ε′=U1I2-U2I1I2-I1,r′=U1-U2I2-I1图3若考虑到安培表的内阻RA的影响,则方程应修正如下:
U1=ε-I1(γ+RA),U2=ε-I2(γ+RA)解得:ε=U1I2-U2I1I2-I1,r=U1-U2I2-I1-RA测量值与真实值之比为:
ε′ε=1,r′r=(U1-U2I2-I1)/(U1-U2I2-I1-RA)=r′r′-RA。
可见用此法测量时,伏特表的内阻对测量结果无影响,安培表内阻的影响使电池内阻测量结果偏大,而对电动势测量结果也无影响。若只测电动势,用此法较佳。但由于电池内阻一般很小,与RA很近,故此法测电池内阻其误差会很大。
图4④用伏特表和电阻箱测量(如图4)。调节电阻箱的阻值可得到两组读数R1、U1和R2、U2。则由方程组U1=ε′R1R1+r′,U2=ε′R2R2+r′可解得电动势和内阻的测量值分别为:
ε′=U1U2(R2-R1)U1R2-U2R1,r′=(U2-U1)R1R2U1R2-U2R1。
若考虑到伏特表内阻的影响,则方程应修正如下:
U1=εR1Rv/(R1+Rv)R1Rv/(R1+Rv)+r,U2=εR2Rv/(R2+Rv)R2Rv/(R2+Rv)+r解得:ε=U1U2(R2-R2)(Rv+r)(U1R2-U2R1)Rv,r=(U2-U1)R1R2(Rv+r)(U1R2-U2R1)Rv测量值与真实值之比分别为:
ε′ε=RvRv+r,r′r=RvRv+r。
图5测量值均偏小,系统误差大小与测法②相同。
⑤用安培表和电阻箱测(如图5)。调节电阻箱阻值可得到两组读数R1、I1和R2、I2。由方程组I1=ε′R1+r′I2=ε′R2+r′解得:ε′=I1I2(R2-R1)I1-I2r′=I1R1-I2R2I2-I1考虑到安培表内阻的影响,则方程应修正为:
I1=εR1+r+RA,I2=εR2+r+RA解得:ε=I1I2(R1-R2)I2-I1,r=I1R1-I2R2I2-I1-RA。
测量值与真实值之比分别为:ε′ε和γ′γγ′γ=(I1R1-I2R2I2-I1)/(I1R1-I2R2I2-I1-RA)=γ′γ′-RA可见安培表内阻对电动势测量结果无影响,使内阻测量结果偏大。比较上述测法③可知,二者测量结果系统误差相同。
综合比较上述五种测法可知,第③和第⑤种测法电表内阻对电动势测量结果无影响,但会引起电池内阻测量的很大误差,因为电池内阻与安培表内阻接近,甚至更小。第①、②和第④测法,伏特表内阻的影响使测量结果均偏小,且测量值与真实值之比均为Rv/(Rv+γ)。但伏特表内阻比电池内阻大得多(通常在千倍以上),故伏特表内阻引起的系统误差不到千分之一,这比其它因素(如电表级别、读数等)引起的误差要小得多。因此教材在学生实验中用测法②进行较准确测量,而称测法①为粗测,原因是前者可减小实验中误差的主要来源——读数引起的偶然误差。
中学物理学生实验的基本要求
学生实验,是中学物理教学中极为重要的一个内容。由于在教学标准和教材中对学生实验的要求不够具体、明确,教学中往往容易出现“走过场”的现象,不少学生更是不甚明了。为此,本文根据教学标准,把基本要求和较高要求中的必做实验和选做实验加以整理分类,针对各类实验的特点分别提出不同的要求,并举例略加说明,希望能得到热心中学物理教育事业的师长和同志们的指教,以期完善对中学物理学生实验的要求,有利于进一步提高实验教学课的质量。
根据部颁要求,江苏省苏州中学王溢然老师认为中学物理中的学生实验,基本上可以分为四大类:
