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高中物理实验概述和演示实验

【考纲要求】
1.明确物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理实验所处的基础地位和不可替代的作用。
2.要求知道有效数字的概念，要用有效数字表达直接测量的结果。
3.要求正确熟练使用如下仪器：①刻度尺 ②游标卡尺 ③螺旋测微器 ④天平 ⑤秒表 ⑥打点计时器 ⑦弹簧秤 ⑧温度表 ⑨电流表 ⑩电压表 多用表 滑线变阻器 电阻箱等。
4.明确各演示实验和有关小实验的实验目的和实验原理，掌握所涉及的各种实验器材的使用方法，明白详细的操作步骤，并能进一步分析实验中注意事项和误差原因。

【知识结构】

热点导析
1.高考物理实验试题的特点和发展趋势
2001年版《高考物理学科考试说明》对实验能力的要求是：能在理解的基础上独立完成规定的实验；明确实验目的，理解实验原理，控制实验条件；会正确地使用规定实验中使用过的实验仪器；会观察、分析实验现象、处理实验数据并得出结论；会运用在规定实验中学过的实验方法。
根据考纲和高考对能力要求放在首位的要求，作为考查学生能力最有效的科学之一——物理更强调实验能力的考查。因而提高物理实验能力、开展有效的物理实验复习，既是符合自身素质的需要，更是顺利通过高考的需要。
分析最近几年高考物理实验题可得出如下特点：①试题覆盖面广，重点突出，从1993年至今，已考实验占17个总实验的70%以上。并且考查更多的是电学方面实验，其中电表测电阻考得最多。但最近几年力学实验的考查有所增加。②注意联系实验操作的考查，如测量仪器的读数问题、实验线路的连线问题、电表和其他用电器的选择问题都是实验操作的仿真模拟，需要考生具备良好的动手实践经验才能正确解答，没有实际操作训练无法设计和解答。③重视对演示实验的考查，80年代高考主要考查学生实验内容，从1991年高考开始涉及演示实验内容，并从要求和难度上不断提高，如1996年第6题“演示平行板电容器与哪些因素有关”重点考查对原理的理解和掌握、怎样由实验现象得出实验结论、测量仪器介入对被测量的影响等。1998年第18题“测LC振荡电路的周期”要求考生用图线法处理数据，突出了实验基本处理方法的归纳与灵活运用。④进一步重视对实验知识迁移运用能力的考查。90年代至今高考物理实验题较少直接考查课本原实验，而更多地考“变形”“提升”的实验，如1993年的“20分度游标卡尺”，2001年全国卷半偏法测安培表内阻及误差分析等，均为源于课本而高于课本的考题。
从现有高考试卷成功探索的基础上，将不断完善实验能力的考查，并从实验目的的确定、实验原理的设计、仪器的选择和使用、步骤的操作、故障排除、实验现象和实验数据分析处理、误差分析等方面进行命题。

2.物理实验复习方法
首先，要抓纲务本、注重实践。实际动手操作有助于实验者领会实验原理和方法，体会设计思想，加深实验过程的印象。在二轮复习阶段应选择一些在仪器选择使用、实验条件的控制和改变、数据的处理等方面有一定典型要求的重点实验进行重新操作，如“牛二定律验证”、“测金属丝电阻率”等，如能真正搞通这些实验的原理、思想、方法和误差分析等内容，那么不仅能对原实验试题应付自如，而且能将这些实验知识迁移运用到新情景中帮助创新、设计出新的实验。
其次，要注意归类梳理，打好基础。将所学知识系统化，有助于对知识的深层次理解，也有助于技能的形成。由于各种实验知识是分散在各个分组实验和演示实验中，因而对知识的归类梳理就显得更为重要。先对各实验进行系统复习，再从目的、原理、需测物理量、器材、条件控制、步骤、数据处理、误差分析等方面进行比较、归纳，找出各实验的共同点和不同点，以达到巩固与活化有关知识的目的。
最后，还应注意拓展，尝试应用。以规定实验为起点，可尝试实验原理方法、实验器材、数据处理等方面的改变，如能否改用电阻箱和电压表或电阻箱与电流表测电池电动势和内电阻。尝试解答一些设计性实验试题，以摸索解答设计性实验试题的一般规律。一般解答设计性实验试题要经历如下思维过程：（1）依据实验要求和已有实验和理论知识进行原理设计和合理性论证，包括画原理图、装置图，导出公式，并论证实验设计的合理性；（2）制订实验步骤进行模拟操作；（3）确定数据处理的方法和误差分析。

