第十七 物理實驗
物理高考實驗命題的改革,成為物理高考改革的主題，改革的力度不斷強化。近幾年高考實驗考查的特點：一是以電學實驗考查為主；二是重視對基本儀器使用的考查；三是注重對實驗的思想、方法及原理理解的考查；四是注重聯系實際的考查。近兩年的高考實驗題與以往相比，給人耳目一新的感覺。首先考題于教材，不避陳題。但又不拘泥于教材中的19個學生分組實驗，有些實驗考題既不是學生實驗也不是演示實驗，而是在有關物理知識的基礎上，演化成實驗研究題。但實驗的核心——實驗原理是學生在學習和實驗中應知應會的。這要求我們更深層次地去分析、推理、探索和預見有關實驗問題，這種試題的創新布局，特別突出了實驗能力的考核。
第一節 基本測量儀器的使用
【考點透析】
一、命題趨勢走向
近年高考對基本測量儀器的考查形式主要以選擇、填空、作圖等分布，其考查的知識重點將是對儀器的讀數、連線、選擇與使用等。
二、理解和掌握的內容
高考需掌握的13種儀器：刻度尺、天平、彈簧秤、游標卡尺、螺旋測微器、秒表、電火花計時器（或電磁打點計時器）、溫度計、電流表、電壓表、多用電表、變阻器、電阻箱等。在有刻度的測量工具中，在使用前要進行調零，在使用時還要需注意一些事項，確保實驗順利進行，以免損壞儀器或影響準確程度。這些儀器中除變阻器和打點計時器外都需要讀數，除游標卡尺、秒表、電阻箱外都需估讀，估讀的原則是一般估讀到最小刻度的1/10。
要求知道有效數字的概念，會用有效數字表達直接測量結果，有效數字——測量結果的準確數字加一位測量誤差所在位數字，統稱有效數字。
【例題精析】
1.兩尺讀數
例1.有一游標卡尺，主尺的最小分度是1mm，游標上有20個小的等分刻度。用它測量一工的長度，如圖1所示，圖示的讀數是_______毫米。
解析：這是一個20分度的游標卡尺，其精度為0.05mm。由放大圖可看出游標零線所對應的主尺刻度為104mm，游標上第1條線與主尺上某條刻線對正。所以，工長度=主尺刻度+精度×游標對齊刻度數（不估讀）=104mm+0.05mm×1=104.05mm。
游標卡尺的讀數一定要注意游標卡尺的精度，且最好用毫米作單位，以免出現差錯。
例2．用螺旋測微器測量一段粗細均勻的金屬絲的直徑，示數如圖2所示，讀數是___________mm。
解析：從主尺上讀出13.500mm，從螺套上讀出0.350mm，再估讀0.007mm，三者相加即讀數13.857mm。
螺旋測微器的讀數一定要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻度是否已經露出。
2.機械秒表的讀數
機械秒表有兩根表針，長針是秒針，每轉一圈是30s，最小分度是0.1s。位于表盤上部小圓圈里面的短針是分針，分針轉一圈15min，每小格0.5min。因為機械表采用的是齒輪傳動，指針不可能停留在兩小格之間，所以不能估讀出比0.1s更小的讀數。
3.多用電表的使用
例3.某人用萬用電表按正確步驟測量一電阻阻值,指針指示位置如圖3,則這電阻值是____.如果要用這萬用電表測量一個約200歐的電阻,為了使測量比較精確,選擇開關應選的歐姆擋是_ __
解析：表針示數是12，檔位是×100，故測得此電阻值為12×100=1.2Ω。若測約200Ω的電阻，要使表針指在中間刻度附近，應選×10檔位。
多用電表的讀數取值，一般應取指針在表盤中央附近較為合理，從這一點出發去考慮選擇檔位。
歐姆表在使用前，首先是估計待測電阻的大小，選擇合適的檔位，然后調零，再進行測量。測量完畢，應將旋鈕撥至“OFF”或“交流最高檔”。
【能力提升】
1.下列關于打點計時器的說法中正確的是：
A.它是一種計時器材，可以用直接測量時間；
B.它接入的電壓越高，打出的點越快，即兩點間的時間間隔越短；
C.組成它的部分之一——振動片必須是用軟鐵制成的；
D.打點記時器必須和紙帶配合起用才有意義。
2.下列哪些是使用彈簧秤時應注意的：
A.使用前必須先觀察它的測量范圍，不能使被測力超過其測量范圍；
B.使用它之前還要觀察它的最小刻度值，便于讀數；
C.彈簧秤的指針不在零點，必須進行調整到零刻線上；
D.力的作用線必須在它的中軸線上；
3.使用溫度計時應注意的事項有：
A.不要使被測物的溫度超過它的測量范圍；
B.測量液體或氣體溫度時，不要使它們脫離溫度計的玻璃泡；
C.讀數時，待溫度計中的液柱停止不動時才讀數；
D.為方便，讀數時，可把溫度計從被測物體中拿出。
4.精確度為0.1mm的游標卡尺，游標尺刻度總長為9mm，當其最末一個刻度線與主尺的44mm的刻度線對齊時，則游標尺的第五條刻度線所對應的主尺刻度應為（ ）
A.35.0mm B.39.5mm C.43.3mm D.35.4mm
5.已知游標卡尺的主尺最小分度是1mm，游標尺上有10個小的等分刻度，它們的總長等于9mm，用這游標卡尺測得物體長度為2.37cm，這時游標尺上的第 條刻度線與主尺的 mm刻度對齊。
6.如圖4所示，是A、B兩把卡尺的游標位置，A尺的狹縫寬度是 mm，B尺的狹縫寬度是 mm。
7.讀出圖5所示儀器指示的數值：
（1）天平 ；（2）螺旋測微器 （3）彈簧秤
（4）秒表
8.讀出如圖7所示各儀器的測量數據：溫度計讀數為 氣壓計讀數為
電壓表讀數為 電流表讀數為____ __萬用表讀數為______ _______
