陕西西安高三物理二轮练习专项7高考物理实验 17页

陕西西安2019年高三物理二轮练习专项7高考物理实验 知识网络 考点预测 物理实验是高考的主要内容之一．《考试大纲》就高考物理实验共列出19个考点，其中力学8个、热学1个、电学8个、光学2个．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、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧测力计、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等，并且对实验误差问题提出了更明确的要求．‎ 一、《考试大纲》中的实验与探究能力要求 能够独立完成“物理知识表”中所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件．会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论．能发现问题、提出问题，能灵活地应用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题．‎ 二、实验题的主要特点 物理实验年年考，年年有变化．从近年的实验题来看，其显著特点表达在如下两个方面．‎ ‎(1)从简单的背诵实验转向分析、理解实验 实验原理是物理实验的灵魂．近年来，高考物理实验题既不是简单地回答“是什么”，也不是背诵“该怎样”，而是从物理实验情境中理解“为什么”，通过分析推理判断“确实是什么”，进而了解物理实验的每一个环节．‎ ‎(2)从既定的课本学生实验转向变化的创新实验 只有创新，试题才有魅力；也只有变化，才能永葆实验考核的活力．近年来，既定刻板的学生实验已经从高考物理实验题中淡出，取而代之的是学生尚未接触过的要通过解读物理原理的新颖实验(如应用性、设计性、专题性实验等)．创新的实验题可以使能力考核真正落到实处．‎ 要点归纳 一、实验题的归纳与说明 归类 实验内容 说明 应 用 性 实 验 ‎1．游标卡尺的使用 测量原理、使用方法；10分度、20分度、50分度的游标卡尺的读数等 ‎2．螺旋测微器的使用 构造、原理、使用方法、正确读数等 ‎3．练习使用示波器 面板上各个旋钮或开关的作用；调试方法；观察正弦波的波形等 ‎4．传感器的简单应用 光电转换和热电转换及其简单应用；光电计数的简单了解等 验 证 性 实 验 ‎5．验证力的平行四边形定则 实验的等效思想；作图法等 ‎6．验证动量守恒定律 用平抛实验器进行实验；转化要验证的等效表达式；对暂态过程分阶段测量等 ‎7．验证机械能守恒定律 用自由落体进行验证；使用打点计时器和刻度尺等 测 量 性 实 验 ‎8．用单摆测定重力加速度 使用刻度尺和秒表；实验操作要求等 ‎9．用油膜法估测分子的大小 溶液的配制；油膜面积的估算方法等 ‎10．测定金属的电阻率 使用刻度尺和螺旋测微器；电流表、电压表量程的选择；测量电路的选取与连接等 ‎11．把电流表改装为电压表 ‎“半偏法”的设计思想与误差分析；计算分压电阻；改装表的校对与百分误差等 ‎12．测定电源的电动势和内阻 实验电路的选取与连接；作图法求解的方法等 ‎13．测定玻璃的折射率 用插针法测定；画光路图等 ‎14．用双缝干涉测光的波长 用双缝干涉仪进行实验；实验调节；分划板的使用等 研 究 性 实 验 ‎15．研究匀变速直线运动 明确实验目的；使用打点计时器；用刻度尺测量、分析所打的纸带来计算加速度等 ‎16．研究平抛物体的运动 用平抛实验器进行实验；研究的目的和方法；描绘平抛轨迹；计算平抛物体的初速度等 ‎17．用描迹法画出电场中平面上的等势线 用恒定电流场模拟静电场；寻找等电势点的方法；描迹的方法等 ‎18．描绘小电珠的伏安特性曲线 使用电流表、电压表、滑动变阻器；电路的选取与连接；描绘U－I图象并分析曲线非线性的原因等 探 究 性 实 验 ‎19．探究弹力和弹簧伸长的关系 实验设计的原理和方法；实验数据的记录与分析；实验结论的描述与表达形式等 ‎20．用多用电表探索黑箱内的电学元件 多用电表的使用与读数；探索的思路；测量过程中的分析与判断等 二、物理实验的基本思想方法 ‎1．