2025-2026学年高中物理竞赛课件：第十七课 实验专题（实验10-18）

物理清北班——筑基阶段 教师：林志敏 第十七课：实验专题（实验10-18） 1 实验10 观察电容器的充、放电现象 返回目录 一、实验原理  　      1.充电过程:电容器与电源相连,形成充电电流,随着极板电荷量的增加,充电电流减小。 2.放电过程:电容器的正、负电荷中和,形成放电电流,随着极板电荷量的减少,放电电流 减小。 返回目录 二、操作步骤 1.按原理图连接实验器材。 2.单刀双掷开关S接1,观察电容器的充电现象,并将结果记录下来。 3.单刀双掷开关S接2,观察电容器的放电现象,并将结果记录下来。 4.关闭电源,整理器材。 三、数据处理 1.观察电流表、电压表示数变化,总结电容器充、放电电流、电压的变化规律。 2.绘制充、放电的I-t图像,由图像计算充、放电过程中通过电路的电荷量。 返回目录   知识拓展　在I-t图像中,先算出一个小方格代表的电荷量,然后数出整个图线与横轴所 围的“面积”中的方格数(大于半格的按一个方格计算,小于半格的舍弃)。电容器充 电或放电过程中的电荷量为一个小方格代表的电荷量乘以方格数。 返回目录 3.充电完成后,电容器两极板之间的电压等于电源电动势,由电容的定义式C= 估算出 电容器的电容C。 四、注意事项 1.电流表要选用小量程的灵敏电流表(或电流传感器)。 2.要选择大容量的电容器。 3.实验要在干燥的环境中进行。 4.在做放电实验时,在电路中串联一个电阻,避免烧坏电流表。 五、误差分析 1.读数误差:电流测量和读数不准确带来的误差。 返回目录 2.数据处理产生的误差:利用I-t图像进行数据处理时会造成误差。 六、改进方案 用电流传感器和电压传感器代替电流表和电压表,电路如图所示。由计算机可以直接 得到电容器充电的UC-t图像及电容器放电的I-t图像。   返回目录 实验11 导体电阻率的测量 返回目录 一、实验原理 电路图如图所示。由R=ρ 得ρ= ,只要测出金属丝长度l、横截面积S和电阻R,即可求 得ρ。   二、操作要领及注意事项 1.如何测金属丝直径和长度:测量直径时应用螺旋测微器在不同位置测量三次,取平均 返回目录 值;测金属丝长度时应将金属丝拉直,多次测量金属丝接入电路中的有效长度,求其平均 值。 2.如何连接电路:按电路图连接;金属丝电阻小,用电流表外接法;闭合开关前,将滑动变 阻器的滑片调到接入电路的阻值最大处。 3.如何测量电压、电流:改变滑动变阻器接入电路的阻值,测得多组U、I数据。 三、数据处理 1.计算Rx的两种方法 (1)平均值法:用Rx= 分别算出各次的阻值,再取平均值。 (2)图像法:作出U-I图像,利用斜率求出Rx,如图所示。 返回目录   点拨提醒　用图像法求电阻时,要尽量使所描相邻点间的距离大一些,直线要尽可能地 通过较多的点,不在直线上的点均匀分布在直线两侧,个别偏离较远的点应舍去。 2.计算电阻率:将记录的数据l、d及Rx的值代入电阻率计算式,得ρ= = 。 四、误差分析 1.金属丝直径和长度的测量、读数等人为因素带来误差。 2.测量电路中电流表与电压表对电阻测量的影响。因为电流表外接,所以R测<R真,由R=ρ 返回目录  知ρ测<ρ真。 3.通电电流过大,时间过长,使金属丝发热,电阻率随之变化带来误差。每次读完电表示 数后要快速断开电源,调好滑片位置再闭合开关读下一组数据。 五、改进方案 如图所示,将电路图进行更改,这样消去了电流表对电阻测量的影响,消除了系统误差。 根据 =Rx+RA+R0,将电压表改接在a、b两端有 =RA+R0,得出Rx= - 。   返回目录 实验12 测量电阻的几种方法 返回目录 一、伏安法测电阻 1.实验原理 根据R= ,用如图所示的电路测出电压U与电流I,即可得出电阻的阻值R。   返回目录 2.操作要领及注意事项 (1)如何连接电路:确定电流表、电压表的量程,多采用电流表外接法,滑动变阻器多采 用分压式接法,同时把滑动变阻器的滑片调节到最左端(电路参考实验原理),使闭合开 关后R两端电压最小,接线经检查无误后,闭合开关S。 (2)如何测量与记录数据:移动滑动变阻器的滑片,测出12组左右不同的电压值U和对应 电流值I,并将测量数据填入表格中。 3.数据处理 建立U-I坐标系,描点,用平滑的曲线连接起来,如图所示,就得到电阻的伏安特性曲线。 (坐标系纵轴和横轴的标度要适中,以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜) 返回目录   4.误差分析 由于电压表、电流表不是理想电表,电表内阻对电路的影响会带来系统误差。 二、差值法测电阻 1.