物理實驗專題

一、打點計時器的使用

——研究直線運動、平拋運動與驗證機械能守恒定律

知識梳理

打點計時器可以在運動物體拖動的紙帶上記錄物體運動的相關信息．我們可通過檢索分析紙帶上的信息來研究物體運動所遵循的規律，研究勻變速直線運動和驗證機械能守恒定律規律便要用到這一工具．

1. 打點計時器

現在實驗室使用的都是電火花打點計時器，接220V的交流電，當交流電的頻率是50Hz時，打點周期是0.02s，打點計時器可通過運動物體拖動的紙帶直接記錄物體運動的時間和位移．

2. 運動信息的檢索

打點計時器記錄的信息都是通過打出的紙帶呈現的，在檢索位移信息時要用刻度尺測量指定的某兩間的距離，讀數時應根據題目的精度要求，讀出有效數位；在檢索時間信息時，要根據題目要求弄清計數點間的時間與實際打出的相鄰點間的時間的關系，例如題目說每5個實打的點取一個計數點，就說明相鄰計數點間的時間

T=0.02s×5=0.1s.

3. 處理數據時應用的相關規律

（1）做勻變速直線的物體，在任意兩個連續相等時間內的位移之差是一恒量.即：

（2）發生某段位移中間時刻的即時速度等于發生這段位移的平均速度，也等于其初速度與末速度的算術平均值：

4. 平拋運動雖是曲線運動，但研究時還是將其分解成：水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動兩個分運動，在實驗操作過程中要力求保證平拋運動的條件.

命題預測

實驗在高考中將會出現的命題形式主要有以下三種：（1）對打點計時器的認識．（2）通過紙帶記錄的運動信息求解物體運動的加速度、瞬時速度或其它相關物理量．（3）平拋運動條件的保證．

典例精析

[例1]下列關于電火花打點計時器的說法中正確的是（）

A． 打點計時器使用時應輸入4～6V的低壓交流電

B． 打點計時器的打點周器是0.1s

C． 打點計時器只能計時，無法提供其它信息

D． 打點計時器不僅能計時，還能提供位移信息

[解析] 電火花打點計時器，接220V的交流電，交流電的頻率是50Hz，所以打點周期是0.02s，0.1s是每5個實打的點取一個計數點時相鄰計數點間的時間間隔，則A、B均錯，我們可用刻度尺測量紙帶上某兩點間的距離來獲取位移信息，故C錯D正確．

[答案]D

[例2]在測定勻變速直線運動的加速度的實驗中，打點計時器記錄紙帶運動時間，計時器所用電源的頻率為50Hz，如圖1為做勻變速直線運動的小車帶動的紙帶上記錄的一些點，在每相鄰的兩點中間都有四個點未畫出，按時間順序取A1、A2、A3、三個點，用刻度尺量出A2、A3點到A1點的距離分別是8cm、18cm，由此得出小車加速度的大小為 （ ）

[答案]B

[例3]上題中計時器打A2點時，小車運動的速度是（ ）

A． 2.6m/s B. 130m/s C. 1.3m/s D. 260m/s

[解析]在驗證機械能守恒定律的實驗中，常會遇到求某點的即時速度，求解的方法是這樣的：由發生某段位移中間時刻的即時速度等于發生這段位移的平均速度可知：

[答案]C

[例4]下列哪些因素不會使平拋運動實驗誤差增大（ ）

A． 小球與斜槽間有摩擦

B． 安裝斜槽時其末端不水平

C． 建立坐標系時，以斜槽末端端口位置為坐標原點

D． 根據曲線計算平拋運動的初速度時，在曲線上取作計算的點應離原點O較近

[解析]只要保證小球每次都是從斜槽上同一位置無初速釋放，即可保證有相同的初速度，小球與斜槽間有摩擦對實驗沒影響，A對；斜槽末端不水平無法保證小球水平拋出，B錯；小球經斜槽末端口時，球心對應的位置才是平拋的起點，C錯；計算平拋運動的初速度時，在曲線上取作計算的點離原點O較遠方可減小誤差，D錯．

[答案]A

二、彈簧秤的特性與使用

——驗證力的平行四邊形定則

知識梳理

彈簧秤又稱測力計，主要用來直接測量拉力與壓力，其伸長量（壓縮量）與所受的拉力（壓力）成正比，學生用的彈簧秤量程一般為0～5N最小刻度為0.1N.使用時應注意：（1）所測的力不能超過彈簧秤的測量范圍．（2）使用前應檢查彈簧秤是否調零，調零的方法將彈簧秤豎直掛起，如果指針不指零位，一般通過移動指針來調零．

驗證力的平行四邊形定則，主要的實驗儀器就是彈簧秤，其中的三個實驗步驟是：

1. 在水平放置的木板上墊一張白紙，把橡皮條的一端固定在木板上，另一端拴兩根細線，通過細線同時用兩個彈簧秤互成角度地拉橡皮條，使它與細線的結點到達某一位置O點，在白紙上記下O點、兩個力的方向和彈簧秤的讀數F1及F2.

