专题01 物理实验基础——【备考2023】高考物理实验题专项精讲精练学案（原卷版+解析版）

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1.误差与有效数字
(1)两类误差
(2)有效数字
带有一位不可靠数字的近似数字叫有效数字，而这位不可靠数字往往是产生于测量时的估读，有效数字位数是从数字左边第一位不为零的数字算起的，如0.16为两位有效数字；有效数字与物理量的单位无关，如1.60cm和16.0mm均为3位有效数字；乘方不算有效数字，如1.00×10²m为3位有效数字。
2.基本仪器的使用方法
(1)游标卡尺的读数
(2)螺旋测微器的读数
测量值=固定刻度读数+可动刻度读数(含读数)×0.01，单位为mm。
(3)多用电表的使用
测量前：机械调零，选挡（电流挡、交直流电压挡或欧姆挡）。
测量时：
测量后：应将选择开关拨离欧姆挡，并旋至OFF挡或交流电压最高挡上。
3.电学实验基础——测量电路和控制电路设计
(1)电流表两种接法的选择
①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若较小，宜采用电流表外接法；若较大，宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大，小外偏小”。
②临界值计算法
时，用电流表外接法；时，用电流表内接法。
③实验试探法：按图所示接好电路，让电压表一根接头P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法。
(2)滑动变阻器的限流式接法和分压式接法的比较
4.电学实验基础——实验器材的选取和实物图连接
(1)电学实验仪器的选择
选择电学实验器材主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器材，一般要考虑以下三个方面的因素：
①安全因素：通过电源、电阻和电表的电流均不能超过其允许的最大电流。
②误差因素：选用不同量程的电表应考虑尽可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时，其指针应偏转到满偏刻度的以上；使用多用电表的欧姆挡时宜选用指针尽可能在中间刻线附近的倍率挡位。
③便于操作：选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围既能满足实验要求，又便于调节。在调节滑动变阻器时，使其大部分阻值都可以用到。
(2)实物图连接的方法
①总的原则：先串后并，接线到柱，注意量程和正负极，无交叉线。
②画线连接各元件，一般先从电源正极出发，按顺序将主电路中串联的元件全部串联起来，再将并联的元件并联到电路中去。
③滑动变阻器有效控制电路。
5.实验数据的五种常用方法
(1)图像法：根据实验测定的数据(或整理后数据)，建立坐标系(一般为平面直角坐标系），描点作图，分析图像的斜率、截距、交点、面积等。
(2)公式法：根据测定的两组或多组数据代入公式求解。取平均值是公式法处理数据减小误差的重要方法。
(3)直接比较法：某些实验中，只需定性确定物理量间的关系，或将实验结果与标准值对比，就能得出实验结论，常用槽码盘比较法。如探究加速度与力、质量关系和槽码实验中，只需比较两车在相同时间的位移就可得出两小车的加速度之比。
(4)列表法。
(5)平均值法。
典例1：（2021·天津·高考真题）某实验小组利用手机的录像功能拍下小球在斜面上做匀加速直线运动的过程。为便于记录小球各个时刻在斜面上的位置，将录像中时间间隔为T的连续7幅画面合成到同一张图中，示意如图。依次测得小球各相邻位置间的距离为、、、、、。
①写出小球在位置1的速度表达式___________。
②要求充分利用测量数据，写出小球运动过程中的加速度表达式___________。
③在测量小球相邻位置间距时由于实验者读数产生的误差是___________误差。（填“偶然”或“系统”）
典例2：（2021·北京·高考真题）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据分析等。例如：
