高考物理实验精要

帮之家 2020-02-16

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《高中理化生实验备考宝典》

物理实验

一、高考物理实验考查范围及其要点概览

（一）《2010年高考考试大纲(课程标准实验版)：物理》实验考查范围

内　　容

说明

实验一：研究匀变速直线运动

实验二：探究弹力和弹簧伸长的关系

实验三：验证力的平行四边形定则

实验四：验证牛顿运动定律

实验五：探究动能定理

实验六：验证机械能守恒定律

实验七：测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）

实验八：描绘小电珠的伏安特性曲线

实验九：测定电源的电动势和内阻

实验十：练习使用多用电表

实验十一：传感器的简单使用

实验十二：用油膜法估测分子的大小

实验十三：探究单摆的运动、用单摆测定重力加速度

实验十四：测定玻璃的折射率

实验十五：用双缝干涉测光的波长

实验十六：验证动量守恒定律

1．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、弹簧秤、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱、温度计等。 2．要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减少偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差。 3．要求知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果。间接测量的有效数字运算不作要求。

（二）实验要点概览

内容	要点
长度的测量	1. 理解刻度尺、螺旋测微器和游标卡尺的测量原理； 2. 熟练掌握刻度尺、螺旋测微器和游标卡尺的读数规则。
研究匀变速直线运动	1. 能够正确使用打点计时器； 2. 能够根据纸带店迹特征判断物体的运动性质； 3. 掌握处理纸带数据的一般方法（含平均速度法、逐差法和作图法）。
探究弹力和弹簧伸长的关系	1. 掌握实验原理； 2. 掌握实验步骤； 3. 熟练掌握作图法（含图和图）； 4. 弄清弹簧原长、弹簧伸长量和弹簧长度的含义，理解胡克定律。
验证力的平行四边形定则	1. 理解等效原理的实质； 2. 掌握实验步骤； 3. 掌握大小误差和方向误差的分析方法。
验证牛顿运动定律	1. 掌握控制变量法； 2. 理解平衡摩擦力的道理，掌握平衡摩擦力的方法； 3. 理解的道理； 4. 能够通过作图（）法验证牛顿运动定律。
探究动能定理	1. 掌握实验原理； 2. 掌握实验步骤； 3. 理解平衡摩擦力的道理，掌握平衡摩擦力的方法； 4. 能通过作图（）法分析数据。
验证机械能守恒定律	1. 掌握实验原理； 2. 掌握实验步骤； 3. 掌握实验主要误差的分析。
测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）	1．掌握实验原理； 2．掌握外接法和内接法的判断依据，掌握分压式接法和限流式接法的判断依据； 3．掌握实验步骤； 4．掌握处理数据的两种方法：平均值法、作图法； 5．掌握实验主要误差的分析。
描绘小电珠的伏安特性曲线	1. 掌握实验原理； 2. 掌握外接法和内接法的判断依据，掌握分压式接法和限流式接法的判断依据； 3. 掌握实验步骤； 4. 掌握作U-I图的技巧； 5. 掌握实验主要误差的分析。
测定电源的电动势和内阻	1. 掌握实验原理； 2. 掌握测定电源的电动势和内阻的几种常用方法及其实验步骤和主要误差的分析； 3. 掌握处理实验数据的两种方法：解方程组法和作图法。
练习使用多用电表	1. 掌握多用表的原理； 2. 掌握应用多用表测电阻、测电源和测二极管的步骤； 3. 掌握多用表的使用注意事项。
传感器的简单使用	1. 掌握热敏电阻特性实验和光敏电阻特性实验的原理和实验步骤； 2. 掌握霍尔元件的基本原理。
用油膜法估测分子的大小	1. 掌握实验原理； 2. 掌握实验步骤； 3. 掌握实验注意事项。
探究单摆的运动、用单摆测定重力加速度	1. 学会用单摆测定当地的重力加速度； 2. 掌握实验原理； 3. 掌握实验注意事项和主要误差的分析。
测定玻璃的折射率	1. 掌握实验原理； 2. 掌握实验步骤； 3. 掌握几种常用的实验方法及其主要误差的分析。
用双缝干涉测光的波长	1. 掌握实验原理； 2. 掌握实验步骤； 3. 掌握数据的处理方法。
验证动量守恒定律	1.掌握实验原理； 2.掌握几种常见的实验方法及其主要误差的分析。

二、高中物理主要实验方法简介、误差分析及实验设计

（一）高中物理主要实验方法简介

1.放大法

由于某些待测量过分小，无法被实验者或仪表直接感觉或反映，因而需要应用相应的装置或采用某种方法将待测量放大后再进行测量，这种方法称为放大法。

高中物理实验中涉及的放大法有两种：⑴力学放大法（游标卡尺和螺旋测微器的测量原理应用了力学放大法）；⑵光学放大法（测量桌面微小形变的实验和扭秤实验应用了光学放大法）。

2.留迹法

留迹法就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方法。

高中物理实验中涉及的留迹法主要有：⑴用打点计时器打出的纸带上的点迹；⑵用描迹法描绘平抛运动的轨迹；⑶用沙摆描绘的振动图象；⑷在“测定玻璃折射率”的实验中，用大头针的插孔记录入射光线和出射光线的方位。

3.控制变量法

物理中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。

高中物理实验中涉及的控制变量法主要有：⑴验证牛顿第二定律；⑵探究库仑定律；⑶探究磁感应强度；⑷探究电阻定律；⑸探究变压器原理。

4.累积法

累积法是指为了提高测量精度，将某些难以直接准确测量的微小量累积后进行测量的方法。

高中物理实验中涉及累积法的典型实例是“用单摆测定重力加速度”的实验，测周期时我们不直接测一个周期的时间，而是测30～50个周期的总时间，再除以周期数即得周期T的值。

