高考物理专题高中物理实验概述和演示实验 精品.docx

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高中物理实验概述和演示实验

考纲要求

1.明确物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理实验所处的基础地位和不可替代的作用。

2.要求知道有效数字的概念，要用有效数字表达直接测量的结果。

3.要求正确熟练使用如下仪器：

①刻度尺②游标卡尺③螺旋测微器④天平⑤秒表⑥打点计时器⑦弹簧秤⑧温度表⑨电流表⑩电压表11多用表12滑线变阻器13电阻箱等。

4.明确各演示实验和有关小实验的实验目的和实验原理，掌握所涉及的各种实验器材的使用方法，明白详细的操作步骤，并能进一步分析实验中注意事项和误差原因。

知识结构

热点导析

1.高考物理实验试题的特点和发展趋势

2001年版《高考物理学科考试说明》对实验能力的要求是：

能在理解的基础上独立完成规定的实验；明确实验目的，理解实验原理，控制实验条件；会正确地使用规定实验中使用过的实验仪器；会观察、分析实验现象、处理实验数据并得出结论；会运用在规定实验中学过的实验方法。

根据考纲和高考对能力要求放在首位的要求，作为考查学生能力最有效的科学之一——物理更强调实验能力的考查。

因而提高物理实验能力、开展有效的物理实验复习，既是符合自身素质的需要，更是顺利通过高考的需要。

分析最近几年高考物理实验题可得出如下特点：

①试题覆盖面广，重点突出，从1993年至今，已考实验占17个总实验的70%以上。

并且考查更多的是电学方面实验，其中电表测电阻考得最多。

但最近几年力学实验的考查有所增加。

②注意联系实验操作的考查，如测量仪器的读数问题、实验线路的连线问题、电表和其他用电器的选择问题都是实验操作的仿真模拟，需要考生具备良好的动手实践经验才能正确解答，没有实际操作训练无法设计和解答。

③重视对演示实验的考查，80年代高考主要考查学生实验内容，从1991年高考开始涉及演示实验内容，并从要求和难度上不断提高，如1996年第6题“演示平行板电容器与哪些因素有关”重点考查对原理的理解和掌握、怎样由实验现象得出实验结论、测量仪器介入对被测量的影响等。

1998年第18题“测LC振荡电路的周期”要求考生用图线法处理数据，突出了实验基本处理方法的归化与灵活运用。

④进一步重视对实验知识迁移运用能力的考查。

90年代至今高考物理实验题较少直接考查课本原实验，而更多地考“变形”“提升”的实验，如1993年的“20分度游标卡尺”，2001年全国卷半偏法测安培表内阻及误差分析等，均为源于课本而高于课本的考题。

从现有高考试卷成功探索的基础上，将不断完善实验能力的考查，并从实验目的的确定、实验原理的设计、仪器的选择和使用、步骤的操作、故障排除、实验现象和实验数据分析处理、误差分析等方面进行命题。

2.物理实验复习方法

首先，要抓纲务本、注重实践。

实际动手操作有助于实验者领会实验原理和方法，体会设计思想，加深实验过程的印象。

在二轮复习阶段应选择一些在仪器选择使用、实验条件的控制和改变、数据的处理等方面有一定典型要求的重点实验进行重新操作，如“牛二定律验证”、“测金属丝电阻率”等，如能真正搞通这些实验的原理、思想、方法和误差分析等内容，那么不仅能对原实验试题应付自如，而且能将这些实验知识迁移运用到新情景中帮助创新、设计出新的实验。

其次，要注意归类梳理，打好基础。

将所学知识系统化，有助于对知识的深层次理解，也有助于技能的形成。

由于各种实验知识是分散在各个分组实验和演示实验中，因而对知识的归类梳理就显得更为重要。

先对各实验进行系统复习，再从目的、原理、需测物理量、器材、条件控制、步骤、数据处理、误差分析等方面进行比较、归纳，找出各实验的共同点和不同点，以达到巩固与活化有关知识的目的。