（1）实验仪器。用游标卡尺测某金属管的内径，示数如图1所示。则该金属管的内径为_______mm。
（2）数据分析。打点计时器在随物体做匀变速直线运动的纸带上打点，其中一部分如图2所示，B、C、D为纸带上标出的连续3个计数点，相邻计数点之间还有4个计时点没有标出。打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。则打C点时，纸带运动的速度vC = ________m/s（结果保留小数点后两位）。
（3）实验原理。图3为“探究加速度与力的关系”的实验装置示意图。认为桶和砂所受的重力等于使小车做匀加速直线运动的合力。实验中平衡了摩擦力后，要求桶和砂的总质量m比小车质量M小得多。请分析说明这个要求的理由。
1．（2022·云南昆明·一模）用如图甲所示的装置测量皮带轮转动的角速度。皮带轮可以绕通过中心垂直于盘面的水平轴匀速转动，部分实验步骤如下：
（1）将光电门固定在桌面上方，细线的一端系在固定有速光条的物块上，另一端缠绕在皮带轮上，细线平行于水平桌面；
（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度如图乙所示，则遮光条的宽度____mm；
（3）接通电源，使光电门正常工作，然后启动控制装置使皮带轮匀速转动，细线拖着物块在水平桌面上匀速运动。测得遮光条通过光电门时，遮光时间为，则物块运动速度大小为__________；（计算结果保留2位有效数字）
（4）若皮带轮直径为20cm，则其转动的角速度大小为________。（计算结果保留2位有效数字）
2．（2022·北京市昌平区前锋学校二模）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据处理、误差分析等，例如：
（1）实验仪器，用螺旋测微器测量电阻丝的直径，示数如图所示，则该电阻丝的直径为______mm；
（2）误差分析，某同学用图所示的电路测量一段金属丝的电阻。不考虑偶然误差，测量值与真实值相比较将______（选填“偏大”、“偏小”或“不变”），误差主要是由______（选填“电流表”或“电压表”）的内阻引起的；
（3）实验原理，图为指针式多用电表电路简图。某同学用指针式多用电表测量电学中的物理量时，发现直流电流、电压表盘刻度线是均匀的，而电阻表盘刻度线是不均匀的，结合图简要分析电阻表盘刻度线不均匀的原因。( )
3．（2022·重庆·模拟预测）某学习小组利用图1所示装置测量小球做自由落体运动的加速度。请回答下列问题：
（1）用游标卡尺测量小球的直径d时示数如图2所示，则其读数为________mm；
（2）将小球从A处由静止释放，数字计时器记录下小球通过光电门的挡光时间为，用刻度尺测得A与光电门间的高度差，则小球通过光电门时的速度大小为________m/s，小球下落过程中的加速度大小为_________。（结果均保留三位有效数字）
4．（2022·北京·清华附中模拟预测）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据分析等。例如：
（1）实验仪器。用螺旋测微器测某金属丝的直径，示数如图1所示。则该金属丝的直径为________。
（2）数据分析。打点计时器在随物体做匀变速直线运动的纸带上打点，纸带的一部分如图2示，B、C、D为纸带上标出的连续3个计数点，相邻计数点之间还有4个计时点没有标出。打点计时器接在频率为50的交流电源上。则物体运动的加速度___________（结果保留两位有效数字）。
（3）实验原理。某同学用单摆测量重力加速度的大小，他测量摆线的长度l和对应的周期T，得到多组数据，作出了图像，如图3所示。他认为根据图线可求得重力加速度，则从理论上分析，他求得的重力加速度g___________真实值（选填“大于”“等于”或“小于”）。请分析说明理由。
5．（2022·湖南·模拟预测）某学习小组想测量常温下某金属丝的电阻率，金属材料的电阻约为10Ω。实验室提供的器材如下：
A．20分度游标卡尺、刻度尺
B．直流电源E（电动势为2V）