3.实验数据的处理
①按有效数字规则读数：测量结果中可靠的几位数字加上可疑（估读）的一位统称为测量结果的有效数字。有效数字位数与十进制单位的变换无关。当然从有效数字的位数可读出仪器的最小刻度。例如某一长度L=1.3450m是用毫米刻度尺读得数值，而1.3450cm是由螺旋测微器读得的长度数值。
②以算术平均值代表测量结果：在计量性测量中，真实值难以确切知道，对某量多次测量结果不会完全相同，而多次测量的算术平均值是真实值的最好近似，它可以使多次测量的正负偶然误差有所抵消。
③列表法处理数据结果：是将数据（包括有些中间量）列成表，表示出有关物理量的对应关系，这样可更好分析结果及其合理性，及时发现各量的规律性联系，求出经验公式。并提高处理数据的效率，利用误差分极及数据查对，减少和避免错误。
④作图法处理数据：作图法形象、直观，可据图线找函数关系，确定图线方程，平滑曲线还具有多次测量取平均值的效果，有时可据图线发现测量错误。作图的一般规则是在坐标纸上先应标明坐标轴（物理量符号及单位），定点后连线应是直线或平滑曲线或其他曲线，个别偏离较大的错误点应舍去。应明确有关图线纵横轴截距的含义、斜率的意义，需要时设法经变换将曲线改为直线（如验证玻意尔定律时作p-线）。
⑤误差：按计算方法可分绝对误差（测量值-真实值=绝对误差）、相对误差（×100%=相对误差）两种；按误差来源又可分系统误差（由仪器本身不精确、实验方法粗略、实验原理不完善等而产生）和偶然误差（由于各种偶然人为因素造成的忽大忽小无规则误差）两种。例如在用伏安法测电阻实验中，由于实验者读数习惯估计能力不同而引起误差叫偶然误差；由于未考虑安培表内阻而对伏安法安培表内接电路引起误差叫系统误差。

4.常见基本测量仪器有关注意点
①游标卡尺
精度（最小刻度）等于主尺上一格（或二格）与动尺（游标尺）上一格的差值。如10分度游标卡尺通常是动尺10格，总长9mm，每隔即为0.9mm，精度为0.1mm，当然若动尺10格，总长19mm，每格即为1.9mm，精度仍为0.1mm，而不是0.05mm。若动尺20格，总长19mm，每格0.95mm，精度即为0.05mm。
游标卡尺的读数=主尺读数（毫米数）+游标对齐刻度线×精度（毫米数），主尺读数指游标尺的零刻度线所对应的主尺上的整数毫米线，游标尺对齐刻度线指游标尺第几根与主轴某根对齐，就读成第几根。
②螺旋测微器
精度是0.01mm，可估读到0.001mm。
螺旋测微器读数=固定刻度值+可动刻度值+估计值
读数时应注意零误差的修正和紧锁开关的使用。
③滑动变阻器
可作为分压电阻和限流电阻两种接法使用，但不论变阻器是全部或部分接入电路，电流强度均不得超过额定值。分压电路中，起始位置应在最小电阻处，限流电路中，起始位置应在最大电阻处。
④电阻箱
在电路中可作为可调节的标准电阻。读数时各旋钮对应指示点的读数乘面板上标记的倍数然后相加，就得出电阻的指示值，读数时按从高倍到低倍的顺序读出。电阻箱使用时应注意：不得过载使用，注意额定电流和电阻额定功率；电阻接入电路时，阻值要大一些，以免电路电流太大烧坏电表；若需要将电阻箱阻值调小时，应先调大再调小，如要将210Ω调到209Ω，应将210Ω先调为219Ω，再调为209Ω，不能先调为200Ω，再调为209Ω，同样要将9Ω调到10Ω，应先调为19Ω，不能先调为0Ω，再调为10Ω；电阻箱不能代替变阻器长时间通电使用。
⑤灵敏电流计（检流计）
在电路中可用来测量微弱电流、电压的有无和方向。使用时，应首先注意机械调零。同时要注意待测电流（电压）不能超过检流计量程；其次要留意指针偏转方向与电流方向间关系，指针偏转角度大小与电流大小间关系；最后要注意检流计不长时间通电和搬运电流计应注意将两接线柱短路。
⑥直流电压表、电流表
应注意正负极和量程（指针达满偏角度的～最佳），注意读数的估读和电表对测量电路的影响。当然也要注意机械调零。