最后，还应注意拓展，尝试应用。

以规定实验为起点，可尝试实验原理方法、实验器材、数据处理等方面的改变，如能否改用电阻箱和电压表或电阻箱与电流表测电池电动势和内电阻。

尝试解答一些设计性实验试题，以摸索解答设计性实验试题的一般规律。

一般解答设计性实验试题要经历如下思维过程：

（1）依据实验要求和已有实验和理论知识进行原理设计和合理性论证，包括画原理图、装置图，导出公式，并论证实验设计的合理性；

（2）制订实验步骤进行模拟操作；（3）确定数据处理的方法和误差分析。

3.实验数据的处理

①按有效数字规则读数：

测量结果中可靠的几位数字加上可疑（估读）的一位统称为测量结果的有效数字。

有效数字位数与十进制单位的变换无关。

当然从有效数字的位数可读出仪器的最小刻度。

例如某一长度L=1.3450m是用毫米刻度尺读得数值，而1.3450cm是由螺旋测微器读得的长度数值。

②以算述平均值代表测量结果：

在计量性测量中，真实值难以确切知道，对某量多次测量结果不会完全相同，而多次测量的算术平均值是真实值的最好近似，它可以使多次测量的正负偶然误差有所抵消。

③列表法处理数据结果：

是将数据（包括有些中间量）列成表，表示出有关物理量的对应关系，这样可更好分析结果及其合理性，及时发现各量的规律性联系，求出经验公式。

并提高处理数据的效率，利用误差分极及数据查对，减少和避免错误。

④作图法处理数据：

作图法形象、直观，可据图线找函数关系，确定图线方程，平滑曲线还具有多次测量取平均值的效果，有时可据图线发现测量错误。

作图的一般规则是在坐标纸上先应标明坐标轴（物理量符号及单位），定点后连线应是直线或平滑曲线或其他曲线，个别偏离较大的错误点应舍去。

应明确有关图线纵横轴截距的含义、斜率的意义，需要时设法经变换将曲线改为直线（如验证玻意尔定律时作p-

线）。

⑤误差：

按计算方法可分绝对误差（测量值-真实值=绝对误差）、相对误差（

×100%=相对误差）两种；按误差来源又可分系统误差（由仪器本身不精确、实验方法粗略、实验原理不完善等而产生）和偶然误差（由于各种偶数人为因素造成的忽大忽小无规则误差）两种。

例如在用伏安法测电阻实验中，由于实验者读数习惯估计能力不同而引起误差叫偶然误差；由于未考虑安培表内阻而对伏安法安培表内接电路引起误差叫系统误差。

4.常见基本测量仪器有关注意点

①游标卡尽

精度（最小刻度）等于主尺上一格（或二格）与动尺（游标尺）上一格的差值。

如10分度游标卡尺通常是动尺10格，总长9mm，每隔即为0.9mm，精度为0.1mm，当然若动尺10格，总长19mm，每格即为1.9mm，精度仍为0.1mm，而不是0.05mm。

若动尺20格，总长19mm，每格0.95mm，精度即为0.05mm。

游标卡尺的读数=主尺读数（毫米数）+游标对齐刻度线×精度（毫米数），主尺读数指游标尺的零刻度线所对应的主尺上的整数毫米线，游标尺对齐刻度线指游标尺第几根与主轴某根对齐，就读成第几根。

②螺旋测微器

精度是0.01mm，可估读到0.001mm。

螺旋测微器读数=固定刻度值+可动刻度值+估计值

读数时应注意零误差的修正和紧锁开关的使用。

③滑动变阻器

可作为分压电阻和限流电阻两种接法使用，但不论变阻器是全部或部分接入电路，电流强度均不得超过额定值。

分压电路中，起始位置应在最小电阻处，限流电路中，起台位置应在最大电阻处。

④电阻箱

在电路中可作为可调节的标准电阻。

读数时各旋钮对应指示点的读数乘面板上标记的倍数然后相加，就得出电阻的指示值，读数时按从高倍到低倍的顺序读出。

电阻箱使用时应注意：

不得过载使用，注意额定电流和电阻额定功率；电阻接入电路时，阻值要大一些，以免电路电流太大烧坏电表；若需要将电阻箱阻值调小时，应先调大再调小，如要将210Ω调到209Ω，应将210Ω先调为219Ω，再调为209Ω，不能先调为200Ω，再调为209Ω，同样要将9Ω调到10Ω，应先调为10Ω，不能先调为0Ω，再调为10Ω；电阻箱不能代替变阻器长时间通电使用。