圖7
9.有兩個伏特表由完全相同的電流表改裝而成，第一只伏特表的量程U1=5V，第二只伏特表的量程U2=15V。為了測量15～20V的電壓，將兩電壓表串聯使用。關于兩伏特表的示數和指針的偏轉角，下列那些說法正確：
A.兩伏特表的示數相同； B.兩伏特表指針的偏轉角相同；
C.兩伏特表的示數之比1：3； D.兩伏特表指針的偏轉角之比為1：3
10.用歐姆擋刻度盤如圖8所示的萬用表，檢驗兩個電阻的阻值。已知它們的阻值分別為R1= 60Ω，R2=420Ω。下面提出了測量過程中一系列可能的操作，請你選出能盡可能準確地測量各阻值和符合萬用表安全使用規則的各項操作。并且將它們按合理的順序填寫在后面的橫線上：
A.把選擇開頭扳到歐姆擋×1；
B.把選擇開關扳到歐姆×100；
C.把選擇開關扳到歐姆×10；
D.把選擇開關扳到歐姆×1；
E.把選擇開關扳到交流電壓擋×1000；
F.將兩表筆分別接到R1兩端，讀出R1的阻值，隨后即斷開；
G.將兩表筆分別接到R2兩端，讀出R2的阻值，隨后即斷開；
H.兩表筆短接，調節調零旋鈕，使表針對準歐姆擋刻度盤上的0，隨后即斷開。
所選操作及順序為(用字母代號填寫)_______。(操作總數應視實際需要而定)
11.一位學生使用萬用表測電阻，他在實驗中有違反使用規則之處，其主要實驗步驟如下：
A.把選擇開關扳到×1的歐姆擋上；
B.把表筆插入測試筆插孔中，先把兩根表筆相接觸旋轉調零旋鈕，使指針指在電阻刻度的零位上；
C.把兩根表筆分別與某一待測電阻的兩端接觸，發現這時指針偏轉較小。(相對電阻刻度的零刻線)；
D.換用×100的歐姆擋上，發現這時指針偏轉適中，隨即記下歐姆數值；E.把表筆從測試筆插孔中撥出后，把萬用表放回桌上原處，實驗完畢。
這個學生在測量時已注意到：待測電阻與其它元和電斷開，不用手碰表筆的金屬桿。
這個學生在實驗中違反了使用規則的地方是：___ __；
___ ___。
12.電表在運輸過程中，一般要把正負接線柱用導線連接起，這是為什么？
第二節 觀察、研究型實驗
[考點透析]
一、命題趨勢走向
觀察、研究型實驗的演示實驗較多，實驗本身又比較簡單，不可能有較難、較繁的命題。但作為對物理實驗素養的考查，會有題目出現在選擇題中。
二、理解和掌握的內容
1.研究類實驗也稱為探索性實驗，它往往不一定知道某一物理規律的具體內容，要通過模擬物理過程，揭示物理量間的關系，總結、歸納出物理規律。故在設計實驗過程時，要清楚通過哪些物理量的測量或觀察、如何選擇實驗器材構造物理裝置進行實驗、注意哪些問題等。
2.研究類實驗主要有：研究平拋物體的運動、用描跡法描繪電場中等勢線、描繪小燈泡的伏安特性曲線、用多用電表探索黑箱內的電學元、練習使用示波器、傳感器的簡單應用等。一些其它類的實驗也可轉化為研究類實驗，如：研究加速度與力、質量的關系。
3.演示實驗主要是定性觀察現象，目的是通過觀察實驗中出現的現象，明白現象的原因和規律。因此，應在掌握相關規律的同時，著力理解實驗目的、保證實驗條、觀察分析現象，以達到對概念和規律的理解。
[例題精析]
例1.在研究平拋物體運動的實驗中，用一張印有小方格的紙記錄軌跡，小方格的邊長l=1.25cm。若小球在平拋運動途中的幾個位置如圖1中的a、b、c、d所示,則小球平拋的初速度的計算式為V0＝______(用l、g表示),其值是 。(取g=9.8米/秒2)
解析：由圖示可知，小球在水平方向上作勻速運動。在豎直方向作自由落體運動�！鱵=gt2，即l=gt2，又2l=V0t所以V0=2（gl）1/2
代入l、g值得：V0=0.70m/s
說明：a點不是拋出點，如果是拋出點，則在相等的相鄰時間內豎直方向的位移之比為1：3：5，而不是現在的1：2：3。拋出點在a點的左上方某個位置。
例2.試根據平拋運動原理設計測量彈射器彈丸出射速度的實驗方法。提供實驗器材:彈射器(含彈丸，見圖2);鐵架臺(帶夾具);米尺。
（1)畫出實驗示意圖；（2）在安置彈射器時應注意
（3）實驗中應該測量的物理量是_____(在圖中標出)
（4）由于彈射器每次射出的彈丸初速度不可能完全相等，在實驗中應采取的方法是__________
（5）計算公式是____________________
解析：根據研究平拋運動的實驗及平拋運動的原理，可知使彈丸做平拋運動，通過測量下落高度可求出時間，再測出水平位移可求出其平拋的初速度。故：
①實驗示意圖如圖3所示。
②彈射器必須保持水平，以保證彈丸初速度沿水平方向。
③應測出彈丸下降的高度y=AB和水平射程x=BC
④在不改變高度y的條下進行多次實驗測量水平射程x，求平均值以減小誤差。
說明：此題是一設計性實驗，要求在理解平拋運動的特點的基礎上，想象出題目給定器材的用途。要求思維靈活，對平拋運動的知識考查很深刻。
[能力提升]
1.在用電流場模擬靜電場描繪電場等勢線的實驗中，在下列所給出的器材中，應該選用的是____ (用器材前的字母表示)。
(A)6伏的交流電
(B)6伏的直流電
(C)100伏的直流電
(D)量程0～0.5伏，零刻度在刻度盤中央的電壓表
(E)量程0～300微安，零刻度在刻度盤中央的電流表