2. 在白紙上根據F1和F2的大小、方向應用平行四邊形定則作圖求出合力F．

3. 只用一個彈簧秤通過細繩拉橡皮條，使二者的結點拉至原位置O點，記下此時彈簧秤的讀數Fˊ和細繩的方向

例題精析

[例1]在做“互成角度的兩個力合成”實驗時，橡皮條的一端固定在木板上，用兩個彈簧秤把橡皮條的另一端拉到某一確定的O點，以下操作正確的是（ ）

A． 同一次實驗過程中，O點位置充許變動

B． 實驗中，彈簧秤必須保持與木板平行，讀數時視線要正對彈簧秤刻度

C． 實驗中，先將其中一個彈簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后只需調節另一個彈簧秤的讀數大小和拉伸方向，把橡皮條拉到O點

D． 實驗中，把橡皮條拉到O點時，兩個彈簧秤之間的夾角應取900，以便于算出合力大小

[解析] O點位置變動就意味著合力的變動，開始的兩個彈簧秤拉與后來的一個彈簧秤的拉力便不等效，驗證也就無從談及，A錯；實驗中，彈簧秤保持與木板平行，既有利于明確彈力方向，又便于避免彈簧秤外殼與軸之間的摩擦而影響拉力大小的客觀顯示，讀數時視線正對彈簧秤刻度能有效減少視覺誤差，B正確；C、D兩答案沒有物理依據．

[答案]B

命題預測

《探究彈力與彈簧伸長量的關系》和《驗證力的平行四邊形定則》這兩個實驗考試的落腳點主要是互成角度兩個力的合成，命題的切入點一般有二：（1）圍繞實驗操作程序，對一些關健細節進行考查．（2）合成與分解的簡單計算．

三、電表與螺旋測微器的使用

——三個相關的電學實驗

知識梳理

電學實驗中用到的電表主要是電流表和電壓表，學生實驗中用到的電流表量程為0～0.6A～3A，內阻一般在1Ω以下；電壓表量程為0～3V～15V，兩個量程的內阻分別為3kΩ和15kΩ，實驗中應在充分保證電表安全使用（不超出量程）的前提下，選擇小量程，這樣有利于減小實驗誤差．

實驗的電路分為兩部分，一部分是測量電路，另一部分是供電電路．測量電路分安培表內接法與安培表外接法，這兩種接法的選擇主要是比較待測電阻Rx、電流表內阻RA和電壓表內阻RV的大小，當Rx＞RA時采用安培表內接法；當RV＞Rx時（或者說Rx與RA相差不是太大時）采用安培表外接法．比如“測量金屬電阻率”、“描繪小燈泡的伏安特性曲線”這兩個實驗中用到的金屬絲和小燈泡的電阻都不是很大，一般采用安培表外接法．就實驗的系統誤差來說．內接法測出的電阻值偏大，外接法測出的電阻值偏小．供電電路分限流式與分壓式兩種，供電電路的選擇主要看電壓范圍的調節要求，如果要求電壓調節范圍大，或是從0開始增大就用分壓式，例如“描繪小燈泡的伏安特性曲線”用分壓式才合適．否則便可用限流式．

在“測量金屬電阻率”的實驗中要用到螺旋測微器（千分尺），螺旋測微器的量程一般為0～25mm，最小分度是0.01mm，讀數規則：1. 以鼓輪邊緣為準在固定刻度上讀出整毫米數． 2. 從可動刻度上讀出毫米以下的小數． 3. 測量長度為上述二者之和．讀數時要注意的是固定刻度上表示半毫米的刻度線是否露出，由螺旋測微器讀數時必須估讀一位，即估讀到0.001mm．

處理實驗數據除代數法外，還常用到圖象法，如“則電源電動勢與內電阻”就是通過描繪U—I圖象來取得電動勢與內電阻的，如圖2，運用圖象處理實驗數據時，要明確圖象的物理意義，圖2的函數式是U=ε-Ir，則圖象的縱截距表示電源電動勢ε，斜率表示電源內阻r，橫截距表示短路電流I= （注：此時橫坐標必須從0開始）

例題精析

[例1]圖3中給出的是用螺旋測微器測量一個金屬薄板厚度時的示數，此讀數應為（ ）

A. 6.124mm

B. 5.624mm

C. 7.124mm

D. 6.12mm

[解析]由圖知螺旋測微器的固定刻度值是5.5mm，可動刻度值是0.124mm，則金屬薄板厚度d=5.5mm+0.124mm=5.624mm.

