物理實驗是高考的主要內容之一.《考試大綱》就高考物理實驗共列出11個考點,其中力學6個、電學5個.要求會正確使用的儀器主要有:刻度尺、遊標卡尺、螺旋測微器、天平、秒錶、電火花計時器或電磁打點計時器、彈簧測力計、溫度表、電流表、電壓表、多用電錶、滑動變阻器、電阻箱等,並且對實驗誤差問題提出了更明確的要求.
高考實驗題雖然都不是課本上的原有實驗題,但其原理、方法以及所考查的知識均是同學們所學過的,即用“學過的實驗方法”“用過的儀器”進行新的實驗,以考查同學們的基本實驗能力和理解、推理、遷移的能力。學會遷移,就能根據舊問題解決新問題。高考實驗的遷移主要有:
①實驗原理的遷移;
②實驗儀器的遷移;
③數據處理的遷移;
④誤差分析的遷移。
實驗設計的原則就是“來源於教材而不拘泥於教材”‘即用教材中的原有知識進行遷移創新。知道了這些,解答實驗題就不會無從下手了,下面介紹一些具體的思路和方法:
一、力學實驗
1.力學實驗部分的內容
(1)研究勻變速直線運動 (2)探究彈力和彈簧伸長的關係
(3)驗證力的平行四邊形定則 (4)驗證牛頓運動定律
(5)探究動能定理 (6)驗證機械能守恆定律
2.力學實驗的熱點
熱點一 遊標卡尺和螺旋測微器的讀數
熱點二 與打點計時器和紙帶相關且裝置相似的力學實驗
1.紙帶的選取:一般實驗應用點跡清晰、無漏點的紙帶中選取有足夠多點的一段作為實驗紙帶。在“驗證機械能守恆定律”實驗中還要求紙帶包含第一、二點,並且第一、二兩點距離接近2.0mm。
2.根據紙帶上點的密集程度選取計數點。打點計時器每打n個點取一個計數點,則計數點時間間隔為n個打點時間間隔,即T=0.02n(s)。一般取n=5,此時T=0.1s。
3.測量計數點間距離。為了測量、計算的方便和減小偶然誤差的考慮,測量距離時不要分段測量,儘可能一次測量完畢,即測量計數起點到其它各計數點的距離。如圖所示,則由圖可得:
4.判定物體運動的性質:
二、電學實驗
1.電學實驗部分的內容
(1)測定金屬的電阻率; (2)描繪小燈泡的伏安特性曲線;
(3)測定電源的電動勢和內阻; (4)練習使用多用電錶;
(5)傳感器的簡單使用。
2.電學實驗電路的基本結構
一個完整的電學實驗電路往往包括測量電路與控制電路兩部分.
測量電路:指體現實驗原理和測量方法的那部分電路,通常由電錶、被測元件、電阻箱等構成.
控制電路:指提供電能、控制和調節電流(電壓)大小的那部分電路,通常由電源、開關、滑動變阻器等構成.
有些實驗電路的測量電路與控制電路渾然一體,不存在明顯的分界.如“測定電源的電動勢和內阻”的實驗電路.
3.實驗電路構思的一般程序
(1)審題
①實驗目的; ②給定器材的性能參數.
(2)電錶的選擇
①先選出實驗提供的唯一性器材;
②估測待測電路上電壓和電流允許的最大值,並考慮能否使電錶半偏以上,選擇合適量程的電壓表和電流表;
③根據待測電路上允許的電壓和電流的最大值,選擇電壓合適的電源;
④分壓電路的滑動變阻器選擇總阻值小的,限流電路的滑動變阻器選擇大於或與待測阻值相當的。
(3)測量電路的選擇
電流表的內、外接問題:甲所示電路為電流表外接電路(簡稱外接法);乙所示電路為電流表內接電路(簡稱內接法)。兩種接法的選擇可按下列方法進行:
(4)控制電路的選擇
為了改變測量電路(待測電阻)兩端的電壓(或通過測量電路的電流),常使滑動變阻器與電源連接作為控制電路,滑動變阻器在電路中主要有兩種連接方式:如圖甲為滑動變阻器的限流式接法,Rx為待測電阻。它的接線方式是電源、滑動變阻器與待測電阻三者串聯。對待測電阻供電電壓的最大調節範圍是:
(Rx是待測電阻,R是滑動變阻器的總電阻,不計電源內阻)。如圖乙是滑動變阻器的分壓式接法。接線方式是電源與滑動變阻器總電阻組成閉合電路,而被測電路與滑動變阻器的一部分電阻並聯,該接法對待測電阻供電電壓的調節範圍是:0~E(不計電源內阻時)。
通常優先考慮限流式電路,但在下列三種情形下,應選擇分壓式電路:
①“限不住”電流,即給定的滑動變阻器阻值偏小,即使把阻值調至最大,電路中的電流也會超過最大允許值;
②給定的滑動變阻器的阻值R太小,即R≪Rx,調節滑動變阻器時,對電流、電壓的調節範圍太小;
③實驗要求電壓的調節範圍儘可能大,甚至表明要求使電壓從零開始變化.
如描繪小電珠的伏安特性曲線、電壓表的校對等實驗,通常情況下都採用分壓式電路.
4.電錶的反常規用法
其實,電流表、電壓表如果知道其內阻,它們的功能就不僅僅是測電流或電壓.因此,如果知道電錶的內阻,電流表、電壓表就既可以測電流,也可以測電壓,還可以作為定值電阻來用,即“一表三用”.