在實驗過程中，要把復寫紙、導電紙、白紙鋪放在木板上，它們的順序(自上而下)是____、____、____。在實驗中，按下電鍵，接通電路。若一個探針與基準點O接觸，另一探針已分別在基準點O的兩側找到了實驗所需要的兩點a、b(如圖4)，則當此探針與a點接觸時，電表的指針應____(填“左偏”、“指零”或“右偏”)；當此探針與b點接觸時，電表的指針應____(填“左偏”、“指零”或“右偏”)。
2.在LC振蕩電路中，如已知電容C，并測得電路的固有振蕩周期T，即可求得電感L。為了提高測量精度，需多次改變C值并側得相應的T值�，F將側得的六組數據標示在以C為橫坐標、T2為縱坐標的坐標紙上，即圖5中用“×”表示的點。
（1）T、L、C的關系為_____。
（2）根據圖中給出的數據點作出T2與C的關系圖線。
（3）求得的L值是_____。
3.某同學利用熱敏元和高壓鍋研究了該鍋內水的沸點與壓強的關系，所得的數據如下表所示。測得一個24cm高壓鍋的限壓閥的質量為0.08g，排氣孔的內徑為3mm。如果用它煮水消毒，則鍋內的最大壓強可達 Pa，這個高壓鍋內最高溫度大約是 0C（當時的大氣壓為1.03×105Pa，g=10m/s2）
T/0C9095100105110112114116118120122
P/Pa6684103123143151159167175183191
4.如圖6是某同學利用多用電表探測三端黑箱內的電學元的示意圖。該同學利用歐姆檔的紅、黑表筆分別接觸各接線柱，測試結果如下表所示。已知該黑箱內僅由兩個定值電阻和一個理想二極管組成，試畫出該黑箱內電學元的連接方式，并完成該表所留的空格。
表筆位置A黑
B紅B黑
A紅A黑
C紅C黑
A紅B黑
C紅C黑
B紅
阻值示數/Ω240600400
5.如圖7是一盒子，里面裝有由導線和幾個阻值相同的電阻組成的電路，盒外有接線柱1、2、3、4，已知1、2間有電阻是1、3間電阻的1.5倍，是2、4間電阻的3倍，而3、4間沒有明顯電阻，欲使盒內所含電阻數量最少，請畫出盒內的電路圖。
6.如圖8是某同學《研究閉合電路歐姆定律》用的可調內阻原電池示意圖，圖9為該電池剖面圖及實驗時的外電路，其中A為鋅片、B為銅片，則：
（1）電的正極為 電的負極為
（2）當只改變下列相應條時，則對該實驗存在的正確說法是：
A.當變阻器的滑片向右滑動時，電壓表V1的示數減小，電壓表V2的示數增大
B.若用打氣裝置往電池內打氣，電壓表V1的示數減小，電壓表V2的示數增大
C.向電池內打氣可以改變電池的內阻，其原因是打入氣體后改變了電解液的截面積
D.電壓表V1的正極與B接線柱相連，電壓表V2的正極應與C接線柱相連
7.在使用示波器的實驗中某同學欲按要求先在熒光屏上調出亮斑，為此，他進行了如下操作：首先將輝度調節旋鈕逆時針轉到底，豎直位移和水平位移旋鈕轉到某位置，將衰減調節旋鈕置于1000檔，掃描范圍旋鈕置于“外X”檔。然后打開電開關（指示燈亮），過2min后，順時針旋轉輝度調節旋鈕，結果屏上始終無亮斑出現（示波器完好）。那么，他應再調節下列哪個旋鈕才有可以在屏上出現亮斑？
A.豎直位移旋鈕 B.水平位移旋鈕 C.聚焦調節旋鈕 D.輔助聚焦旋鈕
8.如圖10為示波器面板，圖11為一信號。
（1）若要觀測此信號發出的正弦交流信號的波形，應將信號的a端與示波器面板上的 接線柱相連，b端與 接線柱相連。
（2）若示波器所顯示的輸入波形在顯示屏下邊中央部位，要將波形上移，應調節面板上的 旋鈕；要將此波形橫向展寬應調節 旋鈕；要使屏上能夠顯示3個完整的波形，應調節 旋鈕。
9.發光二極管是電器、儀器上作指示燈用的電子元，正常使用時帶“+”號的一端要與電正極相連，電流從元帶“+”號的一端流入。現要求用實驗測出該元兩端的電壓U和通過的電流I，并據此描繪出U——I圖。
（1）畫出實驗電路圖（要求二極管兩端電壓能在0～2.5V間變化）
（2）實驗測得發光二極管U——I圖象如圖12所示，若發光二極管的正常工作電壓為2.0V，而電是由內阻不計、電動勢均為1.5V的兩節干電池串聯而成，則應該串一個大小為 Ω的電阻才能使發光二極管正常工作。
第三節 驗證型實驗
【考點透析】
一、命題趨勢走向
驗證型實驗是在演示實驗的基礎上，人為地創造條，讓學生通過自己動手，感知定律的正確性而進行的學生分組實驗。包括驗證力的平行四邊形定則、驗證動量守恒定律、驗證機械能守恒定律等。
在近年的高考中，有趨勢將上面的驗證性實驗遷移到驗證其它規律的跡象。
二、理解和掌握的內容
1.原理：實驗所驗證的都是物理規律，其物理規律就是這個實驗的原理。
2.方法：在清楚實驗所驗證的物理規律的基礎上，要知道規律的數學表達式，測出式中涉及到的相關量，把驗證類的實驗轉化成測量類實驗。
3.數據處理：把測得的實驗數據代入到相關表達式中，進行驗證
【例題精析】
例1.將橡皮筋的一端固定在A點，另一端拴上兩根細繩，每根細繩分別連著一個量程為5牛、最小刻度為0.1牛的彈簧測力計。沿著兩個不同的方向拉彈簧測力計。當橡皮筋的活動端拉到O點時，兩根細繩相互垂直,如圖1所示.這時彈簧測力計的讀數可從圖中讀出。
(1)由圖可讀得兩個相互垂直的拉力的大小分別為____牛和____牛。(只須讀到0.1牛)
(2)在本題的虛線方格紙上按作圖法的要求畫出這兩個力及它們的合力。
解析：本題考查彈簧秤的讀數、力的圖示、平行四邊形定則等方面的基本的實驗素質：按要求準確讀數（包括有效數字）、準確做出力的圖示（包括合理選取標度、箭頭和刻度等）。在圖2中，每小格代表0.5N，將保證力的圖示較準確，若每小格代表1N，則2.5N的力表達上容易造成誤差。
