第一篇專題八實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

一、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)一、有效數(shù)字及其位數(shù)的確定1．有效數(shù)字

指帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)據(jù)．有效數(shù)字的最后一

位是測(cè)量者估讀出來(lái)的，是不可靠的，也是誤差所在位．2．確定有效數(shù)字位數(shù)的方法

從數(shù)字左邊第一個(gè)不為零的數(shù)字算起，如0.0125為三位有

效數(shù)字．(1)一切非零數(shù)字都是有效數(shù)字．(2)非零數(shù)字之間的零及非零數(shù)字后邊的零都是有效數(shù)字．(3)有效數(shù)字的位數(shù)與單位和小數(shù)點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)．(4)乘方不算有效數(shù)字，如5.12×104為三位有效數(shù)字，5000為

四位有效數(shù)字，若要求表示為三位有效數(shù)字，則應(yīng)寫(xiě)為

5.00×103.二、基本儀器的使用和讀數(shù)1．長(zhǎng)度測(cè)量類(1)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)游標(biāo)尺(mm)精度(mm)測(cè)量結(jié)果(游標(biāo)尺上第n個(gè)格與主尺上的某刻度線對(duì)正時(shí))(mm)刻度格數(shù)刻度總長(zhǎng)度每小格與1毫米差1090.10.1主尺上讀的毫米數(shù)＋0.1n20190.050.05主尺上讀的毫米數(shù)＋0.05n50490.020.02主尺上讀的毫米數(shù)＋0.02n(2)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)測(cè)量值＝固定刻度整毫米數(shù)＋半毫米數(shù)＋可動(dòng)刻度讀數(shù)

(含估讀)×0.01mm.(1)10分度的游標(biāo)卡尺，以mm為單位，小數(shù)點(diǎn)后只有1位，而

20分度和50分度的游標(biāo)卡尺，以mm為單位，小數(shù)點(diǎn)后有2

位，且對(duì)齊格數(shù)不估讀．(2)螺旋測(cè)微器，以mm為單位，小數(shù)點(diǎn)后必須有3位，對(duì)齊格

數(shù)要估讀，同時(shí)還要注意半毫米刻度線是否露出.2．時(shí)間測(cè)量類(1)機(jī)械秒表的讀數(shù)①原理：機(jī)械秒表的長(zhǎng)針是秒針，轉(zhuǎn)一周是30s．因?yàn)闄C(jī)械表采用的是齒輪傳動(dòng)，指針不可能停留在兩小格之間，所以不能估讀出比0.1s更短的時(shí)間．位于秒表上部中間的小圓圈里面的短針是分針，指針走一圈15min，每小格為0.5min.②秒表的讀數(shù)方法是：T＝短針讀數(shù)(t1)＋長(zhǎng)針讀數(shù)(t2)．(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)器種類工作電源電壓打點(diǎn)間隔電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流50Hz,4V～6V0.02s電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流50Hz,220V0.02s(1)要先打點(diǎn)后拉動(dòng)紙條；(2)不能用直流電源；(3)區(qū)分計(jì)時(shí)點(diǎn)和計(jì)數(shù)點(diǎn)，若每5個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)取1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，此時(shí)計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.1s.(3)頻閃照相機(jī)其作用和處理方法與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器類似，它是用等時(shí)間間隔獲取圖象信息的方法將物體在不同時(shí)刻的位置記錄下來(lái)，使用時(shí)要明確頻閃的時(shí)間間隔．3．電學(xué)量測(cè)量類(1)電流表和電壓表的使用方法和注意事項(xiàng)：①選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋鶕?jù)被測(cè)電流或電壓值的大小選擇量程，使指針偏轉(zhuǎn)超過(guò)滿偏的2/3，至少也要超過(guò)1/3.如果量程選擇太大，指針偏轉(zhuǎn)太小，會(huì)造成較大的測(cè)量誤差．②正確接入電路．電流表應(yīng)串聯(lián)在被測(cè)電路中，電壓表應(yīng)并聯(lián)在被測(cè)電路中．兩種表都應(yīng)使電流從“＋”接線柱流入、“－”接線柱流出．③正確讀數(shù)．讀數(shù)時(shí)應(yīng)使視線垂直于刻度盤面．多用量程電表讀數(shù)時(shí)，務(wù)必看清每大格及每小格所表示的數(shù)值．④注意內(nèi)阻影響．電流表和電壓表接入電路后，一方面作為儀器使用，同時(shí)又是接入被測(cè)電路中的一個(gè)電阻．實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有特別要求時(shí)，一般不考慮它們的內(nèi)阻對(duì)電路的影響，但在有些測(cè)量中不能忽視，如伏安法測(cè)電阻等．(2)多用電表的正確使用方法：①電流的流向．由于使用多用電表時(shí)不管測(cè)量項(xiàng)目是什么，電流都要從電表的“＋”插孔(紅表筆)流入，從“－”插孔(黑表筆)流出，所以使用歐姆擋時(shí)，多用電表內(nèi)部電池的正極接的是黑表筆，負(fù)極接的是紅表筆．②要區(qū)分開(kāi)“機(jī)械零點(diǎn)”與“歐姆零點(diǎn)”．“機(jī)械零點(diǎn)”在表盤刻度左側(cè)“0”位置，調(diào)整的是表盤下邊中間的定位螺絲；“歐姆零點(diǎn)”在表盤刻度的右側(cè)電阻刻度“0”位置，調(diào)整的是歐姆擋的調(diào)零旋鈕．(1)每更換一次擋位，都要重新進(jìn)行歐姆調(diào)零．(2)由于歐姆擋表盤刻度不均勻，難于估讀，測(cè)量結(jié)果只需取

