高中物理学生实验专题

1高中物理学生实验【考纲要求】要求能在理解基础上独立完成的学生实验有：1.长度的测量2.研究匀变速直线运动3.探索弹力和弹簧伸长的关系4.验证力的平行四边形定则5.验证机械能守恒定律6.用单摆测定重力加速度7.研究平抛物体的运动8.验证动量守恒定律9.用油膜法估测分子的大小10.用描迹法画出电场中平面上的等势线11.描绘小灯泡的伏安特性曲线12.测定金属的电阻率13.把电流表改装为电压表14.研究闭合电路欧姆定律15.测定电源电动势和内阻16.练习使用示波器17.用多用电表探索黑箱内的电学元件18.传感器的简单应用19.测定玻璃的折射率20.用双缝干涉测光的波长21.用气缸导轨验证动量守恒定律22.研究玩具电机的能量转化并注意应用这二十二个实验中所获得的实验思想、方法、技巧，灵活解决其他类似实验或实际问题。【知识结构】高中阶段的二十二个学生实验，按实验目的和特点可分为五个类型：热点导析1.选择仪器的原则①可行性原则：要根据实验要求和客观条件选用合适仪器。如测量某电阻阻值，可根据要求的测量精度。实验的条件确定采用电桥法、伏安法、欧姆表、替代法等，还要根据电阻的规格、电表参数（量程、内阻、精度）选择电压表和电流表。②准确性原则：怎样的测量实验需要，决定选用怎样精度的测量工具，对一定的实验要求，精度不是越高越好。如测金属丝电阻率实验中，测直径需2～3位有效数字，所以用螺旋测微器，而测长度时，用毫米刻度尺足够了。③操作性原则：在可行、准确前提下，设计实验和选用仪器越简单越好，并具有良好可操作性。如滑线变阻选用，2既要考虑阻值范围，又要考虑它的额定电流和功率。当然仪器的选择，首先依托于电原理图已定测量方法已明确的前提下，从安全、准确、节能、方便顺序给予统盘考虑。2.变阻器分压和限流接法比较限流接法分压接法变阻器R工作状态R的一部分在工作R全部工作，且IRmax＞IRL负载RL的电压调节范围RRRLLε-ε0～ε适用条件RL与R阻值相近且不要求UL从0开始调节R＜21RL以上，或电压从0开始调节优、缺点电压调节范围小，R工作电流较小（等于RL上电流）电压调节范围大，R工作电流较大（大于RL上电流）备注一般先考虑限流接法后考虑分压接法典型例析例1在做“互成角度的两个力的合力”实验时，橡皮条的一端固定在木板上，用两个弹簧秤把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点。以下操作中错误的是（）A.同一次实验过程中，O点位置允许变动B.实验中，弹簧秤必须保持与木板平行，读数时视线要正对弹簧秤刻度C.实验中，先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后只需调节另一弹簧秤拉力的大小和方向，把橡皮条另一端拉到O点D.实验中，把橡皮条的另一端拉到O点时，两个弹簧秤之间夹角应取90º，以便于算出合力大小解析本题为1994年上海高考试题实验中有严格的要求：（1）结点O不允许移动。(2)弹簧秤不要达到最大量程，因为一个达到最大，另一个将不好调整。(3)两个弹簧秤的拉力夹角不易过大，也不易过小，取90º也可以，并不是必须取90º。所以，本题操作中错误的是A、C、D。说明本实验的所有规定都是为了更有利于操作，有利于减小测量误差，合力一定的前提下，一个力大小或方向的改变，都可导致另一个力的大小、方向发生改变。夹角太大太小、拉力太大太小、拉力与木板不平行均会带来较大误差。例2如图9-17-1所示是做匀加速直线的小车带动打点计时器的纸带上打出的点的一部分。图中每相邻两点之间还有四个点没有画出，交流电的频率为50Hz，测得第二个、第三个计数点与起点相距d2=6.0cm,d3=10.0cm，则（1）第一个、第四个计数点与起点相距d1、d4各为多少？（2）物体经过第一个、第二个计数点的即时速度v1,v2和物体的加速度分别为多少？