一、高中物理实验常用基础知识

（一）常用实验原理的设计方法

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等等。

2．理想化方法：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：当实验情景不易创设或根本无法创设时，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。

（二）常见实验数据的收集方法

1．利用测量工具直接测量基本物理量

2．常见间接测量的物理量及其测量方法

有些物理量不能由测量仪器直接测量，这时，可利用待测量和可直接测量的基本物理量之间的关系，将待测物理量的测量转化为基本物理量的测量。

（三）常用实验误差的控制方法

为了减小由于实验数据而引起的偶然误差，常需要采用以下方法控制实验误差。

1．多次测量求平均值。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。一些物理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。

（四）常用实验数据的处理方法

1．列表法：在记录和处理数据时，常将数据列成表格。数据列表可以简单而又明确的表示出有关物理量之间的关系，有助于找出物理量之间的规律性的联系。

列表的要求是：

①写明表的标题或加上必要的说明；

②必须交待清楚表中各符号所表示的物理量的意义，并写明单位；

③表中的数据要正确反映测量结果的有效数字。

2．作图法：用作图法处理实验数据是物理实验中最常用的方法之一。

用作图法处理数据的优点是直观、简便，有取平均的效果，由图线的斜率、截距、所包围面积和图线的交点等可以研究物理量之间的变化及其关系，找出规律。作图的规则是：

①作图一定要用坐标纸．坐标纸的大小要根据测量数据有效数字的多少和结果的需要来定；

②要标明坐标轴名、单位，在轴上每隔一定相等的间距按有效数字位数标明数值；

③图上连线要是光滑曲线（或直线），连线时不一定要通过所有的数据点，而是要使数据点在线的两侧合理的分布；

④在图上求直线的斜率时，要选取线上相距较远的两点，不一定要取原来的数据点；

⑤作图时常设法使图线线性化，即“化曲为直”。

3．平均值法：将测定的若干组数相加求和，然后除以测量次数．必须注意，求取平均值时应该按原来测量仪器的准确度决定保留的位数。

4．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。

（五）有关误差分析的问题

要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差。要熟练掌握常见实验的误差情况及分析方法。

二、常用基本仪器的使用与读数

物理《考试说明》中要求学生熟练掌握的基本仪器有13种，除打点计时器和滑动变阻器不需要读数外，其余11种都涉及到读数问题。其中游标卡尺、螺旋测微器的读数问题，在历年的高考题中出现频率较高，另外像弹簧秤、欧姆表的读数问题也时有涉及，应为本专题的复习重点。凡涉及需要估读的仪器应当解决好：怎样估读、估读到哪一位数等问题，这是本专题的难点所在。

（一）测量仪器使用常规

对于测量仪器的使用，首先要了解测量仪器的量程、精度、使用注意事项和读数方法。

1．关于量程问题：这是保护测量仪器的一项重要参数，特别是天平、弹簧秤、温度计、电流表、电压表和多用电表等，超量程使用会损坏仪器，所以实验时要根据实验的具体情况选择量程适当的仪器。在使用电流表、电压表时，选用量程过大的仪器，采集的实验数据过小，会造成相对误差较大，应选择使测量值位于电表量程的1/3以上的电表；使用多用电表测电阻时，应选择适当的档位，使欧姆表的示数在电表的中值附近。

2．关于精度问题：所选用仪器的精度直接影响着测量读数的有效数字的位数，因此应在使用前了解仪器的精度，即看清仪器的最小分度值。其中螺旋测微器和秒表的最小分度是一定的。但游标卡尺上游标尺的最小分度、天平游码标尺的最小分度、弹簧秤和温度计刻线的最小分度，都因具体的仪器情况不同而有所差异，电流表、电压表和多用电表则会因所选择的档位不同而造成最小分度值有所不同，因此在进行这些仪器的读数时，一定要看清所选的档位。

