高中物理实验分类整理及解析.docx

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高中物理实验分类整理及解析

高中物理实验分类整理及解析

1.研究匀变速直线运动

右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A、B、C、D…。

测出相邻计数点间的距离s1、s2、s3…利用打下的纸带可以：

⑴求任一计数点对应的即时速度v：

如

（其中T=5×0.02s=0.1s）　　

⑵利用“逐差法”求a：

⑶利用上图中任意相邻的两段位移求a：

如

⑷利用v-t图象求a：

求出A、B、C、D、E、F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）

利用右图装置，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

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。

注意事项：

⑴斜槽末端的切线必须水平。

⑵用重锤线检验坐标纸上的竖直线是否竖直。

⑶以斜槽末端所在的点为坐标原点。

⑷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。

⑸每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始下滑。

5.验证动量守恒定律

由于v1、v1/、v2/均为水平方向，且它们的竖直下落高度都相等，所以它们飞行时间相等，若以该时间为时间单位，那么小球的水平射程的数值就等于它们的水平速度。

在右图中分别用OP、OM和O/N表示。

因此只需验证：

m1OP=m1OM+m2（O/N-2r）即可。

注意事项：

⑴必须以质量较大的小球作为入射小球（保证碰撞后两小球都向前运动）。

⑵小球落地点的平均位置要用圆规来确定：

用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面，圆心就是落点的平均位置。

⑶所用的仪器有：

天平、刻度尺、游标卡尺（测小球直径）、碰撞实验器、复写纸、白纸、重锤、两个直径相同质量不同的小球、圆规。

⑷若被碰小球放在斜槽末端，而不用支柱，那么两小球将不再同时落地，但两个小球都将从斜槽末端开始做平抛运动，于是验证式就变为：

m1OP=m1OM+m2ON，两个小球的直径也不需测量了。

6.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。

注意事项：

⑴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。

⑵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。

⑶由于摩擦和空气阻力的影响，本实验的系统误差总是使

⑷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。

7.用单摆测定重力加速度

摆长的测量：

让单摆自由下垂，用米尺量出摆线长L/（读到0.1mm），用游标卡尺量出摆球直径（读到0.1mm）算出半径r，则摆长L=L/+r

注意事项：

开始摆动时需注意：

摆角要小于5°（保证做简谐运动）；不要使摆动成为圆锥摆。

必须从摆球通过最低点时开始计时，测出单摆做50次全振动所用时间，算出周期的平均值T。

改变摆长重做几次实验，计算每次实验得到的重力加速度，再求这些重力加速度的平均值。

8用描迹法画出电场中平面上等势线

实验所用的电流表是零刻度在中央的电流表，在实验前应先测定电流方向与指针偏转方向的关系：

将电流表、电池、电阻、导线按图1或图2连接，其中R是阻值大的电阻，r是阻值小的电阻，用导线的a端试触电流表另一端，就可判定电流方向和指针偏转方向的关系。

该实验是用恒定电流的电流场模拟静电场。

与电池正极相连的A电极相当于正点电荷，与电池负极相连的B相当于负点电荷。

白纸应放在最下面，导电纸应放在最上面（涂有导电物质的一面必须向上），复写纸则放在中间。

9.测定玻璃折射率

实验原理：

如图所示，入射光线AO由空气射入玻璃砖，经OO1后由O1B方向射出。

作出法线NN1，则折射率

n=Sinα/Sinγ

注意事项：

手拿玻璃砖时，不准触摸光洁的光学面，只能接触毛面或棱，严禁把玻璃砖当尺画玻璃砖的界面；实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变；大头针应垂直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两个大头针距离应大一些，以减小确定光路方向造成的误差；入射角应适当大一些，以减少测量角度的误差。

10．伏安法测电阻

1伏安法测电阻有a、b两种接法，a叫（安培计）外接法，b叫（安培计）内接法。

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）实物图连线技术

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。

11．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。

12.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。

13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）

14.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：

⑴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。

⑵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。

⑶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，如右图中两种可能。

⑷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右图中的上图。

四、重要的演示实验

1.用油膜法估测分子的大小

实验前应预先计算出每滴油酸溶液中纯油酸的实际体积：

先了解配好的油酸溶液的浓度，再用量筒和滴管测出每滴溶液的体积，由此算出每滴溶液中纯油酸的体积V。

油膜面积的测量：

油膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，将油膜的形状用彩笔画在玻璃板上；将玻璃板放在坐标纸上，以1cm边长的正方形为单位，用四舍五入的方法数出油膜面积的数值S（以cm2为单位）。

由d=V/S算出油膜的厚度，即分子直径的大小。

2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=

at2∝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？

4.描绘单摆的振动图象

对同一个单摆，如果两次拉出木板得到的图形分别如a、b所示，说明两次拉木板的速度之比为3∶2。

对摆长不同的单摆，如果两次拉木板速度相同，说明摆的周期之比为3∶2，摆长之比为9∶4。

在同一根绳子上，各种频率的波传播速度都是相同的。

8.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？

[典型分析]

【例1】多用电表表头的示意图如右。

⑴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___________.