兩位有效數(shù)字．計(jì)數(shù)時(shí)不要忘記乘上相應(yīng)擋位的倍率．(3)測(cè)量時(shí)待測(cè)電阻要跟其他元件和電源斷開(kāi)，不然就不能得

到正確的測(cè)量結(jié)果，甚至還可能損壞電表．(4)多用電表使用完畢后，應(yīng)將選擇開(kāi)關(guān)撥離歐姆擋，一般旋

至OFF擋或交流電壓最高擋上.4．電路調(diào)節(jié)類滑動(dòng)變阻器是一個(gè)可以連續(xù)改變阻值的可變電阻，常用于調(diào)節(jié)電路中的電流大小及兩點(diǎn)間的電壓；電阻箱不能連續(xù)改變阻值，但可讀取阻值，在用半偏法、替代法測(cè)電阻時(shí)有所體現(xiàn)．(1)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電路的兩種方式如下表所示．

說(shuō)明：忽略電源的內(nèi)阻，R0為滑動(dòng)變阻器的最大值．(2)連接方式的選擇原則通常滑動(dòng)變阻器以限流接法為主，但在下列三種情況下，必須選擇分壓連接方式：①題目所提供的實(shí)驗(yàn)儀器、電表量程或電阻的最大允許電流不夠．②變阻器電阻遠(yuǎn)小于被測(cè)電阻或電路中串聯(lián)的其他電阻阻值．③要求回路中某部分電路的電壓從零開(kāi)始連續(xù)變化．(1)負(fù)載電阻的阻值Rx小于變阻器總電阻R或相差不多，且電壓、電流變化不要求從零開(kāi)始調(diào)起時(shí)，可采取限流接法．(2)兩種電路均可使用的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用限流式接法，因?yàn)橄蘖魇浇臃偣妮^?。?3)特殊問(wèn)題中還要根據(jù)電壓表和電流表量程以及電阻允許通過(guò)的最大電流值來(lái)反復(fù)推敲，以更能減小誤差的連接方式為好.5．實(shí)驗(yàn)器材選擇的三個(gè)原則(1)可行性原則要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)際條件選用合適的儀器使實(shí)驗(yàn)切實(shí)可行，以達(dá)到目的．比如：現(xiàn)有兩個(gè)電壓表，一個(gè)量程是3V，另一個(gè)是15V，要測(cè)量的元件的電壓可達(dá)到10V，從可行性原則上分析，當(dāng)然只能選用15V量程的電壓表了．(2)準(zhǔn)確性原則根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，選取精度合適的儀器，具體到某個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，不是越精越好，只要精度夠用就行．比如：測(cè)金屬絲長(zhǎng)度用毫米刻度尺即可，而測(cè)其直徑，由于太細(xì)，要用螺旋測(cè)微器．(3)可操作性原則實(shí)驗(yàn)時(shí)要調(diào)節(jié)方便，易于操作．比如：對(duì)滑動(dòng)變阻器，如果是用分壓法連入電路的，則應(yīng)選用小阻值的滑動(dòng)變阻器，只有這樣，在移動(dòng)滑動(dòng)觸頭時(shí)，相應(yīng)的用電器上的電壓變化才會(huì)明顯，電壓變化與滑動(dòng)距離幾乎成線性關(guān)系．如果選用大阻值的滑動(dòng)變阻器，就會(huì)出現(xiàn)在移動(dòng)滑動(dòng)觸頭時(shí)，剛開(kāi)始時(shí)用電器上的電壓幾乎不變，過(guò)了某位置后又突然增大的現(xiàn)象，不易操作．三、電流表內(nèi)、外接法的比較與選擇1．兩種接法的比較2.伏安法測(cè)電阻中內(nèi)接法與外接法的選擇(1)阻值比較法：先將待測(cè)電阻的估計(jì)值與電壓表、電流表內(nèi)

