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基本实验仪器的使用和基本实验方法
命题趋势
一些基本仪器的原理、使用方法、注意事项和读数等,在近几年的高考试题中不断出现。长度和电学量的测量及相关仪器的使用是出题最频繁的知识点。如游标卡尺、螺旋测微器的读数在近十年的全国高考中就考了8次,往往是游标卡尺、螺旋测微器交替考查。电压表、电流表、欧姆表使用方法的考查几率则更高。另外,打点计时器、电阻箱、秒表的使用有时也出现。
高考中基本仪器的考察,用的比较多的题型是填空题和作图题,时而也有选择题。高考中常有连接电路实物图的题,这类题设置的目的就是考查电流表、电压表、滑动变阻器等器材的操作和使用方法。
关于实验方法的考查,预计是两种形式:一是以学过的分组或演示实验为背景,考查对实验方法的领悟情况;二是考查灵活运用学过的实验方法设计新的实验。
由于目前设计型实验是高考实验题的热点,而掌握一些有普遍意义的实验方法又是设计实验的基础,所以在复习已学过的实验时,有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法是很有意义的。
一、知识概要
(一)基本仪器的使用
基本仪器是指通用性强,在各种实验中经常用到的仪器。中学阶段,要求掌握的基本仪器如下:
测量长度的仪器------刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器
测量质量的仪器------天平
测量时间的仪器------打点计时器、秒表
测量力的仪器-----弹簧秤
测量温度的仪器------温度计
测量电学量仪器------电流表、电压表、多用电表
电学控制仪器------滑动变阻器、变阻箱、开关
对以上这些仪器,要理解结构原理、规格和主要参数,知道使用方法、注意事项、读数和精度等。
1、理解仪器的工作原理。这能使我们灵活的使用仪器和分析问题。例如,理解10分度的游标卡尺,也就能理解和使用20分度和50分度的游标卡尺。
2、熟悉仪器使用时的注意事项。这往往是高考实验题的考点。注意事项一般是这样几方面:①可能危及仪器安全的。如:螺旋测微器,在小砧快接触工件时,应改用微调旋钮,以免损坏精密螺杆。②可能增大误差的。如使用螺旋测微器,读数时要注意半毫米刻度;测量仪器使用前,要调整零位(如弹簧秤、各种电表)。③使用时容易忽略的。最容易忽略的是仪器使用前的调整和使用后的复位。如:使用欧姆表,要机械调零和电阻档调零,换档后要重新进行电阻档调零,使用完毕要复位。
3、正确选择量程。大的量用小量程,会损毁仪表;小的量用大量程,会增大误差。选择量程的原则是:在测量值不超过量程的前提下,选用尽量小的量程;在完全不清楚测量值的情况下,试用最大量程,再视情况逐渐减小量程。如电流表和电压表一般要求指针能偏转到刻度盘的以上;欧姆表指针应在范围内, 为刻度盘中心阻值。
4、掌握测量仪器的读数方法。主要是估读问题,大部分刻度仪器读数时都需要估读。如刻度尺和温度计,要估读到最小刻度的;螺旋测微器要估读到可动刻度的。
(二)基本实验方法
围绕实验的设计原理、误差控制、数据处理三个环节,都有它们自己的一些有普遍意义的方法,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,可以用较易测量的量替代,从而简化实验。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。
(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。
(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
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