5.實物圖的連接:實物圖連線應掌握基本方法和注意事項
(1)基本方法:
①畫出實驗電路圖。
②分析各元件連接方式,明確電流表與電壓表的量程。
③畫線連接各元件。(用鉛筆畫線,以便改錯)連線方式應是單線連接,連線順序應先畫串聯電路,再畫並聯電路。
一般先從電源正極開始,到電鍵,再到滑動變阻器等。按順序以單線連接方式將幹路中要串聯的元件依次串聯起來;然後連接支路將要並聯的元件再並聯到電路中去。連接完畢,應進行檢查,檢查電路也應按照連線的方法和順序。
三、物理實驗的類型
(一)應用性實驗
1.所謂應用性實驗,就是以熟悉和掌握實驗儀器的具體使用及其在實驗中的應用為目的的一類實驗;或者用實驗方法取得第一手資料,然後用物理概念、規律分析實驗,並以解決實際問題為主要目的的實驗.主要有:
①儀器的正確操作與使用,如打點計時器、電流表、電壓表、多用電錶、示波器等,在實驗中能正確地使用它們是十分重要的(考核操作、觀察能力);
②物理知識的實際應用,如科技、交通、生產、生活、體育等諸多方面都有物理實驗的具體應用問題.
2.應用性實驗題一般分為上面兩大類,解答時可從以下兩方面入手.
(1)熟悉儀器並正確使用
實驗儀器名目繁多,具體應用因題而異,所以,熟悉使用儀器是最基本的應用.如打點計時器的正確安裝和使用,滑動變阻器在電路中起限流和分壓作用的不同接法,多用電錶測不同物理量的調試等,只有熟悉它們,才能正確使用它們.熟悉儀器,主要是瞭解儀器的結構、性能、量程、工作原理、使用方法、注意事項,如何排除故障、正確讀數和調試,使用後如何保管等.
(2)理解實驗原理
面對應用性實驗題,我們一定要通過審題,迅速地理解其實驗原理,這樣才能將實際問題模型化,運用有關規律去研究它.
具體地說,應用性實驗題的依託仍然是物理知識、實驗的能力要求等.解答時不外乎抓住以下幾點:①明確實驗應該解決什麼實際問題(分清力學、電學、光學等不同實際問題);②明確實驗原理與實際問題之間的關係(直接還是間接);③明確是否僅用本實驗能達到解決問題的目的,即是否還要聯繫其他物理知識,包括數學知識;④明確是否需要設計實驗方案;⑤明確實際問題的最終結果.
(二)測量性實驗
所謂測量性實驗,就是以測量一些物理量的具體、準確數據為主要目的的一類實驗,可用儀器、儀表直接讀取數據,或者根據實驗步驟按物理原理測定實驗結果的具體數值.測量性實驗又稱測定性實驗,如 “測定金屬的電阻率”、“測定電源的電動勢和內阻”等。
(三)驗證性實驗
所謂驗證性實驗,就是為了驗證某些物理定理、定律的正確性,驗證物理現象的可信與真實性而設計的一類實驗,此類問題通過對實驗結果與物理結論的比較進行驗證。
解答驗證性實驗,要明確實驗目的,知道驗證什麼,明確實驗原理,從而知道該測哪些物理量,需要哪些儀器,如何組裝,如何完成實驗步驟,如何測量並處理實驗數據。
(四)探究性實驗
所謂探究性實驗題,就是運用實驗手段探索未知領域,嘗試多種可能因素及其出現的結果,在此基礎上,通過觀察、探究、分析實驗對象、事件的主要特徵,認識研究對象的變化過程和變化條件,獲取必要的可靠數據,依據實驗結果客觀地揭示事物的內在聯繫和本質規律,從而得出結論。
(五)設計性實驗
1.所謂設計性實驗,就是根據實驗目的,自主地運用掌握的物理知識、實驗方法和技能,完成實驗的各環節(實驗目的、對象、原理、儀器選擇、實驗步驟、數據處理等),擬定實驗方案,分析實驗現象,並在此基礎上作出適當評價.
2.設計原則
(1)科學:設計某一實驗,首先要考慮其依據原理的科學性。實驗原理的科學性主要是指物理原理(規律、公式)是否正確。
(2)可行:可行性主要是從儀器選取、實驗條件和操作等方面來看,實驗是否符合實際情況,能否達到實驗目的。
(3)安全:實驗方案的實施要安全可靠,不會對儀器、人身及周圍環境造成危害,成功率高。
(4)簡便:實驗便於操作、讀數及數據處理。
(5)精確:實驗的誤差應在允許的範圍之內。若有多種可行的實驗方案,應選擇誤差較小的方案。
3.設計性實驗的設計思路
解決設計型實驗問題的關鍵是確定實驗原理,它是進行實驗設計的根本依據和起點,它決定應當測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理數據等。實驗原理的確定,要根據問題的要求和給出的條件,回顧分組實驗和演示實驗,尋找能夠遷移應用的實驗原理,或者回顧物理原理,尋找有關的物理規律,設法創設相關的物理情景,並根據已掌握的基本儀器核對是否能夠測出必須測定的物理量。如果設計實驗中沒有給定(或給足)實驗器材,則設計實驗的基本思路如下:
(1)根據實驗設計的條件和要求,構建相關的物理情景;
(2)確定實驗原理;
(3)確定需要待測物理量;
(4)設計實驗方案。
有時,對於同一個實驗要求,可以構建不同的物理情景,導出不同的物理量的表達式,若把這些表達式作為實驗設計的依據,會有不同的實驗原理和實驗方案。如果實驗實設計是已經給足實驗器材,則實驗設計只能根據所給定的器材來構建物理情景,相當而言,實驗原理和實驗方案都會受到較大的限制。
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