阻進(jìn)行比較，若Rx?RV，宜采用電流表外接法；若Rx?RA，

宜采用電流表內(nèi)接法．(2)實(shí)驗(yàn)試探法：按圖8－1－1所示接好

電路，讓電壓表一根接線P先后與a、

b處接觸一下，如果電壓表的示數(shù)變

化明顯，說(shuō)明電流表分壓作用較強(qiáng)，

即Rx阻值較小，則可采用電流表外接法；如果電流表的示

數(shù)變化明顯，說(shuō)明電壓表分流作用較強(qiáng)，即Rx阻值較大，

則可采用電流表內(nèi)接法．四、實(shí)驗(yàn)方法1．等效法這是物理學(xué)中一個(gè)重要和常用的思維方法，當(dāng)某一個(gè)物理量不能或不易直接測(cè)量時(shí)，如果可以用另一個(gè)物理量代替它而又不影響問(wèn)題的實(shí)質(zhì)時(shí)，我們就可以接受這種方案，這種方法叫等效法．2．累積法(放大法)把某些難以直接測(cè)量的微小物理量累積后測(cè)量，可大大提高測(cè)量的精度，這種方法叫累積法．比如：測(cè)一個(gè)大頭針的質(zhì)量是很難測(cè)準(zhǔn)確的，但如果用天平測(cè)一千個(gè)大頭針的質(zhì)量再除以總個(gè)數(shù)，就比較準(zhǔn)確了．3．控制變量法在三個(gè)以上因素可以變化的實(shí)驗(yàn)中，為了找出它們之間的關(guān)系，排除干擾，可以先保持一些量不變，而觀察其中一個(gè)量的變化對(duì)另一個(gè)物理量的影響，這種方法叫控制變量法．比如：在“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中，先控制質(zhì)量不變，研究加速度與力之間的關(guān)系，然后控制力不變，研究加速度和質(zhì)量之間的關(guān)系，最后得到三者關(guān)系的結(jié)論．五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理1．處理方法(1)列表法在記錄和處理數(shù)據(jù)時(shí)，為了簡(jiǎn)單而明確地表示出有關(guān)物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將數(shù)據(jù)填寫(xiě)在適當(dāng)?shù)谋砀駜?nèi)，稱為列表法．列成表格不但可以減少或避免錯(cuò)誤，便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和分析問(wèn)題，而且有助于找出各物理量之間的變化規(guī)律．分析表格中的記錄數(shù)據(jù)時(shí)一般先找出相同量，再分析其他量的數(shù)據(jù)關(guān)系．表格要求簡(jiǎn)單明了，用符號(hào)標(biāo)明各物理量并寫(xiě)明單位，所列數(shù)據(jù)要符合有效數(shù)字的有關(guān)規(guī)定．(2)平均值法①算術(shù)平均值：即把測(cè)定的若干組數(shù)相加求和，然后除以測(cè)量次數(shù)．②必須注意的問(wèn)題：a.求取平均值時(shí)應(yīng)該按原來(lái)測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度決定保留的位數(shù)；b.在什么情形下取平均值，例如在“測(cè)定玻璃的折射率”的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)分別求出各入射角對(duì)應(yīng)的折射率再求平均值，而不是將各入射角及折射角取平均值后再求折射率．(3)作圖法用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)中最常用的方法之一．用作圖法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)便，有取平均的效果．由圖線的斜率、截距、包圍面積等可以研究物理量之間的變化關(guān)系，找出規(guī)律．2．誤差根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因可分為：系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種．(1)系統(tǒng)誤差是由于儀器本身不精密、實(shí)驗(yàn)方法粗略或?qū)嶒?yàn)原