C．电流表（量程300mA，内阻约为0.5Ω）
D．电流表（量程0.6A，内阻约为0.1Ω）
E.滑动变阻器（0~10Ω，额定电流2A）
F.滑动变阻器（0~1000Ω，额定电流0.5A）
G.电阻箱（0~999.9Ω，额定电流0.5A）
H.直径为D的陶瓷管
I.开关一只，导线若干
他们进行了以下操作：
①用20分度的游标卡尺测量金属丝的直径d如图（a）所示；
②将待测金属丝（有漆包线）紧密地绕在直径为D的陶瓷管上（），制成一个新的滑动变阻器（滑片P与漆包线相接触的位置去掉包线漆），如图（b）所示；
③选择合适的器材按图（c）所示电路图进行连接，将待测金属丝制成的新滑动变阻器的A、F接线柱接入电路；
④将新滑动变阻器的滑片P置于图（d）虚线位置处，调节滑动变阻器R的滑片至一个合适的位置，闭合开关S，调节电阻箱，使电流表的指针半偏；
⑤保持滑动变阻器的滑片位置不变，向右移动新滑动变阻器的滑片P，调节电阻箱，使电流表的指针仍然半偏，读取此时电阻箱的阻值，并用刻度尺测量滑片P与虚线间的距离L；
⑥重复步骤⑤，根据测得的实验数据作出电阻箱的阻值与距离L之间的关系图像，如图（e）所示。
回答下列问题：
（1）金属丝的直径d=___________cm；
（2）为减小实验误差、方便操作，在设计时电流表应选择___________，滑动变阻器R应选择___________；（均填器材前面的序号）
（3）根据图（c）所示的电路图，用笔画线代替导线把图（d）的实物图补充完整；___________
（4）若图像的斜率的绝对值为k，则该金属丝的电阻率___________（用已知量和测得的物理量字母表示）。
6．（2022·天津·耀华中学一模）某同学欲测量一阻值大约为10Ω，粗细均匀的金属线的电阻率。实验桌上除游标卡尺、螺旋测微器、导线和开关外，还有以下器材可供选择：
A．电源E（电动势为6.0V）
B．电压表V（量程为0~6V，内阻约为8kΩ）
C．电流表（量程为0~0.6A，内阻约为0.2Ω）
D．电流表（量程3A，内阻约0.05Ω）
E.滑动变阻器（最大阻值5Ω，额定电流2A）
①用螺旋测微器测得该材料的直径D如图甲所示，读数___________mm。
②测量导电材料的电阻时，为了便于调节，测量尽可能地准确，实验中所用电流表应选用___________（填所选仪器前的字母符号），选择合适的实验器材，在图乙方框内把实验原理图补充完成，把器材符号标在电路图上。___________
7．（2022·山西吕梁·三模）某同学用频闪照相机研究小球的平抛运动，频闪照相机每隔相等的时间曝光一次，得到如图甲所示的图片。他用毫米刻度尺测出图片上小球在水平方向上相邻位置的间距均为2.50cm，竖直方向上相邻位置的间距依次为2.45cm、7.35cm、12.25cm，已知当地重力加速度。
（1）为了计算出小球平抛的初速度，他用游标卡尺测出小球的直径，如图乙所示，则小球的直径为______cm；
（2）他用毫米刻度尺测出图片中小球的直径为0.60cm，由该同学测量的数据可知，小球各相邻位置间的时间间隔为______s；
（3）小球平抛的初速度为______m/s（计算结果保留2位有效数字）。
8．（2022·广东·模拟预测）（1）某同学用螺旋测微器测量一物体的直径，读出图中读数为___________mm
（2）在测量电源电动势和内电阻的实验中，有电压表V（量程为3V，内阻约3kΩ）；电流表A（量程为0.6A，内阻约为0.70Ω）；滑动变阻器R（10Ω，2A）。为了更准确地测出电源电动势和内阻设计了如图所示的电路图。
①如图所示在闭合开关之前为防止电表过载而滑动变阻器的滑动头P应放在___________（选填“a”或“b”）处；
②在实验中测得多组电压和电流值，得到如图所示的U-I图线，由图可得该电源电动势E=___________V，内阻r=___________Ω。
（3）某同学在设计电压表改装时，将一个内阻为60Ω，满偏电流为0.5mA的电流表表头改成量程为3V的电压表，需要___________（选填“串”或“并”）联一个阻值___________Ω的电阻。
9．（2022·海南·模拟预测）某同学测量一段长度已知的电阻丝的电阻率
