求解物理实验原理。
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发布时间：2022-05-02 19:25
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时间：2022-05-10 13:44
设计性实验是近几年高考热点也是得分难点。鉴于此，对物理实验的复习，提出以下看法：
一是基本仪器的使用仍是实验复习的基础。
不管上一年度有无考到仪器的使用，我们对常用的物理仪器要熟练运用，这是实验的基础，是实验的工具，任何时侯都不过时。在这方面花些时间是必需的。常见的有十三种仪器，这十三种仪器是刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、弹簧称、温度计、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。这些工具的使用每本复习用书上都有很详细的说明，本文不再多言。
二要从多种视角重新审视和组合实验板块。
在物理实验总复习中，我们不应孤立地看待一个个实验，而应该从这些实验的原理、步骤、数据采集与处理方式的异同上，给这些实验分门别类，从而组成不同的实验板块。平时我们已经自觉或不自觉地把实验分成力学实验板块、电学实验板块、热学实验板块、光学实验板块。但这样的处理只是简单地重复了物理课本知识的体系，大多数情况下也是为了讲解的方便，没有多大的创意，对于学生思维的开发和对实验的科学思维方式的培养显得很不够的。在此，我认为我们要在这些实验的组合板块中挖掘一些功能，培养学生一种实验的常规意识，比如对于力学板块，这是由验证力的合成与分解、打点计时器的使用和测匀变速直线运动加速度、验证机械能守恒定律、验证牛顿第二定律、验证动量守恒定律等实验组成的一个大的实验板块。
我们还可以把视野再扩大一些，以各种角度重新组合新的实验板块，比如按测量型与验证型可把实验分成两大板块，按能进行图像处理数据和不能用图像处理数据又可以把实验分成两大板块。我们可以提示学生这样划分板块，但把一个具体实验归类于哪个板块，这要学生自已思考，比如说用图像法处理数据，学生们熟悉的是验证牛顿第二定律和测定电池电动势和内电阻的实验，不过画出的图形必须是直线，否则不好处理。这给予学生们思考的空间，其实还有许多实验也是可以这样处理的，它们都可以归类于用图像法处理数据，比如用单摆测重力加速度的实验，我们测的是周期T和摆长L，再由公式来计算，书本上采用的是多测几组再求平均值法，现在我们可以以L和T2/4л2为坐标轴，用测得的数据放入描点，画直线求斜率即是g。
高中物理实验复习
一、 基本仪器的使用
游标卡尺
设计原理：游标尺上n个刻度的总长度与主尺上（n-1）个刻度的总长度相等，如果游标尺的最小刻度的长为x，相应主尺上的每个最小刻度的长为y，则有nx=(n-1)y,由此式可得游标尺与主尺两者最小刻度长度的差为k=y-x=y/n，我们把k叫做游标卡尺的精确度。其值由游标尺的刻度数和主尺上的归小刻度长度y决定。
读数原理：①先读整数部分：整数部分由主尺上读得，即游标尺零刻度线在主尺的多少毫米刻度线的右边，该毫米刻度值就是应读得的以毫米为单位的整数部分L
②再读小数部分：小数部分由游尺上第几条刻度线与主尺上某一刻度线对齐后读出，即游标卡尺的准确度k×n=读出的小数部分（可记为通式k×n）
③测量值为上述两部分读数之和，并按有效数字规则记录，通用公式可写为s=L+k×n
习题
例1：用一10分度的游标卡尺测量一长度为6.8mm的物体，则游标的哪个刻度与主尺的哪个刻度对齐？14mm处
1、游标有20个刻度的游标卡尺游标总长等于19毫米，它的测量精度是多少？测量时如游标的零刻度在尺身的2．4厘米和2．5厘米之间，游标的第16条刻度线与尺身对齐，测量的结果是多少？
弹簧秤
使用弹簧秤的注意事项：
① 根据被测力的大小选择弹簧秤的量程，不能超量程测量，否则会损坏弹簧秤
② 使用前要检查弹簧秤的指针是否指到零位置，如果不指零，就需要调节器零
③ 被测力的方向应与弹簧秤轴线方向一致
④ 读数时应正对平视。一次测量的时间不宜过长，以免弹簧疲劳
⑤ 弹簧、指针、拉杆都不能与刻度板末端的限位卡发生摩擦
⑥ 读数时，除读出弹簧秤上最小刻度所表示的数值，还要估读一位。
秒表
使用注意事项：使用秒表前应检查秒表指针是否与零点对齐，如果不能对齐，应记下此时秒针所指示的数值，并对读数作修正； 测量完毕，应让秒表继续走动，使发条完全放松，释放弹性势能，使发条恢复到松弛状态。
二、测定性实验
测定匀变速直线运动的加速度
由纸带求物体运动加速度的方法：
a.逐差法：s4-s1＝s5-s2＝s6-s3＝…＝3aT2，分别求出a1＝(s4-s1)/3T2,a2＝(s5-s2)/3T2,a3＝(s6-s3)/3T2,再算出a1、a2、a3的平均值，即为物体运动的加速度.
