位置,则此时电阻箱接入电路的阻值为Ω。(3)该同学根据实验采集到的数据作出如图丙所示的-R图象,则由图象可求得,该电源的电动势E=V,内阻r=Ω。(结果均保留两位有效数字)
【解析及答案】(1)根据闭合电路欧姆定律,该同学设计实验的原理表达式是E=I(R+r).(2)根据实验的安全性原则,在闭合开关之前,应先将电阻箱调到最大值.根据电阻箱读数规则,电阻箱接入电路的阻值为2×10Ω+1×1Ω=21Ω.【素养点拨】该题属于数据处理方法的迁移——数据探究性实验的主要功能是通过实验提供的数据信息,分析各数据中的内在联系,找出数据中所包含的物理规律,常用的数据处理方法(如平均值法、图象法、逐差法、比较法等)和误差分析方法应该掌握.
【典例5】某同学用内阻Rg=20Ω、满偏电流Ig=5mA的毫安表制作了一个简易欧姆表,电路如图甲,电阻刻度值尚未标注.(1)该同学先测量图甲中电源的电动势E,实验步骤如下:①将两表笔短接,调节R使毫安表指针满偏;②将阻值为200Ω的电阻接在两表笔之间,此时毫安表指针位置如图乙所示,该示数为mA;③计算得电源的电动势E=V;(2)接着,他在电流刻度为5.00mA的位置标上0,在电流刻度为2.00mA的位置标上Ω,并在其他位置标上相应的刻度值.甲乙
(3)该欧姆表用久后,电池老化造成电动势减小、内阻增大,但仍能进行欧姆调零,则用其测得的电阻值(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值.(4)为了减小电池老化造成的误差,该同学用一电压表对原电阻刻度值进行修正.将欧姆表的两表笔短接调节R0使指针满偏;再将电压表接在两表笔之间,此时电压表示数为1.16V,欧姆表示数为1200Ω,则电压表的内阻为Ω,原电阻刻度值300Ω应修改为Ω.
【解析及答案】(1)②由于毫安表的量程为0~5mA,最小分度为0.1mA,所以图乙中的示数为3.00mA;③设欧姆表的内阻为R,由闭合电路欧姆定律得:
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