3．使用注意事项：一般不同的仪器在使用中都有其特殊的要求，以下几点要特别注意：

（1）天平在进行测量前应先调平衡。

（2）打点计时器所用电源要求为4～6V的交流电源。

（3）多用电表的欧姆档每次换档后要重新调零，被测电阻要与电路断开，使用完毕要将选择开关转至交流电压最高档或“OFF”档。

（4）滑动变阻器、电阻箱和定值电阻使用过程中要考虑其允许的最大电流。滑动变阻器采用限流接法时，滑动触片开始应位于变阻器阻值最大的位置；滑动变阻器采用分压接法时，滑动触片开始应位于分压为零的位置。

（5）电阻箱开始应处于阻值最大状态，调整电阻箱的阻值时，不能由大到小发生突变，以免因为阻值过小而烧坏电阻箱。

（二）测量仪器的读数方法

1．需要估读的仪器：在常用的测量仪器中，刻度尺、螺旋测微器等读数时都需要估读。因为最终的读数要以有效数字的形式给出，而有效数字的最后一位数字为估计数字，应和误差所在位置一致，在实际操作中，究竟估读到哪一位数字，应由测量仪器的精度（即最小分度值）和实验误差要求两个因素共同决定。

（螺旋测微器）

2．不需要估读的测量仪器：游标卡尺、秒表、电阻箱在读数时不需要估读；欧姆表刻度不均匀，可以不估读或按半刻度估读。

（1）游标卡尺的读数：游标卡尺的读数部分由主尺(最小分度为1mm)，和游标尺两部分组成。按照游标的精度不同可分为三种：（a）10分游标，其精度为0.1mm；（b）20分游标，其精度为0.05mm；（c）50分游标，精度为0.02mm。游标卡尺的读数方法是：以游标零刻度线为准在主尺上读出整毫米数L1，再看游标尺上哪条刻度线与主尺上某刻度线对齐，由游标上读出毫米以下的小数L2，则总的读数为：L1+L2。

（游标卡尺）

（2）机械秒表的读数：机械秒表的长针是秒针，转一周是30s。因为机械表采用的齿轮传动，指针不可能停留在两小格之间；所以不能估读出比0.1s更短的时间。位于秒表上部中间的小圆圈里面的短针是分针，表针走一周是15min，每小格为0.5 min。秒表的读数方法是： 短针读数（t1）+长针读数（t2）。

（秒表）

（3）电阻箱：能表示出接入电阻值大小的变阻器；读数方法是：各旋扭对应的指示点的示数乘以面板上标记的倍数，它们之和就是电阻箱接入电路的阻值。使用电阻箱时要特别注意通过电阻的电流不能超过允许的最大数值。

（三）典例分析

【例题1】读出下列50分度游标卡尺的示数。

〖解析〗从左到右示数依次为：5.24mm；11.50mm；22.82mm。

【例题2】试读出下列螺旋测微器的读数（工作原理及读数方法与双缝干涉测波长中的测微目镜手轮的读数相同）

〖解析〗从左到右测微目镜手轮的读书分别为：0.861mm；3.471mm；7.320mm；11.472mm

【例题3】按照有效数字规则读出下列电表的测量值。

接0~3V量程时读数为________V。 接0~3A量程时读数为_______A。

接0~15V量程时读数为_______V。 接0~0.6A量程时读数为______A。

〖解析〗（1）2.17；10.8；（2）0.80；0.16

【例题4】读出右图所示电阻箱的阻值。

〖解析〗86.3Ω。

【例题5】读出机械秒表的读数。

〖解析〗99.8s。

三、力学实验

物理《考试说明》中确定的力学实验有：研究匀变速直线运动、探究弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律。其中有四个实验与纸带的处理有关，可见力学实验部分应以纸带的处理，打点计时器的应用为核心来展开复习。

近几年力学实验中与纸带处理相关的实验、力学创新实验是高考的热点内容，以分组或演示实验为背景，考查对实验方法的领悟情况、灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势。要求考生掌握常规实验的数据处理方法，能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。