理不完善而產(chǎn)生的誤差．其特點(diǎn)是多次做同一實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤

差總同樣的偏大或偏小，不會(huì)出現(xiàn)這幾次偏大，另一次偏

小的現(xiàn)象．系統(tǒng)誤差不能用多次測(cè)量求平均值的方法消除

或減小，只能通過(guò)校準(zhǔn)儀器、對(duì)讀數(shù)作修正、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方

法和設(shè)計(jì)在原理上更完善的實(shí)驗(yàn)等來(lái)減小這種誤差．(2)偶然誤差是由各種偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)者、測(cè)量?jī)x器、被測(cè)物理量的影響而產(chǎn)生的誤差，其特點(diǎn)是多次重復(fù)做同一實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤差總是時(shí)大時(shí)小，且偏大偏小的機(jī)會(huì)相同，減小這種誤差的辦法是多進(jìn)行幾次測(cè)量，取其平均值．[例1]某同學(xué)用游標(biāo)卡尺測(cè)量一圓柱體的長(zhǎng)度l，用螺旋測(cè)微器測(cè)量該圓柱體的直徑d，示數(shù)如圖8－1－2.由圖可讀出l＝________cm，d＝________mm.圖8－1－2[解析]游標(biāo)卡尺的讀數(shù)l＝22mm＋0.1×5mm＝22.5mm＝2.25cm.螺旋測(cè)微器的讀數(shù)d＝6.5mm＋0.01×36.0mm＝6.860mm.[答案]

2.25

6.860[例2]

(2010·山東理綜)某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖8－1－3所示的裝置來(lái)探究加速度與力的關(guān)系．彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細(xì)繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接．在桌面上畫(huà)出兩條平行線MN、PQ，并測(cè)出間距d.開(kāi)始時(shí)將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動(dòng)摩擦力的大小．再將木板放回原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運(yùn)動(dòng)到PQ處的時(shí)間t.圖8－1－3①木板的加速度可以用d、t表示為a＝________；為了減小測(cè)量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可)____．②改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系．下列圖象能表示該同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的是________．③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點(diǎn)是________．a(chǎn)．可以改變滑動(dòng)摩擦力的大小b．可以更方便地獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)c．可以比較精確地測(cè)出摩擦力的大小d．可以獲得更大的加速度以提高實(shí)驗(yàn)精度③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼相比，水的質(zhì)量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因而F1的大小也可以連續(xù)調(diào)節(jié)，從而比較精確地測(cè)出摩擦力的大小和更方便地獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故正確答案為b、c.[例3]

(2010·浙江高考)Ⅰ.在“探究彈簧彈力大小與伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，甲、乙兩位同學(xué)選用不同的橡皮繩代替彈簧．為測(cè)量橡皮繩的勁度系數(shù)，他們?cè)谙鹌だK下端依次逐個(gè)掛上鉤碼(每個(gè)鉤碼的質(zhì)量均為m＝0.1kg，取g＝10m/s2)，并記錄繩下端的坐標(biāo)X加i(下標(biāo)i表示掛在繩下端鉤碼個(gè)數(shù))，然后逐個(gè)拿下鉤碼，同樣記錄繩下端的坐標(biāo)X減i，繩下端坐標(biāo)的平均值Xi＝(X加i＋X減i)/2的數(shù)據(jù)如下表：掛在橡皮繩下端的鉤碼個(gè)數(shù)橡皮繩下端的坐標(biāo)(Xi/mm)甲乙1216.5216.52246.7232.03284.0246.54335.0264.25394.5281.36462.0301.0(1)同一橡皮繩的X加i________X減i(大于或小于)；(2)________同學(xué)的數(shù)據(jù)更符合實(shí)驗(yàn)要求(甲或乙)；(3)選擇一組數(shù)據(jù)用作圖法得出該橡皮繩的勁度系數(shù)k(N/m)；(4)為了更好地測(cè)量勁度系數(shù)，在選用鉤碼時(shí)需考慮的因素

