专题14 实验与探究-备战2021年高考物理之纠错笔记系列（原卷版）

专题14 实验与探究-备战2021年高考物理之纠错笔记系列（原卷版）

专题 14 实验与探究 易错综述 一、实验原理的理解 对于不同类型的实验的原理，选用的设计方法不同，常见实验原理的设计方法有 6种： 方法 1：等效替代法 若某物理量不易测量，可用较易测量的量替代，从而简化实验，如用位移代替时间等。 方法 2：控制变量法 为了研究某一物理量或现象变化的原因和规律，设法把其中的一个或几个因素控制起来，使之保持不 变，然后来比较、研究其他两个变量之间的关系，如控制质量不变，研究加速度与力的关系等。 方法 3：理想化方法 在研究物理量间的关系或规律时，可忽略某些次要因素，使研究的规律更显现，如用伏安法测电阻时， 选择合适的内、外接法，就可以忽略电表的非理想性等。 方法 4：留迹法 利用某些特殊手段，把一些瞬间即逝的现象（位置、轨迹、图象等）记录下来，以便于此后对其进行 仔细研究的一种方法。 方法 5：模拟法 当实验情境不易或根本无法创设时，可以用物理模型或数学模型等等效的情境代替。 方法 6：放大法 微小量不易测量，勉强测量误差也较大，可采用各种方法加以放大，如卡文迪许扭秤测定引力常量等。 二、基本仪器的读数和实验电路的设计 完成同一个实验有不同的实验方案，不同的实验方案引起的误差不一样，设计实验方案时需要遵循的 四大原则如下： 原则 1：科学性 设计的方案有科学的依据，符合物理学的基本原则。 原则 2：可行性 按设计的方案实施时，应安全可靠，不会对人体、器材造成危害，所需装备和器材要易于置备，且成 功率高。 原则 3：精确性 在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的方案。 原则 4：简便、直观性 设计方案应便于实验操作、读数，便于进行数据处理，便于实验者直观、明显地观察。 三、合理地选择和使用仪器 在电学实验中选择实验仪器是个难点，对电表可根据不使受损和尽量减小误差的原则来选择。首先保 证流过电流表的电流和加载电压表上的电压均不超过其使用量程。然后使指针有较大偏转（一般取满偏的 1/3以上），以减小测量误差。一般方法是由电源电动势确定电压表，再由电路的最大电流确定电流表。 四、掌握典型的处理数据的方法 实验数据的处理是物理实验的重要一环，常见的数据处理方法如下： 方法 1：直接比较法 有些实验，只需定性地确定物理量间的关系，或将实验结果与标准值相比较，就可得出实验结论，可 应用直接比较法来进行数据处理。 方法 2：平均值法 通常在同样的测量条件下，对于某一无量进行多次测量的记过不会完全一样，用多次测量的算术平均 值作为测量结果，与真实值最接近。 方法 3：列表法 实验中将实验数据列成表格，可以简明地表示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是 否合理，有助于分析和发现问题。列表法常与图象法一起应用，且列表法常常是图象法的基础。 方法 4：图象法 选取适当的自变量，通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系，并便于找出其中的规律，确定 对应量的函数关系。 方法 5：公式法 将实验测得的数据带入物理公式，经运算得到所求物理量的数值的方法。还有逐差法处理数据，为了 减小偶然误差，可能还需要多次带入公式，求出待测物理量的多个实验值，然后用多个实验值求待测物理 量的平均值。 方法 6：计算机辅助处理数据法 利用计算机记录数据、处理数据，利用计算机进行数据的图象处理。 五、正确连接实物图 根据电路图连接实物图的方法是先串后并，即先按电流流向将电源与其中一支路连成串联电路，然后 将其他支路的元件并联在相应的两点间，电路连接时要注意以下几点： 注意 1： 注意顺序，按照给定的电路图中期间的顺序连接实物图，在连接实物图的过程中各个器材的顺序不能 颠倒。连线时通常采用先干路、后支路，先串联、后并联的策略。一般的顺序：电源正极→开关→用电器 →电源负极。 