高中物理学生实验专题.doc

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：

12
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′)=m2v2 ①
碰撞后机械能没有损失，则
m1v21=m1+m2v22,m1(v21-v′21)=m2v22 ②
式②÷式① v1+v1′=v2，即OP+OM=O′N ③
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′N ④
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 关于示波器的作用，下列说法中正确的是（ ）
A.它能直接观察电信号随时间的变化情况
B.它能直接观察温度的高低、光的强弱等随时间变化的情况
C.要观察振动和温度、光等信号的变化情况，可先利用各种传感器把这些信号转化为电信号，再利用示波器间接地观察
D.物体的机械振动的情况是无法利用示波器这种电子仪器去研究的
解析 示波器能直接观察电信号随时间的变化情况，但通过各种传感器可把其他信号转变为电信号，再通过示波器显示。所以正确答案为A、C。
说明 示波器的最重要的电子仪器之一，它的广泛用途决定于能灵活地通过各种转换观察、监视、测量各种信号的变化情况。
例7 某同学用以下器材测量电阻：
①安培计、②电阻箱、③单刀双掷电键（这种电键在掷刀a倒向b时ab接通，倒向c时ac接通）、④待测电阻、⑤电源、⑥限流电阻，如图9-17-6。实验方法是利用单刀双掷电键分别将电阻箱和待测电阻接入电路，用电阻箱替代待测电阻的方法来测定待测电阻的阻值。
（1）在图中完成电路的连接（其中有两条导线已连接好）。
（2）本实验中电键应先接通的是含有 （填待测电阻或电阻箱的电路）。用电健变换电路，调节电阻箱时，应使两次测量的 大小相同，这时待测电阻的值可以从
上读出。

解析 本题是1997年上海高考试题
（1）如图9-17-7。

（2）待测电阻，电流（或安培计读数），电阻箱。
说明 本题的难点是对单刀双掷开关进行连线操作，应先作出电原理图草稿，再对两支路进行分开连接（如先连干路和Rx组成回路，再连电阻箱支路）。

例8 普通白炽灯是由爱迪生发明的，主要构造是钨丝和灯泡，灯泡内充有惰性气体及混有极少氧气。电流通过钨丝时发热发光。
（1）白炽灯发射的光谱是 光谱。
（2）你发现“220V 100W”和“220V 25W”灯光的钨丝有什么不同？ 。这是因为 。若按图9-17-8连接在220V电路上，各灯功率为 ，哪盏更亮？ 。

（3）白炽灯丝断了以后，有时将断了的灯丝接上，假若将这只灯泡再装在灯座上，与原来相比会变得 （亮、暗或不变），为什么 。
（4）由P=求得“220V 40W”灯电阻是1210Ω，用万能表欧姆档测得电阻只有90Ω，这是因为 。
（5）要将两盏“110V 40W”“110V 60W”的灯泡接到220V电路上，能使它们正常发光且最省电，请在图9-17-9框中设计出电路图。

图9-17-9
解析 （1）因为是炽热的固态金属丝发光，所以应为连续光谱。
（2）“220V 100W”灯丝粗短，另一灯丝较细。这是因为两灯电阻分别为484Ω和1936Ω，灯“220V 100W”电阻较小。
按图9-17-8接后功率分别为4W和16W，“220V 25W”更亮。
（3）应变得更亮。因为钨丝电阻遵守电阻定律R=ρ，断后重接l变短，s变粗，R变小U恒，所以功率变大。
（4）欧姆表量出的是常温下的电阻，由于导体电阻率随温度升高而增大。
（5）电路图见图9-17-10。

说明 本题将白炽灯构造、光谱、稳恒电流、变流电知识综合在一起，具有学科内综合的特点，对培养综合思维能力有较大益处。
例9 图9-17-11为测量电阻的电路。Rx为待测电阻。R的阻值已知。R′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9-17-11所示的电路，在图9-17-12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= 。

解析 本题为1999年全国高考试题
当k1接a,k2接d时，电流表与Rx串联，其示数为I1；当k1接b，k2接c时，电流表与R串联，其示数为I2，因电流表的内阻不计，两次连接，对R和Rx都是并联，电流表的接法变换，不能改变R和Rx中的电流。所以有I1Rx=I2R ∴Rx=
（1）如图9-17-13所示。

（2）a,b,
说明 本题两个单刀双掷开关，增加了连线的难度，可将电原理图中k1k2上的a、b、c、d字母迁移到实物图上，再对实物图进行字母连接，可增强连图步骤的清晰度。
例10 现有一阻值为10.0欧姆的定值电阻、一个电键、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值，要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大、电压表量程大于电源电动势，电源内阻约有几欧）。要求：
（1）在图9-17-14方框中画出实验电路图。
（2）简要写出完成接线后的实验步骤。
（3）写出测得的量计算电源内阻的表达式r= 。

解析 本题为1999年上海高考试题
（1）如图9-17-15所示。
（2）①断开电键，记下电压表偏转格数N1。
②合上电键，记下电压表偏转格数N2。
（3）r=R
说明 该题属于设计性实验，需清楚电压的偏转角度与通过电压表的电流成正比。
例11 某学生用安培计和伏特计测干电池的电动势和内阻时，所用滑动变阻器的阻值范围0～20Ω，连接电路的实物图如9-17-16所示：
（1）（多选题）该学生接线中错误的和不规范的做法是（ ）
A.滑动变阻顺器不起变阻用途 B.安培计接线有错 C.伏特计量程选用不当 D.伏特计接线有错
（3）在9-17-17方框里画出这个实验的正确电路图。