5.等效法

等效法是指在研究某一个物理现象或物理规律中，因实验本身的特殊限制或因实验器材等限制，不可以或很难直接揭示物理本质，而采取与之相似或有共同特征的等效现象来替代的方法。

高中物理实验中涉及替代法的典型实例是“验证力的平行四边形法则”的实验。第一次我们用两个弹簧秤成角度地拉橡皮筋，把结点拉到某一位置；再换成一个弹簧秤，同样拉这个橡皮筋，也把结点拉到同样位置，这说明后一个弹簧秤的拉力与前面两个弹簧秤的拉力效果相同，因此可以互相替代。

6.转换法

在实验中，有很多物理量，由于其属性关系，很难用仪器或仪表进行测量，或者因条件所限，无法提高测量的准确度，此时可以根据物理量之间的定量关系或各种效应把不易测量的物理量转换为容易测量的物理量，测量后再反求待测物理量，这种方法称为转换法。

高中物理实验中涉及转换法的典型实例：⑴“验证动量守恒定律”的实验，我们把测物体的速度转换为测物体平抛运动的水平位移；⑵“测定玻璃的折射率”的实验，通过做辅助线的方法可以把测角度转换为测线段的长度，从而增加了有效数字的位数，即提高了测量的准确度。

7.比较法

比较法是物理测量中最普遍、最基本的测量方法，它是通过将被测量与标准量进行比较而得到测量值的。

高中物理实验中涉及比较法的典型实例较多，这里仅举一例：如图二--1为应用欧姆定律将待测电阻与一个可调节的标准电阻进行间接比较的测量示意图。若电源输出电压U保持不变，调节标准电阻，使开关K分别接在“1”和“2”两个位置时，电流表指示值不变，则

(二)实验的误差分析

1.系统误差和偶然误差

测量值总是有规律的朝着某一方向偏离真实值（总是偏大或总是偏小）的误差，称为系统误差。系统误差的主要来源是仪器本身不够精确，或实验原理、方法不够完善。用多次测量取平均值的方法不能减小或消除系统误差，只有通过完善实验原理、改进实验方法、提高仪器精度，才能减小系统误差。

由于偶然因素的影响，造成测量值的无规则起伏称为偶然误差。偶然误差是由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的，多次测量偏大和偏小的机会大致相同，因此，多次测量求平均值可减小偶然误差。

2.绝对误差和相对误差：设某物理量的真实值为A₀，测量值为A，则绝对误差，相对误差为．真实值A₀常以公认值、理论值或多次测量的平均值代替。

（三）实验设计原则及思路

1．实验设计原则

（1）科学性：实验方案应该遵循物理规律，操作程序应该符合实验规则，数据处理应该依据科学方法。

（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对人身及仪器造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流。要注意安排适当的保护措施。

（3）精确性：实验方案、仪器、仪器量程的选择，实验步骤的设计，数据处理方式的选取都应该保证将实验误差控制在误差允许范围内，并使实验误差尽可能的小。

（4）简便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。

（5）节能性：尽可能降低电源的功率，减小电能损耗。

2．实验设计思路

⑴明确目的，发散思考

题目或课题要求测定什么物理量，或要求验证、探索什么规律，这是实验的目的——实验设计的出发点。实验目的明确后，应用所学知识，纵横发散：弄清待测物理量、待验证（或待探索）与哪些物理规律有关，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有关。对于测量型实验，弄清待测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，弄清怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的；对于探索型实验，在相应的物理现象中，涉及哪些物理量……这些都是应首先分析的，以此来确定实验的原理。

⑵对比分析，确定方案

对于同一个实验目的，可能存在多种可行的实验原理，进而形成多种可供选择的设计方案。选择的实验方案应遵循上面的5条原则。

⑶依据方案，选定器材

实验方案选定后，考虑该方案需要哪些装置，待测量与哪些物理量有直接的定量关系，分别需用什么仪器来测定，以此来确定实验所用器材。

⑷拟定步骤，合理有序

实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。

⑸数据处理，误差分析

高中物理实验常用的数据处理方法(如：比较法、平均值法、逐差法、列表法、作图法、解方程组法、估算法等)和一般误差分析方法(绝对误差、相对误差等)在设计实验时也应予以考虑。

三、基本仪器的使用方法

（一）有效数字

1.带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字。

2.有效数字需要注意事项

⑴有效数字中至多只能有一位不可靠数字。

⑵小数点后面最后一位的零是有意义的不能随便舍去或添加，而小数中的第一个非零数字前面的零是用来表示小数点的位置的，不是有效数字。

例如：48、4.8、4.80、4.800是不一样的，它们分别是两位、两位、三位和四位有效数字；而3.6、0.36、0.036、0.0036都是两位有效数字，只是它们的大小不一样。

（二）仪器读数方法

1.刻度尺、弹簧秤、温度表的读数。

使用以上仪器（最小刻度是10分度）时，要求读完最小刻度后再往下估读一位（估读的这位是不可靠数字，但是是有效数字的不可缺少的组成部分）。

2.机械停表的读数。

例如：图三—1所示的秒表的示数是多少？

分析：秒表的读数分两部分：小圈内表示分，每小格表示0.5分钟；大圈内表示秒，最小刻度为0.1秒。当分针在前0.5分内时，秒针在0～30秒内读数；当分针在后0.5分内时，秒针在30～60秒内读数。因此图中秒表读数应为3分48.7秒。应该指出的是：机械停表的表针不可能停在两小格之间，所以机械停表读数不估读。

3. 游标卡尺读数。

⑴10分度游标卡尺读数方法

⑵20分度游标卡尺读数方法

⑶50分度游标卡尺读数方法

4.螺旋测微器读数。

⑴认识螺旋测微器

⑵螺旋测微器读数方法

5.天平读数。

天平使用前首先要进行调平。调平分两步：调底座水平和调横梁水平（在调节横梁水平前，必须把游码移到左端零刻度处，左端与零刻线对齐，如图三--9中虚线所示）。测量读数由右盘中砝码和游标共同读出。横梁上的刻度单位是毫克（mg）。若天平平衡时，右盘中有26g砝码，游码在图三--9中所示位置，则被测物体质量为26.32g（最小刻度为0.02g，不是10分度，因此只读到0.02g这一位）。