例2.在"驗證機械能守恒定律"的實驗中，已知打點計時器所用電的頻率為50赫。查得當地的重力加速度g＝9.80米/秒2。測得所用的重物的質量為1.00千克。實驗中得到一條點跡清晰的紙帶，把第一個點記作0，另選連續的4個點A、B、C、D作為測量的點。經測量知道A、B、C、D各點到O點的距離分別為62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm。根據以上數據，可知重物由點O運動到C點，重力勢能的減少量等于____焦，動能的增加量等于____焦(取3位有效數字)。
解析：從O點到C點勢能減少量為7.62J。利用勻變速直線運動在一段時間內的平均速度等于中間時刻的速度有Vc=BD/2T。動能的增量△E=mVc2/2=7.58J。
本實驗驗證的結果應是：重力勢能減小量略大于動能的增加量，其原因是有摩擦力存在。
【能力提升】
1.在互成角度的兩個力的合成實驗中，有下列三個重要的步驟：
A.在水平放置的木板上墊一張白紙，把橡皮條的一端固定在木板上，另一端拴兩根細線，通過細線用兩個彈簧秤向兩個方向互成角度的同時拉橡皮條，使它的結點到達某一位置O點，在白紙上記下O點的位置和兩個彈簧秤的示數F1、F2；
B.在白紙上根據F1、F2的大小，應用平行四邊形定則作圖求出合力F；
C.只用一個彈簧秤通過細線拉橡皮條，使它的伸長量與用兩彈簧秤拉時相同，記下此時彈簧秤的讀數F′和細線的方向。
以上三個步驟中都有疏漏或錯誤，請給予更正。
2.利用重錘下落驗證機械能守恒定律時，下列說法中正確的是：
A.應該用天平測出重錘的質量；
B.選擇的紙帶只要點跡清晰即可；
C.在操作時，一定要先通電后放紙帶；
D.當地的重力加速度必須已知，否則無法計算重力勢能。
3.利用重錘下落驗證機械能守恒定律時，下列說法中正確的是：
A.應該用天平測出重錘的質量；
B.選擇的紙帶只要點跡清晰即可；
C.在操作時，一定要先通電后放紙帶；
D.當地的重力加速度必須已知，否則無法計算重力勢能。
4.用一測力計水平拉一端固定的彈簧，用測量彈簧的勁度系數k，測出的拉力F與彈簧長度L之間的數據關系如下表：
⑴在圖4中的坐標中作出此彈簧的F—L圖象；
⑵圖象與L軸的交點表示 ，其值為 ；
⑶此彈簧的勁度系數為 。
5.用平板、小車及打點記時器等裝置能否驗證動量守恒定律？要求是粘有橡皮泥的兩個小車碰撞。還需要哪些器材？測量哪些量？
6.某同學用圖5所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞驗證動量守恒定律，圖中PQ是斜槽，QR為水平槽。實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下，落在位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡。重復上述操作10次，得到10個落點痕跡。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置G由靜止開始滾下和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡，重復這種操作10次。圖中O點是水平槽末端R在記錄紙上垂直投影點。B球落點痕跡如圖6所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在平面，米尺的零點于O點對齊。
（1）碰撞后B球的水平射程應取 cm。
（2）在以下選項中，哪些是本次實驗必須進行的測量？
第四節 測量型實驗
[考點透析]
一、命題趨勢走向
測量型實驗是運用較準確的測量儀器，較完善的測量原理，實現物理量的測定。包括：測定勻變速運動的加速度、用單擺測重力加速度、用油膜法估測測分子的大小、測定金屬材料的電阻率、伏安法測電電動勢和內電阻、測定玻璃的折射率和用雙縫干涉測光的波長�？梢灶A計，在今后的高考中測量型實驗的力學部分命題思路不會有太大的變化，新題型仍以電學實驗為主。
二、理解和掌握的內容
1.原理：所測物理量相關公式或物理規律即是它的實驗原理，但公式或規律中除被測物理量外，必須是可直接測量的物理量或再間接測量的物理量。
2.構造測量相關量所需的器材及其相應的裝置。如組裝單擺，畫電路圖、連接電路等。注意：在組裝裝置時，要使實驗能順利完成。如電路的選擇。
3.過程設計：實驗過程的安排要科學合理，過程混亂可能造成測量困難或測量錯誤。要注意初狀態的設置，如電表的調零、電路開關斷開等。
4.測量讀數：注意各種測量工具的讀數方法、估讀等。
5.數據處理：一般用列表法、做圖法、計算求平均值法，測量類實驗一般用計算求平均值法。
注意：求平均值時，不要把一些過程的變量平均，可平均過程常量或最后結果。如測電阻率時，固定導體的長度、截面直徑可平均，而測量幾次的電壓和電流不能平均。
6.紙帶數據的測量和計算：
①某點的即時速度：根據勻變速直線運動的物體某段時間內的平均速度等于該時間中間時刻的平均速度,即Vn=(Sn+Sn+1)/2T。
②紙帶的加速度a=ΔS/T2，其中ΔS為連續相等時間內的位移差。
注意：當紙帶的速度較小時，常采用五個點為一個計數點，此時兩計數點的時間間隔為5T。