[答案]B

[例2]如圖4所示為伏安法測電阻的一種常用電路．以下分析正確的是（ ）

A． 此接法的測量值大于真實值

B． 此接法的測量值小于真實值

C． 此接法要求待測電阻值小于電流表內阻

D． 開始實驗時滑動變阻器滑動頭P應處在最左端

[解析]由于電流表的分壓作用，伏特表所測的電壓大于待測電阻分擔的實際電壓，故由此接法的測量值大于真實值．

[答案]A

[例3]某同學做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗，若小燈泡上標注“2.5V、1.5W”，則關于電路和電表量程的選擇以下說法中正確的是（ ）

A. 供電電路應選擇限流式

B. 供電電路應選擇分壓式

C． 測量電路應選擇內接法

D. 電壓表的量程應選0～3V，電流表的量程應選0～3A

[解析]要描繪小燈泡的伏安特性曲線，必須使小燈泡兩端的電壓從0開始在允許的較大范圍內變化，供電電路應選擇分壓式，A錯B對；燈泡電阻較小，應選擇外接法，C錯；由小燈泡上的標注“2.5V、1.5W”知，通過燈泡的電流強度不能超過0.6A，電流表的量程應選0～0.6A.D錯．

[答案]B

命題預測

就理科基礎涉及的三個電學實驗而言，高考主要側重于以下幾個方面的考查：1. 電表的讀數與量程的選擇；2. 兩種測量電路和兩種供電電路的選擇；3. 用圖象分析處理實驗數據及簡單的誤差分析；4. 螺旋測微器的讀數；5. 簡單的電路故障判斷．

模擬操練

1. 關于螺旋測微器的讀數下列說法正確的是（）

A. 螺旋測微器的測量精度是0.01mm

B. 螺旋測微器的測量精度是0.001mm

C. 螺旋測微器的最小刻度是0.001mm

D. 用螺旋測微器測量時不需估讀

2. 根據打點計時器打出的紙帶，不用公式計算便可直接得到的物理量是（ ）

A. 時間和位移B. 加速度

C. 平均速度 D. 即時速度

3. 利用打點計時器測定勻變直線運動的加速度時，在紙帶上打出一系列的點，如圖5所示，設各相鄰點之間距離分別為s1 、s2 、s3 、s4，相鄰計數點間的時間間隔為T，則下列關系不正確的是（ ）

4. 利用重錘下落驗證機械能守恒定律的實驗中，下列說法中正確的是

A. 應該用天平稱出物體的質量

B. 應選用點跡清晰，第1、2兩間隔接近2mm的紙帶

C. 操作時應先放紙帶再通電

D. 打點計時器應接在電壓是4～6V的穩壓電源上

5. 在研究平拋運動的實驗中，每一次都應使小球從斜槽上同一位置無初速釋放，目的是保證（ ）

A. 小球的水平分運動是勻速直線運動

B. 小球的豎直分運動是自由落體運動

C． 平拋時小球具有相同的初速度

D. 平拋時小球的初速度方向水平

6. 力的合成與分解實際上是等效替代，合力與它的分力的作用效果應該是相同的，在本實驗中，合力與分力所產生的效果是（ ）

A． 把彈簧秤拉到一定刻度

B． 把橡皮條拉伸到一定長度

C． 把橡皮條沿某一方向拉伸

D． 把橡皮條拉向同一方向、拉伸同一長度

7. 如圖6用電壓表檢查圖示電路中的故障，測得Uad＝5.0 V，Ucd＝0 V，Ubc＝0 V，Uab＝5.0 V，則此故障可能是（ ）

A． L斷路

B． R斷路

C． R′斷路

D． S斷路

8. 如圖7是滑動變阻器的結構示意圖，a、b、c、d是它的四個接線柱，現將此變阻器接成一個分壓電路向一個小燈泡供電，并要求滑片P向c移動時，小燈泡兩端的電壓減小，則下列接法中正確的是（ ）

A. a接電源正極，b接電源負極，c、b接小燈泡兩端

B. a接電源正極，b接電源負極，c、d接小燈泡兩端

C. a接電源負極，b接電源正極，b、d接小燈泡兩端

D. a接電源負極，b接電源正極，d、a接小燈泡兩端

答案點撥

1. A[螺旋測微器又名“千分尺”，意思是說其精準度可達千分之一公分（cm），即百分之一毫米，所以A對，讀數時必須估讀一位，即估讀到0.001mm這一位上]

2. A[打點計時器記錄的信息都是通過打出的紙帶呈現的，在檢索位移信息時用刻度尺測量指定的某兩間的距離即可，時間可通過計數點和打點周期計出，其它三個量均需由公式計算方可得出]

3. D [s1= aT 2只適合初速度為零的勻加速直線運動，而紙帶上的第一個計數點可任意選取，初速度不一定是零]

4. B [第1、2兩間隔接近2mm的紙帶，說明重錘下落時所受阻力很小，基本滿足機械能守恒的條件]

5. C[只有每一次都使小球從斜槽上同一位置無初速釋放，才能保證小球出槽口時有相同的初速度，這樣才能保證多次釋放小球，小球平拋運動的軌跡相同]

6. D[力的作用效果體現在力的大小、方向、作用點這三要素上，只有將橡皮條拉向同一方向，拉伸同一長度，才能保證力的作用效果相同]

7. B [由Uab＝5.0 V，即可判a、b間含電源的支路是通路，那么斷路的自然就是另一支路，即可能是R了，所以B對]

8. D[因為題目要求滑片P向c移動時，小燈泡兩端的電壓減小，這說明燈泡跟變阻器左邊（aP段）的電阻絲并聯，這只會是D接法正確]

責任編校 李平安

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”