6.电流表、电压表的读数。

⑴估读方法

　　根据仪器的最小分度可以分别采用1/2、1/5、1/10的估读方法，一般：

最小分度是2的，（包括0.2、0.02等），采用1/2估读，如安培表0～0.6A档；

最小分度是5的，（包括0.5、0.05等），采用1/5估读，如安培表0～15V档；

最小分度是1的，（包括0.1、0.01等），采用1/10估读，如安培表0～3A档、电压表0～3V档等。

⑵例题分析

【例1】图三—10是电压表的刻度盘。若当时使用的是该表的0-3V量程，那么电压表读数为多少？若当时使用的是该表的0-15V量程，那么电压表度数又为多少？

【解析】

0-3V量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估读一位，读1.15V（由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14V-1.16V之间都算正确）。

0-15V量程最小刻度为0.5V，不是10分度的，因此只要求读到0.1V这一位，所以读5.7V（5.6V-5.9V之间都算正确）。

【例2】按照有效数字规则读出图三—11中电表的测量值。

接0～3V量程时读数为________V。接0～3A量程时读数为_______A。

接0～15V量程时读数为_______V。接0～0.6A量程时读数为______A。

【答案】⑴2.16～2.18；10.6～10.8； ⑵0.80；0.16.

7.多用电表读数。

【例3】使用多用电表测量时示意图如图三—12所示，当指针位置如图中灰三角箭头所示，则测量的是　　　　，测量结果为　　　　．（2）当指针位置如图中白三角箭头所示，则测量的是　　　　，测量结果为　　　　。（3）当指针位置如图中黑三角箭头所示，则测量的是　　　　，测量结果为　　　　。（4）当指针位置如图中黑三角箭头所示，正确操作后发现指针的偏转角很小，那么接下来的操作步骤应该依次为：①　　　　，②　　　　，③　　　　　．测量结束后应将选择开关拨到④　　　　或者　　　　　．（5）无论用多用电表进行何种（直流）测量，电流都应该从　　　　　表笔经　　　　插孔流人电表．在使用欧姆挡测量时，多用电表内部的电池的正极将跟表的面板上的　　　　插孔相连。

【解析】（1）测量的是直流电流，量程为10mA，应该用满刻度为10的刻度线读数。由于不是10分度，在读出3.2以后，不应该再向下估读，所以测量结果为3.2mA．（2）测量的是直流电压，量程为50V，应该用标满刻度为50的刻度线读数．由于是10分度，在读出16V后，还应该估读下一位，结果为16.0V.（3）测量的是电阻，倍率为×100，按表盘最上方的刻度读数，结果为3.4×10³Ω．（4）测电阻时指针偏转角度小，说明倍率太小了，所以应该增大倍率，操作步骤：①改用欧姆挡×1kΩ倍率；②重新调零；③测量并读数；④将选择开关置于OFF档或交变电压最高档；（5）电流应从红表笔经“＋”插孔流入电表；内部电池的正极跟“-”插孔相连。

8.电阻箱读数。

图三--13中的电阻箱有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数值（都为整数）乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到这时电阻箱的实际阻值。若指针所示如图，则阻值为84580.2Ω。

四、高考实验考查要点全解

（一）基于纸带的力学实验

1.研究匀变速直线运动

⑴测定匀变速直线运动的瞬时速度

依据：做匀变速直线运动的质点在某时刻的瞬时速度，等于以该时刻为中间时刻的那段时间的平均速度。

作法：（以图四--1为例，图中a、b、c、d、e、f、g各计数点间均略掉4个点。）

①先测定S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆.

②比较S₂－S₁；S₃－S₂；S₄－S₃；S₅－S₄与S₆－S₅是否相等

③若第二步的结论是肯定的，即可利用

求出打b、c、d、e、f各点时纸带运动的瞬时速度。

⑵测定匀变速直线运动加速度

当确认图四--1的纸带对应的运动是匀加速直线运动时，即可用下列两种方法测出其加速度：

方法一、逐差法。

加速度的各个测量值可用下列各式求出：

然后再对其求平均值，即可得出加速度的测量值。

应用此法得出的加速度的测量值为

其效果相当于针对从打a点到打d点，和打d点到打g点的过程直接应用求加速度（见图四--2）

方法二、速度图象法。

利用，，，，测出打b、c、d、e、f各点时的瞬时速度，然后做出如图四--3所示的图象。依据图象可求出其斜率——纸带运动的加速度。

【点评】①掌握两个物理量（速度和加速度）的测量；②掌握三种处理数据的方法——平均速度法、逐差法和作图法。

2.验证牛顿运动定律

【例4】某同学设计了一个“探究加速度与物体所受合力F及质量m的关系”实验。如图四—4（a）为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F等于砝码和小桶的总重量，小车运动加速度a可用纸带上打的点求得。

（1）图四--4（b）为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s²．（保留二位有效数字）

（2）在“探究加速度与质量的关系”时，保持砝码和小桶质量不变，改变小车质量m ，分别得到小车加速度a与质量m数据如下表：

根据表中数据，为直观反映F不变时a与m的关系，请在图四—4(c)方格坐标纸中选择恰当物理量建立坐标系，并作出图线。（如有需要，可利用上表中空格）

（3）在“探究加速度与力的关系”时，保持小车的质量不变，改变小桶中砝码的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F图线如图四—4（d）,该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。

【解析】（1）应用逐差法可得小车的加速度大小为3.2m/s²；（2）将小车加速度a与质量m数据表填写完整，图线如图四—4（c）^/所示；⑶实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分。

【点评】①掌握控制变量法；②能用逐差法计算加速度；③熟练掌握通过描绘、分析线性图线验证和探究物理规律的方法；④理解平衡摩擦力的意义，掌握平衡摩擦力的方法。

3.探究动能定理

【例5】某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是：

①摆好实验装置如图四—5所示。

②将质量为200g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车。

③在质量为10g、30g、50g的三种钩码中，他挑选了一个质量为50g的钩码挂在拉线的挂钩P上。

④释放小车，打开电磁打点计时器的电源，打出一条纸带。

（1）在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条。经测量、计算，得到如下数据：①第一个点到第N个点的距离为40.0cm。②打下第N点时小车的速度大小为1.00m/s。该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力，算出：拉力对小车做的功为 J，小车动能的增量为 J.