在复习过程中，应以掌握常规实验原理、实验方法、规范操作程序、数据处理方法等为本，同时从常规实验中，有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法。逐步过渡到灵活运用学过的实验方法设计新的实验。

（一）打点计时器系列实验中纸带的处理

1．纸带的选取：一般实验应用点迹清晰、无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带。在“验证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二点，并且第一、二两点距离接近2.0mm。

2．根据纸带上点的密集程度选取计数点。打点计时器每打n个点取一个计数点，则计数点时间间隔为n个打点时间间隔，即T=0.02n（s）。一般取n＝5，此时T=0.1s。

3．测量计数点间距离。为了测量、计算的方便和减小偶然误差的考虑，测量距离时不要分段测量，尽可能一次测量完毕，即测量计数起点到其它各计数点的距离。如图所示，则由图可得：S_Ⅰ＝s₁，S_Ⅱ＝s₂－s₁，S_Ⅲ＝s₃－s₂，S_Ⅳ＝s₄－s₃，S_Ⅴ＝s₅－s₄，S_Ⅵ＝s₆－s_5。

4．判定物体运动的性质：

（1）若S_Ⅰ、S_Ⅱ、S_Ⅲ、S_Ⅳ、S_Ⅴ、S_Ⅵ基本相等，则可判定物体在实验误差范围内作匀速直线运动。

（2）设△s₁= S_Ⅱ－S_Ⅰ，△s₂= S_Ⅲ－S_Ⅱ，△s₃= S_Ⅳ－S_Ⅲ，△s₄= S_Ⅴ－S_Ⅳ，△s₅= S_Ⅵ－S_Ⅴ。

若△s₁、△s₂、△s₃、△s₄、△s₅基本相等，则可判定物体在实验误差范围内作匀变速直线运动。

（3）测定第n点的瞬时速度。物体作匀变速直线运动时，在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。即测出第n点的相邻的前、后两段相等时间T内的距离，由平均速度公式就可求得，如上图中第4点的瞬时速度为：

（4）测定作匀变速直线运动物体的加速度，一般用逐差法求加速度。将如上图所示的连续相等时间间隔T内的位移S_Ⅰ、S_Ⅱ、S_Ⅲ、S_Ⅳ、S_Ⅴ、S_Ⅵ分成两组，利用△s＝aT² 可得：

再算出的a_1、a_2、a₃平均值，即：

就是所测定作匀变速直线运动物体的加速度。若为奇数组数据，则将中间一组去掉，然后再将数据分组利用逐差法求解。

（二）设计性实验的设计思路与典例分析

【例题1】做匀加速直线运动的小车，牵引一条纸带通过打点计时器，交流电源的频率为50Hz，由纸带上打出的某一点开始，每5个点剪下一段纸带，按图所示，使每一条纸带下端与x轴重合，左边与y轴平行，将纸带段粘贴在直角坐标系中，则小车运动的加速度是 m/s²（保留两位有效数字）。

【命题意图】本题考查了匀变速直线运动的纸带处理，同时还要明确计数点的选取以及相隔时间的计算问题。要求学生能把常见的纸带数据处理中的数据与图中纸带的长度建立联系，获得相关数据，然后求得实验结果。

〖解析〗

由题意可得，每段纸带的长度就是相邻相等时间间隔内小车的位移，由图示数据可得△s＝7.5×10^-3m，而相隔时间为T＝0.02×5s＝0.1s，根据△s＝aT²，可得小车的加速度为：a=0.75m/s²。

【变式题】伽利略通过研究自由落体和物块沿光滑斜面的运动，首次发现了匀加速运动规律。伽利略假设物块沿斜面运动与物块自由下落遵从同样的法则，他在斜面上用刻度表示物块滑下的路程，并测出物块通过相应路程的时间，然后用图线表示整个运动过程，如图所示。图中OA表示测得的时间，矩形OAED的面积表示该时间内物块经过的路程，则图中OD的长度表示 。P为DE的中点，连接OP且延长交AE的延长线于B，则AB的长度表示 。