[例題精析]
例1.用伏安法測量一個定值電阻的器材規格如下：待測電阻Rx (約100)；直流電流表(量程0～10mA，內阻50)；直流電壓表(量程0～3V，內阻5k)；直流電(輸出電壓3V，內阻不計)，滑動變阻器(阻值范圍0～15，允許最大電流1A)；電鍵一個，導線若干條。根據器材的規格和實驗要求作出實驗電路圖。
解析：如果將滑動變阻器采用限流式連結，電路中最小電流Imin=3/(15+50+100)=18mA，仍大于直流電流表的量程，所以滑動變阻器應采用分壓式連接。
電流表的內外接法可采用比較法：Rx/RV=100/5000=1/50；Rx/RA=100/50=2
由于外接法誤差于伏特表分流，內接法誤差于電流表分壓，所以電流表應采用外接法，實驗電路如圖1所示。
例2. 某電壓表的內阻在20 k和50 k之間，現要測量其內阻，實驗室提供下列可供選用的器材，待測電壓表V（量程3V）；電流表A1(量程200A)；電流表A2(量程5 mA )；電流表A3（量程0.6A)；滑動變阻器R（最大阻值1 k)；電E（4Ｖ）；電鍵S；導線若干。
(1)所提供的電流表中應選用_________（填寫字母代號）
(2)實驗要求多測幾組數據，盡量減小誤差，請畫出實驗電路圖。
解析：依公式R=U/I可以求出電壓表的內阻。
因為電路中最大電流值 Imax=E/RV=0.2mA (將RV =20Ω代入) 所以電流表應選A1。
又∵滑線變阻器阻值遠小于電壓表電阻，并要求多測幾組數據
∴變阻器采用分壓器電路，如圖2所示�；瑒宇^初位應有最小分壓值。
總結：伏安法測電阻的一般思路：
（1）選擇器材
應考慮三個方面因素：
①精確性——盡量選擇精度高（最小刻度值�。┑膬x器，電壓表、電流表在使用時指針應偏轉到滿刻度的2/3以上；
②方便性——選用滑動變阻器時應考慮對外供電電壓的變化范圍既能滿足實驗要求，又便于調節，滑動變阻器調節時應用到大部分電阻線，否則不便于調節；
③安全性——通過電和電阻的電流不能超過其允許的最大電流，電表不能超量程。
（2）選擇電路
①測量電路的選擇
測量電路有兩種方法：電流表內接法和外接法
（a）直接比較：當Rx≥RA用內接法，當Rx≤RV用外接法。
（b）臨界計算：當內、外解法相對誤差相等時，有 ，所以 （RA≤RV）為臨界值。當 （即Rx為大電阻）用內接法；當 （即Rx為小電阻）用外接法。
（c）測試判斷法：如圖3所示，將S分別接觸a點和b點，若看到電流表讀數變化較大，說明電壓表分流影響較大，應該選用內接法；若看到電壓表讀數變化較大，說明電流表分壓影響較大，應該選用外接法。
②供電電路的選擇
（a）待測電阻的阻值遠大于變阻器的總電阻時，用分壓電路
（b）要求待測電阻上的電壓或電流變化范圍較大，且從零開始連續可調，用分壓電路
（c）用限流電路時，電表示數超過量程時，用分壓電路
（3）實物連接：注意導線的連接點都畫在接線柱上（導線中間不應有分叉及交叉），電表量程、正負極是否恰當等。
例3. 為測定一個6V、3W的小電珠在不同電壓下的功率，所需的實驗器材如有直流電流表(量程0－0.6A，0－3A)；直流電壓表(量程0－3V，0－15V)；滑動變阻器阻值為10。還有直流電，電鍵和若干導線。已知電流表內阻可以不計。測量時要求電珠兩端電壓從0Ｖ開始連續調節，測得多組數據，請按要求畫出電路圖，并標明電流表和電壓表使用量程。
解析：由于實驗要求電珠兩端電壓從0伏開始連續調節，顯然只能采用分壓式電路。又由于電流表內阻可以忽略，所以與電珠相連的測量電路應采用電流表的內接法。這樣可以畫出電路圖如圖3所示。因為電珠最大電壓為6V，應選電壓表15V檔。又電珠6V時功率為3W，則其最大電流為0.5A，故電流表選0.6A檔。
[能力提升]
1.某同學在測玻璃磚的折射率的實驗中，采用了如圖5所示方法：以P1 P2與玻璃磚的交點O為圓心作圓，分別交P1 P2連線于A點，OO′連線延長線于B點，并通過這兩點向界面法線作 線，用刻度尺測得數據如圖5所示，則此玻璃的折射率為 。
2.某同學在測定一厚度均勻的圓形玻璃磚的折射率時，先在白紙上作一與圓形玻璃相同的圓，圓心為O，將玻璃磚平放在白紙上，使其邊界與所畫的圓重合。在玻璃磚的一側插兩根大頭針P1、P2，在另一側再先后插兩根大頭針P3、P4，從另一側隔著玻璃磚觀察大頭針好象在一條直線上，移去玻璃磚后如圖（5）所示。試畫出沿P1、P2連線方向的入射光線通過圓形玻璃后的傳播方向和在玻璃中的傳播方向，寫出計算玻璃折射率的表達式。
3.在測量電池電動勢和內電阻時，若有兩只電壓表V1、V2量程相同，內阻分別為RV1、RV2，且RV1＞RV2；兩只電流表A1、A2量程相同，內阻分別為RA1、RA2。且RA1＞RA2，在該實驗中，為了使E、r的測量值精確些，選擇的電表可以是( )
A.V1與A1 B. V1與A2 C. V2與A1 D. V2與A2
4.在用電壓表和電流表測量兩節干電池串聯的電動勢和內電阻時，除備用被測電池、導線和開關外，還備用下列器材可供選擇：
A.電流表（0—0.6A）；B.電流表（0—3A）；C.電壓表（0—3V）；D.電壓表（0—15V）；
E.滑動變阻器（0—20Ω、2A）；F.滑動變阻器（0—1750Ω、0.3A）。
①應選用的器材是 ；
