高中物理实验总结学生版力荐Word文件下载.docx
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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。
二、几种重要的实验方法
【累积法】【替代法】【转换法】【比较法】
1、累积法:
如测一张纸的厚度、用刻度尺测金属丝的直径。
2、替代法:
如用天平称物体的质量,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、转换法:
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。
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.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。
三、误差和有效数字
1、误差
测量值与真实值的差异叫做误差。
误差可分为系统误差和偶然误差两种。
(1)系统误差的特点是在多次重复同一实验时,误差总是同样地偏大或偏小。
(2)偶然误差总是有时偏大,有时偏小,并且偏大和偏小的机会相同。
减小偶然误差的方法,可以多进行几次测量,求出几次测量的数值的平均值。
这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。
2、有效数字
带有一位不可靠数字的近似数字,叫做有效数字。
⑴有效数字是指近似数字而言。
⑵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2~3位有效数字表示。
四、基本测量仪器及读数
高考要求会正确使用的仪器主要有:
刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、弹簧秤、温度计、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。
1、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。
例如:
(1)读出上左图中被测物体的长度。
(2)如图所示用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?
(3)如图中秒表的示数是多少分多少秒?
2、游标卡尺
(1)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。
(2)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。
(3)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。
3、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。
4、打点计时器
打点计时器是一种特殊的计时仪器,电源用50Hz的交流电,所以打相邻两个点的时间间隔是0.02s。
5、天平
天平使用前首先要进行调节。
调节分两步:
调底座水平和横梁水平(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)。
6、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,使指针指右端零刻线处。
欧姆挡的使用:
(1)选挡。
一般比被测电阻的估计值低一个数量级,如估计值为200Ω就应该选×
10的倍率。
(2)调零。
(3)将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。
(4)将指针示数乘以倍率,得测量值。
(5)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。
7、电阻箱
如图中的电阻箱有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Ω。
五、重点的学生实验
1、研究匀变速直线运动
如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1、2、3、4…。
测出相邻计数点间的距离s1、s2、s3…利用打下的纸带可以:
(1)求任一计数点对应的即时速度v:
如
(其中T=5×
0.02s=0.1s)
(2)利用“逐差法”求a:
(3)利用上图中任意相邻的两段位移求a:
(4)利用v-t图象求a:
求出1、2、3、4、5、6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)
利用如图装置,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(平行四边形法则)
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)
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
、
就可求出小球的水平分速度,即平抛物体的初速度。
该试验的注意事项有:
(1)斜槽末端的切线必须水平。
(2)用重锤线检验坐标纸上的竖直线是否竖直。
(3)以斜槽末端所在的点为坐标原点。
(4)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。
(5)每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始下滑。
5、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。
(1)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。
(2)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和动能增加量
是否相等。
(3)由于摩擦和空气阻力的影响,本实验的系统误差总是使
(4)本实验不需要在打下的点中取计数点。
也不需要测重物的质量。
6、伏安法测电阻
伏安法测电阻有a、b两种接法,外接法(如图a)和内接法(如图b)。
外接法的系统误差是由电压表的分流引起的,测量值总小于真实值,小电阻应采用外接法;
内接法的系统误差是由电流表的分压引起的,测量值总大于真实值,大电阻应采用内接法。
如果无法估计被测电阻的阻值大小,可以利用试触法:
如图将电压表的左端接a点,而将右端第一次接b点,第二次接c点,观察电流表和电压表的变化,若电流表读数变化大,说明被测电阻是大电阻,应该用内接法测量;
若电压表读数变化大,说明被测电阻是小电阻,应该用外接法测量。
(这里所说的变化大,是指相对变化,即ΔI/I和ΔU/U)。
(1)滑动变阻器的连接
滑动变阻器在电路中也有a、b两种常用的接法:
a叫限流接法,b叫分压接法。
分压接法被测电阻上电压的调节范围大。
当要求电压从零开始调节,或要求电压调节范围尽量大时应该用分压接法。
用分压接法时,滑动变阻器应该选用阻值小的;
用限流接法时,滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的。
(2)实物图连线
无论是分压接法还是限流接法都应该先把伏安法部分接好;
对限流电路,只需用笔画线当作导线,从电源正极开始,把电源、电键、滑动变阻器、伏安法四部分依次串联起来即可(注意电表的正负接线柱和量程,滑动变阻器应调到阻值最大处)。
对分压电路,应该先把电源、电键和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来,然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头,比较该接头和滑动触头两点的电势高低,根据伏安法部分电表正负接线柱的情况,将伏安法部分接入该两点间。
(3)描绘小电珠的伏安特性曲线
因为小电珠(即小灯泡)的电阻较小(10Ω左右)所以应该选用安培表外接法。
小灯泡的电阻会随着电压的升高,灯丝温度的升高而增大,所以U-I曲线不是直线。
为了反映这一变化过程,灯泡两端的电压应该由零逐渐增大到额定电压。
所以滑动变阻器必须选用分压接法。
在上面实物图中应该选用右面的那个图,开始时滑动触头应该位于左端(使小灯泡两端的电压为零)。
由实验数据作出的I-U曲线如右,说明灯丝的电阻随温度升高而增大,也就说明金属电阻率随温度升高而增大。
(若用U-I曲线,则曲线的弯曲方向相反。
若选用的是标有“3.8V0.3A”的小灯泡,电流表应选用0~0.6A量程;
电压表开始时应选用0~3V量程,当电压调到接近3V时,再改用0~15V量程。
7、把电流表改装为电压表
⑴、用图(a)测定电流表内阻rg,方法是:
先断开S2,闭合S1,调节R,使电流表满偏;
然后闭合S2,调节R/,使电流表达到半满偏。
当R比R/大很多时,可以认为rg=R/。
(当R比R/大很多时,调节R/基本上不改变电路的总电阻,可认为总电流不变,因此当电流表半满偏时,通过R/的电流也是满偏电流的一半,两个分路的电阻相等)。
