板块结构问题的整合归类——实验

一. 教学内容：

板块9 实验

二. 内容概述：

实验的理论分析  实验的操作方法

三. 内容提要：

1. 实验理论分析包括对实验原理的理解，和对实验方法的选择。

（1）实验的主要思想方法

等效法、累积法、控制变量法、留迹法

（2）实验的一般原则

可行性原则、准确性原则、操作性原则

（3）实验数据的处理

列表法、作图法、平均值法

（4）实验误差分析

绝对误差与相对误差、系统误差与偶然误差

2. 物理实验的操作方法：

（1）基本仪器主要有：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、弹簧秤、温度计、气压计、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱。

（2）一般仪器的使用规则：

① 观察仪器、掌握仪器所能测量的物理量，测量范围及所用的单位。

② 检查仪器的零点及回零情况

③ 掌握仪器的安装、调节规则

【典型例题】

[例1] 如图1所示是用螺旋测微器测量一个小钢球的直径的示数，此读数应是      。

图1

解析：螺旋测微器的读数方法是：先从固定刻度尺上读出半毫米以上的长度；然后找出可动刻度上的第几条刻度线与固定刻度尺上的水平横线重合，从而读出半毫米以下的刻度，并注意再估读一位数字；最后将两次读数相加就是所要测量的正确读数。

本题可用公式：读数值固定刻度示数（）+可动刻度示数（最小分度值0.01mm），计算得8.600mm。

[例2] 在做“验证力的平行四边形定则”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，以便于算出合力大小。

解析：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，取也可以，但并不是必须取。所以，本题操作中错误的是A、C、D。

[例3] 用游标为50分度的卡尺（测量值可准确到0.02 mm）测定某圆筒的内径时，卡尺上的示数如图2所示。可读出圆筒的内径为       mm。

图2

解析：游标卡尺的读数方法是：以游标上0刻度线为准在主尺上读出整毫米数52mm，再看游标尺上第6条刻度线与主尺上某一刻度线对齐，由游标上读出毫米以下的小数。所以圆筒的内径为：L=主尺上整毫米数L1+游标上的毫米以下的小数L2=52.12mm。

[例4] 用多用电表测电阻时，

（1）每次换挡后，需重新         ，再进行测量。

（2）如果表的指针偏转过大，为使测量比较精确，应将选择开关拨至倍率较     （或“大”或“小”）的挡位上。

（3）某次测量时，表的指针位置如图3所示，则该电阻的测量值是     。

图3

解析：

（1）使用多用电表欧姆挡测电阻时，每次测量前或换挡后都必须重新进行欧姆调零。若调零时发现指针总调不到零位置，说明电池太旧了，应更换旧电池。

（2）用欧姆挡时，指针指在刻度盘的中间都分时测量误差最小，所以测量电阻时，要求指针停在表盘的之间。因此测量待测电阻时应选择合适的倍率挡位，使测量值尽量准确。本题指针偏转过大，说明阻值很小，应换倍率较小的挡位测量。

（3）读数方法为：被测电阻R=表盘刻度数（整刻度数+估读数）×挡位选择倍数。

本题被测电阻。

[例5] 在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50H z，查得当地的重力加速度，测得所用重物的质量为1.00kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带，如图4所示。把第一个点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量点，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm。根据以上数据，可知重物由O点运动到C点时重力势能的减少量等于      J，动能的增加量等于     J。（取三位有效数字）

图4

解析：在验证机械守恒定律的实验中，当重物拖动纸带自由下落时，由于空气阻力及纸带和打点计时器限位孔之间的摩擦，重力势能的减少应大于动能的增加。根据匀变速直线运动规律，有

