专题九基本实验仪器的使用和基本实验方法.docx
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专题九基本实验仪器的使用和基本实验方法
专题九基本实验仪器的使用和基本实验方法
命题趋势
一些基本仪器的原理、使用方法、注意事项和读数等,在近几年的高考试题中不断出现。
长度和电学量的测量及相关仪器的使用是出题最频繁的知识点。
如游标卡尺、螺旋测微器的读数在近十年的全国高考中就考了8次,往往是游标卡尺、螺旋测微器交替考查。
电压表、电流表、欧姆表使用方法的考查几率则更高。
另外,打点计时器、电阻箱、秒表的使用有时也出现。
高考中基本仪器的考察,用的比较多的题型是填空题和作图题,时而也有选择题。
高考中常有连接电路实物图的题,这类题设置的目的就是考查电流表、电压表、滑动变阻器等器材的操作和使用方法。
关于实验方法的考查,预计是两种形式:
一是以学过的分组或演示实验为背景,考查对实验方法的领悟情况;二是考查灵活运用学过的实验方法设计新的实验。
由于目前设计型实验是高考实验题的热点,而掌握一些有普遍意义的实验方法又是设计实验的基础,所以在复习已学过的实验时,有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法是很有意义的。
教学目标:
1.通过专题复习,掌握基本实验仪器的使用和基本实验方法,提高解答物理实验题的能力。
2.能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器,设计简单的实验方案并处理相关的实验问题
教学重点:
掌握基本实验仪器的使用和基本实验方法,,提高解答物理实验题的能力。
教学难点:
根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器,设计简单的实验方案并处理相关的实验问题。
教学方法:
讲练结合,计算机辅助教学
教学过程:
一、知识概要
(一)基本仪器的使用
基本仪器是指通用性强,在各种实验中经常用到的仪器。
中学阶段,要求掌握的基本仪器如下:
测量长度的仪器------刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器
测量质量的仪器------天平
测量时间的仪器------打点计时器、秒表
测量力的仪器-----弹簧秤
测量温度的仪器------温度计
测量电学量仪器------电流表、电压表、多用电表
电学控制仪器------滑动变阻器、变阻箱、开关
对以上这些仪器,要理解结构原理、规格和主要参数,知道使用方法、注意事项、读数和精度等。
1、理解仪器的工作原理。
这能使我们灵活的使用仪器和分析问题。
例如,理解10分度的游标卡尺,也就能理解和使用20分度和50分度的游标卡尺。
2、熟悉仪器使用时的注意事项。
这往往是高考实验题的考点。
注意事项一般是这样几方面:
①可能危及仪器安全的。
如:
螺旋测微器,在小砧快接触工件时,应改用微调旋钮,以免损坏精密螺杆。
②可能增大误差的。
如使用螺旋测微器,读数时要注意半毫米刻度;测量仪器使用前,要调整零位(如弹簧秤、各种电表)。
③使用时容易忽略的。
最容易忽略的是仪器使用前的调整和使用后的复位。
如:
使用欧姆表,要机械调零和电阻档调零,换档后要重新进行电阻档调零,使用完毕要复位。
3、正确选择量程。
大的量用小量程,会损毁仪表;小的量用大量程,会增大误差。
选择量程的原则是:
在测量值不超过量程的前提下,选用尽量小的量程;在完全不清楚测量值的情况下,试用最大量程,再视情况逐渐减小量程。
如电流表和电压表一般要求指针能偏转到刻度盘的
以上;欧姆表指针应在
范围内,
为刻度盘中心阻值。
4、掌握测量仪器的读数方法。
主要是估读问题,大部分刻度仪器读数时都需要估读。
如刻度尺和温度计,要估读到最小刻度的