常用仪器的使用
除了在初中物理中已学过的常用仪器,如天平秤、弹簧秤、压强计、气压计、温度计、安培表、伏特表等外,高中物理中主要有打点计时器、万用电表、示波器、游标卡尺、螺旋测微器、惠斯通电桥等。对于这一类实验的要求应该是:能够了解仪器的基本结构、熟悉各主要部件的名称、懂得工作(测量)原理、掌握合理的操作方法、学会正确读数、明确使用、注意事项等等。下面以万用电表为例作扼要说明:
(1)万用电表的结构及各主要部件名称
万用电表由表头(高灵敏度的磁电式电流表)、测量线路、转换开关三大部分组成,外观的主要部件名称如图1所示。
(2)工作原理
作欧姆表使用时,其原理可用图2的电路说明。
当正负表笔间接有被测电阻Rx时,通过电表的电流强度为Ix=8r+R1+R0+Rx=8R表+Rx式中R表=r+Rr+R0就是欧姆表的内阻,已调整后固定在某一档位使用时可以认为不变,因而通过电表的电流随被测电阻Rx的增大而减小(但不是反比关系),于是就可以根据指针的偏转角度比较被测电阻的大小。
(3)使用方法和读数
使用时,首先应把转换开关拨到电阻档,然后将两表棒短路,调节零欧姆调整器,使指针正好指在零欧姆上,接着就可进行测量,读数时应把表面示数乘以相应的倍率。
(4)注意事项
①每次把转换开关拨到不同倍率档位时,应重新调零;②测量时不应用两手把表笔和电阻两端同时捏住;③用毕通常应把转换开关拨到交流250伏特等等。
基本物理量的测量
在初中物理课中已经学过长度、时间、质量、力、密度、压强、温度、比热、电流强度、电压等物理量的测量,高中物理中进一步学习了加速度(包括g)、速度、电阻率、电阻、电动势、折射率、焦距以及摩擦系数、熔解热、相对湿度、电容、电化当量等基本物理量的测定,这是比重较大的一部分实验,约占实验总数的1/3以上。通过对物理量的测量,可以帮助学生形成正确的物理概念,理解各相关量之间的关系,对这一类实验的要求应该是:明确被测物理量的含义、弄懂具体的实验原理、掌握正确的实验方法(包括了解所用仪器、器材的规格性能、会安装和调试整个实验装置、选择合理的实验步骤、正确进行数据测量和处理以及能够分析和排除实验中出现的常见故障等,以加速度的测量为例:
(1)加速度的物理意义
某一段时间内的平均加速度定义为:
α=△V△t=V2-V1t2-T1当物体作匀变速直线运动时,各段时间中测出的平均加速度都相等,也就是它们的即时加速度。
(2)加速度的测量原理
欲通过一段时间始末两个时刻即时速度的测量得到加速度是比较困难的,因而实验中把它转化为对位移和时间的测量。
根据匀变速直线运动的规律△S=αT2,因此可以通过对任意两个连续相等的时间间隔T内的位移之差△S和时间T求得加速度。
或者根据匀变速直线运动的物体在某一段时间内的平均速度,等于这段时间中点时刻的即时速度的道理,测出物体通过各连续相等时间内的位移,算出即时速度,然后由速度图线的斜率得到加速度。
(3)测量加速度的实验方法
①了解仪器、器材的规格性能:譬如对该实验中主要仪器打点计时器,应了解其工作电压、电源频率、打点间隔、接线方法、并观察打点是否均匀有力、能否在纸带上留下清晰的点子等。
②安装和调试实验装置:按课本安装仪器后,应检查挂上砝码后小车是否作直线运动、纸带有无卡住的现象、核对电源电压(及频率)是否相符,并通过试做观察点子是否清晰,是否过于密集,可通过检查复写纸、改变指针位置、更换砝码等加以调整。
③实验和数据测量:
实验时使小车停在打点器处,先接通电源,然后轻轻放开小车,让小车拖动纸带运动,并重复3~4次。