（2）此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功，等于物体动能的增量”，且误差很大。显然，在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素。请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因是：。

【解析】（1）0.196、 0.100 ；（2）①小车质量没有远大于钩码质量；②没有平衡摩擦力；③操作错误：先放小车后开电源。

【点评】①理解小车质量必须远大于钩码质量的物理意义；②能够正确分析实验的主要误差来源。

4.验证机械能守恒定律

⑴方法一：

①选出合格的纸带（第1、2个点间距大约为），将纸带上的第1个计时点记为0，从比较清晰的计时点开始依次记为1、2、3、4、5…….（见图四--6）。

②测出纸带上1、2、3、4、5……各个计时点到计时点0的距离(即下落的高度)h₁、h₂、h₃、h₄、h₅…….

③利用“做匀变速直线运动的质点在某时刻的瞬时速度，等于以该时刻为中间时刻的那段时间的平均速度”规律测出打2、3、4、5……各点时重锤下落的瞬时速度v₂、v₃、v₄、v₅…….(……)

④比较2gh₂、2gh₃、2gh₄、2gh₅…….与是否相等，从而验证机械能是否守恒。

⑵方法二：

①放弃最初的模糊不清的记时点，选择一个清晰的点记为0，再从适当的距离上将记时点依次编号为1、2、3、4、5……

②利用“做匀变速直线运动的质点在某时刻的即时速度，等于以该时刻为中间时刻的那段过程的平均速度”规律，测出打0号点时重锤下落的瞬时速度v₀及打1、2、3、4、5……各点时重锤下落的瞬时速度v₁、v₂、v₃、v₄、v₅……分别测出0号点到1、2、3、4……各点的距离h₁、h₂、h₃、h₄……（如图四--7）．

分别比较与、与、与、与……是否相等，若这些关系在误差允许的范围内近似相等，则机械能守恒就得到了验证。

【点评】深刻理解两种实验方法的物理实质（前者是，后者是），基于这两种物理实质还可以设计出多种验证机械能守恒定律的实验方案，请读者思考。

(二)其它力学实验

1.探究弹力和弹簧伸长的关系

利用如图四--8装置，改变钩码个数，测出弹簧总长度和所受拉力（钩码总重量）的多组对应值，填入表中，算出对应的弹簧的伸长量。在坐标系中描点，根据点的分布作出弹力F随伸长量x而变的图象，从而确定F-x间的函数关系。解释函数表达式中常数的物理意义及其单位。

该实验要注意区分弹簧总长度和弹簧伸长量。对探索性实验，要根据描出的点的走向，尝试判定函数关系。（这一点和验证性实验不同。）

【例6】某同学用如图四--8所示装置做探究弹力和弹簧伸长关系的实验。他先测出不挂砝码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，然后在弹簧下端挂上砝码，并逐个增加砝码，测出指针所指的标尺刻度，所得数据列表如下：（重力加速度g=10m/s²）

(1)根据所测数据，在图四—9（a）坐标纸上作出弹簧指针所指的标尺刻度x与砝码质量m的关系曲线。

(2)根据所测得的数据和关系曲线可以判断，在 N范围内弹力大小与弹簧伸长关系满足胡克定律。这种规格弹簧的劲度系数为 N/m..

【解析】⑴标尺刻度x与砝码质量m的关系曲线如图四—9（b）所示，可以看出，在0～5.0N之间，弹簧的弹力与伸长量是成正比的，当弹力大于5N后，弹力与伸长量已经不是正比关系了（实际上已经超出弹簧的弹性限度了）。（2）由可得k=26N/m.故答案为 0～5，26.

【点评】①应该注意选取适当的标度；②应该注意只有弹簧处于弹性限度内，坐标图线才是直线；③应该明确图线的物理意义。

2.互成角度度两个力的合成

本实验需要明确三个问题：

⑴本实验使用的测力计的量程通常为0～5N，分度值是0.1N.使用弹簧时应该注意：①使用前先将测力计的指针调零，再将两个测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，两测力计示数相同方可使用；②实验时，测力计不能超量程；③读数时，应该准确到0.1N.

⑵在同一次实验中，画力的图示选定的标度要相同，并且要恰当选定标度，使力的图示稍大一些，并严格按力的图示要求和几何作图法作出合力。

⑶本实验的主要误差来源：测力计本身、读数误差和作图误差。本实验允许的误差范围是：，。对于误差、和超过误差范围的数据应该认真分析原因。

3.用单摆测定重力加速度

⑴本实验需要注意的四个问题：

①摆长的测量：让单摆自由下垂，用米尺量出摆线长L^/（读到0.1mm），用游标卡尺量出摆球直径（读到0.1mm）算出半径r，则摆长L=L^/+r；

②开始摆动时需注意：摆角要小于5°（保证单摆做简谐运动），并且不要使摆动成为圆锥摆；

③必须从摆球通过最低点时开始计时，测出单摆做50次全振动所用时间，算出周期的平均值T；

④改变摆长重做几次实验，获取多组实验数据。

⑵本实验需要掌握的两种数据处理方法:

方法一:平均值法。

用数个摆长不同的单摆作实验，分别测出其摆长和振动周期，再求出与之对应的重力加速度测量值，然后对这些重力加速度的测量值求平均值。

方法二：图象法。

利用实验数据作出图象，然后利用该图象求重力加速度（，其中为图象的斜率）。

4.验证动量守恒定律

本实验需要掌握的五种常见实验方案：

方案一：用简易的斜槽轨道。

由于v₁、v₁^/、v₂^/均为水平方向，且它们的竖直下落高度都相等，所以它们飞行时间相等，若以该时间为时间单位，那么小球的水平射程的数值就等于它们的水平速度。在图四--10中分别用OP、OM和ON表示。因此只需验证：m₁žOP=m₁žOM+m₂žON即可。

注意事项：

⑴必须以质量较大的小球作为入射小球（保证碰撞后两小球都向前运动）。

⑵小球落地点的平均位置要用圆规来确定：用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面，圆心就是落点的平均位置。

⑶所用的仪器有：天平、刻度尺、碰撞实验器、复写纸、白纸、重锤、两个直径相同质量不同的小球、圆规。

⑷若被碰小球放在斜槽末端的小支柱上，那么两小球将同时做平抛运动，于是验证式就变为：m₁žOP=m₁žOM+m₂ž（ON-2r），这样我们还需要应用游标卡尺测量两个小球的直径。

方案二：用斜面小车和打点记时器。

装置如图四--11所示：斜面（长木板）；垫块；打点器；拖有纸带的小车A；沾有橡皮泥的小车B；纸带等。

实验步骤：

①用天平分别测出小车A和沾有橡皮泥的小车B的质量；

②适当垫高长木板固定有打点计时器的一端，使小车恰好能静止在木板上，且稍加推动即能沿长木板匀速下滑；

③将小车B轻轻地放在长木板的中部，把小车A靠近打点器，并将其纸带穿过打点器；

④先开动打点计时器，然后用适当的力沿斜面向下推小车A一下，使小车A沿长木板向下匀速运动，运动过程中与小车B相碰，且相碰后连在一起继续向下运动。在此过程中打点器便在纸带上打出了一连串的计时点（如图四--12）

⑤对纸带上的计时点进行必要的测量，结合已测出的两小车的质量，便可验证两小车在相碰过程中动量是否守恒，验证式为.

方案三：利用单摆装置。

如图四—13所示，质量为m_A的钢球A用细线悬挂于O点，质量为m_B的钢球B放在离地面高为H的小支柱上，O点到小球A的距离为L，小球释放前悬线伸直且悬线与竖直方向的夹角为α.小球A释放后到最低点与B发生正碰，碰撞后，B做平抛运动，A小球把轻杆指针OC推移到与竖直方向成夹角γ的位置，在地面上铺一张带有复写纸的白纸D.保持α角度不变，多次重复，在白纸上记录了多个B球的落地点。

要验证动量守恒定律需要测量的物理量有：①两个小球的质量m_A、m_B、碰撞前后的速度、、.②碰撞前小球A的速度可以由机械能守恒定律算出；碰撞后小球A的速度也可以由机械能守恒定律算出；碰撞后小球B作平抛运动，由平抛知识和得．

方案四：利用弹簧。

①先测出滑块A、B的质量M、m及滑块与桌面的动摩擦因数，查出当地的重力加速度g；

②用细线将滑块A、B连接，使A、B间的弹簧处于压缩状态，滑块B紧靠在桌边；

③剪断细线，测出滑块B做平抛运动落地时的水平位移为s₁，滑块A沿桌面滑行距离为s₂．

④如果动量守恒，须满足的关系是.

方案五：利用气垫导轨。

气垫导轨是常用的一种实验仪器。它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨以及滑块A和B来验证动量守恒定律，实验装置如图四--15所示(弹簧的长度忽略不计)，采用的实验步骤如下：

①用天平分别测出滑块A、B的质量m_A、m_B；

②调整气垫导轨，使导轨处于水平；

③在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧，用电动卡销锁定，静止放置在气垫导轨上；

④用刻度尺测出滑块A的左端至C挡板的距离L₁，滑块B的右端到D挡板的距离L₂；

⑤按下电钮放开卡销，同时使分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作。当A、B滑块分别碰撞C、D挡板时停止计时，记下滑块A、B分别到达挡板C、D的运动时间t₁和t₂；

⑥利用上述测量的实验数据，验证动量守恒定律的表达式是.

（三）基于电阻的电学实验

1.实验电路的基本组成

实验电路一般分两个部分：供电电路部分与测量电路部分。供电电路部分，由电源、开关和滑动变阻器按一定方式连接。测量电路由电表、电阻箱、待测电阻等元件按一定要求连接。

⑴供电电路部分——滑动变阻器

①滑动变阻器的结构及其连接方式

滑动变阻器是通过改变接入电阻丝的长度，可连续改变电阻值的可变电阻器。用它可以调节电路中电流的大小及两点间的电压。滑动变阻器的结构如图四--16所示，由表面涂有氧化绝缘层的粗细均匀的电阻丝（AB）密绕在瓷管上，滑动片（P）与电阻丝紧密接触（接触部分的氧化层已刮掉），且能在滑杆（CD）上左右滑动，根据，电阻的大小与接入电阻丝长度成正比，连续改变接入电阻的大小，结构简单操作方便。在实际使用中有两端接入串联限流与三端接入并联分压两种接入形式。图四--17是二端接入串联限流式电路，图四--18是三端接入并联分压式电路。