典型例析
例1 下列数据中，有效数字位数最少的是（ ）
A.0.300m B.1.02V C.0.37A D.2×103Ω
解析 由有效数字位数规定，（A）（B）均为3位，C为2位，D为1位。答案应为D。
说明 按规定，有效数字的位数与单位的选取即由于移动小数点而导致非零数字前的零个数增减无关，而数字后面的零属有效数字位数。

例2 使用灵敏电流计应注意（ ）
A.不能接在电流较大的电路中 B.正负接线柱不能接错，以防烧坏电流计
C.接入电路前应调整指针的机械零点 D.灵敏电流计使用前必须校正满度电流
解析 灵敏电流计，不同于电流表，它的作用主要用来制定微小电流的有、无、未知电势的高低等。所以应选A、C。
说明 灵敏电流计量程只有几十到几百微安，而且它的零刻度不在左边而在中央，但应事前进行机械调零，因为灵敏电流计偏角的大小与所测电流成正比，所以它不仅可测电势高低和电流的流向，而且还能表示未知电流间相对大小。

例3 如图9-16-1所示，用一根橡皮绳子来演示绳子的横波，现保持绳子张力不变使得波速不变，用手抖动绳的一端就有一列波向绳的另一端传去，若手抖动频率加快，则波长怎变？

解析 由题意知，v恒定，而v=λf，由于f变大，所以λ变小。
说明 绳波传的是横波，由张力决定波速，由波源决定频率，λ由前两者共同决定。若在均匀介质中传播的波，则由介质性质决定波速，由波源决定频率，波长最后由v和f算得。

例4 布朗运动和扩散运动不但说明了 ，而且说明了 。
解析 布朗运动和扩散运动首先说明了液体分子做无规则永不停息的运动。同时，由于明确了液体分子无规则永不停息的运动，说明分子间是有运动空隙的，否则无法实现运动。所以第一线填“液体分子作无规则永不停息的运动”，第二线填“分子间有空隙”。
说明 布朗运动、扩散运动本身是固体小颗粒的运动，而不是液体分子运动，而能说明（反映）液体分子无规则永不停息的运动。在这里一定要注意用词的确切达意。

例5 在研究磁场对直线电流作用力的实验中发现导体棒不偏转可能的原因是（ ）
A.电路断开，棒中无电流 B.未安装蹄形磁铁
C.棒所在处磁场方向与棒平行 D.棒所在处磁场方向水平
解析 应选A、B、C、D。
说明 据原演示实验装置图，要让金属棒发出左右偏转，必须受到左右方向的安培力，若安培力上下方向也无法让棒产生偏转。所以D不能漏选。

例6 用天平称量物体的质量时，右盘中已放了砝码68g，游码位置如图9-16-2所示，则被称物体的质量为 g。

解析 由图可知，该天平的最小分度为0.04g，除以2结果为0.02g，误差出现在百分位上，读数时只能估读到克的百分位上，因此被测物体的质量为：
m=68g+7×0.04g=68.28g
说明 托盘天平的精度（最小刻度）即为横梁游码所表示。

例7 图9-16-3给出的是用螺旋测微器测量一小钢球的直径的示数。此读数应是
mm．

解析 螺旋测微器的最小刻度为0.01mm，误差出现在毫米的千分位上，所以在毫米的千分位上进行估读。
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，并再估读一位数字，最后将两次读数相加就是所要测量的的正确读数（可用公式d=固定刻度示数+可动刻度示数×最小分度值计算）。根据螺旋测微器的读数方法可得：被测小球的直径为：d=8.5mm+10.0×0.01mm=8.600mm。
说明 在读数的时候一定要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻度线是否已经露出。若忽略了这一点，本题会误读为8.100mm。