b.v—t图像法：先根据vn＝(sn+sn+1)/2T求出打第n个点时纸带的瞬时速度，作出v—t图像，图线的斜率即为物体运动的加速度
习题：
1、在“测定匀变速直线运动的加速度”实验中，下列方法中有助于减小实验误差的是（ACD ）
A 选取记数点，把每打5个点的时间间隔作为一个时间单位
B 使小车运动的加速度尽量小些
C 舍去纸带上开始时密集的点，只得用点迹清晰、点间间隔适当的那一部分进行测量、计算
D 适当增加挂在细绳下钩码的个数
2、在研究匀变速直线运动的实验中，算出小车经各计数点的瞬时的速度如下：
计数点序号 1 2 3 4 5 6
计数点对应的时刻(s) 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
通过计数点的速度(cm/s) 44.0 62.0 81.0 100.0 110.0 168.0
(1)为了计算加速度，合理的方法是( C )
A 根据任意两计数点的速度公式，用a＝Δv/Δt算加速度.
B 根据实验数据画出v-t图，量出其倾角，由公式a＝tgα求加速度.
C 根据实验数据画出v-t图，由图上相距较远的两点，由a＝Δv/Δt求a.
D依次算出通过连续两计数点间的加速度，算出其平均值作小车的加速度.
(2)由上表中给出的数据，用作图法求其加速度
3、在研究匀变速直线运动的实验中，如图2一22所示，为一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的记数点，相邻记数点间的时间间隔T=0.1s。
（1）根据_ΔS=恒量_可判定小车做匀加速直线运动。
（2）根据_ _______计算各点的瞬时速度，且VA= 0.53m/s ，VB=0.88m/s ，VC =1.23m/s，VD=1.53m/s，VE=1.93m/s 。
（3）在图2一23所示的坐标中作出小车的v一t，图线，并根据图线求出a=_3.5m/s2____。
4）将图线延长与纵轴相交，交点的速度是_0.53m/s_，此速度的物理意义是__VA_____。
用单摆测定重力加速度
实验注意事项：
①摆线要用细而轻且不可伸长的1m左右的线制成.
②摆球要用密度大的实心球.
③测摆长时应使摆自然下垂，测悬点到球心间的距离.
④单摆摆动时应使摆线在同一平面内且摆角小于10°.
⑤测周期时，应从摆球经平衡位置时开始计时，要测30或50次全振动时间，取平均值计算
习题
4、用单摆测重力加速度的实验中，用的摆球密度不均匀，无法确定重心位置.第一次量得悬线长L1(不计半径)，测得周期为T1；第二次测得悬线长为L2周期为T2，根据上述数据，g值应为( B )
A. 4π2（L1+L2）/（T12+T22） B. 4π2（L1-L2）/（T12-T22）
C. 4π2 /T1T2 D.无法计算
5、两名同学在分析用单摆测重力加速度时由于摆球受空气阻力而对单摆周期产生影响问题时，甲同学说：空气对摆球的浮力与重力方向相反，浮力对摆球作用相当于重力加速度变小，因此振动周期变大.乙同学说：浮力对摆球的影响好像用一个轻一些的摆球做实验，单摆振动周期与摆球质量无关，因此振动周期不变，试分析这两种说法的正误.
解析：如图甲所示，无空气浮力时，摆球做简谐振动的回复力是重力的切向分量G1，F回=mg�6�1sinθ，θ是摆角.
有空气浮力时，如图乙所示，设摆球受重力和浮力的合力F=mg-F�浮，方向竖直向下，这时摆球做简谐振动的回复力是F的切向分量F1，
F′回=F1=F�6�1sinθ=(mg-F浮)�6�1sinθ
F′回=m(g- )�6�1sinθ=mg′�6�1sinθ，g′=g-
这时摆球的质量不变，回复力减小，相当于重力加速度减小，周期增大，甲同学说得对.