②连接方式的选择方法

限流式电路可省略一条耗电支路，分压式电路使电压调整范围更大。具体采用哪种电路，需要根据实验要求、所给的实验器材规格作出最佳选择。通常选定电路的参考依据是：

ⅰ.所给滑动变阻器的总阻值远小于测量电路电阻值，选用分压式电路；

ⅱ.要求测量电路中电压或电流变化范围较大，或明确提出电压是从零开始连续可调，选用分压式；

ⅲ.所给滑动变阻器阻值很大，远大于测量电路电阻值，选限流式电路较好；

ⅳ.在限流、分压电路均可用时，建议采用限流式电路较节能；

ⅴ.若采用限流电路，电路中的最小电流仍超过用电器的额定电流时，必须选用分压电路。

ⅵ.电学实验过程中必须遵循的原则是：确保实验器材的安全正常使用、最大限度准确获得实验数据减少误差、实验设计要易于操作、能耗少。

⑵测量电路部分——伏安法测电阻的两种电路

①两种电路的误差分析

由于实验原理不完善、测量仪表不准确、实验环境变化带来的误差，统一称为系统误差。这里所说的系统误差，特指由于实验原理不完善所带来的系统误差。系统误差具有确定的方向性，只要找出其产生的原因，就可采取适当措施，最大程度地减小误差。

在伏安法测量电阻的过程中，实际使用的电流表有内阻R_A（约为零点几～几十欧姆），电压表有内阻R_V（约为几十kΩ～几千kΩ），所以在伏安法测电阻的电路设计上，无论是图四--19还是图四--20均存在不可避免的系统误差。设实验中电流表、电压表示数分别为I、U。

图四--19电路是忽略了电压表的分流I_V。

测量值；　真实值；所以测量值偏小。

图四--20电路是忽略了电流表分压U_A。

测量值；真实值；所以测量值偏大。

②选择电路的两类方法

ⅰ.直接比较法：在已知电表内阻R_A、R_V及待测电阻R_X的范围时，可直接确定电路。

当，选用电流表外接电路；当，选用电流表内接电路。

ⅱ.测试判断法：在R_A、R_V、R_X均末知时，可采用以下方法来确定电路。按图四--21接好电路，通电后，电流表正常显示。用电压表的一个线头S，先后试触A、B两点，若在两次试触过程中电流表示数有明显变化，则S应接在B点，采用电流表内接形式；若电压表示数变化较明显，则S应接在A点，采用电压表外接电路。

【思考】若S接触到A点时，电压表示数是2.8V，电流表示数是5mA；当S接触到B点时，电压表示数是3.0V，电流表示数是4mA。为了较准确地测量R_X的值，S应接在哪一点？测量值R_X的较准确值是 Ω。测量值与真实值比较，偏差的情况是怎样？

【答案】（接B点，750Ω，测量值偏大）

2. 基本实验电路

要较好地设计出符合要求的电路，下列各种基本电路及原理需要较为熟悉。

⑴测电阻Rx的方法（如图四--22A、图四--22B、图四--22C）

图四—22A

图四—22B

图四—22C

⑵测电压表内阻R_V的方法（如图四--23A、图四--23B、图四—23C）



	将滑动变阻器滑片滑至最左端；闭合S，将Ｒ_０调至０；调节滑片位置，使伏特表满偏；当时，调节Ｒ_０，使伏特表半偏，Ｒ_０读数即为伏特表内阻。

图7C：电压半偏法

⑶测电流表内阻R_A的方法（如图四--24A、图四--24B、图四--24C）

⑷描绘小灯泡伏安特性曲线电路（如图四--25）；

原理：

⑸测电源电动势和内阻（E、r）的方法（如图四--26A、图四--26B、图四--26C）

原理：解方程组法。

【注】两种U-I法的误差分析（如图四—27、图四--28）：

3. 实例剖析

综观最近5全国各地高考物理电学实验设计性试题，不难发现此类试题的命题特点是：①以教科书中呈现的实验电路为原型；②通过巧妙设置试题条件改变原型实验电路中相关参数，使电表读数要么超量程，要么过小。

解决此类问题的策略：根据电学实验三原则（即安全性原则、准确性原则、方便性原则）和试题条件对相应的基本电路图（见P20～23页）进行选择或适当修改，就可以顺利得出答案，这种思路的实质上就是按图索骥。

【例7】（2010天津卷）要测量电压表V₁的内阻R_V，其量程为2V，内阻约2KΩ。实验室提供的器材有：

电流表A，量程0.6A，内阻约0.1Ω；

电压表V₂，量程5V，内阻为5KΩ；

定值电阻R₁，阻值30Ω；定值电阻R₂，阻值为3KΩ；

滑动变阻器R₃，最大阻值100Ω，额定电流1.5A；

电源E，电动势6V，内阻约0.5Ω；开关S一个，导线若干。

①有人拟将待测电压表V₁和电流表A串联接入电压合适的测量电路中，测出V₁的电压和电流，再计算出R_V。该方案实际上不可行，其最主要的原因是；

②请从上述器材中选择必要的器材，设计一个测量电压表V₁内阻R_V的实验电路。要求测量尽量准确，实验必须在同一电路中，且在不增减元件的条件下完成。试画出符合要求的实验电路图（图中电源与开关已连接好），并标出所选元件的相应字母代号：

③由上问写出V₁内阻R_V的表达方式，说明式中各测量量的物理意义。

【解析】ⅰ．由图四--23A、图四--23B、图四—23C可知测量电压表V₁的内阻R_V的基本电路图：图四――３０、图四—31、图四--32。

ⅱ．选择（或修改）方案：依据试题电流表A和电压表V₁的参数，易得图四――３０Ｕ－Ｉ法上图电流表Ａ不能准确测量出流过伏特表V₁的电流，舍弃；试题提供的器材没有电阻箱，故图四――３０Ｕ－Ｉ法下图和图四--32不能实现，舍弃；依据电压表V₁和电压表V₂的量程，易得图四—31上图应舍弃，图四—31下图符合要求。综上所述，符合要求的实验电路图如图四—33所示。