解析设相邻两计数点相距依次为s1、s2、s3、s4，则s1=d1,s2=d2-d1=6.0-d1cm,3s3=d3-d2=10.0-6.0=4.0cm,s4=d4-d3=d4-10.0cm.在匀加速运动中，从任意一个时刻起在连续相等的时间内通过的位移之差相等。Δs=s2-s1=s3-s2=s4-s3=……(6.0-d1)-d1=4.0-(6.0-d1)=(d4-10.0)-4=……，得d1=38=2.67cm,d4=344=14.67cm。（2）因s1=d1=38cm,s2=6-d1=310cm,s3=4.0cm,而T=5×0.02s=0.1s，所以v1=1.0231038221Tsscm·s-1=30cm·s-1v2=1.024310232Tsscm·s-1=3110cm·s-1=36.67cm·s-1a=1.030311012Tvvcm·s-2=3200cm·s-2=66.67cm·s-2说明本题为已知匀加速，求纸带上各点分布规律。并要注意Δs=aT2与d1、d2、d3、d4的区别和联系。例3研究弹性碰撞的实验装置及小球落点位置如图9-17-2所示，判断实验做得是否精确，只要看关系式OP+OM=O′N是否成立？为什么？解析设入射小球A的质量为m1，被碰小球B的质量为m2，碰撞前后应满足m1v1=m1v1′+m2v2,m1(v1-v1′)=m2v2①碰撞后机械能没有损失，则21m1v21=21m12'1V+21m2v22,m1(v21-v′21)=m2v22②式②÷式①v1+v1′=v2，即OP+OM=O′N③天平测出两个小球质量为m1、m2，大致可以获得较好的结论：m1·OP=m1·OM+m2·O′N④满足式④表明动量守恒；满足式③表明为弹性碰撞。说明研究动量守恒实验的表达式如此简单，主要依靠两小球均做平抛运动。实验中用平抛物体水平射程代替小球碰撞前后速度的实验思想，在其他实验场合也会有很好的应用。例4如图9-17-3所示，为测定木块与斜面之间的滑动摩擦系数，某同学让木块从斜面上端自静止起做匀加速下滑运动，他使用的实验器材仅限于：①倾角固定的斜面（倾角未知）、②木块、③秒表、④米尺。（1）实验中应记录的数据是。4（2）计算摩擦系数的公式是μ=。（3）为了减小测量的误差，可采用的办法是。解析本题为1997年上海高考试题这是一道很好的设计型实验，不仅要求学生能按题目给定的器材确定要测量的物理量和实验方法，同时要求学生根据运动学和动力学的知识理解实验原理。掌握了这些，本题就变得简单了，不过就是一道一物体沿斜面下滑的题目。其初速度为0，而加速度为gsinθ-μgcosθ，位移为l的问题。题目第三问考查了所有实验的一个减小误差的方法，在学习时应引起足够的重视。因此（1）记录的数据为l、d、h、t，（2）μ=dgtldh222，（3）多次测量取平均值。说明本题物理情景十分简单，测量精度要求不高，不能钻牛角尖，思考过分复杂，认为高考题一定较难，关键是考查物理实验的基本思想和方法。例5一个学生做平抛物体运动的实验时，只在白纸上画出水平方向x，忘记在纸上记下斜槽末端的位置，并且只在白纸上画出如图9-17-4甲所示的一段曲线，试用一根刻度尺算出这个物体的初速度。解析（1）先在平抛物体的轨迹曲线上任意取水平位移相等的A、B、C三点，再作出相应的高度y1,y2，如图9-17-4乙所示。（2）用刻度尺量出Δx、y1、y2的长度。（3）将三个数据代入v0=12yyg·Δx，得出平抛物体运动的初速度设想斜槽末端O为原点的直角坐标系，则A、B、C三个坐标分别为xA、yA;xB、yB；xC、yC；根据平抛运动的特点：x=v0t和y=21gt2，消去t，得y=2022vgx，可见yA=2022vgxA,yB=2022vgxB,yC=2022vgxCy1=yB-yA=2020222)(2)(vxxxgvxxgABAB5y2=yC-yB=2020222)(2)(vxxxgvxxgBCBCy2-y1=202202)(vxgvxxxgAC,整理后得出v0=12yyg·Δx。说明虽然在末知平抛初始起抛点时也能求得初速度，但所需测量的物理量较多，也会带来较大的误差。