⑵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___________.

⑶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___________.

白

灰

⑷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__________________.

黑

测量结束后应将选择开关拨到__________或者____________.

⑸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。

【例1】解析：

.⑴电流，3.2mA⑵电压，16.0V⑶电阻，3.4×103Ω⑷①该用×1kΩ倍率；②重新调零；

③将红、黑表笔分别接被测电阻两根引线，从表盘读数乘以倍率；OFF，交流电压最高挡；⑸红，正。

[典型分析]

【例1】一打点计时器固定在斜面上某处，一小车拖着穿过打点计器的纸带从斜面上滑下，如图5-1甲所示，图5—1乙是打出的纸带的一段．

图5—1

（1）已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，利用图乙给出的数据可求出小车下滑的加速度a=____________．

（2）为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，还需要测量的物理量有___________，用测得的量及加速度a表示阻力的计算式为f=_________________．

【例1】解析：

（1）利用逐差法求小车的加速度．由纸带可知，任意两相邻记数点间的时间间隔T=0.04s，

由逐差法可得

则

=4.00m/s2

（2）为了求出小车下滑过程中所受到的阻力，还需要测量小车的质量m，斜面上任意两点间距离l和这两点间的高度差h．

小车的受力情况如图5—2所示．根据牛顿第二定律，

而

所以，

．

【点评】

（1）逐差法充分利用了纸带的实验数据，从而减小了数据测量引起的偶然误差．本题中所给出的实验数据个数为奇数（9个），处理时常舍掉正中间的一个数据．

（2）小车下滑过程中所受到的阻力无法直接测量，但根据牛顿第二定律可转化为测量m，a，h和l．与此相类似，你能求出打点计时器打纸带上的两记数点的过程中小车克服阻力所做的功吗？

【例2】一个有一定厚度的圆盘，可以绕通过中心且垂直于盘面的水平轴转动．用下面的方法测量它匀速转动时的角速度．

实验器材：

电磁打点计时器，米尺，纸带，复写纸．

实验步骤：

（1）如图5—3所示，将电磁打点计时器固定在桌面上，将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后，固定在待测圆盘的侧面上，使圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面上．

（2）启动控制装置使圆盘转动，同时接通电源，打点计时器开始打点．

（3）经过一段时间，停止转动和打点，取下纸带，进行测量．

①由已知量和测得量表示角速度的表达式为ω=________________，式中各量的意义是___________．

②某次实验测得圆盘半径r=5.50×10－2m，得到的纸带的一段如图5—4所示，求得角速度为________．

单位：

cm

【例2】解析：

①本实验测量角速度的原理是：

圆盘匀速转动时，其线速度

，又角速度

，所以，其原理式为

．

在纸带上选定两点，设它们在米尺上对应的刻度值分别为x1、x2，数出这两点间（含这两点）的打点数n，打点计时器打点的周期为T，则打这两点的时间间隔t=（n－1）T，这段时间内圆盘转过的弧长S=x2－x1，若测得圆盘的半径为r，由已知量和测得量表示的角速度的表达式为

．

②若取

cm，则n=9，又

cm．

代入可得

【点评】实验原理是完成实验的依据和关键．虽然该实验没有做过，但所用到的实验方法并不陌生，要结合题给实验器材和实验步骤通过联想和迁移，弄清实验原理和所需测量的物理量，进而得出待测量的表达式．

【例3】小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：

I/（A）

0.12

0.21

0.29

0.34

0.38

0.42

0.45

0.47

0.49

0.50

U（V）

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

（1）在左下框中画出实验电路图．可用的器材有：

电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围0～10Ω）、电源、小灯泡、电键、导线若于．

（2）在图5—5中画出小灯泡的U—I曲线．

图5—5

（3）若将该小灯泡接在电动势是1.5V，内阻是2.0Ω的电池两端，小灯泡的实际功率是多少?