实际上,S2闭合后,总电阻略有减小,总电流略有增大,当电流表半满偏时,通过R/的电流比通过电流表的电流稍大,即R/比rg稍小,因此此步测量的系统误差,总是使rg的测量值偏小。
其中R不必读数,可以用电位器,R/需要读数,所以必须用电阻箱。
根据rg、Ig和扩大后的量程,计算出需要给电流表串联的电阻R1的值。
⑵、用(b)图把改装的电压表和标准电压表进行校对。
校对要每0.5V校对一次,所以电压要从零开始逐渐增大,因此必须选用分压电路。
百分误差的计算:
如果当改装电压表示数为U时,标准电压表示数为U/,则这时的百分误差为|U-U/|/U/。
如果校对时发现改装电压表的示数总是偏大,则应该适当增大R1的阻值(使表头的分压减小一些),然后再次重新进行校对。
8、测定金属的电阻率
被测电阻丝的电阻较小,所以选用电流表外接法;
本实验不要求电压调节范围,可选用限流电路。
因此选用上面左图的电路。
开始时滑动变阻器的滑动触头应该在右端。
本实验通过的电流不宜太大,通电时间不能太长,以免电阻丝发热后电阻率发生明显变化。
9、用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻
根据闭合电路欧姆定律:
E=U+Ir,本实验电路中电压表的示数是准确的,电流表的示数比通过电源的实际电流小,所以本实验的系统误差是由电压表的分流引起的。
为了减小这个系统误差,电阻R的取值应该小一些,所选用的电压表的内阻应该大一些。
为了减小偶然误差,要多做几次实验,多取几组数据,然后利用U-I图象处理实验数据:
将点描好后,用直尺画一条直线,使尽量多的点在这条直线上,而且在直线两侧的点数大致相等。
这条直线代表的U-I关系的误差是很小的。
它在U轴上的截距就是电动势E(对应的I=0),它的斜率的绝对值就是内阻r。
(特别要注意:
有时纵坐标的起始点不是0,求内阻的一般式应该是r=|ΔU/ΔI|)。
为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些。
(选用使用过一段时间的1号电池)
10、用多用电表探索黑箱内的电学元件
设定黑箱上有三个接点,两个接点间最多只能接一个元件;
黑箱内所接的元件不超过两个。
测量步骤和判定:
(1)用直流电压挡测量,A、B、C三点间均无电压;
说明箱内无电源。
(2)用欧姆挡测量,A、C间正、反接阻值不变,说明A、C间有一个电阻。
(3)用欧姆挡测量,黑表笔接A红表笔接B时测得的阻值较小,反接时测得的阻值较大,说明箱内有一个二极管,可能在AB间,也可能在BC间,如图所示的甲和乙两种可能。
(4)用欧姆挡测量,黑表笔接C红表笔接B测得阻值比黑表笔A红表笔接B时测得的阻值大,说明二极管在AB间。
所以黑箱内的两个元件的接法肯定是图甲。
★加速度和力的关系加速度和质量的关系
两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上,小车前端系上细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘里分别放有不同质量的砝码。
小车所受的水平拉力F的大小可以认为等于砝码(包括砝码盘)的重力大小。
小车后端也系有细线,用一只夹子夹住两根细线,控制两辆小车同时开始运动和结束运动。
由于两个小车初速度都是零,运动时间又相同,s=1/2at2∝a,只要测出两小车位移s之比就等于它们的加速度a之比。
实验结果是:
当小车质量相同时,a∝F,当拉力F相等时,a∝1/m。
实验中用砝码(包括砝码盘)的重力G的大小作为小车所受拉力F的大小,这样做会引起什么样的系统误差?
怎样减小这个系统误差?
★卡文迪许实验
如图是卡文迪许扭秤实验的示意图。
其中固定在T形架上的小平面镜起着非常大的作用。
利用光的反射定律可以把T形架的微小转动放大到能够精确测量的程度。
设小平面镜到刻度尺的距离为L,T形架两端固定的两个小球中心相距为l,设放置两个大球m/后,刻度尺上的反射光点向左移动了Δx,那么在万有引力作用下,小球向大球移动了多少?
★平行板电容器的电容
静电计是测量电势差的仪器。
指针偏转角度越大,金属外壳和上方金属小球间的电势差越大。
在本实验中,静电计指针和A板等电势,静电计金属壳和B板等电势,因此指针偏转角越大表示A、B两极板间的电压越高。
本实验中,极板带电量不变。
三个图依次表示:
正对面积减小时电压增大;
板间距离增大时电压增大;
插入电介质时电压减小。
由
知,这三种情况下电容分别减小、减小、增大。
因此可以确定C和S、d、ε的关系是
。
思考:
如何测量电容器两极板间的电压?