;螺旋测微器要估读到可动刻度的
。
(二)基本实验方法
围绕实验的设计原理、误差控制、数据处理三个环节,都有它们自己的一些有普遍意义的方法,在中学阶段涉及的主要是以下一些方法:
1、设计实验原理
(1)控制变量法。
如:
在“验证牛顿第二定律的实验”中,加速度、力和质量的关系控制。
在“研究单摆的周期”中,摆长、偏角和摆球质量的关系控制。
(2)近似替代法。
用伏安法测电阻时,选择了合适的内外接方法,一般就忽略电表的非理想性。
(3)等效替代法。
某些量不易测量,可以用较易测量的量替代,从而简化实验。
在“验证碰撞中的动量守恒”的实验中,两球碰撞后的速度不易直接测量,在将整个平抛时间定为时间单位后,速度的测量就转化为对水平位移的测量了。
(4)模拟法。
当实验情景不易或根本无法创设时,可以用物理模型或数学模型等效的情景代替,尽管两个情景的本质可能根本不同。
“描绘电场中的等势线”的实验就是用电流场模拟静电场。
(5)微小量放大法。
微小量不易测量,勉强测量误差也较大,实验时常采用各种方法加以放大。
卡文迪许测定万有引力恒量,采用光路放大了金属丝的微小扭转;在观察玻璃瓶受力后的微小形变时,使液体沿细玻璃管上升来放大瓶内液面的上升。
2、控制实验误差
(1)多次测量法。
多次测量法减小偶然误差,这是所有实验必须采取的办法,也是做实验应具有的基本思想。
(2)积累法。
一些小量直接测量误差较大,可以累积起来测量,以减小误差。
“用单摆测定重力加速度”的实验中,为了减小周期的测量误差,不是测量完成一次全振动的时间,而是测量完成30~50次全振动的时间。
3、数据处理
(1)逐差法。
这就是用打点计时器打出的纸带计算加速度时用到的方法,这种方法充分利用了测量数据,具有较好的取平均的效果。
(2)图象法。
能从图象清楚看出物理量间的关系,在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中,采用了这种方法得出电阻与温度有关的结论;可用图象法求物理量的值,在“测定电源电动势和内阻”的实验中用图象法来求E和
不仅有取平均的效果,还可以剔除个别有错误的测量数据。
围绕某一领域实验的共同需要,形成一些方法。
在中学阶段主要有:
1、记录运动
(1)用频闪照片记录运动。
例如用小球自由下落的频闪照片研究自由落体运动的规律;用平抛小球的频闪照片研究平抛运动的规律;用弹簧振子的频闪照片研究简谐运动的规律。
(2)用打点计时器记录运动轨迹。
例如研究匀变速直线运动、验证机械能守恒等。
2、提供电压
(1)限流法。
如图1,选择合适的滑动变阻器串接在电路中,用它来改变电流,以控制负载电压。
图1图2
(2)分压法。
如图2,当滑动变阻器的电阻小于负载电阻时,可用此法调控电压。
二、考题回顾
1.(04年理综天津卷22,15分)现有一块59C2型的小量程电流表G(表头),满偏电流为50
,内阻约为
800~850
,把它改装成1mA、10mA的两量程电流表。
可供选择的器材有:
滑动变阻器R1,最大阻值20
;滑动变阻器
,最大阻值100k
电阻箱
,最大阻值
定值电阻
,阻值1k
;
电池E1,电动势1.5V;电池
,电动势3.0V;电池
,电动势4.5V;(所有电池内阻均不计)
标准电流表A,满偏电流1.5mA;
单刀单掷开关S1和S2,单刀双掷开关S3,电阻丝及导线若干。
(1)采用如图1所示电路测量表头的内阻,为提高测量精确度,选用的滑动变阻器为;选用的电池为。
图1
(2)将G改装成两量程电流表。
现有两种备选电路,示于图2和图3。
图为合理电路,另一电路不合理的理由是。
图2图3
(3)将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对(仅核对1mA量程),画出所用电路图,图中待核对的电流表符号用
来表示。
解答:
(1)①