（简要写出求解过程，若需作图，可直接画在图中）

【例3】解析：

（1）由于小灯泡灯丝的电阻值远小于电压表的内阻（如：

电压为2.00V时，其阻值R灯=

），为减少由于电表接入电路引起的系统误差，应采用电流表外接法．为使小灯泡两端的电压的变化范围尽可能大，滑线变阻器应连接成分压电路，实验电路如图5—6所示．

图5—6图5—7

（2）根据实验得到的数据在U—I坐标系中描点，并将这些数据点连接成一条平滑的曲线，如图5—7所示．

（3）根据

作出电源的U—I图线，它与小灯泡的伏安特性曲线的交点坐标就是小灯泡的工作点，即工作电流I=0.35A，工作电压U=0.08V，故小灯泡的实际功率P=IU=0.28W．

【点评】本题主要考查独立完成实验的能力．主要包括①实验原理及电路；②用图象法处理实验数据，并得出实验结论．其中利用图线确定小灯泡与电源连接后的工作点是解答本题第（3）问的关键．

Ⅲ、实验设计

[专题精讲]

实验设计应把重点放在力学和电学实验上，力学以打点计时器为中心展开，电学以电阻测量为中心展开．

1．进行实验设计的总体原则

（1）精确性：

在实验误差允许的范围内，应尽可能选择误差较小的方案．

（2）安全性：

实验方案的实施要安全可靠，不会对器材造成损害，且成功率高．

（3）可操作性：

实验应便于操作和读数，便于进行数据处理．

2．实验设计的基本思路

．

实验设计的关键在于实验原理的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用（或还需）哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤．而实验原理的设计又往往依赖于所提供的实验器材（条件）和实验要求，它们相辅相成，互为条件．

以测量电表的内阻为例：

纵向：

伏安法及变式

①电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻

②两只同种电表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻

③两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻

横向：

除伏安法外，还常用替代法、半偏法和闭合电路欧姆定律（计算法）

①替代法

②半偏法

③闭合电路欧姆定律（计算法）

3．电学实验的器材选择和电路设计

（1）电路结构

完整的实验电路包括三个部分：

①测量电路，②控制电路（变阻器、开关），③电源．

（2）思路

（3）方法

①电表选择：

为了减小电表读数引起的偶然误差，选择电表时应先估算待测电流或电压的最大值，同时要考虑电表间、电表与电源间的配置是否合理，测量时各电表的最大偏转量都应接近量程．

②分压、限流电路选择

（4）在下列情况下应选择分压电路

①实验要求待测电阻两端电压从零开始连续变化。

②限流不能保证安全，即限流电路中的最小电流超过电表量程或用电器的额定电流．常见于变阻器全电阻远小于测量部分电阻的情况．

③限流能保证安全，但变阻器调节过程中，电表读数变化不明显，不满足实验测量多组数据的要求．常见于变阻器全电阻远小于测量部分电阻的情况．

④在限流、分压两种电路都满足实验要求时，由于限流电路结构简单，损耗的电功率小，应优先选用．

⑸滑动变阻器的粗调和微调．

在限流电路中，对测量电路而言，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用；在分压电路中，变阻器的粗、微调作用正好与限流电路相反．

、

[典型分析]

【例4】如图5—8所示，水平桌面上固定着斜面体A，有小铁块B．斜面体的斜面是曲面，由其截面图可以看出曲线下端的切线是水平的．现提供的实验测量工具有：

天平、直尺．其它的实验器材可根据实验需要自选．现要设计一个实验，测出小铁块B自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，小铁块B克服摩擦力做的功．请回答下列问题：

（1）除题中供给的器材处，还需要选用的器材是：

____________________________________________________________．

（2）简要说明实验中需要测量的物理量（要求在图上标明）：

_____________________________________________________________．

（3）写出实验结果的表达式（重力加速度g已知）：

____________________________________________________________．

【例4】解析：

本实验测定小铁块克服摩擦力所做功的原理是动能定理和平抛运动的规律。

小铁块自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，根据动能定理

…………①

离开曲面后，小铁块做平抛运动，直到落地，

则

所以，

…………②

将②代入①得

显然，实验中需要测量的物理量是：

斜面高度H、桌面高度h，小铁块平抛的水平距离S、小铁块质量m．如图5—9所示，其中S需用重锤线和白纸、复写纸来确定．

【答案】

（1）重锤线、铺在地面上的白纸和复写纸

（2）斜面高度H、桌面高度h，小铁块平抛的水平距离S，小铁块质量m（3）

【点评】题给实验器材对实验原理的设计有一定的限制作用．本题没有给足实验器材，首先要根据题给实验条件和要求，构思相关的物理情景，从而确定实验原理，然后根据原理式确定需要测量的物理量和还需选用的实验器材．

【例5】用伏安法测量一个定值电阻的阻值，备用器材如下：

待测电