从这些纸带中选择一条比较理想的使用,从便于测量的地方找一个开始点,然后量出所取的各连续相等时间内的位移填入预先设计的表格中。
④处理数据得出结果:
通过直接计算或利用图线得出加速度。
有时还需要把被测物理量的数值跟公认值或已知值相比较,求出误差率。
观察和研究物理现象、验证物理规律
观察和实验是研究物理现象最基本最重要的方法。通过实验可以增加学习观察物理现象的能力,提高研究物理现象、验证物理规律的兴趣。因此这也是物理实验中的一个重要内容。通过实验,可以使学生对所研究的物理现象及其规律形成一幅形象化的图景,深化对物理规律的认识。在高中物理中这类实验有:研究平抛运动、画等电势线、研究电磁感应现象、观察磁铁对电流的作用、共点力合成的平行四边形法则,有固定转动轴物体的平衡条件、牛顿第二定律、动量守恒定律、向心力公式、机械能守恒、玻-马定律以及理想气体的状态方程等,它们也占基本要求实验中的1/2,对验证物理规律的实验的要求和基本物理量的测量大体相同。应该强化的地方是分析误差原因,这是验证性实验中比测量物理量矛盾更为突出的地方。对观察物理现象的实验只要求学会如何使用仪器,把物理现象显示出来,并通过直觉的观察,对影响该现象的各个因素有一个定性的了解。如用示波器观察交流电的波形,只要求能掌握示波器的基本使用方法,并通过调节扫描频率看到几个完整的正弦波形,从而对交流电的电压(或电流)的瞬时值按正弦规律变化有一个形象的认识;而对研究物理现象的实验在要求上有所提高,不仅要求能够使用仪器掌握正确的实验研究方法,把有关现象的物理内容反映出来;还要求通过具体的测量作定量的研究,从而找出相应的物理规律来。如研究平抛物体的运动,要求在实验中描绘出平抛物体的运动轨迹,并根据其运动特点求出初速度等。
改装和制作仪器
改装和制作仪器可以进一步训练学生的动手能力。这一部分实验在教材中也占了一定的比例,如改装伏特表等。原则上对这类实验有着更高的要求,限于当前大部分地区的教学条件,可以分两种要求。
(1)必做实验:如把电流计改装成伏特表,要求从电表的参数(内阻、满度电流)测量、改装原理、分压电阻的计算、刻度的校验以及误差率的大小等能够全面掌握。
(2)选做实验:如安装收音机和组装显微镜,只要求有条件的时候能让学生了解其初步原理、按一定程式独立(或几人合作)完成组装工作。
物理实验中基本仪器的使用要求
教学标准提出:“学生应初步具备的实验能力,主要是学会正确使用仪器进行观察、测量和读数,”在物理教学实践中,天津市宝坻县第一中学王志民、朱尧崇老师根据教学标准和教材的内容,要求学生掌握以下仪器使用,并提出了如下具体要求。
游标卡尺
(1)掌握游标部分的原理。
(2)能识别游标卡尺的精密度,能读数,能用有效数字按卡尺的精密度记录数据。
(3)掌握测内径、外径、长度和深度的方法,会固定游标。
(4)用完要放松固定螺栓,将游标尺推回零位。
螺旋测微器(千分尺)
(1)了解螺旋测微器的构造及活动刻度与固定刻度的意义。
(2)熟练掌握使用方法会正确使用棘轮,使用前应注意是否存在零误差,若有,请教师调整。
(3)了解如何根据零误差修正测量结果。
(4)熟练掌握读数方法,并根据精密度用有效数字记录读数。
(5)用毕要放松固定栓,将活动砧与固定砧合拢,但不可用力,接触即可。
弹簧秤
(1)测量前要求学会看弹簧秤的量程、弹簧秤的灵敏度及弹簧秤的零点读数,会校准零点或依零点读数修正测量结果。