(或最大阻值100k
)②
(或电动势4.5V)
(2)①2②图3电路在通电状态下,更换量程会造成两分流电阻都未并联在表头两端,以致流过表头的电流超过其满偏电流而损坏
(3)
2.(2003年理综全国卷)用伏安法测量电阻阻值R,并求出电阻率ρ。
给定电压表(内阻约为50kΩ)、电流表(内阻约为40Ω)、滑线变阻器、电源、电键、待测电阻(约为250Ω)及导线若干。
⑴画出测量R的电路图。
⑵图(甲)中的6个点表示实验中测得的6组电流I、电压U的值,试写出根据此图求R值的步骤:
_____________________________________________________________
求出的电阻值R=__________________。
(保留3位有效数字)
⑶待测电阻是一均匀材料制成的圆柱体,用游标为50分度的卡尺测量其长度与直径,结果分别如图(乙)、图(丙)所示。
由图可知其长度为__________,直径为________。
⑷由以上数据可求出ρ=_______________。
(保留3位有效数字)
解析:
(1)外接,分压或限流,如图
(2)①作U—I直线,舍去左起第2点,其余5个点尽量靠近直线且均匀分布在直线两侧。
②求该直线的斜K,则R=K。
R=
(221Ω-237Ω均为正确)。
(3)由图可知其长度为0.800cm,直径为0.194cm。
(4)由以上数据可求出
Ω∙m(
Ω∙m均为正确)
3.(2004年北京卷22题18分)为了测定电流表A1的内阻,采用如图1所示的电路。
其中:
A1是待测电流表,量程为300μA内阻约为100Ω;
A2是标准电流表,量程是200μA;
R1是电阻箱,阻值范围0~999.9Ω;
R2是滑动变阻器;R3是保护电阻
E是电池组,电动势为4V,内阻不计;
S1是单刀单掷开关,S2是单刀双掷开关。
(1)根据电路图1,请在图2中画出连线,将器材连接成实验电路.
(2)连接好电路,将开关S2扳到接点a处,接通开关S1,调整滑动变阻器R2使电流表A2的读数是150μA;然后将开关S2扳到接点b处,保持R2不变,调节电阻箱R1,使A2的读数仍为150μA。
若此时电阻箱各旋钮的位置如图3所示,电阻箱R1的阻值是_________Ω,则待测电流表A1的内阻R3=_____________Ω。
(3)上述实验中,无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置,都要保证两块电流表的安全。
在下面提供的四个电阻中,保护电阻R3应选用:
(填写阻值相应的字母)。
A.200KΩB.20KΩC.15KΩD.20Ω
(4)下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用。
即要满足上述实验要求,又要调整方便,滑动变阻器(填写阻值相应的字母)。
A.1kΩB.5kΩC.10kΩD.25kΩ
解答:
(1)如图
(2)86.386.3
(3)B
(4)C
4.(04江苏物理)用游标卡尺(游标尺上有50个等分刻度)测定某工件的宽度时,示数如图所示,此工件的宽度为___________mm。
答案:
23.22mm
5.(04全国)图中给出的是用螺旋测微器测量一金属薄板厚度时的示数,此读数应为
mm。
答案:
6.123mm。
6.(2001年高考理综卷)实验室中现有器材如实物图所示,有:
电池E,电动势约10V,内阻约1Ω;电流表A1,量程约10A,内阻
1约为0.2Ω;电流表A2,量程300mA,内阻
2约5Ω;电流表A3,量程250mA,内阻
3约5Ω;电阻箱R1,最大阻值999.9Ω,最小阻值改变量为0.1Ω;滑线变阻器R2,最大值100Ω;开关S;导线若干。
要求用图3所示的电路测量图中电流表A的内阻。
(1)在所给的三个电流表中,那几个可以用此电路精确测出其内阻?
