第二轮能力专题--实验设计的基本方法[下学期]

课件20张PPT。2006---2007高考复习第二轮能力专题:
实验设计的基本方法 2007、3一.命题趋向与考点实验设计： 根据实验目的，运用掌握的物理规律、实验方法，选择配套的仪器、器材设计实验方案。设计方案包括选用合适的实验方法、选择配套的实验器材、安排正确的实验步骤、设计科学的数据处理方法，采用客观的误差分析方式，最后给予总结和评价。 对实验设计的考查具体体现在： ①在给定的条件下，进行实验设计；
②给出测量数据，选择数据处理的方法；
③给定原理和器材，设计实验方案；
④给出实验过程和情景，判断过程和方法的合理性等。 1.实验设计的基本原则：(1)科学性：科学的方案应有科学的依据及正确的方式。 (2)安全性：设计的方案实施时，应安全可靠，不会对仪器、实验者造成危害。(3)精确性：实验误差应控制在允许范围之内，尽可能选择误差较小的方案。(4)可操作性：设计方案应便于操作、读数，便于进行数据处理和观察。 2.实验设计的基本思路：(1)根据实验目的及题目的条件和要求，构思相关的物理情景。
(2)确定实验原理、方法。
(3)选择实验器材。
(4)写出实验步骤。
(5)观察实验现象与记录实验数据。
(6)实验的结论及误差分析。 二.知识概要与方法在中学阶段涉及的主要是以下一些方法：1．设计实验原理（1）控制变量法。如：在“验证牛顿第二定律的实验”中，加速度、力和质量的关系控制。在“研究单摆的周期”中，摆长、偏角和摆球质量的关系控制。（2）近似替代法。用伏安法测电阻时，选择了合适的内外接方法，一般就忽略电表的非理想性。（3）等效替代法。某些量不易测量，用较易测量的量替代。在“验证碰撞中的动量守恒”的实验中，两球碰撞后的速度不易直接测量，在将整个平抛时间定为时间单位后，速度的测量就转化为对水平位移的测量了。二.知识概要与方法（4）模拟法。当实验情景不易或根本无法创设时，可以用物理模型或数学模型等效的情景代替，尽管两个情景的本质可能根本不同。“描绘电场中的等势线”的实验就是用电流场模拟静电场。 （5）微小量放大法。微小量不易测量，勉强测量误差也较大，实验时常采用各种方法加以放大。卡文迪许测定万有引力恒量，采用光路放大了金属丝的微小扭转；在观察玻璃瓶受力后的微小形变时，使液体沿细玻璃管上升来放大瓶内液面的上升。2．控制实验误差(1)多次测量法。多次测量法减小偶然误差，这是所有实验必须采取的办法，也是做实验应具有的基本思想。 二.知识概要与方法（2）积累法。一些小量直接测量误差较大，可以累积起来测量，以减小误差。“用单摆测定重力加速度”的实验中，为了减小周期的测量误差，不是测量完成一次全振动的时间，而是测量完成30~50次全振动的时间。3．数据处理（1）逐差法。这就是用打点计时器打出的纸带计算加速度时用到的方法，这种方法充分利用了测量数据，具有较好的取平均的效果。（2）图象法。能从图象清楚看出物理量间的关系，在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，采用了这种方法得出电阻与温度有关的结论；可用图象法求物理量的值，在“测定电源电动势和内阻”的实验中用图象法来求E和r不仅有取平均的效果，还可以剔除个别有错误的测量数据。 例1、把两个大小相同、质量不等的金属球用细线连接，中间夹一被压缩了的轻弹簧，置于摩擦可以不计的水平桌面上，如图所示，现烧断细线，观察两球的运动情况，进行必要的测量，验证物体间相互作用时动量守恒.