等效法 等效法是科学研究中常用的一种思维方法．对一些复杂问题采用等效法，可将其变换成理想的、简单的、已知规律的过程来处理，常使问题的解决得以简化．因此，等效法也是物理实验中常用的方法．如在“验证力的平行四边形定则”的实验中，要求用一个弹簧秤单独拉橡皮条时，要与用两个互成角度的弹簧秤同时拉橡皮条时产生的效果相同——使结点到达同一位置O，即要在合力与两分力等效的条件下，才能找出它们之间合成与分解时所遵循的关系——平行四边形定则．又如在“验证动量守恒定律”的实验中，用小球的水平位移代替小球的水平速度；在“验证牛顿第二定律”的实验中，通过调节木板的倾斜度使重力的分力抵消摩擦力而等效于物体不受摩擦力作用．还有，电学实验中电流表的改装、用替换法测电阻等，都是等效法的应用．‎ ‎2．转换法 将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于测量的物理量的方法称为转换法(间接测量法)．转换法是物理实验常用的方法．如：弹簧测力计是把力的大小转换为弹簧的伸长量；打点计时器是把流逝的时间转换成振针的周期性振动；电流表是利用电流在磁场中受力，把电流转化为指针的偏转角；用单摆测定重力加速度g是通过公式T＝2π把g的测量转换为T和L的测量，等等．‎ ‎3．留迹法 留迹法是利用某些特殊的手段，把一些瞬间即逝的现象(如位置、轨迹等)记录下来，以便于此后对其进行仔细研究的一种方法．留迹法也是物理实验中常用的方法．如：用打点计时器打在纸带上的点迹记录小车的位移与时间之间的关系；用描迹法描绘平抛运动的轨迹；在“测定玻璃的折射率”的实验中，用大头针的插孔显示入射光线和出射光线的方位；在描绘电场中等势线的实验中，用探针通过复写纸在白纸上留下的痕迹记录等势点的位置等等，都是留迹法在实验中的应用．‎ ‎4．累积法 累积法是把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量，以提高测量的准确度的一种实验方法．如：在缺乏高精密度的测量仪器的情况下测细金属丝的直径，常把细金属丝绕在圆柱体上测若干匝的总长度，然后除以匝数就可求出细金属丝的直径；测一张薄纸的厚度时，常先测出若干页纸的总厚度，再除以被测页数即所求每页纸的厚度；在“用单摆测定重力加速度”的实验中，单摆周期的测定就是通过测单摆完成多次全振动的总时间除以全振动的次数，以减小个人反应时间造成的误差影响等．‎ ‎5．模拟法 模拟法是一种间接实验方法，它是通过与原型相似的模型来说明原型的规律性的．模拟法在中学物理实验中的典型应用是“用描迹法画出电场中平面上的等势线”这一实验，由于直接描绘静电场的等势线很困难，而恒定电流的电场与静电场相似，所以用恒定电流的电场来模拟静电场，通过它来了解静电场中等势线的分布情况．‎ ‎6．控制变量法 在多因素的实验中，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响．如在“验证牛顿第二定律”的实验中，可以先保持质量一定，研究加速度和力的关系；再保持力一定，研究加速度和质量的关系；最后综合得出加速度与质量、力的关系．‎ 三、实验数据的处理方法 ‎1．列表法 在记录和处理数据时，常常将数据列成表格．数据列表可以简单而又明确地表示出有关物理量之间的关系，有助于找出物理量之间联系的规律性．‎ 列表的要求：‎ ‎(1)写明表的标题或加上必要的说明；‎ ‎(2)必须交代清楚表中各符号所表示的物理量的意义，并写明单位；‎ ‎(3)表中数据应是正确反映测量结果的有效数字．‎ ‎2．平均值法 现行教材中只介绍了算术平均值，即把测定的数据相加求和，然后除以测量的次数．必须注意的是，求平均值时应该按测量仪器的精确度决定应保留的有效数字的位数．‎ ‎3．图象法 图象法是物理实验中广泛应用的处理实验数据的方法．图象法的最大优点是直观、简便．在探索物理量之间的关系时，由图象可以直观地看出物理量之间的函数关系或变化趋势，由此建立经验公式．