答:
。
(2)在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路。
(3)你要读出的物理量是。
用这些物理量表示待测内阻的计算公式是。
解答:
(1)电流表A1不能精确测出其内阻,因这时图中的电流表A′应为A2、A3中的一只,这使得电流表A1中的电流不能超过300mA,其指针的偏转极其微小,误差很大。
而A2、A3可用此电路精确测出其内阻。
(2)若测
3,实物连线如图所示。
(3)根据前面的分析,要读出的物理量是A、A′两电流表的示数I、I′和电阻箱的阻值R1,待测内阻的计算公式是
7.(99全国)图为测量电阻的电路,Rx为待测电阻,R的阻值己知,Rˊ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(a)所示的电路,在图(b)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=__________
解答:
(1)如下图所示
(2)a,b,I2R/I1,
8.(04年科研)一个电压表VA的内阻RA=1000Ω,量程为1.0V,现要利用电阻箱扩大它的量程,改装成量程为3.0V的电压表。
改装后,再用一量程为3.0V的精确的电压表VB对其所有刻度进行校准。
除了这两个电压表VA、VB外,还有下列一些器材
电源E(电动势约为6V,内阻较小)
变阻器R(总电阻约10Ω)
电阻箱R0(1-9999Ω)
电键K
导线若干
①如图是以上器材和两个电压表VA、VB的实物示意图,试在图中画出连线,连成进行校准时的实验电路。
②图中电阻箱的取值等于Ω
③用上述电压表VB和改装后并已校准过的电压表(以下称为VC)以及一个电键和一些导线,去测量一个电动势大约为2V的电源的内阻r。
写出简要测量步骤,并用测得的量写出r的公式。
答案:
①如图所示②2000
③将电压表Vc通过电键、导线与电源连接,读出VC上的示数UC;再将电压表Vc和VB串联,通过电键、导线与电源连接,读出VC上的示数UC′和VB上的示数UB。
r=
(Ω)
三、典题例析
【例题1】用游标卡尺测一根金属管的内径和外径时,卡尺上的游标位置分别如图(a)、(b)所示。
这根金属管内径读数是cm,外径读数是cm,管壁的厚度是cm。
解题方法与技巧:
游标卡尺的读数规则是:
整毫米数由主尺读出,游标尺的第几刻度线与主尺上的某一刻度线重合,毫米以下的读数就是n分之几,n是游标卡尺上的分度数,该题中,游标卡尺是10分度的,那就是10分之几。
图(a)中,从主尺看,整毫米数是23,游标尺上第7条刻度线与主尺上的一条刻度线重合,所以毫米以下的读数就是0.7mm,得到内径的读数为23.7mm=2.37cm。
图(b)中主尺上整毫米数是30,游标尺上第3条刻度线与主尺上的一条刻度线重合,所以外径的读数为30.3mm=3.03cm。
管壁的厚度为两者之差的一半0.33cm。
【例题2】一学生用多用电表测电阻。
他在实验中有违反使用规则之处。
他的主要实验步骤如下:
1.选择开关扳到“×1k欧姆档上;
2.把表笔插入测试笔插孔中,先把两根表笔相接触,旋转调零旋钮,使指针指在电阻刻度的零位上;
3.把两跟表笔分别与某一待测电阻的两端相接,发现这时指针几乎满偏;
4.换用“×100”的欧姆挡,发现这时指针的偏转适中,随即记下欧姆数值;
5.把表笔从测试笔插孔中拔出后,就把多用表放回桌上原处,实验完毕。
这个学生在测量时已注意到:
待测电阻与其他元件和电源断开,不用手碰表笔的金属杆。
这个学生在实验中违反了那一或那一些重要的使用规则?