注意 2： 注意量程，电路中若有电表，那么必须注意电表的量程选择。如果电源是两节干电池，则电压表的量 程应为 3 V，再根据其他条件估算电路中的最大电流，确定电流表的量程。 注意 3： 注意正负，由于电表有多个接线柱，且有正负接线柱之分，要在正确选择量程的基础上，看准是用正 接线柱还是用负接线柱，保证电流从电流表和电压表的正接线柱流进，从负接线柱流出。[来源:学科网] 注意 4： 一般要求导线不能交叉，注意合理安排导线的位置，力求画出简洁的实物图。 注意 5： 注意开关，开关一般紧靠电源，必须能控制干路（支路开关除外）。 易错展示 易错点一 实验原理的理解 典例分析 用如图甲所示的实验装置完成“探究动能定理”实验。请补充完整下列实验步骤的相关内容： （1）用天平测量小车和遮光片的总质量 M、砝码盘的质量 0m ；用游标卡尺测量遮光片的宽度 d，游标 卡尺的示数如图乙所示，其读数为____________cm；按图甲所示安装好实验装置，用米尺测量两光电门之 间的距离 s； （2）在砝码盘中放入适量砝码；适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门 A和 光电门 B的时间相等； （3）取下细绳和砝码盘，记下___________（填写相应物理量及其符号）； （4）让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计分别测量出遮光片经过光电门 A和光电门 B所用 的时间 At 和 Bt ； （5）步骤（4）中，小车从光电门 A下滑至光电门 B过程合外力做的总功W合 =_________，小车动能 变化量 kE =__________（用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为 g），比较W合和 kE 的值，找出两 者的关系； （6）重新挂上细线和砝码盘，改变砝码盘中砝码质量，重复（2）~（5）步骤。 （7）本实验中，以下操作或要求是为了减小实验误差的是________。 A．尽量减小两光电门间的距离 s B．调整滑轮，使细线与长木板平行 C．砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量 对本实验的原理、实验中各项操作的目的以及测量数据的作用不清楚，不能确定实验中那些 方面会产生误差，导致了错误。 （1）游标卡尺的读数为 15 mm 4 mm 5.20 mm 0.520 cm 20 d      。 （3）因为要计算重力势能变化量，故需要记录砝码盘中砝码的总质量 m。 （5）合力做功的功等于重力势能变化量，故 0( )W m m gs 合 ，因为光电门非常窄，所以通过其的平均速 度 可 近 似 认 为 是 瞬 时 速 度 ， 故 A A dv t   ， B B dv t   ， 所 以 动 能 变 化 量 为 2 2 2 2 k 1 1 1 1( ) ( ) 2 2 2 2B A B A d dE mv mv m m t t        。 （7）尽量增大两光电门间的距离 s，距离大一些，误差小一些，故 A错误；调整滑轮，使细线与长木板平 行，否则撤去绳子后，合力不等于绳子拉力，故 B正确；本实验没有用砝码盘和盘中砝码的重力代替绳子 的拉力，不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量，故 C错误。 即时巩固 1．（2018·江苏省天一中学高考考前热身卷）（1）某同学想利用图甲所示装置，验证滑块与钩码组成的系统 机械能守恒，该同学认为只要将摩擦力平衡掉就可以了。你认为该同学的想法____（填“正确”或“不正 确”），理由是_______。 （2）另一同学用一倾斜的固定气垫导轨来验证机械能守恒定律。如图乙所示，质量为 m1的滑块（带遮 光条）放在 A处，由跨过轻质定滑轮的细绳与质量为 m2的钩码相连，导轨 B处有一光电门，用 L 表示遮光条的宽度，x表示 A、B两点间的距离，θ表示气垫导轨的倾角，g表示当地重力加速度。 ①气泵正常工作后，将滑块由 A点静止释放，运动至 B，测出遮光条经过光电门的时间 t，该过程 滑块与钩码组成的系统重力势能的减小量表示为________，动能的增加量表示为________；若系 统机械能守恒，则 与 x的关系式为 =______（用题中已知量表示）. ②实验时测得 m1=475 g，m2=55 g，遮光条宽度 L=4 mm，sin θ=0.1，改变光电门的位置，滑块每 次均从 A点释放，测量相应的 x与 t的值，以 为纵轴，x为横轴，作出的图象如图丙所示，则根 据图象可求得重力加速度 g0为______m/s2（计算结果保留两位有效数字），若 g0与当地重力加速度 g近似相等，则可验证系统机械能守恒。 易错点二 二基本一起的读书和实验电路的设计 典例分析 如图甲所示为用多用电表×1挡测金属丝的电阻，图乙是用螺旋测微器测得的金属丝的直径示意图，图 丙使用游标卡尺测得的金属丝的长度，除待测金属丝外，实验室还备有的实验器材如下： 甲 乙 丙 A．电压表 V1（量程 3 V，内阻约为 15 kΩ） B．电压表 V2（量程 l5 V，内阻约为 75 kΩ） C．电流表 A1（量程 3 A，内阻约为 0.2 Ω） D．电流表 A2（量程 600 mA，内阻约为 1 Ω） E．滑动变阻器 R1（0~5 Ω，0.6 A） F．滑动变阻器 R2（0~2 000 Ω，0.1 A） G．输出电压为 3 V的直流稳压电源 E H．电阻箱 I．开关 S，导线若干 为了减小实验误差，需进一步测其电阻而采用伏安法，则上述器材中应选用的实验器材有（填代号） ______________。请在方框内设计最合理的的电路图并实物连线。但用该电路电阻的测量值______真实值 （选填大于、等于或小于）。如果金属丝直径为 D，长度为 L，所测电压为 U，电流为 I，写出计算电阻率 ____________________ 丁 戊 不能由滑动变阻器的阻值与测量电路总阻值间的关系判断滑动变阻器的连接方式，滑动变阻 器错误选用限流式接法。 由图示多用电表可知，待测电阻阻值是 6×1 Ω=6 Ω；由图示螺旋测微器可知，固定刻度示数 是 2 mm，可动刻度示数是 10.0×0.01 mm=0.100 mm，则螺旋测微器示数是 2 mm+10×0.01mm=2.100 mm；由 图示游标卡尺可知，主尺示数是 3.6 cm=36 mm，游标尺示数是 2×0.1 mm=0.2 mm，则游标卡尺示数是 36 mm+0.20 mm=36.20 mm； 实验需要 G电源，I开关与导线，电源电动势为 3 V，因此电压表应选 V1（量程 3 V，内阻约为 15 kΩ）； 通过待测电阻的最大电流约为 I= 3 6 E R  =0.5 A，则电流表应选电流表 A2（量程 600 mA，内阻约为 1 Ω）； 为保证电路安全方便实验操作，滑动变阻器应选滑动变阻器 R1（0~5 Ω，0.6 A）；故需要的实验器材是： ADEGI。 为测多组实验数据，滑动变阻器应采用分压接法， A 6= 1 R R =6， V 15 000 6 R R  =250， VR R > A R R ，电流表应采用 外接法，实验电路图如图甲所示，根据实验电路图连接实物电路图，如图乙所示；电流表采用外接法，由 于电压表的分流作用，电流测量值偏大，由 R= U I 可知，待测电阻测量值比真实值小。 由电阻定律可知，R=ρ 2 2 4 ππ( ) 2 L L L DS D    ，R= U I ，则电阻率ρ= 2π 4 UD IL 。 甲 乙 即时巩固 1．（2018·江西省南昌市第二中学高三上学期第四次月考）某同学想测定某节于电池的电动势和内阻。 （1）他先用多用电表粗测了干电池的电动势。图甲是测量时选择开关与表头指针所处的位置，则该电 池的电动势为_____V；若用多用电表测电阻，选择开关至“×100”挡，按正确的操作步骤测某一电 阻，表盘的示数仍为图甲所示指针所处的位置，则该电阻的阻值为________ Ω；实验结束后，应 将选择开关拨到图中的______挡位（选填 A、B、C或 D）。 （2）在测定电源电动势和内阻的实验中，实验室提供了合适的实验器材。甲同学按电路图 a 进行测量 实验，其中 R0=1 Ω，则 ①请用笔画线代替导线在图（b）中完成电路的连接； ②由电压表的读数 U和电流表的读数，画出 U–I图线如图 c所示，可得电源的电动势 E=_____V， 内阻 r=_______ Ω。（结果保留 2位有效数字） ③在上述实验过程中存在系统误差。在下图所绘图象中，虚线代表没有误差情况下，电压表两端 电压的真实值与通过电源电流真实值关系的图象，实线是根据测量数据绘出的图象，则下图中能 正确表示二者关系的是_________。 （3）乙同学将测量电路连接成如图 d所示，其他操作正确，由电压表的读数 U和电流表的读数 I，画出 U–I图线如图 e所示，可得电源的电动势 E=___V，内电阻 r=_____ Ω。（结果保留 2位有效数字） 易错点三 合理地选择和使用仪器 典例分析 某同学到实验室做“测电源电动势和内阻”的实验时，发现实验台上有以下器材： 待测电源（电动势约为 4 V，内阻约为 2 Ω） 定值电阻 R0，阻值约为 3 Ω 电压表两块（有 5 V、15 V两个量程，5 V量程内阻约 3 kΩ） 电流表（内阻约为 1 Ω，量程 0.6 A） 滑动变阻器 A（0~20 Ω，3 A） 滑动变阻器 B（0~200 Ω，0.2A） 电键一个，导线若干。 该同学想在完成学生实验“测电源电动势和内阻”的同时精确测出定值电阻 R0的阻值，设计了如图所示 的电路。实验时他用 U1、U2、I分别表示电表 V1、V2、A的读数。在将滑动变阻器的滑片移动到不同位置 时，记录了 U1、U2、I的一系列值。其后他在两张坐标纸上各作了一个图线来处理实验数据，并计算了电源 电动势、内阻以及定值电阻 R0的阻值。 根据题中所给信息解答下列问题： （1）在电压表 V1接入电路时应选择的量程是_________，滑动变阻器应选择_________（填器材代号“A” 或“B”）； （2）在坐标纸上作图线时，用来计算电源电动势和内阻的图线的横坐标轴用_________表示，纵坐标 轴用__________表示；用来计算定值电阻 R0的图线的横坐标轴、纵坐标轴分别应该用_________、__________ 表示。（填“U1、U2、I”或由它们组成的算式） （3）若实验中的所有操作和数据处理无错误，实验中测得的定值电阻 R0的值________其真实值，电源 电动势 E的测量值________其真实值。（选填“大于”、“小于”或“等于”） 不考虑电表的量程，直接选用不合适的电表进行实验，导致错误。 （1）待测电动势 4 V，电压表的量程应选择 5 V，有利于读数减小误差，滑动变阻器调节范 围较大且便于操作，应选择 0~20 Ω的滑动变阻器 A； （2）计算电源电动势和内阻的图线应为路端电压 U1与干路电流 I的关系图线，纵坐标的截距代表的是电源 的电动势，直线的斜率代表的是电源的内阻的大小。计算定值电阻 R0的图线应为 R0两端的电压（U1–U2） 与电流 I的关系图线；直线的斜率代表的定值电阻 R0 （3）R0两端的电压（U1–U2）没有误差，电流表示数比 R0的实际电流偏小，故 R0的测量值偏大，电源电动 势 E的测量值偏小。 即时巩固 1．（2018·安徽省黄山市屯溪第一中学高二上学期期中考试）在探究小灯泡的伏安特性曲线时，所用小灯泡 上标有“2.5 V，0.6 W”字样，实验室提供的器材有： A．电流表 A1（内阻约为 5 Ω、量程为 0～25 mA） B．电流表 A2（内阻约为 1 Ω，量程为 0～300 mA） C．电压表 V1（内阻约为 5 kΩ、量程为 0～3 V） D．电压表 V2（内阻约为 15 kΩ、量程为 0～15 V） E．滑动变阻器 R1（最大阻值为 10 Ω、额定电流为 0.6 A） F．滑动变阻器 R2（最大阻值为 1 000 Ω、额定电流为 0.2 A） G．稳压电源 E（可输出恒定电压为 9.0 V） H．开关一个、定值电阻若干、导线若干 由以上信息回答下列问题： （1）实验前设计的电路图如图甲所示。