例8 某同学用多用电表欧姆挡测电阻，指针所指位置如图所示，则被测电阻的阻值约为 Ω。
解析 用多用电表的欧姆挡测出的电阻值由表盘读数和档位选择倍数两部分组成，读数计算方法为：
被测电阻R=表盘刻度数（整刻度数+估读数）×档位选择倍数。
由图9-16-4可知档位选择开关所指的倍数为×100，表针指的位置为22，因此被测电阻的阻值为：
R=22×100Ω=2.2×103Ω

说明 （1）欧姆表的每一档位的测量范围都从0至∞，从道理上讲任意阻值的电阻都可由同一档位上上测出其阻值大小，但由欧姆表的刻度方法和误差理论知道，只有当指针指在刻度盘的中间部分时测量误差才最小，因此在用欧姆表测量不同阻值的电阻时，应选用不同的档位，使指针指在刻度盘中央附近，从而减小测量误差，但需要注意的是，每换一次档位，都要重新进行欧姆表调零。
用多用电表的欧姆挡测电阻完毕，应将转换开关转至“OFF”档或最高交流电压档

例9 图9-16-5中表示用一零点准确的游标尺测量一圆柱体的直径，从图上读出的测量结果为D= cm。

解析 由图9-16-5可知，整毫米数为L1=102mm，游标尺的示数为L2=2.0×0.1mm=0.20mm，则圆柱体的直径为：
D=L1+L2=102mm+0.20mm=102.20mm=10.220cm。
说明 使用游标卡尺测量物体线度时，游标某刻线恰好与主尺上某刻线对应的情况是不多见的。多数情况应是近似对齐的，因此按认为的某刻线对齐读数本身就包含了一定的估读成分。所以不需要再估读。还有电阻箱、秒表等也不需估读。

【能力测试】
一、选择题
1.一根弹簧秤竖直放置，手握弹簧秤调整零点，然后去测量一个竖直向上的拉力，结果弹簧秤的示数比被测量的力的真实值大，下述原因中可能的是（ ）
A.拉弹簧秤时，弹簧的轴线方向与力的作用线的方向不在一条直线上
B.读数时没有按读数规则估读到最小刻度的下一位
C.弹簧秤的弹簧伸长太短，产生的误差大
D.调零点时，拉力的钩竖直向下，测量竖直向下的力，示数为力的真实值加弹簧秤本身受的重力，因而测量值比力的真实值大

2.一同学用已调好的天平测某一物体的质量时，错误地将物体放在右盘中，左盘中放入25g砝码，游码置于0.6g位置，指针指在标尺中央，这个物体的质量为（ ）
A.24.4g B.25.4g C.25.6g D.24.6g

3.如图9-16-6所示，将气球塞进一只瓶子里，并拉大气球的吹气口，反扣在瓶口中，然后给气球吹气，发现不管如何用力，气球不过大了一点，原因是（ ）
A.气球膨胀，由橡皮引起的压强增大
B.气球膨胀，气球和瓶壁之间的气体压强增大
C.吹气时，气球内的气体温度升高很多，压强增大很多，所以难以吹大
D.吹气时，气球和瓶壁之间的气体温度升高很多，压强增大很多，所以难以吹大

4.如图9-16-7甲所示，将验电器通过导线与带电空心金属球壳的内壁接触（设导线足够长，验电器不受带电体电场影响）；又如图9-16-7乙所示，将验电器置于金属球腔内并通过导线与金属球壳壁接触；则在以上两种情况下，验电器金属箔将（ ）
A.甲图中验电器金属箔张开，乙图中验电器金属箔不张开
B.甲图中验电器金属箔不张开，乙图中验电器金属箔张开
C.甲、乙图中验电器金属箔均张开
D.甲、乙图中验电器金属箔均不张开

5.如图9-16-8所示，在研究电源的内、外电压的实验装置中，“+”、“-”是电源的两极，A、B是位于两级内侧的探针，电压表V1、V2分别接在电源的两级和两探针上，R是滑线变阻器，下述说法中正确的是（ ）
A.电压表V2的正接线柱应与探针A相连
B.当R的滑片由右向左移动时，V1示数减小，V2示数增大
C.无论R的滑片向左或向右移，都可能使R消耗的功率增大
D.无论R的滑片向左或向右移，R上通过相同的电量，电源释放的化学能相同

6.精度为0.1mm的游标卡尺，游标刻度总长为9mm，当其量末一个刻度线与主尺的44mm对齐，则游标尺上的第五条刻度线所对着的主尺的刻度为（ ）
A.35.0mm B.39.5mm C.43.4mm D.35.4mm