(2)使用时要知道弹簧秤的指针需与刻度线平行,弹簧秤的轴线方向与力的作用线方向一致,会依仪器精密度按有效数字读数并记录。
(3)要知道不能使弹簧秤长久受力,以免引起弹性疲劳。
打点计时器
(1)知道打点计时器结构及各部分名称。
(2)能正确选择工作电压:交流电6~8伏,不能太高,并注意打点结束立即切断电源;(3)知道如何检测打点计时器的等时性,对于不等时的打点计时器应予以调换或请教师调整。
秒表
(1)了解表的精密度,能按精密度读出秒表示数并用有效数字记录数据。
(2)掌握秒表的使用方法。
(3)用毕后使指针(或显示数)回零。
物理天平
(1)了解物理天平的构造。
(2)使用前先检查天平的称盘,盘架挂勾上的号码与横梁上号码是否一致,刀口是否在支架上,然后调整底盘水平。
(3)使用天平称量物体质量时,要掌握只有观察天平是否平衡时才能轻轻起动天平,其它时候(如增减砝码和拿取物体时),都应将横梁放到支架上。
(4)知道天平的使用规则。
(5)使用完毕要将称盘摘离刀口。
气压计
(1)了解水银气压计的原理。
(2)使用水银气压计时:
①观察水银柱是否竖直,②调节水银面与象牙针接触,③调节游标尺使其与管内水银面相齐,从标尺和游标尺上读出精确数值。
电池
(1)能识别电池的正负极,并掌握串、并联的方法。
(2)使用电池时:
①不能短路,拆除电路时先拆除与电池联接的导线;②使用时电流不能过大,不能超过电池的允许电流强度。
学生电源
(1)能识别交流、直流及稳压输出。
(2)能识别和正确使用直流、稳压输出的正负极。
(3)在使用交流、直流输出时,能根据不同的需要选择电压输出。
(4)使用时注意不要超出电源允许的电流强度。
10安培表、伏特表(1)使用仪表前先注意仪表上的符号及量程。
(2)使用仪表时如果估计不出待测电流强度或待测电压的约数,则应先使用大量程,然后根据指针偏转情况逐渐改变量程。
(3)连接导线时要注意仪表的正负接线柱,不能接错,安培表串联在电路中,伏特表并联在电路中。
(4)接通电路前会调整零点,接通电路后,测量时能读出准确数字,用有效数字记录数据。
(5)接通电路时应手持电键眼看仪表,以防超过量程,若超过量程应立即断开电路。
(6)了解电流表原理,能测其内阻,扩大量程(一般学校可不要求)。
11灵敏电流计(1)能用电流计指针偏转方向判断电流方向。
(2)在使用时不能超过量程,初步用电源判断电流方向与指针偏转关系时,切勿与电源直接相连。
12万用表
(1)能识别并正确选择Ω、V-、A、V~挡位。
(2)了解欧姆表的构造及原理。
(3)能熟练用欧姆表测量电阻阻值;会根据估测阻值正确选择倍率挡,会正确读数。
(4)使用完毕将选择开关放到“OFF”挡或交流电压最高挡。
13滑动变阻器
(1)使用前要能辨认变阻器的阻值范围和它的最大允许电流值。
(2)对变阻器的三个(或四个)接线柱,要熟悉连接哪两个接线柱是固定电阻,连接哪两个接线柱为短路,如何连接变阻器起限流作用,如何连接起分压作用。
(3)在使用过程中要知道变阻器各部分所起的作用,在电路通电前滑键应放在什么位置。
14变阻箱
(1)使用前要了解它的安全电流,保证使用过程中不超过安全电流。
(2)使用电阻箱时首先注意每个插头或每个旋钮所代表的数值,并会计算总阻值。
(3)在接通电路前要知道检查电阻箱阻值不能为零,应有足够大的阻值。
初中物理学生实验操作“细节”
用刻度尺测长度
(1)观察刻度尺时,视线要垂直于尺面,不要歪斜。
(2)测量细铜丝直径时,须将铜丝紧密排绕在铅笔上,不要出现重叠或圈距现象。