2011年高考物理专题讲座：设计实验

设计实验要考虑的几方面:1.建模方法，2.测量方法，3.误差分析。设计思路：一.原有实验的改进。二.设计实验：1.由物理量的定义式出发设计。2.比例法。3.替代法。4.比较法。三.利用物理习题的情景改编。例1：利用单摆验证小球平抛运动规律，设计方案如图（a）所示，在悬点O正下方有水平放置的炽热的电热丝P，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断；MN为水平木板，已知悬线长为L，小球直径可忽略不计，悬点到木板的距离OO’＝h（h＞L）。（1）电热丝P必须放在悬点正下方的理由是：___________。（2）将小球向左拉起后自由释放，最后小球落到木板上的C点，O’C＝s，则小球做平抛运动的初速度为v0________。设计思路：1、产生一个平抛运动2、如何求出初速度？(h－L)＝gt2/2s＝v0tOAPBv0MO’CN（a）一．原有实验的改进：（3）在其他条件不变的情况下，若改变释放小球时悬线与竖直方向的夹角，小球落点与O’点的水平距离s将随之改变，经多次实验，以s2为纵坐标、cos为横坐标，得到如图（b）所示图像。则当＝30时，s为________m；若悬线长L＝1.0m，悬点到木板间的距离OO’为________m。s2/m22.01.000.51.0cos（b）v02＝2gL(1－cos)s＝0.52ms＝v0ts2＝－4L（h－L）cos＋4L（h－L）4(h－1)＝2h＝1.5m(h－L)＝gt2/2例2：测Rx，电动势未知，电源内阻与电流表内阻均不计，R为电阻箱。1．要测Rx，R至少取＿＿＿＿个不同值。RRxA＝I1R1＋I1Rx，＝I2R2＋I2Rx，二一．原有实验的改进：例2：测Rx，电动势未知，电源内阻与电流表内阻均不计，R为电阻箱。2．若电流表每个分度的电流值未知，要测Rx，R至少取＿＿＿＿个不同值。RRxA＝kA1R1＋kA1Rx，＝kA2R2＋kA2Rx，二/k＝A1R1＋A1Rx，/k＝A2R2＋A2Rx，一．原有实验的改进：例2：测Rx，电动势未知，电源内阻与电流表内阻均不计，R为电阻箱。3．若电源内阻不可忽略，能否用此电路测Rx。RRxA＝I1R1＋I1（Rx＋r），＝I2R2＋I2（Rx＋r），一．原有实验的改进：例3：测大气压，用一水平固定的、活塞横截面积S已知的注射器和一弹簧秤。1．下面的实验步骤的顺序是＿＿＿＿＿＿，（A）读出初状态气体的体积V1，（B）将活塞移到某一适当位置，用橡皮帽将注射器小孔封住，（C）读出活塞被拉出一定距离后气体的体积V2和弹簧秤拉力F，（D）用弹簧秤将活塞拉出一定的距离。2．测得大气压的表达式为p0＝＿＿＿＿＿＿＿＿＿。BFV2/S(V2－V1)ADCp0V1＝(p0－F/S)V2一．原有实验的改进：做成单摆，测出做简谐运动时的周期符合单摆条件摆动时不要变成圆锥摆偏角小于5测几次的时间再求周期。单摆：时间与长度的转换方法。例4：一根细绳挂在又高又暗的城堡里，看不见上端，只能看到它的下端，如何粗略测出绳长。1．有两只电压表A和B，量程已知（均大于电池电动势），内阻不知，另有一干电池，内阻不能忽略，但不知，只用这两只电压表、电键和导线，测量干电池的电动势。＝U1’＋U2’＋U1’r/R1，V1V1V2V2＝U1＋U1r/R1，＝U2＋U2r/R2，思考：2．某同学按如图所示电路进行实验，实验时该同学将变阻器的触片P移到不同位置时测得各电表的示数如下表所示，将电压表内阻看作无限大，电流表内阻看作零（1）电路中、r分别为电源的电动势和内阻，R1、R2、R3为定值电阻，在这五个物理量中，可以根据上表中的数据求得的物理量是（不要求具体计算）＿＿＿，R3A2V1R1A1PR2RPV2序号A1示数(安)A2示数(安)V1示数(伏)V2示数(伏)10.600.302.401.2020.440.322.560.48R3＝U1/I2R2＝U2/(I1－I2)R1＋r2．