7.对α粒子散射实验装置的描述，我认为正确的是（ ）
A.实验器材有放射源、金箔、荧光屏、显微镜
B.金箔的厚度对实验无影响
C.如果不用金箔，用铝箔，就不会发生明显散射现象
D.实验装置放在空气中和真空中都可以

二、填空题
8.使用各种测量仪器测得下列数据，请在空格内填出有效数字位置和测量仪器的最小刻度：
①长度：0.402mm 位有效数字，最小刻度为 。
②质量：18.24g， 位有效数字，最小刻度为 。
③温度：52.1℃， 位有效数字，最小刻度为 。
④电压：2.4×102V, 位有效数字，最小刻度为 。
⑤电阻：22.4×103Ω, 位有效数字，最小刻度为 。

9.在使用直流电流表时，应注意：① ；② ；③ ；④ 。
10.在使用直流电压表时，应注意：① ；② ；③ ；④ 。
11.使用温度计应注意：① ；② ；③ ；④ ；⑤ 。

三、计算与论述题
12.负载电阻R=50Ω，安培计内阻可忽略，希望通过负载的电流在50～500mA范围内可调，电源应选用几伏特？变阻器应选用怎样的规格？（电源内阻不计）

13.如图9-16-9中甲图所示，两个完全相同的灵敏电流计，它们的指针都指在中央，若将左边电流计指针向右拨动，则右边电流计针移动方向怎样？为什么？如图中乙图所示，若将左边电表指针向左拨，则右边电表指针向哪边偏？

14.试根据平抛运动原理设计测量弹射器弹丸出射初速度的实验方法。提供实验器材：弹射器（含弹丸，见示意图9-16-10）、铁架台（带有夹具）、米尺。
（1）画出实验示意图。
（2）在安装弹射器时应注意： 。
（3）实验中需要测量的量（在示意图中用字母标出）： 。

15.一毫升石油可滴1000滴，把一滴石油滴在平静的湖面上，扩展成面积为2.5m2的油膜，试估算石油分子直径的大小。

参考答案
【能力测试】
1.D 2.A 3.B 4.B 5.B、C、D 6.B 7.A、C 8.①三，0.01mm ②四,0.1g ③三,1℃ ④二，100V ⑤三，1000Ω
9.①检查零误差 ②串联联入电路 ③+ -不能接反 ④不能超量程
10.①检查零误差 ②并联联入电路 ③+ -不能接反 ④不能超量程
11.①不能用温度计作为搅拌器
②注意温度计上限和下限的测量范围
③读数时一定要温度计测温泡全部浸入被测物体的中部，要求实验系统要有足够的热容量。视线要和温度计的液面在同一水平面内
④手尽量不靠近温度计的测温温炮
12.[解析] I大=500mA= ∴ε=I大R=25V
I小=50mA= ∴R变=-R=-50=450Ω
所以电源电动势为25V，变阻器总电阻至少为450Ω，额定电流大于0.5A
[说明] 因为通过负载的电流未从零开始起调，所以应考虑限流接法，而非分压接法。
13.[解析] 图甲中指针向左摆动，图乙中指针向右摆动，以图甲为分析的实例，如下图所示，右图作俯视下的逆时针转动，由右手定则可判断感应电流如图所示，此感应电流流到右图中由左手定则可判断右线圈作俯视下顺时针转动。所以甲图中右电表指针向左摆动，乙图中反之向右摆动

[说明] 正确判断左、右手定则的使用场合有利于本题解答。画出示意图帮助问题的分析和描述。

14.[解析] ①略
②安装时要注意弹射器应固定，且弹射器发射方向保持水平
③实验中需测量弹丸射出水平距离x和弹射器与水平地面高度差h
④在弹射器高度不变情况下多次实验，取x1x2…xn平均值作为实验数据
⑤v弹丸=
[说明] 本题为更好地提高测量精度减小误差，可用重锤线确定发射器出口在地面上投影点；可用圆轨找到小球多次落地点的平均圆心到投影点距离作为的测量值。
15.[解析] 分子直径d==4×10-10m
[说明] 扩展在湖面上的油膜可看成底面各为S（2.5m2）高为d(4×10-10m)的一个柱体，柱体体积V=d·S。