〖解析〗OA时间段的平均速度；A时刻的瞬时速度。

【例题2】一个有一定厚度的圆盘，可以绕通过中心的水平轴转动。用下面的方法测量它匀速转动时的角速度。

实验器材：电磁打点计时器，米尺，纸带，复写纸片。

实验步骤：

（1）如图所示，将电磁打点计时器固定在桌面上，将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后，固定在待测圆盘的侧面上，使得圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面上。

（2）启动控制装置使圆盘转动，同时接通电源，打点计时器开始打点。

（3）经过一段时间，停止转动和打点，取下纸带，进行测量。

①由已知量和测得量表示的角速度的表达式为ω=________。式中各量的意义是：_______________________________________________________。

②某次实验测得圆盘半径r=5.50×10^-2m，得到的纸带的一段如图所示。求得的角速度为_________。

【命题意图】利用打点计时器求转盘的角速度，这是本题的创新之处，转盘边缘的线速度与纸带的线速度相等是解决本题的关键。此题的实验器材、和实验步骤题干中已经给出，不需考生自己设计，对于此类常规试题略加变化的创新题型，能否有效排除干扰信息，直指问题关键是高考考查能力的一种全新命题方式。本题也可以在实验器材及实验步骤设计上进行深化考查，从而变成设计性实验。

〖解析〗

①设T为电磁打点计时器打点的时间间隔，r为圆盘的半径，x₁、x₂分别是纸带上选定的两点所对应的米尺上的刻度值，n为选定的两点间的打点数（含两点）。则纸带的速度为，由于纸带与圆盘之间不打滑，则圆盘边缘的线速度亦为

，由匀速圆周运动的规律有ω＝v/r，联立上面两式可得圆盘匀速转动时的角速度为：

（n=2，3，……）

②在图中给出的纸带上任取两点，读出其米尺上的刻度值x₁、x₂，并将T=0.02s、r=5.50×10^-2m及n值代入，可求出ω₁值，重复上述步骤，求出ω₂、ω₃，再取其平均值即为ω的值得ω=6.8rads^-1（6.75～6.84均可）。

【变式题1】一打点计时器固定在斜面上某处，一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下，如图1所示。图2是打出的纸带的一段。

（1）已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，利用图2给出的数据可求出小车下滑的加速度a=_________。

（2）为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，还需测量的物理量有_____________________。用测得的量及加速度a表示小车在下滑过程中所受的阻力计算式为f =_________。

〖解析〗

（1）4.00m/s²（3分，3.90～4.10 m/s²之间都正确）

（2）小车质量m、斜面上任意两点间距离l及这两点的高度差h；。

【变式题2】实验装置如图1所示：一木块放在水平长木板上，左侧栓有一细软线，跨过固定在木板边缘的滑轮与一重物相连。木块右侧与打点计时器的纸带相连。在重物牵引下，木块在木板上向左运动，重物落地后，木块继续向左做匀减速运动，图2给出了重物落地后，打点计时器在纸带上打出的一些点，试根据给出的数据，求木块与木板间的摩擦因数μ。要求写出主要的运算过程。结果保留2位有效数字。（打点计时器所用交流电频率为50Hz，不计纸带与木块间的拉力。取重力加速度g=10m/s²）

〖解析〗由给出的数据可知，重物落地后，木块在连续相等的时间T内的位移分别是：s₁=7.72cm，s₂=7.21cm，s₃=6.71cm，s₄=6.25cm，s₅=5.76cm，s₆=5.29cm，s₇=4.81cm，s₈=4.31cm 以a表示加速度，根据匀变速直线运动的规律，有

，又知T=0.04s，解得a=－3.0m/s²。重物落地后木块只受摩擦力的作用，根据牛顿第二定律有：－μmg=ma，解得μ=0.30。