★磁电式电表原理
圆柱形铁芯的作用是在磁铁两极和铁芯间生成均匀地辐向分布的磁场。
不管线圈转到什么角度,线圈平面都跟磁感线平行,线圈受到的安培力矩的大小只跟电流大小成正比。
线圈绕在铝框上,线圈的两端分别和两个螺旋弹簧相接,被测电流由这两个弹簧流入线圈。
铝框可以起到电磁阻尼的作用。
指针偏转方向与电流方向有关。
因此根据指针偏转方向,可以知道被测电流方向。
★研究电磁感应现象
首先要查明电流表指针偏转方向和电流方向的关系(方法与画电场中平面上等势线实验相同)。
电键闭合和断开时、电键闭合后滑动变阻器的滑动触头移动过程中、电键闭合后线圈A在B中插入、拔出时,都会发现电流表指针发生偏转,说明有电流产生。
而电键保持闭合、滑动触头不动、线圈A在B中不动时,电流表指针都不动,说明无电流产生。
结论:
闭合电路中有感应电流产生的充要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。
设计实验举例
【典例1】利用如图所示的一只电压表、一个电阻箱和一个电键,测量一个电池组的电动势和内电阻。
画出实验电路图,并用笔画线作导线将所给器材连接成实验电路。
用记录的实验数据写出电动势和内电阻的表达式。
【解析】:
与学生实验相比,用电阻箱代替了电流表。
由于电压可测,由电压、电阻就可以算出电流。
电路图如右。
实验方法有两种:
(1)改变电阻箱阻值,读出两组外电阻和对应的路端电压值R1、U1、R2、U2,根据闭合电路欧姆定律列出两种情况下的方程,
解这个方程组可得E和r:
(2)改变电阻箱阻值,读出电压表对应的示数,多测几组数据,利用U-I图象求电动势和内电阻。
这样偶然误差会更小一些。
该实验的系统误差是由于电压表的分流引起的。
所以选取电阻箱阻值时不宜太大,电压表则应该选用内阻较大的。
如果只给出电阻箱和电流表,同样可以测量电源的电动势和内电阻。
【典例2】某同学在做探究弹力和弹簧伸长的关系的实验中,设计了如图所示的实验装置。
所用的钩码每只的质量都是30g,他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度,再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端,每次都测出相应的弹簧总长度,将数据填在了下面的表中。
(弹力始终未超过弹性限度,取g=9.8m/s2)
(1)试根据这些实验数据在下图给定的坐标纸上作出弹簧所受弹力大小F跟弹簧总长L之间的函数关系图线,说明图线跟坐标轴交点的物理意义。
(2)上一问所得图线的物理意义?
该弹簧的劲度k是多大?
解:
⑴根据实验数据在坐标纸上描出的点,基本上在同一条直线上。
可以判定F和L间是一次函数关系。
画一条直线,使尽可能多的点落在这条直线上,不在直线上的点均匀地分布在直线两侧。
该图线跟横轴交点的横坐标表示弹簧的原长。
⑵图线的物理意义是表明弹簧的弹力大小和弹簧伸长量大小成正比。
可得k=25N/m。
【我爱展示】
1.按照有效数字规则读出以下各游标尺的测量值.
(1)读数为_____________cm.
(2)读数为_____________mm.
(3)读数为_____________cm.(4)读数为_____________mm.
2.按照有效数字规则读出下列电表的测量值.
接0~3V量程时读数为________V.接0~3A量程时读数为_______A.
接0~15V量程时读数为_______V.接0~0.6A量程时读数为______A.
3.多用电表表头的示意图如图所示。
(1)当指针位置如图中灰三角箭头所示,则测量的是__________,测量结果为___________.
(2)当指针位置如图中白三角箭头所示,则测量的是__________,测量结果为___________.
(3)当指针位置如图中黑三角箭头所示,则测量的是__________,测量结果为___________.
(4)当指针位置如图中黑三角箭头所示,正确操作后发现指针的偏转角很小,那么接下来的操作步骤应该依次为:
①_________________,②_________________,③__________________.
测量结束后应将选择开关拨到__________或者____________.
(5)无论用多用电表进行何种(直流)测量,电流都应该从______表笔经______插孔流入电表。
4.用螺旋测微器测量长度时,可以精确到____________m,读数应该读到___________mm.读出下列四种情况下的测量结果。
⑴_________mm。
⑵_________cm。
⑶____________m。
⑷_________×
10-3m。
5.如图是一个游标卡尺。
⑴图中a、b、c分别叫做____________________、_____________________、________________.
⑵如图有一个小型气缸,欲测量其所用材料的体积V,需要测量①高度H,②深度h,③外径D,④内径d,应该分别用游标卡尺的哪一部分?
(用字母表示)________、________、________.
⑶在测量外径时,游标卡尺的尺面应该跟气缸底面垂直还是平行?
___________.为减小偶然误差,要求测量4四次,那么每测量一次后应将气缸绕中心轴转动________度.
⑷用测量结果表示V的表达式为:
_______
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