答:
解题方法与技巧:
该题考查仪器使用时的注意事项。
使用欧姆表要注意的地方比较多。
使用前要经过调整(机械调零,选择量程后要电阻调零),使用后要复位(拔出表笔,选择开关应置于“OFF”档或交流高压档),使用过程中换档后要重新调零……。
这些往往都是考查的重点。
该题中不符合操作规则的是:
换到合适的量程后,要重新调整调零旋钮;使用后不能把选择开关置于欧姆档。
【例题3】有一标有“6V,1.5W”的小灯泡,现用图(a)所示电路测量其在不同电压下的实际功率,提供的器材除导线和开关外,还有:
A.直流电源6V(内阻不计)
B.直流电流表0-3A(内阻0.1Ω以下)
C.直流电流表0-300mA(内阻约为5Ω)
D.直流电压表0-15V(内阻约为15kΩ)
E.滑动变阻器10Ω2A
F.滑动变阻器1kΩ0.5A
(1)实验中电流表应选用(用序号表示),滑动变阻器应选用。
(2)试按图(a)电路将图(b)所示器材连成电路
解题方法与技巧:
(1)选电流表实际上是选量程。
先估算一下通过电流表的电流,由小灯泡的规格可知通过的电流最大不能超过0.25A。
因此选C。
在该题中滑动变阻器接成分压器,此时要求滑动变阻器的电阻比用电器的电阻小,至少应差不多;小灯泡的电阻在正常工作时约为24Ω,所以滑动变阻器不能选F,应选E,但不应忘记还要核对一下电流是否会超过其允许值,E的最大允许电流是2A,实验中的最大电流只有0.25A,选E也是安全的。
(2)连接实物图实际上是考查仪器的使用方法。
这里要注意电表正负接线柱的接法、滑动变阻器做分压器时连接特点。
具体连线时,可以先连主回路,把电源、开关、滑动变阻器连成一个回路;然后再连上支路,从滑动变阻器的滑动头和一个固定端接出,连上电流表、小灯泡,最后将电压表并联在小灯泡上。
连接情况如图所示。
滑动变阻器常用来调控用电器上的电压,一般有限流和分压两种形式,为了有较大的调节范围,且操作方便,当滑动变阻器的电阻R比用电器电阻R0大得多时,应选用限流的方式;R比R0小或差不多时,应选用分压方式。
【例题4】如图,光滑水平轨道与光滑圆弧轨道相切,轻弹簧的一端固定在轨道的左端,OP是可绕O点转动的轻杆,且摆到某处就能停在该处;另有一小钢球。
现在利用这些器材测定弹簧被压缩时的弹性势能。
(1)还需要的器材是、。
(2)以上测量实际上是把对弹性势能的测量转化为对能的测量,进而转化为对和的直接测量。
(3)为了研究弹簧的弹性势能与劲度系数和形变量的关系,除以上器材外,还准备了两个轻弹簧,所有弹簧的劲度系数均不相同。
试设计记录数据的表格。
解题方法与技巧:
因不知道弹性势能计算公式,应采用等效替代的方法,把要测量的弹性势能转化为便于测量的量。
在这个装置中,若用小钢球压缩弹簧至需要的量,然后由静止释放小球,弹簧的弹性势能会转化为小球的动能,进而在小球沿圆弧轨道上升的过程中转化为小球的重力势能。
可用对重力势能的测量来代替对弹性势能的测量,因此需用天平测量小球的质量,用刻度尺测量小球上升的高度。
要寻找弹性势能与弹簧的劲度系数和形变量两个物理量的关系,应采用控制变量法。
先保持弹簧的劲度系数不变,研究弹性势能与形变量的关系;再保持形变量不变,研究弹性势能与劲度系数的关系。
因此记录数据的表格可设计成如下两表:
小球的质量m=kg,弹簧A
压缩量x(m)
上升高度h(m)
E=mgh(J)
压缩量x=cm,小球的质量m=kg
弹簧
A
B
C
劲度系数k(N/m)
上升高度h(m)
E=mgh(J)
【答案】
(1)天平、刻度尺
(2)重力势、质量、上升高度(3)见上。
【例题5】(2001年上海卷)利用打点计时器研究一个约1.4高的商店卷帘窗的运动。
将纸带粘在卷帘底部,纸带通过打点计时器随帘在竖直面内向上运动。
打印后的纸带如图所示,数据如表格所示。
纸带中AB、BC、CD……每两点之间的时间间隔为0.10s,根据各间距的长度,可计算出卷帘窗在各间距内的平均速度
。
可以将
近似地作为该间距中间时刻的瞬时速度v。
(1)请根据所提供的纸带和数据,绘出卷帘窗运动的v-t图线。