②一個學生用以上所選擇的器材測得如上表所示的數據，在坐標系上做出U—I圖象，并從圖7中可得電電動勢為 ，內電阻為 。
5.有兩只電壓表A、B，量程已知，內阻未知；另有一干電池，它的電阻不能忽略，但不知等于多少；只用這兩只電壓表、開關和一些導線，通過測量計算出這個電池的電動勢，電池的電動勢不超過電壓表的量程。
①畫出實驗的電路圖；
②用測得量導出電動勢的表達式。
③若用兩只電流表可以嗎？
6.在實驗室要測量小燈泡的伏安特性，要求加在燈泡上的電壓從零開始。備有的器材：電壓表、電流表、電池、開關、滑動變阻器、導線若干。
⑴試畫出實驗電路圖；⑵實驗測得的數據如圖8所示，根據表中的數據做出小燈泡的伏安特性曲線；⑶該圖象不是一條直線的原因是 。
7.在如圖（9）所示的電路中，不計電表內阻的影響，改變變阻器滑片的位置，得到電壓表V1、V2的示數隨電流表A的示數的變化關系的圖象；其中表示電壓表V1的示數與電流表示數的變化關系的圖象是 ；由圖象可求出電池的內阻是 。
8. 欲用伏安法測定一段阻值約為5左右的金屬導線的電阻，要求測量結果盡量準確，現備有以下器材：
A. 電池組(3V，內阻1)；
B. 電流表(0～3A，內阻0.0125)；
C. 電流表(0～0.6A，內阻0.125)；
D. 電壓表(0～3V，內阻3k)；
E. 電壓表(0～15V，內阻15k)；
F. 滑動變阻器(0～20，額定電流1A)；
G. 滑動變阻器(0～2000，額定電流0.3A)；
H. 電鍵、導線。
(1)上述器材中應選用的是_____________。（填寫各器材的字母代號）
(2)實驗電路應采用電流表__________接法。(填“內”或“外”)
(3)設實驗中，電流表、電壓表的某組示數如圖10所示，圖示中Ｉ＝___A，U＝______V。
(4)為使通過待測金屬導線的電流強度能在0～0.5A范圍內改變，請按要求畫出測量待測金屬導線的電阻Rx的原理電路圖，然后根據你設計的原理電路將圖11中給定的器材連成實驗電路。
9. 為測一個量程0～3.0v內阻約為數千歐的直流電壓表內阻，采用電流表，電壓表串聯接入電路，實驗器材如下：
A. 待測電壓表(0～3v數千歐)
B. 直流電流表(0～0.6A約0.2 )
C. 直流電流表(0～100mA約2 )
D. 直流電流表(0～10mA約50 )
E. 滑動變阻器(0～50 ，允許最大電流0.5A)； F. 電鍵、導線
G. 直流電(輸出電壓6v內阻不計)
(1)實驗中測出電壓表內阻的計算式是RV＝_______，需測物理量分別由____和_____讀出(寫代號)；
(2)在實物圖12上連線。
10. 一待測電阻阻值在100～200之間，額定功率為0.25W，現用伏安法測量它的電阻�？晒┻x擇的器材有：（ ）
A.電流表(量程50mA、內阻20)；
B. 電流表(量程3mA、內阻0.01)；
C. 電壓表(量程5V、內阻10k)；
D. 滑動變阻器(阻值范圍0～20、額定電流2A)；
E. 電池組(電動勢12V、電阻不計)；
F. 電鍵1只、導線若干；
則適用的器材應選 （填字母代號），并畫出測量用的實驗原理圖。
11.圖1為測量電阻的電路，Rx為待測電阻，R的阻值己知，R‘為保護電阻，阻值未知。電E的電動勢未知，1、2均為單刀雙擲開關。A為申流表，其內阻不計
(1)按圖13所示的電路，在圖14的實物圖上連線
(2)測量Rx的步驟為：將2向d閉合，1向__________閉合，記下電流表讀數I1，再將2向c閉合，1向_______閉合，記電流表讀數I2。計算Rx的公式是Rx=__________
12、實驗室中現有器材如實物圖16所示，有：
電池E，電動勢約10V，內阻約1Ω；
電流表A1，量程10A，內阻r1約0.2Ω；
電流表A2，量程300mA，內阻r2約5Ω；
電流表A3，量程250mA，內阻r3約5Ω；
電阻箱R1，最大值999.9Ω，阻值最小改變量為0.1Ω；
滑動變阻器R2，最大阻值100Ω；開關S，導線若干。
要求用圖15所示的電路測定圖中電流表A的內阻。
（1）在所給的三個電流表中，那幾個可用此電路精確測出其內阻？
（2）在可測的電流表中任選一個作為測量對象，在實物圖上連成測量電路。
（3）你要讀出的物理量是 用這些物理量表示待測內阻的計算公式是 。
13、從下表中選出適當的實驗器材，設計一電路測量電流表A1的內阻r1，要求方法簡捷，有盡可能高的精度，并能測得多組數據。
器材（代號）規格
電流表（A1）量程10mA，內阻r1，待測（約40Ω）
電流表（A2）量程500μA，內阻r1=750Ω
電壓表（V）量程10V，內阻r3=10Ω
電阻（R1）阻值約100Ω，作保護電阻用
滑動變阻器（R2）總阻值約50Ω
電池（E）電動勢1.5V，內阻很小
開關（）
導線若干
（1）畫出電路圖，標明所用器材的代號
（2）若選測量數據中的一組計算r1，則所用的表達式為 ，式中符號的意義是 。
14、用雙縫干涉測光的波長，實驗中采用雙縫干涉儀，它包括：
A.白熾燈，
B.單縫片，
C.光屏，
D.雙縫，
E.濾光片，(其中雙縫和光屏連在遮光筒上)
（1）把以上元安裝在光具座上時，正確的排列順序是：A、 (A已寫好)
（2）正確調節后，在屏上觀察到紅光干涉條紋，用測量頭測出10條紅光亮條紋的距離為a；改用綠光濾光片，其他條不變。用測量頭測出10條綠亮紋間的距離為b。則一定有 大于 。