⑤灵敏电流计（检流计）

在电路中可用来测量微弱电流、电压的有无和方向。

使用时，应首先注意机械调零。

同时要注意待测电流（电压）不能超过检流计量程；其次要留意指针偏转方向与电流方向间关系，指针偏转角度大小与电流大小间关系；最后要注意检流计不长时间通电和搬运电流计应注意将两接线柱短路。

⑥直流电压表、电流表

应注意十一极和量程（指针达满偏角度的

～

最佳），注意读数的估读和电表对测量电路的影响。

当然也要注意机械调零。

典型例析

【例1】下列数据中，有效数字位数最少的是（）

A.0.300mB.1.02VC.0.37AD.2×103Ω

【解析】由有效数字位数规定，（A）（B）均为3位，C为2位，D为1位。

答案应为D。

【说明】按规定，有效数字的位数与单位的选取即由于移动小数点而导致非零数字前的零个数增减无关，而数字后面的零属有效数字位数。

【例2】使用灵敏电流计应注意（）

A.不能接在电流较大的电路中B.正负接线柱不能接错，以防烧坏电流计

C.接入电路前应调整指针的机械零点D.灵敏电流计使用前必须校正满度电流

【解析】灵敏电流计，不同于电流表，它的作用主要用来制定微小电流的有、无、未知电势的高低等。

所以应选A、C。

【说明】灵敏电流计量程只有几十到几百微安，而且它的零刻度不在左边而在中央，但应事前进行机械调零，因为灵敏电流计偏角的大小与所测电流成正比，所以它不仅可测电势高低和电流的流向，而且还能表示未知电流间相对大小。

【例3】如图9-16-1所示，用一根橡皮绳子来演示绳子的横波，现保持绳子张力不变使得波速不变，用手抖动绳的一端就有一列波向绳的另一端传去，若手抖动频率加快，则波长怎变？

【解析】由题意知，v恒定，而v=λf，由于f变大，所以λ变小。

【说明】绳波传的是横波，由张力决定波速，由波源决定频率，λ由前两者共同决定。

若在均匀介质中传播的波，则由介质性质决定波速，由波源决定频率，波长最后由v和f算得。

【例4】布朗运动和扩散运动不但说明了，而且说明了。

【解析】布朗运动和扩散运动首先说明了液体分子做无规则永不停息的运动。

同时，由于明确了液体分子无规则永不停息的运动，说明分子间是有运动空隙的，否则无法实现运动。

所以第一线填“液体分子作无规则永不停息的运动”，第二线填“分子间有空隙”。

【说明】布朗运动、扩散运动本身是固体小颗粒的运动，而不是液体分子运动，而能说明（反映）液体分子无规则永不停息的运动。

在这里一定要注意用词的确切达意。

【例5】在研究磁场对直线电流作用力的实验中发现导体棒不偏转可能的原因是（）

A.电路断开，棒中无电流B.未安装蹄形磁铁

C.棒所在处磁场方向与棒平行D.棒所在处磁场方向水平

【解析】应选A、B、C、D。

【说明】据原演示实验装置图，要让金属棒发出左右偏转，必须受到左右方向的安培力，若安培力上下方向也无法让棒产生偏转。

所以D不能漏选。

【例6】用天平称量物体的质量时，右盘中已放了砝码68g，游码位置如图9-16-2所示，则被称物体的质量为g。

【解析】由图可知，该天平的最小分度为0.04g，除以2结果为0.02g，误差出现在百分位上，读数时只能估读到克的百分位上，因此被测物体的质量为：

m=68g+7×0.04g=68.28g

【说明】托盘天平的精度（最小刻度）即为横梁游码所表示。

【例7】           图9-16-3给出的是用螺旋测微器测量一小钢球的直径的示数。

此读数应是

mm．

【解析】螺旋测微器的最小刻度为0.01mm，误差出现在毫米的千分位上，所以在毫米的千分位上进行估读。

螺旋测微器的读数方法是：

先从固定刻度尺上读出半毫米以上的长度，然后找出可动刻度上的第几条刻度线与固定刻度尺上的水平横线重合，从而读出半毫米以下的刻度，并再估读一位数字，最后将两次读数相加就是所要测量的的正确读数（可用公式d=固定刻度示数+可动刻度示数×最小分度值计算）。