（1）使用螺旋测微器测量电阻丝的直径，示数如图1所示，则电阻丝的直径是___________mm。
（2）该同学设计的电路图如图2所示，Rx为待测电阻丝。请用笔画线代替导线，补充完整图3所示的实物电路。( )
（3）为测量Rx，该同学利用图2所示的电路，调节滑动变阻器测得5组电压U1和电流I1的值，作出的U1-I1关系图像如图4所示。接着将电压表改接在a、b两端，测得5组电压U2和电流I2的值，数据见下表：
请根据表中的数据，在坐标纸上作出U2-I2图像。( )
（4）由此可求得电阻丝的电阻Rx=___________Ω，根据电阻定律可得到电阻丝的电阻率。（结果保留2位有效数字）
10．（2022·江苏南通·三模）某实验小组测量一新材料制成的粗细均匀金属丝的电阻率，金属丝的长度已知。
（1）用螺旋测微器量金属丝的直径，示数如图所示，其直径为___________mm。
（2）用多用电表粗测金属丝的阻值。当用电阻“×10”挡时，发现指针偏转角度过大，进行一系列正确操作后，指针静止时位置如图乙所示，其读数为___________Ω。
（3）为了精确地测量金属丝的电阻，实验室提供了下列器材：
A．电流表（量程，内阻1kΩ）
B．电流表（量程0.3A，内阻约0.1Ω）
C．滑动变阻器（0~5Ω，额定电流1.0A）
D．滑动变阻器（0~1Ω，额定电流1.0A）
E.电阻箱R（阻值范围为0~9999.9Ω）
F.电源（电动势3.0V，内阻约0.2Ω）
G.开关S、导线若干
①实验小组设计的实验电路图如图丙所示。由于没有电压表，需要把电流表串联电阻箱R改为量程为3V的电压表，则电阻箱的阻值调为___________Ω。滑动变阻器应选择___________（选填“”或“”）
②正确连接电路后，闭合开关，调节滑动变阻器测得5组电流表、的值，，数据见下表。请根据表中的数据，在方格纸上作出图像___________，并由图像求出___________Ω（结果保留2位有效数字），进而可以求出金属丝的电阻率。
③关于本实验的误差，下列说法正确的是___________。
A．用螺旋测微器测量金属丝直径时，由于读数引起的误差属于系统误差
B．用图像处理实验数据求出金属丝阻值可以减小偶然误差
C．需要将得到的几组电表示数取平均值以减小误差
D．为减小读数时的误差，电表读数时应多估读几位数
类别
系统误差
偶然误差
来源
由于仪器本身不精密，实验方法粗略或实验原理不完善而产生的
由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的
特点
多次实验，误差总是偏大或总是偏小
多次实验，误差有时偏大，有时偏小，而且偏大、偏小的机会相同
减小方法
校准仪器，改进实验方法和设计原理
多次测量求平均值
游标尺
精度(mm)
测量结果(游标尺上第n条刻线与主尺上的某刻线对齐时)(mm)
刻度
格数
刻度总长度(mm)
每小格与1
毫米差(mm)
10
9
0.1
0.1
主尺上读的毫米数+0.1n
20
19
0.05
0.05
主尺上读的毫米数+0.05n
50
49
0.02
0.02
主尺上读的毫米数+0.02n
电流挡
串联在电路中
电流从红表笔流入，从黑表笔流出
被测电路中含电源
电压挡
并联在电路中
欧姆挡
测电阻
选挡位，进行欧姆调零，电阻与电路
断开，换挡必须重新欧姆调零，读数
为表针示数乘以倍率
被测电路不含电源，即必须和电源
断开
测二极管
黑表笔接二极管正极，红表笔接二极
管负极，示数很小，反之，示数很大
类别
限流式接法
分压式接法
对比说明
两种接法电路图
串、并联关系不同
负载R上电压调节范围
分压电路调节范围大
负载R上电流调节范围
分压电路调节范围大
闭合S前滑片P位置
b端
a端
都是为了保护电路元件
U2/V
0.81
1.62
2.38
3.22
4.00
I2/mA
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
0.121
0.165
0.218
0.266
0.306
0.100
0.150
0.190
0.230
0.280