‎ 作图的规则：‎ ‎(1)作图一定要用坐标纸，坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定；‎ ‎(2)要标明轴名、单位，在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值；‎ ‎(3)图上的连线不一定通过所有的数据点，而应尽量使数据点合理地分布在线的两侧；‎ ‎(4)作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化，即“变曲为直”．‎ 虽然图象法有许多优点，但在图纸上连线时有较大的主观任意性，另外连线的粗细、图纸的大小、图纸本身的均匀程度等，都对结果的准确性有影响．‎ 四、实验误差的分析及减小误差的方法 中学物理中只要求初步了解绝对误差与相对误差、偶然误差与系统误差的概念，以及能定性地分析一些实验中产生系统误差的主要原因．‎ ‎(1)绝对误差与相对误差 设某物理量的真实值为A0，测量值为A，则绝对误差为 ΔA＝|A－A0|，相对误差为 ＝．‎ ‎(2)偶然误差与系统误差 偶然误差是由于各种偶然因素对实验的影响而产生的．偶然误差具有随机性，有时偏大，有时偏小，所以可以通过多次测量求平均值的方法减小偶然误差．‎ 系统误差是由于仪器本身不够精确，或实验方法粗略，或实验原理不完善而产生的．它的特点是使测量值总是偏大或总是偏小．所以，采用多次测量求平均值的方法不能减小系统误差．要减小系统误差，必须校准仪器，或改进实验方法，或设计在原理上更为完善的实验方案．‎ 课本上的学生实验中就有不少减小实验系统误差的方法和措施．譬如，在“研究匀变速直线运动”的实验中，若使用电磁打点计时器测量，由于电磁打点计时器的振针与纸带之间有较大的且不连续、不均匀的阻力作用，会给加速度的测定带来较大的系统误差；若改用电火花计时器，就可以使这一阻力大为减小，从而减小加速度测定的系统误差．再如：在用伏安法测电阻时，为减小电阻测量的系统误差，就要根据待测电阻阻值的大小考虑是采用电流表的外接法还是内接法；在用半偏法测电流表的内阻时(如图7－1所示)，为减小测量的系统误差，就要使电源的电动势尽量大，使表满偏时限流电阻R比半偏时并联在电流表两端的电阻箱R′的阻值大得多．‎ 图7－1‎ 五、电学实验电路的基本结构及构思的一般程序 ‎1．电学实验电路的基本结构 一个完整的电学实验电路往往包括测量电路与控制电路两部分．‎ 测量电路：指表达实验原理和测量方法的那部分电路，通常由电表、被测元件、电阻箱等构成．‎ 控制电路：指提供电能、控制和调节电流(电压)大小的那部分电路，通常由电源、开关、滑动变阻器等构成．‎ 有些实验电路的测量电路与控制电路浑然一体，不存在明显的分界．如“测定电源的电动势和内阻”的实验电路．‎ ‎2．实验电路构思的一般程序 ‎(1)审题 ‎①实验目的；‎ ‎②给定器材的性能参数．‎ ‎(2)电表的选择 根据被测电阻及给定电源的相关信息，如电源的电动势、被测电阻的阻值范围和额定电流等，估算出被测电阻的端电压及通过它的电流的最大值，以此为依据，选定量程适当的电表．‎ ‎(3)测量电路的选择 根据所选定的电表以及被测电阻的情况，选择测量电路(估算法、试触法)．‎ ‎(4)控制电路的选择 通常优先考虑限流式电路，但在以下三种情形下，应选择分压式电路：‎ ‎①“限不住”电流，即给定的滑动变阻器阻值偏小，即使把阻值调至最大，电路中的电流也会超过最大允许值；‎ ‎②给定的滑动变阻器的阻值R太小，即R≪Rx，调节滑动变阻器时，对电流、电压的调节范围太小；‎ ‎③实验要求电压的调节范围尽可能大，甚至说明要求使电压从零开始变化．‎ 如描绘小电珠的伏安特性曲线、电压表的校对等实验，通常情况下都采用分压式电路．‎ ‎(5)滑动变阻器的选择 根据所确定的控制电路可选定滑动变阻器．‎ ‎①限流式电路对滑动变阻器的要求：‎ a．能“限住”电流，且保证不被烧坏；‎ b．阻值不宜太大或太小，有一定的调节空间，一般选择阻值与负载阻值相近的变阻器．‎ ‎②分压式电路对滑动变阻器的要求：‎ 电阻较小而额定电流较大，I额＞(R为变阻器的总电阻)．‎ ‎3．电表的反常规用法 其实，电流表、电压表如果知道其内阻，它们的功能就不仅仅是测电流或电压．