根据螺旋测微器的读数方法可得：

被测小球的直径为：

d=8.5mm+10.0×0.01mm=8.600mm。

【说明】在读数的时候一定要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻度线是否已经露出。

若忽略了这一点，本题会误读为8.100mm。

【例8】某同学用多用电表欧姆挡测电阻，指针所指位置如图所示，则被测电阻的阻值约为Ω。

【解析】用多用电表的欧姆挡测出的电阻值由表盘读数和档位选择倍数两部分组成，读数计算方法为：

被测电阻R=表盘刻度数（整刻度数+估读数）×档位选择倍数。

由图9-16-4可知档位选择开关所指的倍数为×100，表针指的位置为22，因此被测电阻的阻值为：

R=22×100Ω=2.2×103Ω

【说明】

（1）欧姆表的每一档位的测量范围都从0至∞，从道理上讲任意阻值的电阻都可由同一档位上上测出其阻值大小，但由欧姆表的刻度方法和误差理论知道，只有当指针指在刻度盘的中间部分时测量误差才最小，因此在用欧姆表测量不同阻值的电阻时，应选用不同的档位，使指针指在刻度盘中央附近，从而减小测量误差，但需要注意的是，每换一次档位，都要重新进行欧姆表调零。

用多用电表的欧姆挡测电阻完毕，应将转换开关转至“OFF”档或最高交流电压档

【例9】图9-16-5中表示用一零点准确的游标尺测量一圆柱体的直径，从图上读出的测量结果为D=cm。

【解析】由图9-16-5可知，整毫米数为L1=102mm，游标尺的示数为L2=2.0×0.1mm=0.20mm，则圆柱体的直径为：

D=L1+L2=102mm+0.20mm=102.20mm=10.220cm。

【说明】使用游标卡尺测量物体线度时，游标某刻线恰好与主尺上某刻线对应的情况是不多见的。

多数情况应是近似对齐的，因此按认为的某刻线对齐读数本身就包含了一定的估读成分。

所以不需要再估读。

还有电阻箱、秒表等也不需估读。

第17讲高中物理学生实验

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，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

ε-ε

0～ε

适用条件

RL与R阻值相近且不要求

UL从0开始调节

R＜

RL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

一般先考虑限流动接法

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,

s3=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=

=2.67cm,d4=

=14.67cm。

（2）因s1=d1=

cm,s2=6-d1=

cm,s3=4.0cm,而T=5×0.02s=0.1s，所以

v1=

cm·s-1=30cm·s-1

v2=

cm·s-1=

cm·s-1=36.67cm·s-1

a=

cm·s-2=

cm·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

m1v21=

m1v2′+

m2v22,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。

（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=

，（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=

·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=

gt2，消去t，得

y=

，可见

yA=

yB=

yC=

y1=yB-yA=

y2=yC-yB=

y2-y1=

整理后得出v0=

·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】在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9.80m·s-2，测得所用的重物的质量为1.00kg。

实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。

如图9-17-5所示，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm，根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于J，动能的增加量等于J（取3位有效数字）。

【解析】本题主要考查考生是否理解“验证机械能守恒定律”实验的原理及其数据处理的方法。

根据机械能守恒定律，在自由落体运动中，如果忽略各种阻力，则物体重力势能的减少量应等于其动能的增加量，用公式表示为

mv2=mgh,v为下落距离为h时的速度。

本实验的目的就是要验证在自由落体运动中，这个关系

mv2=mgh确定成立。

重物由O点运动到C点时，下落距离为77.76cm，就得到物体减少的重力势能为mgh，代入数据得

1.00×9.80×0.7776=7.62J

vC=

，代入数据得

vC=

=3.88m·s-1

则动能的增加量为

mv2=7.56J

可见在实验的准确度范围内，关系式

mv2=mgh成立。

【说明】本实验还要求取纸带上第一、二点间间隔近似为2m的纸带作为数据纸带，这样打第一点时正好是纸带开始下落时刻，推算的第一点才是初速为零的点。

若用电火花打点计时器比用电磁打点计时器更易减小纸带所受阻力。

【例7】关于示