（1）还必须添加的器材是：
（2）需直接测量的数据是：
（3）用所得数据验证动量守恒定律
的关系式是：答： （1）天平、直尺、铅锤、木板、白纸、复写纸、图钉、细线等 （2）两小球的质量m1、m2，两小球做平抛运动的水平位移x1、x2 （3） （在误差允许的范围内） 例2.有一台测体重的台秤，一只篮球，一张白纸，一盆水，请设计一个实验方法，粗略测出篮球击地时对地的冲击力.分析:若使篮球击在台秤上进行测量，则一方面无法保证冲击地面，秤面的力一样，另一方面球对秤面的冲击力是瞬时的，无法读取测量值.由于篮球击在平面上，它产生的冲击力的大小与篮球和地面接触处形变量大小有关，因此，只要记录球击中地面时形变量大小就可以通过模拟的方式再演现出来.答：如图所示，将白纸铺在地面上，将篮
球放入盛水的盆中弄湿；让球拍击地面上
白纸，并留下球的水印.再将有水印的纸
铺在台秤秤面上，将球放在水印中心，用力缓慢压球，当球发生的形变刚好与水印吻合时，台秤的读数即为冲击时冲击力的大小 例3.实验室有一个可拆变压器，请设计一个实验方案，估测出变压器原、副线圈的匝数，所给实验器材有：一个可拆变压器、交流电压表、直流电源、滑线变阻器，小磁针、200 V 交流电源 、电键各一个、铜漆包线（规格与变压器原线圈所用漆包线相同）及导线若干.答： 依图(a)连接电路,然后将小磁针的N极靠近原线圈的一端,根据偏转情况判定线圈的绕向. 按照与原线圈相同的绕向，用铜漆包线在原线圈上加绕n(例如100)匝，将加绕后的线圈接入220 V交流电路,如图(b)， 读出交流电压表的示数U1拆除加绕的n匝线圈,仍将原线圈接入220 V交流电路,闭合电键后,读出交流电压表的示数U2,则 例4、如果用F表示滑动摩擦力的大小,用FN表示正压力的大小,则有F＝μFN,式中μ叫做动摩擦因数.为了测量两张纸之间的动摩擦因数,某同学设计了一个实验.如图所示,在木块A和木板B上贴上待测的纸,B板水平固定,用测力计拉A,使A匀速向左运动,读出并记下测力计的读数F,测出木块A的质量m,则μ=F/mg．
（1）该同学为什么要把纸贴在木块上而不直接测量两张纸间的滑动摩擦力？
（2）在实际操作中，发现要保证木块A做匀速运动比较困难，实验误差较大．你能对这个实验作一改进来解决这一困难从而减小误差吗？答：（1）可增大正压力，从而增大滑动摩擦力，便于测量． （2）只要将测力计的一端与木块A相连接,测力计的另一端与墙壁或竖直挡板之类的固定物相连.用手通过轻绳拉动木板B,读出并记下测力计的读数F,测出木块A的质量m,同样有μ=F/mg 例5.在长方形的桌面上有秒表、弹簧秤、小砝码、天平、轻质细绳、支架，请利用这些器材较为正确地测出桌面的面积。 解： 在没有刻度尺的情况下，利用已学物理知识，转换测其他物理量，再用物理规律求出所测物理量。 ①用细线量出讲台桌面的长，并将它和小砝码连接做成一个单摆；
②让此摆摆动，测出30次全摆动的时间t1 ；
③求出周期T1=t1/30，代入L1=T12g/4π2，计算出L1；
④用同样的方法求出讲台桌面宽L2 ；
⑤讲台桌面的面积 S = L1·L2 。 例6.给你下列器材：待测电压表（量程为3 V，内阻RV约几千欧），电阻箱、滑线变阻器、蓄电池、电键、导线若干.请设计测定电压表内阻的实验方案.解： 按图连接电路，把变阻器R滑到b端，将电阻箱R0调到零，闭合开关S,调节变阻器R的滑臂P，使电压表的示数为3 V；调节电阻箱R０的阻值，使电压表的示数为1.5 V；记下此时电阻箱的阻值R′.断开开关S，拆除电路，则被测电压表的内阻RV=R′ 例7.用伏安法测定一个阻值约为25 KΩ，额定功率为1/20W的电阻的阻值，备用仪器及元件有:
(1)待测电阻R.(2)直流电流表二只：A1～量程0～100μA,内阻约为2KΩ；A2～量程0～500μA，内阻约为300Ω.