ⅲ．

【例8】（2010福建卷）如图四--34所示是一些准备用来测量待测电阻阻值的实验器材，器材及其规格列表如下：

为了能正常进行测量并尽可能减小测量误差，实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半，而且调节滑动变阻器能使电表读数有较明显的变化。请用实线代替导线，在所给的实验器材图中选择若干合适的器材，连成满足要求的测量阻值的电路。

【解析】ⅰ. 由图四--22A、图四--22B、图四--22C可知测量阻值的基本电路图：图四—35、图四—36、图四—37、图四--38。

ⅱ.选择（修改）方案：因为缺少必要的仪器，易知图四—36、图四—37和图四—38三个方案无法实现。可供我们应用的方案只有图四—35.依据试题提供仪器的参数可知，若用图四—35测量阻值，安培表示数过小，误差较大，所以应该舍弃安培表。须知已知阻

值的伏特表可以当做安培表使用（已知阻值的安培表可以当做伏特表使用），考虑到的量程，可得测量阻值的电路如图四—39所示。

（四）其它电学实验

1. 练习使用多用电表

⑴利用多用电表测电阻

①电阻调零；②选择适当的倍率。③将两个测试表笔短接，调节调零电阻，使表针指向零电阻(即最右边的刻度)；④将被测电阻接在两个测试表笔之间，读出指针指出的示数，乘以当前所选用的倍率，即为该电阻的阻值；⑤测完后将选择开关置于OFF档或交流电压最高档。

【说明】所谓“适当”，即实施测量时，表针指在表盘的中间区域。之所以这样要求，是因为指针指在表盘的中间区域时读数误差较小。可利用图四--40举例分析：

设待测电阻大约1500Ω，若倍率取“×100”时，则测量时表针指在表盘中间示数“15”附近，其测量精度为100Ω；若倍率取“×10”，则测量时表针将指在表盘左端示数“100~200”之间，其测量精度约为500Ω；若倍率取“×1k”，则测量时表针将指在示数“1～2”之间，其测量精度约为500Ω。显然倍率取“×100”，表针指在表盘的中间区域时测量精度较高，测量误差较小。

⑵利用多用电表判断二极管的正负极

①原理：由于二极管的正反向电阻有很大的区别(正向电阻很小，而反向电阻很大)，所以可以用多用电表测其正反向电阻，即可确定其正负极（即确定二极管的导电方向）。

②方法：用多用电表的欧姆档测二极管两个方向的电阻，所测电阻较小的那一次，与多用表的黑表笔所连接的那个极就是二极管的正极。

⑶利用多用电表探测黑箱

【例9】如图四--41所示，黑箱上有三个接点A、B、C，任意两个接点间最多只接一个元件，黑箱内所接的元件不超过两个。

【解析】测量过程及结论判定：

①用直流电压挡测量，A、B、C三点间均无电压；说明箱内无电源。

②用欧姆挡测量，A、C间正、反接阻值不变，说明A、C间有一个电阻。

③用欧姆挡测量，黑表笔接A红表笔接B时测得的阻值较小，反接时测得的阻值较大，说明箱内有一个二极管，可能在AB间，也可能在BC间，如图四—42、图四—43所示。

④用欧姆挡测量，黑表笔接C红表笔接B测得阻值比黑表笔A红表笔接B时测得的阻值大，说明二极管在AB间。所以黑箱内的两个元件的接法肯定是如图四—42所示。

【一般方法】判断黑箱内元件的思路：

2.传感器的简单使用

⑴热敏电阻特性实验

【例10】热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5Ω．热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水杯（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5kΩ）、滑动变阻器（0~20Ω）、开关、导线若干。

⑴在图四--44（甲）的方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。

⑵根据电路图，在图四--44（乙）的实物图上连线。

⑶简要写出完成接线后的主要实验步骤___________________________________。

【解析】⑴用伏安法测热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整，所以滑动变阻器必须用分压接法；因待测热敏电阻的阻值约4～5Ω，远小于电压表5kΩ的电阻，所以必须用电流表外接法，实验图如图四—45（甲）所示。

（2）实验图连线如图四—45（乙）所示。

（3）主要实验步骤如下：

①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计值；

②调节滑动变阻器，快速测出几组电流表和电压表的值；

③重复①、②，测量不同温度下的数据；

④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。

⑵光敏电阻特性实验

本实验需要掌握的要点为该实验的实验步骤：

① 将多用电表的选择开关置于欧姆档，选择适当的倍率，将两支表笔短接后调零；

② 把多用表的两支表笔接到光敏电阻的两个输出端，如图四—46所示，观察表盘指示的光敏电阻的阻值，记录下来；

③ 将手张开放在光敏电阻的上方，挡住部分照射到光敏电阻的光线，观察表盘所示光敏电阻阻值的变化，记录下来；

④ 上下移动手掌，观察表盘所示光敏电阻阻值的变化；

⑤ 拆开装置，将多用表的选择开关置于OFF档或交流最高档，将仪器按原样整理好。

⑶磁电传感器——霍尔元件的应用

霍尔元件能够把磁感强度(磁学量)转换为电压(电学量)。如图四--47所示，在一个很小的矩形半导体薄片上，制作四个电极C、D、E、F，就制成为一个霍尔元件。霍尔电压：其中k为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。一个霍尔元件的厚度d、比例系数k为定值，再保持I恒定，则电压U_H的变化就与B成正比，因此，霍尔元件又称磁敏元件。

霍尔效应：外部磁场使运动的载流子受到洛仑兹力，在导体板的一侧聚集，在导体板的另一侧会出现多余的另一种电荷，从而形成横向的电场；横向电场对电子施加与洛仑兹力相反的静电力，当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板两侧会形成稳定的电压。

设图四--47中CD方向长度为L₂，则：

根据电流的微观解释 I＝nqSv

整理后，得：，令，其中n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以有：.