电流表差值法(如图所示) 返回目录   (1)基本原理:通过定值电阻R0的电流I0=I2-I1,电流表A1两端的电压U1=I0R0。本质是将其 中一个电流表当作或者改作电压表进行使用。 (2)可测物理量 若已知R0,可求得电流表A1的内阻r1= ;若已知r1,可求得R0= 。 返回目录 2.电压表差值法(如图所示)   (1)基本原理:定值电阻R0(阻值较大)两端的电压U0=U2-U1,流过电压表V1的电流I1=  。本质是将其中一个电压表当作或改作电流表使用。 (2)可测物理量 若已知R0,可求得电压表V1的内阻r1= R0;若已知r1,可求得R0= r1。 返回目录 三、半偏法测电表内阻 1.半偏法测电流表内阻 (1)实验电路图   (2)实验步骤 ①按如图所示的电路图连接实物电路。 ②断开S2,闭合S1,调节R1接入电路的阻值,使电流表满偏。 ③保持R1接入电路的阻值不变,闭合S2,调节R2,使电流表半偏,然后读出R2的阻值。 返回目录 (3)实验条件:R1≫RA。 (4)测量结果:RA测=R2<RA。 (5)误差分析:当闭合S2时,总电阻减小,总电流增大(大于电流表满偏值),此时电流表半 偏,所以流经R2的电流比电流表所在支路的电流大,R2<RA,故RA测<RA。 2.半偏法测电压表内阻 (1)实验电路图   返回目录 (2)实验步骤 ①按如图所示的电路图连接实物电路。 ②将R2的阻值调为0,闭合S,调节R1滑片位置,使电压表满偏。 ③保持R1滑片位置不变,调节R2,使电压表半偏,然后读出R2的阻值。 (3)实验条件:R1≪RV。 (4)测量结果: =R2>RV。 (5)误差分析:当R2的阻值由0逐渐增大时,R2与电压表两端的电压也将增大,当电压表半 偏时,R2两端电压大于电压表两端电压,R2>RV,故RV测>RV。 返回目录 四、等效替代法测电阻 1.电流的“等效替代” (1)按如图所示的电路图连接好电路,并将电阻箱R0的阻值调至最大,滑动变阻器的滑片 P置于a端。   (2)闭合开关S1、S2,调节滑片P的位置,使电流表指针指在适当的位置,记下此时电流表 返回目录 的示数I。 (3)断开开关S2,再闭合开关S3,保持滑动变阻器滑片P的位置不变,调节电阻箱,使电流表 的示数仍为I。 (4)此时电阻箱连入电路的阻值R0与Rx相等。 2.电压的“等效替代” (1)按如图所示的电路图连好电路,并将电阻箱R0的阻值调至最大,滑动变阻器的滑片P 置于a端。 返回目录   (2)闭合开关S1、S2,调节滑片P的位置,使电压表指针指在适当的位置,记下此时电压表 的示数U。 (3)断开开关S2,再闭合开关S3,保持滑动变阻器滑片P的位置不变,调节电阻箱,使电压表 的示数仍为U。 (4)此时电阻箱连入电路的阻值R0与Rx相等。 返回目录 五、电桥法测电阻 1.操作:如图甲所示,实验中调节电阻箱R3,使灵敏电流计G的示数为0。 2.原理:当IG=0时,有UAB=0,则 = , =URx;电路可以等效为图乙所示电路。根据欧姆 定律有 = , = ,由以上两式解得 = ,这就是电桥平衡的条件,由该平衡条 件可求出被测电阻Rx的阻值。 返回目录 实验13 测量电源电动势和内阻 返回目录 一、实验原理及装置图        改变滑动变阻器接入电路的阻值,测多组U、I值,根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir计 算E、r。 返回目录 二、操作要领及注意事项 1.如何选电池:为使路端电压变化明显,应选内阻较大的旧电池。 2.如何连电路:按原理图连接电路,注意电流表、电压表的接线柱的正负及量程。 3.测量前滑动变阻器滑片应调到什么位置:闭合开关前,滑动变阻器滑片位于连入电路 阻值最大的位置。 4.如何测量数据:调节滑动变阻器的滑片,电流不要过大,读数要快;要测出不少于6组(I, U)数据,变化范围要大些。 三、数据处理 1.计算法:测出路端电压和电流,列方程组 ,解得E、r。可以列多个方程组,分 返回目录 别求出E、r,再取其平均值。 2.作图法:由测出的多组I、U值,描点作图处理数据,如图所示。   (1)图线与纵轴交点的纵坐标为电源电动势E。 (2)图线斜率的绝对值为内阻r。 四、误差分析及改进措施 1.若采用图甲电路,由于电压表的分流作用造成误差,电压值越大,电压表的分流越多,对 返回目录 应的I真与I测的差值越大,其U-I图像如图丙所示。结论:E测<E真,r测<r真。  　       　      返回目录 2.若采用图乙电路,由于电流表的分压作用造成误差,电流值越大,电流表的分压越多,对 应的U真与U测的差值越大,其U-I图像如图丁所示。