(3)直流电压表三只：V1～量程0～1V,内阻约为10KΩ;V2～量程0～10V,内阻约为100KΩ;V3～量程0～50V,内阻约为500KΩ.(4)电源三件（内阻不计）:ε1～二节干电池,每节1.5V；ε2～直流稳压电源,输出电压15V,额定电流1A；ε3～直流稳压电源,输出电压50V,额定电流0.5A.(5)滑动变阻器R1,电阻值1KΩ,额定功率1W.(6)电键一个,导线若干。
试从以上所提供的仪器和元件中选择合适的规格及适宜的线路，使得被测电阻的测量结果达到尽可能高的精确度。（1）画出电路图并标明所选仪器与元件的规格；（2）简要说明设计的理由。解： 设计如图所示。 （2）理由说明如下：（A）直接用电源接上R,则:①用50V电
源,则超过R的额定功率;②用15V电源,
则流过R的电流为600μA,电流表超过
量程；③用3V电源,则电流为120μA,
电流表量程不合适。（B）用变阻器作限流器,则:①用50V电源,则超过R的额定功率；②用15V或3V电源,则没有合适量程的电流表。（C）用变阻器作分压器,则:①用50V电源，则超过R1的额定功率；②用3V电源，无合适量程的电压表。（D）由于所用电压表V2的内阻较大，所以将电流表内接。 例8. 如图所示，水平桌面上固定着斜面体A，有小铁块B．斜面体的斜面是曲面，由其截面图可以看出曲线下端的切线是水平的．现提供的实验测量工具有：天平、直尺． 其它的实验器材可根据实验需要自选．现要设计一个实验，测出小铁块B自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，小铁块B克服摩擦力做的功．请回答下列问题：
(1)除题中供给的器材处，还需要选用的器材是：_________________________________________．
(2)简要说明实验中需要测量的物理量(要求在图上标明)
(3)写出实验结果的表达式
（重力加速度g已知）解析： 本实验测定小铁块克服摩擦力所做功的原理是动能定理和平抛运动的规律 小铁块自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，根据动能定理 离开曲面后，小铁块做平抛运动，直到落地，则 所以 得 显然，实验中需要测量的物理量是：斜面高度H、桌面高度h，小铁块平抛的水平距离S、小铁块质量m．如图所示，其中S需用重锤线和白纸、复写纸来确定．答案 (1)重锤线、铺在地面上的白纸和复写纸 (2)斜面高度H、桌面高度h，小铁块平抛的水平距离S，小铁块质量m. (3) 例9．某校学生在开展研究性学习的活动中，为了测量自行车在行驶中的阻力系数k—自行车所受阻力与其重力mg的比值,即k=f/mg.某学生依次做以下事情：
（1）找一段平直的路面，并在路面上画一道起点线；
（2）用较快的初速度骑车驶过起点线，按下秒表，并从车架上放下一团很容易辨别的橡皮泥；
（3）自行车驶过起点线后就不再蹬自行车的踏脚板，而让其依靠惯性沿直线继续前进；
（4）待自行车停下，立即按下秒表读出行驶的时间t；
（5）用尺量出起点线到终点的距离L、车架离地的高度h及橡皮泥在地上的水平距离s；
根据上述操作，就可以得出自行车在行驶中的阻力系数k（要求用测量到的物理量来表示）。上述操作中不需要测量的物理量是_________________。答:方案一：自行车驶过起点线后，若不再蹬其脚踏板，它做匀减速直线运动。以自行车和人为研究对象，设其初速度为v0，运动的加速度大小为a，并取运动方向为正方向，设其总质量为m，根据牛顿运动定律及运动学公式有：－f=m（－a）；0－ v02=2（－a）L；对橡皮泥来说，设其下落时间为t1，v0=s/t1，h=gt12/2，得k=s2/4hL，由此可知不需要测量的物理量是自行车的行驶时间t。 例10.(04年上海)下图为一测量灯泡发光强度的装置.AB是一个有刻度的底座，两端可装两个灯泡，中间带一标记线的光度计可在底座上移动，通过观察可以确定两边灯泡在光度计上的照度是否相同，已知照度与灯泡的发光强度成正比、与光度计到灯泡的距离的平方成反比.现有一个发光强度为I0的灯泡a和一个待测灯泡b.分别置于底座两端（如图）. （1）怎样测定待测灯泡的发光强度Ix？
（2）简单叙述一个可以减小实验误差的方法。
接通电源，移动光度计使两边的照度相同测出距离r1和r2，即可得待测灯泡的发光强度测量多次，求平均等