有哪些？Ⅱ.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)測(cè)得電流－電壓的數(shù)據(jù)如下表所示：

電流I/mA2.75.412.419.527.836.447.156.169.681.793.2電壓U/V0.040.080.210.541.302.203.524.776.909.1211.46(1)用上表數(shù)據(jù)描繪電壓隨電流的變化曲線；(2)為了探究燈絲電阻與溫度的關(guān)系，已作出電阻隨電流的變化曲線如圖8－1－5所示；請(qǐng)指出圖線的特征，并解釋形成的原因．圖8－1－5[解析]

Ⅰ.(1)由于橡皮繩不嚴(yán)格遵守胡克定律，故去掉第i＋1個(gè)鉤碼時(shí)不能恢復(fù)到掛第i個(gè)鉤碼時(shí)的長(zhǎng)度，所以X加i小于X減i.(2)每增加一個(gè)鉤碼，橡皮繩的改變量應(yīng)相等，所以乙同學(xué)的數(shù)據(jù)更符合實(shí)驗(yàn)要求．(3)根據(jù)題意，求出掛上不同鉤碼時(shí)，橡皮繩的改變量，鉤碼的重力等于橡皮繩的彈力F，作出彈力F隨改變量變化的圖線，圖線的斜率即為橡皮繩的勁度系數(shù)．(4)盡可能使橡皮繩的伸長(zhǎng)量在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)要有足夠大的伸長(zhǎng)量，以減小長(zhǎng)度測(cè)量的誤差．Ⅱ.(1)以電壓為縱軸，電流為橫軸描點(diǎn)作圖即可．(2)見(jiàn)答案．[答案]

Ⅰ.(1)小于(2)乙(3)由所給數(shù)據(jù)得改變量如下表所示掛在橡皮繩下端的鉤碼個(gè)數(shù)改變量(Xi－X1)/mm甲乙1230.215.5367.530.04118.547.75178.064.86245.584.5由上表作圖得由圖可得k乙＝57～70(N/m)對(duì)于甲同學(xué)的數(shù)據(jù)，因?yàn)橹挥星皫讉€(gè)數(shù)據(jù)可認(rèn)為在彈性范圍內(nèi)，由圖中切線的斜率得k甲＝25～34(N/m)(4)盡可能使伸長(zhǎng)量在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)有足夠大的伸長(zhǎng)量，以減小長(zhǎng)度測(cè)量的誤差．或Ⅱ.(1)(2)電阻隨電流增大存在三個(gè)區(qū)間，電阻隨電流的變化快慢不同第一區(qū)間電流很小時(shí)，電阻變化不大；第二區(qū)間燈絲溫度升高快，電阻增大快；第三區(qū)間部分電能轉(zhuǎn)化為光能，燈絲溫度升高變慢，電阻增大也變慢．[例4]

(2010·北京高考)甲同學(xué)要把一個(gè)量程為200μA的直流電流計(jì)

，改裝成量度范圍是0～4V的直流電壓表．①她按圖8－1－6所示電路、用半偏法測(cè)定電流計(jì)

的內(nèi)電阻rg，其中電阻R0約為1kΩ.為使rg的測(cè)量值盡量準(zhǔn)確，在以下器材中，電源E應(yīng)選用________，電阻器R1應(yīng)選用________，電阻器R2應(yīng)選用________(選填器材前的字母)．A．電源(電動(dòng)勢(shì)1.5V)B．電源(電動(dòng)勢(shì)6V)C．電阻箱(0～999.9Ω)D．滑動(dòng)變阻器(0～500Ω)E．電位器(一種可變電阻，與滑動(dòng)變阻器相當(dāng))(0～5.1kΩ)F．電位器(0～51kΩ)②該同學(xué)在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)情況下，檢查電路連接無(wú)誤后，將R2的阻值調(diào)至最大．后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作步驟依次是：________，________