解析 本题为1995年全国高考试题
滑动变阻器要起到变阻作用必须一端接下端，一端接金属连杆的接头上。安培表的正、负极接反，易损坏安培表。伏特表的正接头应接在电键右端，图中接法是电键接在支路中，而不是干路上。
要正确连好实物图，首先应确定电流表的内外接法，变阻器的连接方式以及各电表的量程。其次应注意以下事项：①各电表的正、负极性；②开关是否在干路上；③各导线两端都应接在接线柱上，而不能在导线中间出现分叉；④开关闭合前变阻器滑动触头应处于恰当位置；⑤各条连线均应连成一般曲线，而不能连成折线，不能相交且要尽量节省导线；⑥先画电路原理图，后连接实物图，可避免出错。
（1）错误和不规范的做法是：A、B、D
（2）正确电路图见图9-17-18。

说明 略
例12 用如图9-17-21甲所示安培表内接法电路测定电池电动势和内电阻的实验中，造成误 差的主要原因是什么？测量值比真实以值大还是小？为什么？

解析 造成实验误差的主要原因是由于伏特表的分流作用引起的，使得电流表上读出的数值比实际的总电流（即流过电源的电流）要小一些，即减小了IV，由于流过伏特表的电流IV=（RV为伏特表的内阻），当路端电压U越大时，伏特表分流得到的电流IV也越大，因而电流的测量值与真实值之间的偏差会越大，短路时，路端电压等于零，可以认为测量值与真实值相等，如图9-17-21乙图中两图线所示。可见，电动势和内阻的真实值ε0、r0、ε0＞ε、r0=＞r。
即测量值均小于真实值。
说明 用同样的方法也可分析若采用安培表外接法对测ε和r带来的系统误差,ε真=ε测量，r真＜r测量。

例13 如图9-17-22中E为电源，其电动势为ε，R1为滑线变阻器，R2为电阻箱，A为电流表。用此电路，经以下步骤可近似测量A的内阻RA：①闭合k1,断开k2，调节R1，使电流表读数等于其量程I0；②保持R1不变，闭合k2，调节R2，使电流表读数等于，然后读出R2的值，取RA=R2。
（1）按图9-17-22所示电路在图9-17-23所给出的实物图中画出连接导线。

（2）真实值与测量值之差除以真实值叫做测量结果的相对误差，即，试导出它与电源电动势ε，电流表量程I0及电流表内阻RA的关系式。
（3）若I0=10mA，真实值RA约为30Ω，要想使测量结果的相通对误差不大于5%，电源电动势最小应为多少伏？
解析 本题为2001年全国高考试题
（1）连线如图9-17-24所示。

（2）由步骤①得=I0 ①
由步骤②得 ②
解得R1 ③
（3）6V
说明 本高考题源于教材而又高于教材。电表内阻测量由伏安法提高到半偏法。数据处理由一般的分析提高到系统误差的处理和计算。这给我们的第二轮复习有不小的启示。

例14 实验室中现有器材如实验物图9-17-25所示，有电池E，电动势约10V，内阻约1Ω；电流表A1，量程10A，内阻r1约为0.2Ω；电流表A2，最程300mA，内阻r2约为5Ω；电流表A3，量程250mA，内阻r3约为5Ω；

电阻箱R1，最大阻值999.9Ω，阻值最小改变量为0.1Ω;
滑动变阻器R2，最大阻值100Ω；开关S，导线若干，要求用图9-17-26所示的电路测定图中电流表A的内阻。
（1）在所给的三个电流表中，哪几个可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）你要读出物理量是 ，用这些物理量表示待测内阻的计算公式是 。
解析 本题为2001年全国高考试题（理科综合）
（1）A2、A3。
（2）若测A3的内阻r3，实物图见图9-17-27所示。

（3）A2、A3两电流表的读数I2、I3和电阻箱R1的阻值Rx；r3=Rx
说明 本题测内阻是原半偏法测电表内阻思想的延伸，它的基本思想是，′表读数在同一数量级，且内阻与R1的取值也同一数量级，显然A2A3间组成的电路符合上述要求。这是解答本题的关键。近年来，在电学实验上考查面不断拓展。复习应以课本实验的思想为基础，灵活应用于具体实际例子中。实验方法的拓展势在必行。
例15 用三棱镜做测定玻璃折射率的实验，先在白纸上放好三棱镜，在棱镜的一侧插上两枚大头针P1和P2，然后在棱镜的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2挡住。接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P3和P1、P2的像，在纸上标出大头针位置和三棱镜轮廓，如图9-17-28所示。
（1）在本题的图上画出所需的光路。
（2）为了测出棱镜玻璃的折射率，需要测量的量是 ，在图上标出它们。
（3）计算折射率的公式是n= 。

解析 本题为1994年全国高考试题
（1）如图9-17-29所示，画出通过P1、P2的入射光线交AC面于O，画出通过P3、P4的出射光线交AB面于O′，则光线OO′就为入射光线P1P2在三棱镜中的折射光线。
（2）在所画的图上，标明入射角i和折射角γ，并画出虚线部分。用量角器测量出i和γ或用刻度尺测出线段EF、OE、GH、OG的长度。
（3）n=
或：因为sini=,sinγ=,则n=/=·
说明 用扦针法测玻璃的折射率不受玻璃砖两折射面是否平行的限制，只要通过扦针能作了光线的入、出射方向和有关界面，最后作出内部的折射线，即可通过折射定律求出玻璃折射率。