因此，如果知道电表的内阻，电流表、电压表就既可以测电流，也可以测电压，还可以作为定值电阻来用，即“一表三用”．‎ 热点、重点、难点 一、应用性实验 ‎1．所谓应用性实验，就是以熟悉和掌握实验仪器的具体使用及其在实验中的应用为目的的一类实验；或者用实验方法取得第一手资料，然后用物理概念、规律分析实验，并以解决实际问题为主要目的的实验．主要有：‎ ‎①仪器的正确操作与使用，如打点计时器、电流表、电压表、多用电表、示波器等，在实验中能正确地使用它们是十分重要的(考核操作、观察能力)；‎ ‎②物理知识的实际应用，如科技、交通、生产、生活、体育等诸多方面都有物理实验的具体应用问题．‎ ‎2．应用性实验题一般分为上面两大类，解答时可从以下两方面入手．‎ ‎(1)熟悉仪器并正确使用 实验仪器名目繁多，具体应用因题而异，所以，熟悉使用仪器是最基本的应用．如打点计时器的正确安装和使用，滑动变阻器在电路中起限流和分压作用的不同接法，多用电表测不同物理量的调试等，只有熟悉它们，才能正确使用它们．熟悉仪器，主要是了解仪器的结构、性能、量程、工作原理、使用方法、注意事项，如何排除故障、正确读数和调试，使用后如何保管等．‎ ‎(2)理解实验原理 面对应用性实验题，我们一定要通过审题，迅速地理解其实验原理，这样才能将实际问题模型化，运用有关规律去研究它．‎ 具体地说，应用性实验题的依托仍然是物理知识、实验的能力要求等．解答时不外乎抓住以下几点：①明确实验应该解决什么实际问题(分清力学、电学、光学等不同实际问题)；②明确实验原理与实际问题之间的关系(直接还是间接)；③明确是否仅用本实验能达到解决问题的目的，即是否还要联系其他物理知识，包括数学知识；④明确是否需要设计实验方案；⑤明确实际问题的最终结果．‎ ‎●例1　新式游标卡尺的刻度线看起来很“稀疏”，使读数显得清晰明了，便于使用者正确读取数据．通常游标卡尺的刻度有10分度、20分度和50分度三种规格；新式游标卡尺也有相应的三种，但刻度却是：‎19 mm等分成10份，‎39 mm等分成20份，‎99 mm 等分成50份．图7－2就是一个“‎39 mm等分成20份”的新式游标卡尺．‎ 图7－2‎ ‎(1)它的准确度是__________mm．‎ ‎(2)用它测量某物体的厚度，示数如图6－1所示，正确的读数是__________cm．‎ ‎【解析】(1)游标上20格对应的长度为‎39 mm，即每格长为‎1.95 mm，游标上每格比主尺上每两格小Δx＝‎0.05 mm，故准确度为‎0.05 mm．‎ ‎(2)这种游标卡尺的读数方法为：主尺读数＋游标对准刻度×Δx＝‎3 cm＋6×‎0.005 cm＝‎3.030 cm．‎ ‎[答案]　(1)0.05　(2)3.030‎ ‎【点评】游标卡尺、螺旋测微器的使用在高考题中频繁出现．对游标卡尺的使用要特别注意以下两点：‎ ‎①深刻理解它的原理：通过游标更准确地量出“‎0”‎刻度与左侧刻度之间的间距——游标对准刻度×Δx；‎ ‎②读准有效数据．‎ ‎●例2　图7－3为一简单欧姆表原理示意图，其中电流表的满偏电流Ig＝300 μA，内阻Rg＝100 Ω，可变电阻R的最大值为10 kΩ，电池的电动势E＝1.5 V，内阻r＝0.5 Ω，图中与接线柱A相连的表笔颜色应是________色．按正确使用方法测量电阻Rx的阻值时，指针指在刻度盘的正中央，则Rx＝________ kΩ．若该欧姆表使用一段时间后，电池的电动势变小、内阻变大，但此表仍能调零，按正确使用方法再测上述Rx，其测量结果与原结果相比将__________(填“变大”、“变小”或“不变”)．‎ ‎[2017年高考·天津理综卷]‎ 图7－3‎ ‎ [答案]　红　5　变大 ‎【点评】欧姆表的原理就是闭合电路的欧姆定律，可以作为结论的是：欧姆表正中央的刻度值等于欧姆表的内阻．‎ 二、测量性实验Ⅰ 所谓测量性实验，就是以测量一些物理量的具体、准确数据为主要目的的一类实验，可用仪器、仪表直接读取数据，或者根据实验步骤按物理原理测定实验结果的具体数值．测量性实验又称测定性实验，如“用单摆测定重力加速度”、“用油膜法估测分子的大小”、“测定金属的电阻率”、“测定玻璃的折射率”等．