某同学按如图所示电路进行实验，实验时该同学将变阻器的触片P移到不同位置时测得各电表的示数如下表所示，将电压表内阻看作无限大，电流表内阻看作零（2）由于电路发生故障，发现两电压表示数相同了（但不为零），若这种情况的发生是由于用电器引起的，则可能的故障原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。R3A2V1R1A1PR2RPV2序号A1示数(安)A2示数(安)V1示数(伏)V2示数(伏)10.600.302.401.2020.440.322.560.48R2断路RP短路U1＝U2＋URP例2：某电压表内阻在20－50k，现要测其内阻器材：待测量电压表V（量程3V），电流表A1（量程200A）、电流表A2（量程5mA）、电流表A3（量程0.6A），滑动变阻器R（最大电阻值1k），电源（E＝4V），电键S。（1）所提供的电流表中应选＿＿＿＿＿，（2）为减小误差，要测多组数据，试画出实验电路图。A1VVARESR＝U/I，Imax＝0.15mA分压器接法二．自行设计实验：1．由物理量的定义式出发设计：V－0．63VVARESA－0．63例2：图甲为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I—U关系曲线图。（1）为了通过测量得到图甲所示I-U关系的完整曲线，在图乙和图丙两个电路中应选择的是图＿＿＿＿，简要说明理由：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0—100）I（mA）甲50403020100123456U（V）VVAA9＝U＋100IURmin＝5.3VI（mA）甲50403020100123456U（V）AR29VR170mA36mA34mA5.2V3.8V112热敏温度计（2）在图丁电路中，电源电压恒为9V，电流表示数为70mA，定值电阻R1＝250，由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为＿＿＿＿V，电阻R2的阻值为＿＿＿＿＿。（3）举出一个可以应用热敏电阻的例子：＿＿＿＿＿＿。例1：一电压表，量程已知，内阻已知为RV，另一电池（电动势未知，但不超过电压表量程，内阻不计）用它们和电键导线等，设计测量某一高值电阻Rx的方法。VVRxRx/(U1－U2)＝RV/U2适用于测量大电阻2．比例法：例1：一电流表，量程已知，内阻已知为RA，另一电池（电动势未知，内阻不计）用它们和一个大电阻、电键导线等，设计测量某一低值电阻Rx的方法。ARx(I1－I2)＝RAI2ARxRRR很大，既起保护作用，又使总电流保持不变。测大电阻VR0RxR测小电阻AR0RxA例2：给出一只电压表或一只电流表，一个定值电阻R0，电源和导线、电键等，试设计测量方法（1）某一高值电阻Rx，（2）测某一低值电阻Rx。思考:某待测电阻Rx的阻值约为20，现要测量其阻值，实验室提供器材如下：A．电流表A1（量程150mA，内阻约为10）B．电流表A2（量程20mA，内阻r2＝30）C．定值电阻R0＝100D．滑动变阻器R，最大阻值约为10E．电源E，电动势E＝4V（内阻不计）F．电键S及导线若干（1）根据上述器材完成此实验，测量时要求电表读数不得小于其量程的1/3，请你在画出测量Rx的一种实验原理图。RESA2R0A1RxI1＝4/30＝0.133AI2＝4/130＝0.03ARESA2R0A1RxRESA2R0A1RxRESA2R0A1Rx定义法：比例法：I1（Rx＋r1）＝I2（R0＋r2）（I1－I2）Rx＝I2（R0＋r2）（2）实验时电流表A1的读数为I1，电流表A2的读数为I2，用已知的和测得的物理量表示Rx＝__________。（用字母表示）例1：用替代法测电阻Rx，1.应先接通含有＿＿＿＿＿的电路，变换电路时，调节电阻箱，使两次＿＿＿＿＿相同，这时待测电阻可由＿＿＿＿＿＿上读得。电流Rx电阻箱ARxRAR0RxRR0V3.替代法：RxR0AARxRR0例1：用替代法测电阻Rx，2完成电路实物连接，1．