(2)AD段的加速度为m/s2,AK段的平均速度为m/s。
解题方法与技巧:
根据题目要求。
把各段时间的平均速度当做这段时间中间时刻的瞬时速度,可算出一系列时刻的速度,见下表。
根据表中数据在v-t图上描点画出图象,如图所示。
由图象可以看出,卷帘窗开始做匀加速直线运动,中间有一段作匀速运动,然后作加速度变化的运动。
AD段的加速度可由v-t图对应段的斜率确定,为5m/s2。
AK段的平均速度可根据表中数据由公式算出,为1.39m/s。
时刻(s)
0.05
0.15
0.25
0.35
0.45
0.55
0.65
0.75
0.85
0.95
速度(m/s)
0.50
1.0
1.5
2.0
2.0
2.0
2.0
1.7
0.80
0.40
点评:
要研究物体的运动,利用打点计时器把运动记录下来是一种可供选择的方法。
用图像处理数据可以把物体各阶段的运动性质清楚地反映出来。
【例题6】如图所示是测定电流表内阻的电路图。
电流表的内阻约100Ω左右,满偏电流为500µA,用电池做电源。
(1)现备有以下可变电阻:
A.电阻箱,阻值范围为0~100Ω
B.电阻箱,阻值范围为0~999.9Ω
C.滑动变阻器,阻值范围为0~200Ω
D.滑动变阻器,阻值范围为0~20KΩ
在上述可变电阻中,电路图中的R应选用,R′应选用。
(2)某同学进行的实验步骤如下:
①先将R的阻值调到最大,合上S1,调节R的阻值,使电流表的指针转到满刻度。
②合上S2,调节R′和R的阻值,使电流表的指针转到满刻度的一半。
③记下R′的阻值
指出上述实验步骤中有什么错误。
答:
解题方法与技巧:
由题中给出的电路图可知,该题要求用半偏法测电流表的内阻。
半偏法的原理是:
先断开S2,闭合S1,让电流通过电流表并使其满偏,然后接上电阻箱,并调节它使电流表半偏,由于总电流几乎不变,因此电阻箱中应有另一半电流,电流表和R′上各有一半电流意味着它们电阻相等,此时读出电阻箱的电阻,即为电流表的内阻。
由以上原理可知,选电阻箱时,只要它能调出与电流表内阻相当的电阻即可;另外,当电阻箱接入时,维持总电流几乎不变是至关重要的,因为这时才可以说两条支路上各有一半电流。
为此:
①滑动变阻器的实际组织应远大与电流表的内阻,成为整个电路电阻的主要部分,使R′的接入仅使电阻发生微小变化。
②在调节电阻箱时,电阻R不应变化。
【答案】
(1)滑动变阻器应选电阻大的D;电阻箱应选B,
(2)第②步中,合上S2后不应再调节R。
点评:
半偏法实际上也是比较法,比较两支路的电流,只是比较特殊,两支路电流是相等的关系,因此电阻也是相等的关系。
这样特殊的比较简化了运算。
【例题7】有两只电压表V1和V2。
量程已知,内阻未知。
另有一干电池,它的内阻不能忽略,但大小未知。
试用这两只电压表、开关、导线测定这只干电池的电动势(已知电动势不超过电压表的量程)。
(1)画出测量时所用的电路图。
(2)以测量的量为已知量,导出计算电动势的表达式。
解题方法与技巧:
测电源的电动势和内电阻,一般采用多次测量(至少两次),列方程组的数学方法。
测两次需要两个负载电阻,现在一个都没有。
但两个实际的电压表内阻不是无穷大,因此它们可以作为负载。
单独V1、单独V2、V1和V2。
考虑到没有电流表,两次负载应有些联系,选1、3两种或2、3两种。
【答案】
(1)测量时所用的电路图如图中甲、乙所示。
(甲)(乙)
(2)对第一次测量,测得U1,有
其中R1为表V1的内阻
对第二次测量,测得U1′和U2′,有
将
作为一个未知数,由以上两方程可解得
四、能力训练
1.(1997年全国)一游标卡尺的主尺的最小分度为1mm,游标上有10个小等分间隔,现用此卡尺来测量工件的直径,如图所示。
该工件的直径为mm。
2.用螺旋测微器测量一矩形小零件的长和宽时,螺旋测微器上的示数如图所示。
图(a)的读数是mm,图(b)的读数是mm。
3.(1995年全国)某人用多用电表按正确步骤测量一电阻阻值。
指针指示位置如图所示。
则这电阻阻值是。
如果要
用这多用表测量一个