例谈如何解答测量型物理实验设计题物理有趣实验500例

时间：2019-01-07 03:39:29　来源：雅意学习网本文已影响人

　　物理考试中对实验的考查始终占据着特别重要的位置。对于初中物理实验中最常见的测量型实验，近年来各地中考对优选实验器材设计实验方案这一能力进行了考查。很多考生在选择仪器设计实验方案时，关注的仅仅是能不能达到题目要求的目的和测量的数据有没有超过仪器的最大量程，而忽视了以下几点。
　　一、仪器的最小分度值
　　对于测量型仪器，既不能测量出超过它量程的数据（损坏仪器），又不宜用来测量比它最小分度值还小的数据（误差太大）。下面仅以两例来简要说明。
　　例1：请选择器材设计一个实验方案较精确地测量出一枚合金戒指（约10g）的密度。提供的器材有：弹簧测力计（量程为5N、最小分度值为0.2N）、量筒三个（50cm3、100cm3、250cm3）、托盘天平（最小砝码为1g、标尺最小刻度为20mg），小烧杯，细线和水。
　　解析：此题中要测量质量和体积。
　　1.对于质量的测量，错解是选择弹簧测力计，弹簧测力计的分度值是0.2N，戒指的重力约为0.098N，小于弹簧测力计的最小分度值，无法测量。天平的分度值为0.02g，戒指的质量约为10g，可见选择天平测量质量是比较合适的。假设用天平测量出戒指的质量为m。
　　2.对于体积的测量，错解一是选择了量筒，三个量筒中，分度值最小的是1cm3（量程为50cm3），而我们假设戒指的成分以银为主，它的密度便可能大于10g/cm3，那么它的体积就小于量筒的最小分度值，无法测量。错解二是利用“称重法”测出浮力后再求出戒指的体积，如上分析可知用弹簧测力计已无法测量出戒指的重力，不可能测量出更小的戒指浸没在水中后弹簧测力计的拉力。可见问题的焦点是如何测量出戒指的体积。正确的做法是：在调好天平的左盘放入装有适量水的小烧杯，测量出水和小烧杯的质量为m；将戒指用细线拴住后浸没于左盘烧杯的水中（不接触杯底），增加砝码（并配合游码的移动）使天平再次平衡，测得此时的质量为m。显见，左右盘中的增加量应相等，即（m-m）g=F，依据阿基米德原理知，戒指的体积为V=。
　　最后求出戒指的密度为：ρ=ρ。
　　变形题：2008年北京奥运会奖牌为“金镶玉”。奖牌正面为国际奥委会统一规定的图案，奖牌背面镶嵌着取自中国的玉石，形象的诠释了中华民族自古以来以“玉”比“德”的价值观，是中华文明与奥林匹克精神的一次“中西合璧”。奖牌分为金牌、银牌和铜牌。其中金牌由纯金（6g）、玉石（19.25g）和纯银（体积为17.3cm3）制造；银牌的质量为243g。（1）求金牌的质量为多少？（2）能否用弹簧测力计来辨别金牌和银牌？（纯银的密度为10.5g/cm3）
　　例2：要测量一个阻值约500Ω的电阻，能提供的器材有：干电池两节，学生用电流表（量程为0―0.6A,0―3A）、电压表（量程为0―3V,0―15V）各一只，滑动变阻器（100Ω、2A）一只，电阻箱（0―9999Ω、5A）一只，开关导线若干。请画出电路图，并简要写出方案。
　　解析：此题关键是如何测量电流（或电压）。
　　1.对于电流的测量，由题意知，未知电阻中最大电流为I===0.006（A），小于电流表的最小分度值0.02A，无法测量。所以本题中只要是通过电流表来测量电流而解决问题的方案都是错误的（常有如图1和如图2两种）。
　　2.对于电压的测量，大体有两种思路：（1）“二次测量法”。将电阻与变阻器串联，则电阻两端的电压为2.5─3V，变阻器两端电压为0─0.5V，可见，用电压表测量电阻两端的电压方案（如图3）优于用电压表测量变阻器两端电压的方案。当然，在这种思路中也可用电阻箱代替变阻器而设计出不同方案，在此不再赘述。（2）“等效代替法”。如图4所示，闭合S、S，断开S，读出电压表示数为U；闭合S、S，断开S，调节电阻箱的阻值，使电压表示数仍为U。则未知电阻值就等于电阻箱的示数。
　　二、优选仪器减小误差
　　这一问题主要体现在仪器选择型试题中，因较为简单仅以一例简要说明。
　　例3：在“用电压表和电流表测电阻”的实验中，粗估被测电阻R的阻值约为3Ω。为减小误差，要求R的发热功率P＜0.75W，且备有下列器材：A.6V的电池组，B.电流表（0―0.6A），C.电流表（0―3A），D.电压表（0―3V），E.电压表（0―15V），F.滑动变阻器（0―20Ω），额定电流为1A），G.开关，H.被测电阻R，则实验中应选用的器材是：?摇?摇?摇?摇 ?摇?摇?摇（用字母表示）。
　　解析：此题涉及到电流表和电压表的选择。
　　1.对于电流表的选择，应首先估算电路中电流的大小，依据公式P=IR，得0.75=I×3，即I=0.5A,所以要想达到R的发热功率P＜0.75W的要求,电路中的电流不能大于0.5A。可见,为了减小误差当然选择（0―0.6A）量程的电流表。
　　2.对于电压表的选择，应首先估算电阻两端电压的大小，依据公式P=，得0.75=，即U=1.5V,所以要想达到R的发热功率P＜0.75W的要求,电阻两端的电压值不能大于1.5V。可见,为了减小误差当然选择（0―3V）量程的电压表。
　　从上述分析中可知，在解答测量型物理实验设计题时要关注：（1）设计的方案能不能达到题目要求的目的；（2）测量的数值有没有超过所选仪器的最大量程；（3）测量的数值是不是小于所选仪器的最小分度值；（4）所选仪器是不是可以将误差减到最小。否则将不能设计出最优方案，甚至错解。
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