，

故重力势能减少为，动能的增加应为。

[例6] 量程为3V的电压表，代号为V，其内阻大约为，现要求测出电压表内阻的精确值，实验室中可提供的器材有：

① 取值范围为的电阻箱，代号为，在本实验中通过电阻箱的电流不会超过所允许的最大电流；

② 最大电阻为1000、最大电流为0.2A的变阻器，代号为；

③ 开路电压约为5V、内阻可忽略不计的电源，代号为E；

④ 开关，代号为S；

⑤ 供连接用的导线若干条。

（1）选用这些器材设计一个易于操作的测量电路，要求画出线路图，并标出所选器材代号；

（2）列出测量步骤，并写出计算电压表内阻的最后公式（不需要写出推导过程）。

解析：

（1）求解问题的一种思路是，只要能同时测出电压表两端的电压和流经电压表的电流，就可以精确地求出电压表的内阻。但是题目所提供的器材中没有电流表，因此就需要分两次测量电压表两端的电压，用两组数据来算出电压表的内阻。实验电路如图5所示。

图5

（2）测量步骤如下：

① 将待测电压表V、电阻箱、电源E和开关S按图示电路用导线连成测量电路。

② 把调至最大时，闭合开关S，接通电路。

③ 调节电阻箱的阻值，使电压表的指针指向3V（满偏），记下此时的阻值。

④ 增大电阻箱的阻值，使得电压表的指针指向1.5V（半偏），记下此时的阻值。

计算电压表内阻的公式为：，故

【模拟试题】

（答题时间：30分钟）

1. 在研究电磁感应现象的实验中，首先要确定电流表指针的偏转方向与电流方向间的关系。

（1）实验中所用电流表量程为，电源电动势为1.5V，待选的保护电阻有三种，，，，应选用      。

（2）已测得电流表指针向左偏时，电流由接线柱接入。由于某种原因，螺线管副线圈上的绕线标记没有了，需要通过实验查找绕线方向，如图1所示。当磁铁N极插入线圈时，电流表指针向左偏，请在图中画出副线圈的绕线方向。

（3）在图1中，若是条形磁铁的S极在下端，当把磁铁从螺线管中拔出时，电流表的指针应向       偏。

图1

2. 图2中（甲）所示是演示单摆振动图象的装置，当盛砂漏斗下面的薄木板N被匀速地拉动时，摆动着的漏斗中漏出的砂在板上形成一条曲线，显示出摆的位移随时间变化的关系。板上的直线代表时间轴。图中（乙）是两个摆中的砂在各自木板上形成的曲线。若拉动、的速度和的关系为，则板、上曲线所代表的振动周期T1和T2的关系为（    ）

A.     B.     C.     D. 

图2

3. 实验室中现有器材如实物图3（甲）所示，有：电池E，电动势约10V，内阻约；电流表A1，量程10A，内阻约为；电流表A2，量程，内阻约为；电流表A3；量程，内阻约为；电阻箱R1，最大阻值，阻值最小改变量为；滑线变阻器，最大阻值；开关S，导线若干。要求用图3（乙）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电阻？

（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      。

图3

【试题答案】

1. 解析：

（1）根据电流表的量程和电源电动势可算出回路中最小的保护电阻为：

故保护电阻应选R1

（2）根据楞次定律，可判断出副线圈的绕线方向如图4所示。

（3）若S极在下端，拔出时线圈中向上的磁通量要减少，感应电流的磁场要阻碍它减少，必产生向上的磁场，用右手定则判断可知电流表的指针向左偏。

图4

2. 从图（乙）中的两条曲线可以看出，在同一段长度内，摆1完成了一个完整的振动，而摆2完成了两个完整的振动，即，。

    ∵ ，∴ ，选项D正确。

3. 解析：

（1）A2、A3

（2）若测，实物图连接方式：A3与R1并联后，再与A2、R2、E、S串联在一起，连接中电流方向应从电流表“+”流入“—”流出。滑线变阻器的接线分别接固定柱、与可动片相通的金属杆的一端。图略。

（3）A2、A3两电流表的读数I2、I3和电阻箱R1的阻值。

被测电流表A3的电阻为