乙同学说法的错误在于没有正确理解周期与摆球质量无关的特点，单摆周期与质量无关的原因是：回复力F回=mg�6�1sinθ，F回与质量m成正比.回复力F�回产生的指向平衡位置的加速度.
a= =g�6�1sinθ与质量无关，所以周期与m无关.有浮力时F回′=(mg-F浮)�6�1sinθ
a′=(g- )�6�1sinθ,显见a′＜a
所以T增大.单摆振动周期与质量无关也可以从F回=-k�6�1x,k是回复系数，而简谐振动周期T=2π ,代入k讨论得出.
二、 验证性实验
验证力的平行四边形定则
注意：
1、在本实验中，以橡皮条的伸长（结点到达某一位置）来衡量力的作用效果，因此，在同一次实验中应使两种情况下结点达到同一位置。
2、实验前，首先检查弹簧秤的零点是否正确，实验中，弹簧秤必须保持与木板平等，使用时不能超过弹性限度，读数时眼睛一定要正对刻度，读到最小刻度的下一位。
3、画力的图示时，标度的称取应恰当，严格按几何作图法求合力
习题
6、 如图所示为验证力的平行四边形法则的实验装置示意图，通过细线用两个互成角度的测力计拉橡皮条使结点移到某一位置O.此时需要记下：
(1) ；
(2) ；
(3) ；
然后，只用一个测力计再把橡皮条拉长，使结点到达位置 .再记下
(4) ；
(5) ；
(6)实验中，应使各拉力方向位于 同一平面 ，且与木板平面 平行 。
验证机械能守恒定律
注意：
(1)安装打点计时器时，必须使穿纸带的两个限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.
(2)接通电源前，穿过打点计时器的纸带应平展不卷曲，提纸带的手必须拿稳纸带，并使纸带保持竖直，从而不致人为地增大摩擦阻力，导致机械能损耗.
(3)实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常后才能松开纸带让垂锤下落，从而使纸带下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点.
(4)选用纸带应尽量挑选第1、2两点间的距离接近2mm的纸带，以保让打第一个点时纸带的速度为零.
(5)测量下落高度时，都必须从起点算起，不能搞错，选取的各个计数点要离起始点适当远一些，以减小测量高度h值的相对误差.
(6)因验证的是ghn,是否等于Vn2/2，不需要知道动能的具体数值，故无需测量重锤的质量m.
实验误差
由于重物和纸带在下落过程中要克服阻力(主要是打点纸带所受的阻力)做功，所以势能的减小量△Ep稍大于动能的增加量△Ek.
习题
7、 在验证机械能守恒定律的实验中，有同学按以下步骤进行实验操作：
A.用天平称出重锤和夹子的质量；
B.固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器；
C.松开纸带，接通电源，开始打点.并如此重复多次，以得到几条打点纸带；
D.取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较近处选择几个连续计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值；
E.测出各点到O点的距离，即得到重锤下落高度；
F.计算出mghn和 mυ2n/2，看两者是否相等.
在以上步骤中，不必要的步骤是 A ；有错误或不妥的步骤是 BCDF (填写代表字母)；更正情况是① B中“让手尽量靠近”应改为“让重锤尽量靠近打点计时器” ，② C中应先接通电源，后松开纸带 ，③ D中应将“距离O点较近处”改为“距离O点较远处” ，④ F中应改为“ghn和υ2n/2”
8、在利用重锤自由下落“验证机械能守恒定律”的实验中，在打出纸带并测量出第n点到第1点的距离后，用公式υn=ngT(T为打点时间间隔)来计算打第n点时重锤的速度，然后计算重锤动能的增量△Ek和重锤重力势能的减少量△Ep.计算时经常出现△Ek＞△Ep的结果，试分析其中的原因.
解析：本题可从如下两方面进行分析：(1)由于重锤和纸带受到阻力，它们下落的实际加速度a将小于重力加速度，而利用重力加速度g来计算速度υ=n�6�1g�6�1T，将使得υ值偏大. (2)在先接通电源使打点计时器工作，再让纸带从静止释放的步骤中，常常容易造成纸带上记录下来的最初两点之间的时间间隔小于0.02s，计算中仍按0.02s计算，也将使得速度值υ=n�6�1g�6�1T偏大.