为了减小实验误差，该实验所用的电流表、电压表、滑动变阻 器应分别为_____、_____、_____（选填器材前的字母）。为保护滑动变阻器和灯泡，应在电路中 串联的定值电阻 R0合适的电阻值应为________（选填“1 Ω”“10 Ω”“30 Ω”或“100 Ω”）。 （2）请确定测量电路中电压表右侧导线的正确位置为_____，然后在图乙中用笔画线代替导线，将实物 完整连接起来。[来源:学科网 易错点四 掌握典型的处理数据的方式 典例分析 在“验证牛顿运动定律”的实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用 M表示，盘及 盘中砝码的质量用 m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带打上的点计算出。在利用打点计时器和小 车做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时， （1）下列说法中正确的是_____________。 A．平衡摩擦力时，应将砝码盘及盘内砝码通过定滑轮拴在小车上 B．连接砝码盘和小车的细绳应与长木板保持平行 C．平衡摩擦力后，长木板的位置不能移动 D．小车释放前应靠近打点计时器，且应先接通电源再释放小车 （2）当 M与 m的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重 力。 （3）一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码 的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据。为了比较容易地检查出加速度 a与质量 M的关系，应 该做 a与________的图象。 （4）如图（a），甲同学根据测量数据做出的 a－F图线，说明实验存在的问题是________。[来源:学科网] （5）乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的 a－F图线，如图（b）所示，两个同学做实验 时的哪一个物理量取值不同的是________。 不能正确运用图象法来解决数据问题，导致本题错解。 （1）平衡摩擦力时，应将绳从小车上拿去，轻轻推动小车，小车沿木板运动，通过打点计 时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动，故 A错误；若连接砝码盘和小车的细绳与长木板不保持平行， 则细绳的拉力分力不等于小车的外力，这样导致误差增大，故 B 正确；每次改变小车的质量时，小车的 重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消，以防摩擦力不再平衡，故 C 正确；实验时，应先放开小车，再接通 打点计时器电源，由于小车运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于数据的采集和处理，同时要求开 始小车要靠近打点计时器，故 D正确。 （ 2）以整体为研究对象有 ( )mg m M a  ，解得 mga m M   ，以 M 为研究对象有细绳的拉力 1 mgF Ma m M    ，显然要有 F=mg，必有 M与 m的大小关系满足 M≫m，才能保证绳子的拉力等于砝码 的重力。 （3）由牛顿第二定律可知加速度与质量成反比，而反比例函数图象是曲线，不容易判断自变量与因变量 之间的关系，故不能做的图象。但 Fa M  ，故 a与 1 M 成正比，而正比例函数图象是过原点的一条直线， 就比较容易判断自变量与因变量之间的关系，故作 a– 1 M 的图象。 （4）图中没有拉力时产生了加速度，说明平衡摩擦力时木板倾角过大。 （5）由题中图（b）知在拉力相同的情况下，a 乙>a 丙，根据 F=ma，可得 Fm a  ，a–F图象的斜率等于物 体的质量，且 m 乙

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