用替代法测灵敏电流计内阻的方法，G0RR0Gx电阻箱与电流计作两个支路主回路中要显示效果的电流计思考:2．用替代法测一个未知电阻Rx常温下的阻值可以用如下电路，图中Rs为电阻箱，A为电流表，S2为单刀双刀开关，R0为规格（0—20Ω）的滑动变阻器。测量前应将滑动变阻器R0的滑片P调至__________（选填“a”或“b”），电阻箱Rs阻值调至__________（选填“最大”或“最小”）。闭合S1开始实验，接下来的步骤有以下一些：（A）慢慢移动滑片P，（B）将S2闭合在2端，（C）将S2闭合在1端，（D）调节电阻箱Rs的值，（E）将S1断开，（F）观察电流表指针变化直至某一位置，（G）记下电阻箱上电阻读数。合理的次序应是_______________________（填字母）。RSS1aP2S2R0bRx1Ab最大CAFBDFGE例：有一测量微小时间差的装置，是由两个摆长略有微小差别的单摆同轴水平悬挂构成的，两个单摆摆动平面前后互相平行。（1）现测得两单摆完成50次全振动的时间分别为50.0s和49.0s，则两单摆的周期差为T＝________s。4、比较法：T1＝1sT2＝0.98sT＝0.02s例：（2）某同学利用此装置测量小于单摆周期的微小时间差。具体操作如下：把两摆球向右拉至相同的摆角处，先释放长摆摆球，接着再释放短摆摆球，测得短摆经过若干次全振动后，两摆恰好第一次同时同方向通过某位置，由此可得出释放两摆的微小时间差，若测得释放两摆的时间差t＝0.165s，则在短摆释放________s（填时间）后，两摆恰好第一次同时向________（填方向）通过________（填位置）。4、比较法：平衡位置n＝t/T＝8.25向左t2＝nT2＝8.250.98s＝8.085s例：有一测量微小时间差的装置，是由两个摆长略有微小差别的单摆同轴水平悬挂构成的，两个单摆摆平面前后互相平行。（3）为了能更准确地测量微小时间差，你认为此装置还可做的改进是_______________________________________________。4、比较法：增大t＝nT减小减小两单摆的摆长差例：利用秒表和米尺用滴水法测定重力加速度，让水滴落在垫起来的盘子上，可清晰听到水滴碰盘子的声音，调整水龙头阀门可改变水滴形成时间，为使实验结果尽可能精确，写出步骤和计算式。原理：h＝gt2/2，测出h和t即可。累积法调到第一滴水下落到盘子时刚好第二滴水滴开始下落。下落5m只有1s，时间极短测出连续五滴水下落到盘子所需时间Tt＝T/5g＝50h/T25、累积法：6、利用电学量测力学量、热学量：例1：（1）试设计测风力的方法，力学量长度电学量mgFThxLU＝Ex/L＝Ehtan/L＝EhF/LmgF＝LmgU/EhV6、利用电学量测力学量：（2）试设计测汽车加速度的方法。力学量长度电学量mgTx＝Ehtan/L＝Ehma/Lmga＝LgU/EhaU＝Ex/LV6、利用电学量测力学量：（2）试设计测汽车加速度的方法。力学量长度电学量2kx＝maa＝2kUL/mEU＝Ex/LaVxkxkx双滑臂滑动变阻器：加速度可正可负下滑臂可用作调零例2：如图甲是某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图像，图中R0表示该电阻在0C时的阻值，已知图线的斜率为k。若用该电阻与电池（电动势为E、内阻为r）、电流表A（内阻不计）、滑动变阻器R’串联起来，连接成如图乙所示的电路。用该电阻做测温探头，把电流表A的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“金属电阻温度计”。（1）根据图甲，温度为t（t＞0C）时电阻R的大小为_______；Rt＝R0＋ktRRBAR0AErR’Ot1t2t甲乙（2）在标识“金属电阻温度计”的刻度时，需要弄清所测温度和电流的对应关系。请用E、R0、R’（滑动变阻器接入电路的阻值）、k等物理量表示待测温度t与电流I的关系式t＝________。I＝E/(Rt＋R’＋r)RRBAR0AErR’Ot1t2t甲乙＝E