（五）热学实验

用油膜法估测分子的大小的实验步骤：

①实验前应预先计算出每滴油酸溶液中纯油酸的实际体积：先了解配好的油酸溶液的浓度，再用量筒和滴管测出每滴溶液的体积，由此算出每滴溶液中纯油酸的体积V.

②油膜面积的测量：油膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，将油膜的形状用彩笔画在玻璃板上；将玻璃板放在坐标纸上，以1cm边长的正方形为单位，用四舍五入的方法数出油膜面积的数值S（以cm²为单位）。

③由d=V/S算出油膜的厚度，即分子直径的大小。

（六）光学实验

1.测定玻璃的折射率

⑴测定玻璃折射率实验的几种变式

①改变平行玻璃砖本身的特征

【例11】一块玻璃砖有两个相互平行的表面，其中一个表面是镀银的（光线不能通过此表面）.现要测定此玻璃的折射率，给定的器材还有：白纸、铅笔、大头针4枚（、、、）、带有刻度的直角三角板、量角器。实验时，先将玻璃砖放到白纸上，使上述两个相互平行的表面与纸面垂直。在纸上画出直线和，表示镀银的玻璃表面，表示另一表面，如图四--48所示。然后，在白纸上竖直插上两枚大头针、.用、的连线表示入射光线。

ⅰ.为了测量折射率，应如何正确使用大头针、？试在图四--48中标出、的位置。

ⅱ.然后，移去玻璃砖与大头针。试在图四—48中通过作图的方法标出光线从空气到玻璃中的入射角与折射角.简要写出作图步骤

ⅲ.写出用、表示的折射率公式。

【解析】ⅰ.在一侧观察、（经折射，反射，再经折射后）的像，在适当的位置插上，使得与、的像在一条直线上，即让挡住、的像；再插上，让它挡住（或）的像和.、的位置如图四—49；

ⅱ.过、作直线与交于；过、作直线与交于；利用刻度尺找到的中点；过点作的垂线，过点作的垂线与相交与，如图四--49所示，连接；,；ⅲ.

②改变数据处理方法

【例12】某同学由于没有量角器，在完成了光路图以后，以O点为圆心，10.00cm长为半径画圆，分别交线段OA于A点，交O、O’连线延长线于C点，过A点作法线NN’的垂线AB交于B点，过C点作法线NN’的垂线CD交NN’于D，如图四--50所示，用刻度尺量得OB=8.00cm，CD=4.00cm。由此可得出玻璃的折射率为。

【解析】如图四--50所示，入射角AOB的正弦值；

折射角DOC的正弦值；

因此，折射率

在直角三角形AOB中，OB=8.00cm，AO=10.00cm，所以AB=6.00cm

⑵误差分析

【例13】用插针法测定玻璃砖折射率的实验中，甲、乙、丙三位同学在纸上画出的界面aa′、bb′与玻璃砖位置的关系分别如图四--51①、②和③所示，其中甲、丙同学用的是矩形玻璃砖，乙同学用的是梯形玻璃砖。他们的其他操作均正确，且均以 aa′、bb′为界面画光路图。则

甲同学测得的折射率与真实值相比（填“偏大”、“偏小”或“不变”）

乙同学测得的折射率与真实值相比（填“偏大”、“偏小”或“不变”）

丙同学测得的折射率与真实值相比（填“偏大”、“偏小”或“不变”）

答案：偏小；不变；可能偏大、可能偏小、可能不变。

【解析】图解法。

甲同学测得的折射率与真实值相比偏小；分析如图四--52a所示：bb^/的位置移动导致折射角偏大。

乙同学测得的折射率与真实值相比不变；分析如图四--52b所示：aa′与bb′不平行，不影响折射角的测量。

丙同学测得的折射率与真实值相比可能偏大、可能偏小、可能不变；分析如图四--52c(这种情况不变)、图四--52d（这种情况因为折射角偏大致使折射率偏小）、图四--52e（这种情况因为折射角偏小致使折射率偏大）所示。

【点评】①减小实验误差的做法：入射角宜在之间，确定入射光线的两枚大头针和确定出射光线的两枚大头针距离均应尽量大些，两边界线应该画准并且玻璃砖不能移动；②掌握处理实验数据的两种方法。

2.用双缝干涉测光的波长

【例14】图四--53①是利用双缝干涉测某单色光波长的实验装置．测得双缝屏到毛玻璃屏的距离为0.2m、双缝的距离为0.4mm．图四--53②是通过该仪器的观测装置看到毛玻璃屏上的干涉图样，其中1、2、3、4、5……是明条纹的编号．图四--53③、图四--53④是利用该仪器测光的波长时观察到的情景，图四--53③是测第1号明条纹的位置，此时观测装置上千分尺的读数为 mm，图四--53④是测第4号明条纹的位置，此时观测装置上千分尺的读数为 mm。根据上面测出的测量数据可知，被测光的波长为 nm。

【解析】图四--53③是测第1号明条纹的位置，此时观测装置上千分尺的读数为0.500mm，图四--53④是测第4号明条纹的位置，此时观测装置上千分尺的读数为2.980mm；显然.根据上面测出的测量数据可知，被测光的波长为

【点评】⑴本实验需要考生熟记光具座上的光学元件并明确如何摆放；⑵考生应熟练掌握实验步骤（①将光源和遮光筒安在光具座上，调整光源的位置，使光源发出的光能平行地进入遮光筒并照亮光屏；②放置单缝和双缝，使缝相互平行，调整个光学元件的间距，观察白光的双缝干涉图样；③在光源和单缝间放置滤光片，使单一颜色的光通过后观察单色光的双缝干涉图样；④用米尺测出双缝到屏的距离L，用测量头测出相邻的两条明条纹（或暗条纹）的距离；⑤利用条纹间距公式，求单色光的波长；⑥换用不同颜色的滤光片，观察干涉图样的异同，并求出相应的波长。）；⑶能够应用条纹间距公式进行定性分析和定量计算。