15.在做《用油膜法估測分子大小》的實驗中，所用油酸酒精溶液的濃度為每104mL溶液中有純油酸6mL。用注射器測得1mL上述溶液為75滴。把1滴該溶液滴入盛水的淺盤內，待水面穩定后，將玻璃板放在淺盤上，用筆在玻璃板上描出油酸的輪廓，再把玻璃板放在坐標紙上，其形狀和尺寸如圖17所示。坐標中正方形的邊長為1cm，則有：油酸膜的面積是 cm2，該油酸分子的直徑估算為 m。
第五節 設計型實驗
[考點透析]
一、命題趨勢走向
在理科綜合考試的說明中，明確地把“設計和完成實驗的能力”作為一個目標，在上海的高考試題中，設計型實驗具有很好的測試效果，全國的高考試題中對實驗的考查也在逐步轉向設計型的實驗，它必將是今后高考物理實驗命題的熱點。
二、理解和掌握的內容
知道中學物理中常用的物理實驗思想、方法，并能應用它進行實驗設計。
[例題精析]
1.中學物理實驗的主要方法：
⑴比較法：通過對一些物理現象或物理量的比較，達到異中求同和同中求異的目的。如用天平測量質量要比用彈簧秤測量（重力求出質量）準確。
⑵替代法：用一個標準的已知量代替被測量，調整此標準，使整個測量系統恢復到替代前的狀態，則被測量等于標準量。如用電阻箱代替被測電阻。
⑶放大法：把被測物理量按一定規律放大后再進行測量的方法。常用的有累積放大法，即在測量比較小的物理量時，累積后再測量，可減小誤差；機械放大法，如螺旋測微器就是利用機械放大進行測量微小物體的長度，提高測量精度；光學放大法，把微小的效應用光學放大，如卡迪許實驗和微小形變實驗的光學放大等。
⑷轉換法：將不易測量的量轉換為另一種易測的量進行測量的方法。
⑸等效法：如碰撞實驗中用水平位移等效于水平速度；驗證牛頓第二定律中的平衡替代前的狀態，則被測量等于標準量。如用電阻箱代替被測電阻。
⑹控制變量法：在有多因素影響的實驗中，可先控制一些量不變，依次研究另一些因素的影響。如驗證牛頓第二定律和驗證歐姆定律實驗。
另外還有留跡法、模擬法、補償法等。
2.實驗設計方法：一般分根據實驗要求和實驗器材選擇實驗方案、方法。
方案選擇的原則是：
①正確性：即實驗方案所依據的原理要簡明、正確；
②可靠性：即實驗的方案的實施要安全可靠，不會對儀器即人身造成危害；
③簡便性：即在保證實驗正常進行的前提下，便于操作、便于讀數、便于數據處理;
④精確性：即對各種可能的實驗方案進行初步的誤差分析，盡可能選用實驗精度高的方案。
3.實驗器材的選擇：要根據題設條和實驗要求選擇，另外要盡可能減小實驗誤差。
例1.為測定木塊與斜面之間的動摩擦因數，某同學讓木塊從斜面上端自靜止起做勻加速下滑運動，如圖（1）所示，他使用的實驗器材僅限于（1）傾角固定的斜面（傾角未知）、（2）木塊（3）秒表（4）米尺。實驗中應記錄的數據是 計算動摩擦因數的公式是μ=
為了減少測量的誤差，可采用的辦法是
解析：本題設計原理是利用滑塊在斜面上做勻加速運動時加速度為：
a=gsinθ—μgcosθ
從而有：μ=tgθ—a/ gsinθ
因此必須知道tgθ、sinθ、和加速度a。
因為tgθ=h/d, sinθ=h/L所以需用米尺測L,d,h。而加速度a=2L/t2 因此還需用秒表測滑塊從靜止開始下滑至底端的時間t。從而得μ= h/d —2L2/gdt2
為減少測量誤差需多次測量求平均值。
例2. 如圖2所示，P是一根表面均勻地鍍有很薄的發熱電阻膜的大陶瓷管。(其長度L為50厘米左右，直徑D為10厘米左右)，鍍膜材料的電阻率ρ已知，管的兩端有導電箍N。現給你米尺，伏特計V，安培計A，電E，滑動變阻器R，電鍵和若干導線。請設計一個測定膜層厚度d的實驗方案。
(1)實驗中應測定的物理量是：
(2)在圖3中用連線代替導線，連接測量電路實物圖。
(3)計算膜層厚度的公式是：
解析：利用所學過的物理知識巧測很薄的物的厚度，這是一道很能體現理論聯系實際的好試題。學生不難根據對進行實驗所需掌握的相關知識的理解和記憶，知道是利用歐姆定律，即R=U/I=ρL/S
困難在于找出厚度d與截面積S有何關系？能否僅憑題給的看似不足的已知條正確地表示出S，就看學生等值轉換的創造能力的高低了。
實際上我們可以把這根管形空心導體的環形截面等效成一個矩形截面，其長為環的周長πD。由于膜很薄，故πD與平均周長π（D-d/2）相差甚微。因此它的截面積S=πDd
解得 d=LρI/πDU
實驗中應測定的物理量是L,D,U,I。
電路實物連接如圖4所示，(因條不明確，測量電路安培表內接、外接均可�？刂齐娐窙]有特別要求時，可用限流接法。)
[能力提升]
1.給你一架天平和一只秒表，如何有實驗估測用手急速豎直上拋小球時，手對小球做的功？要求寫出測量哪些量、如何測量，并寫出計算時所需的關系式。
2.有一只電壓表，量程已知，內阻為RV，另有一電動勢未知但不超過電壓表量程、內阻不計的電池。用這只電壓表和電池，再有一些導線和開關，設計測量某一高值電阻Rx（和RV 差不多）的實驗方法。要求畫出實驗電路圖，說明測量步驟、需記錄的實驗數據，被測電阻Rx的計算式。
3.實驗室內備有下列器材：A.長度為1米的刻度尺；B.游標卡尺；C.秒表；D.打點記時器；E.頻率為50Hz的電壓交流電；F.鐵架臺；G.天平；H.低壓直流電；I.重錘。用其中的什么器材如何測量重力加速度？