所以常规定实验方法还是先测得起始点后再进行简单的运算。例6关于示波器的作用，下列说法中正确的是（）A.它能直接观察电信号随时间的变化情况B.它能直接观察温度的高低、光的强弱等随时间变化的情况C.要观察振动和温度、光等信号的变化情况，可先利用各种传感器把这些信号转化为电信号，再利用示波器间接地观察D.物体的机械振动的情况是无法利用示波器这种电子仪器去研究的解析示波器能直接观察电信号随时间的变化情况，但通过各种传感器可把其他信号转变为电信号，再通过示波器显示。所以正确答案为A、C。说明示波器的最重要的电子仪器之一，它的广泛用途决定于能灵活地通过各种转换观察、监视、测量各种信号的变化情况。例7某同学用以下器材测量电阻：①安培计、②电阻箱、③单刀双掷电键（这种电键在掷刀a倒向b时ab接通，倒向c时ac接通）、④待测电阻、⑤电源、⑥限流电阻，如图9-17-6。实验方法是利用单刀双掷电键分别将电阻箱和待测电阻接入电路，用电阻箱替代待测电阻的方法来测定待测电阻的阻值。（1）在图中完成电路的连接（其中有两条导线已连接好）。（2）本实验中电键应先接通的是含有（填待测电阻或电阻箱的电路）。用电健变换电路，调节电阻箱时，应使两次测量的大小相同，这时待测电阻的值可以从上读出。解析本题是1997年上海高考试题（1）如图9-17-7。6（2）待测电阻，电流（或安培计读数），电阻箱。说明本题的难点是对单刀双掷开关进行连线操作，应先作出电原理图草稿，再对两支路进行分开连接（如先连干路和Rx组成回路，再连电阻箱支路）。例8普通白炽灯是由爱迪生发明的，主要构造是钨丝和灯泡，灯泡内充有惰性气体及混有极少氧气。电流通过钨丝时发热发光。（1）白炽灯发射的光谱是光谱。（2）你发现“220V100W”和“220V25W”灯光的钨丝有什么不同？。这是因为。若按图9-17-8连接在220V电路上，各灯功率为，哪盏更亮？。（3）白炽灯丝断了以后，有时将断了的灯丝接上，假若将这只灯泡再装在灯座上，与原来相比会变得（亮、暗或不变），为什么。（4）由P=RU2求得“220V40W”灯电阻是1210Ω，用万能表欧姆档测得电阻只有90Ω，这是因为。（5）要将两盏“110V40W”“110V60W”的灯泡接到220V电路上，能使它们正常发光且最省电，请在图9-17-9框中设计出电路图。图9-17-9解析（1）因为是炽热的固态金属丝发光，所以应为连续光谱。（2）“220V100W”灯丝粗短，另一灯丝较细。这是因为两灯电阻分别为484Ω和1936Ω，灯“220V100W”电阻较小。按图9-17-8接后功率分别为4W和16W，“220V25W”更亮。（3）应变得更亮。因为钨丝电阻遵守电阻定律R=ρsl，断后重接l变短，s变粗，R变小U恒，所以功率变大。7（4）欧姆表量出的是常温下的电阻，由于导体电阻率随温度升高而增大。（5）电路图见图9-17-10。说明本题将白炽灯构造、光谱、稳恒电流、变流电知识综合在一起，具有学科内综合的特点，对培养综合思维能力有较大益处。例9图9-17-11为测量电阻的电路。Rx为待测电阻。R的阻值已知。R′为保护电阻，阻值未知。电源E的电动势未知。k1、k2均为单刀双掷开关。A为电流表，其内阻不计。（1）按图9-17-11所示的电路，在图9-17-12的实物图上连线。（2）测量Rx的步骤为：将k2向d闭合，k1向闭合，记下电流表读数I1。再将k2向c闭合，k1向闭合，记电流表读数I2。计算Rx的公式是Rx=。解析本题为1999年全国高考试题当k1接a,k2接d时，电流表与Rx串联，其示数为I1；当k1接b，k2接c时，电流表与R串联，其示数为I2，因电流表的内阻不计，两次连接，对R和Rx都是并联，电流表的接法变换，不能改变R和Rx中的电流。所以有I1Rx=I2R∴Rx=12IRI（1）如图9-17-13所示。8（2）a,b,12IRI说明本题两个单刀双掷开关，增加了连线的难度，可将电原理图中k1k2上的a、b、c、d字