‎ ‎●例3　如图7－3所示，将打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置可以测定重力加速度．‎ 图7－4‎ ‎(1)所需器材有打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物，此外还需________(填字母代号)中的器材．‎ A．直流电源、天平及砝码 B．直流电流、毫米刻度尺 C．交流电源、天平及砝码 D．交流电源、毫米刻度尺 ‎(2)通过作图的方法可以剔除偶然误差较大的数据，提高实验的准确程度．为使图线的斜率等于重力加速度，除作v－t图象外，还可作__________图象，其纵轴表示的是__________，横轴表示的是__________．‎ ‎[2017年高考·天津理综卷]‎ ‎[答案]　(1)D　(2)－h　速度平方的二分之一　重物下落的高度 ‎【点评】①高中物理中讲述了许多种测量重力加速度的方法，如单摆法、自由落体法、滴水法、阿特伍德机法等．‎ ‎②图象法是常用的处理数据的方法，其优点是直观、准确，还能容易地剔除错误的测量数据．‎ ‎●例4　现要测量电源B的电动势E及内阻r(E约为4.5 V，r约为1.5 Ω)，已有以下器材：量程为3 V的理想电压表，量程为‎0.5 A的电流表(具有一定内阻)，固定电阻R＝40 Ω，滑动变阻器R′，开关S，导线若干．‎ ‎(1)画出实验电路原理图．图中各元件需用题目中给出的符号或字母标出．‎ ‎(2)实验中，当电流表的示数为I1时，电压表的示数为U1；当电流表的示数为I2时，电压表的示数为U2．由此可求出，E＝__________，r＝__________．(用I1、I2、U1、U2及R表示)‎ ‎【解析】此题是常规伏安法测电源的电动势和内阻实验的情境变式题，此题与课本上实验的区别是电源的电动势大于理想电压表的量程，但题目中提供的器材中有一个阻值不大的固定电阻，这就很容易把该情境变式题“迁移”到学过的实验上．把固定电阻接在电源的旁边，将其等效成电源的内阻即可(如图甲所示)，再把电压表跨接在它们的两侧．显然，“内阻增大，内电压便增大”，电压表所测量的外电压相应的减小，通过定量计算，符合实验测量的要求．这样，一个新的设计性实验又回归到课本实验上了．‎ 甲 ‎(1)实验电路原理图如图乙所示．‎ 乙 ‎ (2)根据E＝U＋Ir ，给定的电源B的电动势E及内阻r是一定的，I和U都随滑动变阻器R′的阻值的改变而改变，只要改变R′的阻值，即可测出两组I、U数据，列方程组得：‎ E＝U1＋I1(R＋r)‎ E＝U2＋I2(R＋r)‎ 解得：E＝，r＝－R．‎ ‎[答案]　(1)如图乙所示 ‎(2)　－R ‎【点评】此题所提供的理想电压表的量程小于被测电源的电动势，需要学生打破课本实验的思维定式，从方法上进行创新，运用所提供的器材创造性地进行实验设计．‎ 三、测量性实验Ⅱ：“伏安法测电阻”规律汇总 纵观近几年的实验题，题目年年翻新，没有一个照搬课本中的实验，全是对原有实验的改造、改进，甚至创新，但题目涉及的基本知识和基本技能仍然立足于课本实验．‎ 实验题作为考查实验能力的有效途径和重要手段，在高考试题中一直占有相当大的比重，而电学实验因其实验理论、步骤的完整性及与大学物理实验结合的紧密性，成了高考实验考查的重中之重，测量电阻成为高考考查的焦点．伏安法测电阻是测量电阻最基本的方法，常涉及电流表内外接法的选择与滑动变阻器限流、分压式的选择，前者是考虑减小系统误差，后者是考虑电路的安全及保证可读取的数据．另外，考题还常设置障碍让考生去克服，如没有电压表或没有电流表等，这就要求考生根据实验要求及提供的仪器，发挥思维迁移，将已学过的电学知识和实验方法灵活地运用到新情境中去．这样，就有效地考查了考生设计和完成实验的能力．‎ 一、 伏安法测电阻的基本原理 ‎1．基本原理 伏安法测电阻的基本原理是欧姆定律R＝，只要测出元件两端的电压和通过的电流，即可由欧姆定律计算出该元件的阻值．‎ ‎2．测量电路的系统误差 ‎ (1)当Rx远大于RA或临界阻值R真．‎ 图7－5‎ ‎(2)当Rx远小于RV或临界阻值>Rx时，采用电流表外接(如图7－6所示)．采用电流表外接时，系统误差使得电阻的测量值小于真实值，即R测