9、某同学在做“验证机械能守恒定律”的实验时，不慎将一条选择好的纸带的前面部分损坏了，剩下的一条纸带上各点间的距离，他测出并标在纸带上，如下图所示.已知打点计时器的周期是0.02s，重力加速度为9.8m/s2.
(1) 利用纸带说明重锤(质量为mkg)通过对应于2、5两点过程中机械能守恒.
(1)重锤在对应2、5两点时的速度分别为
υ1= m/s=1.495m/s υ2= m/s=2.06m/s
则重锤在2、5两点对应过程的动能增加量为
△Ek=Ek2-Ek1= mυ22- mυ21=1.004mJ,
而重锤在该过程中下落的距离为
△h=(3.18+3.56+3.94)×10-2m=10.68×10-2m
则重锤在该过程减小的重力势能为
△Ep=mg�6�1△h=1.047mJ
在允许的实验误差范围内可以认为△Ek=△Ep,即机械能守恒.
(2) 说明为什么得到的结果是重锤重力势能的减小量△Ep稍大于重锤动能的增加量△Ek?
因重锤拖着纸带下落时，空气阻力和打点计时器的阻力做功而使重锤的机械能有损失，故重力势能的减小量稍大于动能的增加量
验证动量守恒定律
实验需注意事项
(1)为保证两球在水平方向作同一直线上的对心正碰，必须将斜槽末端切线调节成水平然后固定；
(2)为使入射球A在碰后能沿原方向运动，必须使A球的质量大于被碰球B的质量.
(3)为保证多次重复实验的条件相同，一是必须使入射球每次都是从斜槽上同一位置从静止开始滚下；二是注意不能移动实验桌、斜槽和白纸.
(4)必须明确标明重锤线尖端所指的位置O.以便能较精确地确定两球作平抛运动的抛出点，从而获得较精确的水平位移大小.
练习
1、某同学用如下图所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律.图中PQ是斜槽，QR为水平槽.实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹.重复上述操作10次，得到10个落点痕迹.再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让A球仍从位置G由静止开始滚下，和B球碰撞后，A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹.重复这种操作10次.图(甲)中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点.B球落点痕迹如图(乙)所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，米尺的零点与O点对齐.
(1)碰撞后，B球的水平射程应取为64.7 cm.
(2)在以下选项中，哪些是本次实验必须进行的测量?答ABD (填选项号).
A.水平槽上未放B球时，测量A球落点位置到O点的距离
B.A球与B球碰撞后，测量A球落点位置到O点的距离
C.测量A球或B球的直径
D.测量A球和B球的质量(或两球质量之比)
E.测量G点相对于水平槽面的高度.
2、某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之作匀速运动.然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续作匀速运动，他设计的具体装置如下图所示.在小车A后连着纸带，电磁打点计时器电源频率为50HZ，长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力.
(1)若已得到打点纸带如上图，并测得各计数点间距标在图上，A为运动起始的第一点，则应选 BC 段来计算A的碰前速度，应选 DE 段来计算A和B碰后的共同速度.(以上两格填“AB”或“BC”或“DC”或“DE”).
(2)已测得小车A的质量m1=0.40kg,小车B的质量m2=0.20kg,由以上测量结果可得：
碰前总动量= 0.42 kg.m/s.
碰后总动量= 0.417 kg.m/s.
由上述实验结果得到的结论是: 在误差允许范围内，A、B两车作用前后的总动量相等，系统的动量守恒。
三、研究性实验
研究平抛物体的运动
1、在研究平抛物体的运动的实验中，坐标原点0及竖直向下的轴的确定，下列说法正确的是（AD）
A O点在斜槽末端点处
B O点在斜槽末端点正前方r处（r为小球半径）
C 过0点画一条平行木板边缘向下的线作为轴
D 过0点利用重锤线画一条竖直线作为轴
2．如图所示为做平抛运动实验的专用卡片，长方形孔的宽度为a，长度为b，c为描轨迹点的缺口，若小球半径为r，则下列说法中正确的是（AB ）
A 缺口c应在折线处且紧贴木板上的白纸
B a应略大小2r（r为球半径）
C b应等于2r D a应等于2r
3、下列哪些因素会使实验的误差增大（ B ）
A 小球与斜槽之间有摩擦 B 安装斜槽时其末端不水平
C 建立坐标系时以斜槽末端端口位置为坐标原点 D 每次释放小球的位置相同
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时间：2022-05-10 15:02