4.有下列器材：長30厘米的毫米刻度尺；內徑為2—3毫米的粗細均勻的直玻璃管，內有一段長約8—10厘米的水銀柱封閉一段長約12—15厘米的空氣柱；量角器；溫度計；帶有重垂線的鐵架臺。
要求用上述器材，測出實驗室內大氣壓強。試設計一個實驗方案并簡要說明設計思想和需要測量的物理量。
5.如圖5所示的電路測定未知電阻Rx的值。圖中電電動勢未知，內阻與電流表內阻均可忽略不計，R為電阻箱。
⑴若要測量Rx的值，R至少需要取 個不同的數值；⑵若電流表每個分度表示的電流值未知，但指針偏轉角度與通過的電流成正比，則在用此電路測量Rx時，R至少需要取 個不同的數值；
⑶若電內阻不能忽略，能否用此電路測量Rx？
6.用實驗室提供的下列器材：小磁鋼球（質量為m），小銅球，相同的細線兩條，鐵架臺，鐵板，用這些器材如何測量小磁鋼球與鐵板距離為d時，它們之間的磁力的近似值。
⑴簡要說明實驗的設計思想；
⑵簡要說明測量的重要步驟與測量的物理量；
⑶用已知量和測量量表示磁力的計算式是 。
7.用平板、小車及打點記時器等裝置能否驗證動量守恒定律？要求是粘有橡皮泥的兩個小車碰撞。還需要哪些器材？測量哪些量？
8.“伏安法”測電阻時，由于電壓表、電流表內阻的影響，使得測量結果總存在誤差，而按圖6所示電路進行測量，則由電壓表、電流表內阻所造成的誤差可消除。
（1）請你簡要寫出還未完成的主要操作步驟，并用字母表達出相應的測量值。
①閉合電鍵S1，電鍵S2接2，調節RP和RP’，使電壓表讀數接近滿量程，讀出電壓表和電流表讀數I2、V2。
②保持RP不變， 。
（2）請你推導出待測電阻R的表達式。
（3）用線把實物圖7按電路圖連成測量電路。
第十七 物理實驗
專題一 1.CD 2.ABCD 3.ABC 4.B 5. 7 ；30 .6. 21.6 0.7 7.(1)15.60g (2)3.950(3)2.2N(4)253.0s 8. －5.2℃ 753.4mmHg 11.0v 0.28A 1200 9.BC 10. DHFAHGE 11. D.換擋后，應重新調零；E.實驗完畢，應將選擇開關扳到OFF位。12.運輸過程中可能引起表針擺動，若用導線將正、負接線柱短接，形成閉合回路，則表針擺動帶動線圈切割磁感線產生感應電流，阻礙線圈轉動，即阻礙表針擺動。
專題二1.BE；導電紙；復寫紙；白紙；指零；指零。2.（1）T2=4π2LC(2)如圖一
(3)0.0351H——0.0389H 3.2.16×105；1380C.4.(1)如圖二、圖三(2)240Ω；1000Ω；0Ω
5.如圖四 6.（1）B；A(2)BCD 7.AB 8.(1)Y輸入，地 （2）6，X增益；掃描范圍和掃描微調 9.77
專題三1.A.未記下細線的方向；B.應根據F1、F2的大小和方向做圖；C.應將橡皮條與線的結點拉至O點。2.CD3. 自然長度；1cm；4/3N/m。4. 能。提示：被碰小車須靜止，碰撞小車質量需大于被碰小車，以一定速度去碰撞被碰小車，平板需是平衡摩擦力后的，用紙帶和打點計時器測出碰前和碰后的速度，求出它們的動量，即可驗證動量是否守恒。
5. 64.2——64.4；ABD
專題四1. 垂線；4/3.2.略.3.AB.4. ACE；2.9伏；2.3歐.5略.6. .外接、分壓；由于溫度變化引起電阻變化。7.a；(U3-U2)/(I2-I1) 8. A C D F H； 外；0.48；2.20；電電路分壓式；電流表內接。
9.U/I； A； D 如圖五
10. (1)∵被測電阻阻值在100—200之間，而所給的滑動變阻器阻值0—20，R變＜R，本實驗采用分壓式組接變阻器。
(2)電路中出現最大電流Imax=(0.25/100)1/2=0.05A=50mA, 選電流表A。
(3)用比較法考慮安培表的接法。RV/Rx=104/100=102；Rx/RA=100/20=5.因此伏特表分流引起的誤差小，安培表外接。 亦可求臨界電阻R0=（R¬ARV）1/2=448Ω∵Rx最大為200<448；∴應采用安培表外接。注意：分壓器應令電壓初始為零。電鍵應接在干路。電路圖如圖六
11.（1）略（2）a, b, l2R/L1
12. 略13. 略14.(1)BDEC；(2).a，b.15.103；7.7×10-10m
專題五 1.W=mg2t2/8 2.先只將電壓表接電兩端，電壓表讀數U1=E；再將電壓表與待測電阻串聯后接在電兩端，電壓表讀數為U2；Rx=( U1- U2)RV/ U2。 3.提示：用自由落體法。4.玻璃管內封閉的空氣柱在等溫變化中PV=C,其中P=P0+P’， P’為水銀柱產生的壓強，則P’=L’cosθ，L’為水銀柱的長度，θ為玻璃管與豎直方向的夾角，則有P’=C/L- P0；取幾個不同的θ角，分別測出L，做P’—1/L關系圖象，其截距即為P0。5. 2，2，不能。6.把小磁鋼球懸掛在鐵板上方d處，與鐵板的引力為f，則有mg+f=mg’， g’為等效重力加速度， f=m（g+g’），用單擺法測出g’后，即可求出f。7.能。提示：被碰小車須靜止，碰撞小車質量需大于被碰小車，以一定速度去碰撞被碰小車，平板需是平衡摩擦力后的，用紙帶和打點計時器測出碰前和碰后的速度，求出它們的動量，即可驗證動量是否守恒。8.略
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