结论:E测=E真,r测>r真。 3.因为通常情况下电源内阻较小,则图乙所测电源内阻误差较大,所以为了减小系统误 差,我们实验时用图甲电路,电压表内阻越大,分流越小,其系统误差也越小,所以选用内 阻较大的电压表。 五、拓展方案 方案一　安阻法测电动势和内阻 1.实验原理及装置图 返回目录   闭合电路欧姆定律E=IR+Ir,电路图如图所示。 2.数据处理 (1)计算法:由 解方程组求得E、r。 (2)图像法:由E=I(R+r)可得 ① = R+ ,可作 -R图像(如图甲), -R图像的图线斜率k= ,纵轴截距为 。 返回目录  　      ②R=E· -r,可作R- 图像(如图乙),R- 图像的图线斜率k=E,纵轴截距为-r。 3.误差分析 (1)误差来源:电流表有内阻,导致电源内阻测量不准确。 (2)结论:E测=E真,r测>r真(r测=r真+rA)。 方案二　伏阻法测电动势和内阻 返回目录 1.实验原理及装置图 闭合电路欧姆定律E=U+ r,电路图如图所示。   2.数据处理 (1)计算法:由 解方程组求得E和r。 返回目录 (2)图像法:由E=U+ r得 = + · , - 图像的图线斜率k= ,纵轴截距为 ,如图。   3.误差分析 (1)误差来源:未考虑电压表的内阻,干路电流表达式不准确,导致电动势、内阻测量不 准确。 (2)结论:E测<E真,r测<r真。 返回目录 实验14 用多用电表测量电学中的物理量 返回目录 一、实验原理 1.多用电表的工作原理:闭合电路欧姆定律、电路的串联与并联。如图甲为电阻挡电 路。   甲 (1)当红、黑表笔短接时,Ig= 。 返回目录 (2)当被测电阻Rx接在红、黑表笔之间时,I= 。 2.二极管具有单向导电性:当给二极管加正向电压时,它的电阻很小,电路导通,如图乙, 灯亮;当给二极管加反向电压时,它的电阻很大,电路断路,如图丙,灯不亮。  　      二、操作要领及注意事项 1.认识多用电表的表面:多用电表的上半部分为表盘,下半部分是选择开关,开关周围标 有测量功能的区域及量程,如图所示。 返回目录   2.如何进行机械调零:检查多用电表的指针是否停在表盘刻度左端的零位置。若不指 零,则可调节指针定位螺丝进行机械调零。 3.如何测量小灯泡的电压和电流:将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔,保证电流总 返回目录 是“红进黑出”。测电压时,多用电表应与被测元件并联;测电流时,多用电表应与被测 元件串联。 4.测量定值电阻 (1)测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开,根据被测电阻的估计阻值,选择合适 的挡位,把两表笔短接,进行欧姆调零。 (2)将被测电阻接在两表笔之间,待指针稳定后看指针是否指在中值附近,否则换挡,每 换一次挡必须重新欧姆调零。 (3)读出指针在刻度盘上所指的数值,用读数乘所选挡位的倍率,即得测量结果。 返回目录 5.用多用电表测二极管的正、反向电阻 将多用电表电阻挡欧姆调零后,将二极管接在两表笔之间,若指针偏角很大(读数很小), 则黑表笔接触的是二极管的正极,红表笔接触的是二极管的负极(如图甲);若指针偏角 很小(读数很大),则黑表笔接触的是二极管的负极,红表笔接触的是二极管的正极(如图 乙)。  　      6.多用电表使用完毕后应怎样做:选择开关应置于“OFF”挡,长期不用应取出电池。 返回目录 三、数据处理 1.测电阻时电阻值等于指针的示数与倍率的乘积。 2.测电压和电流时,如果所读表盘的最小刻度为1、0.1、0.01等,读数时需往后估读一 位;若表盘的最小刻度为0.2、0.02、0.5、0.05等,读数时估读到本位。 四、误差分析及改进措施 1.多用电表内部电池用旧后,电动势会减小,内阻会变大,使电阻测量值偏大,要及时更换 新电池。 2.电阻挡表盘的刻度线不均匀,估读时易带来误差,要注意其左密右疏的特点,表头指针 偏转过大或过小都会使误差增大,因此要选用恰当挡位,使指针落在表盘的中间区域。 3.读数时的观测易产生偶然误差,视线要垂直表盘正对指针读数。 返回目录 实验15 测量玻璃的折射率 返回目录 一、实验原理及装置图   如图所示,当光线AO以一定的入射角穿过两面平行的玻璃砖时,通过插针法找出跟入 返回目录 射光线AO对应的出射光线O'B,从而画出折射光线OO',测量入射角θ1、折射角θ2,再根据 n= 计算出玻璃的折射率。 二、操作要领及注意事项 1.实验操作应注意哪些细节:尽可能将大头针竖直插在纸上,P1和P2之间、P3和P4之间、 P2与O之间、P3与O'之间距离要稍大一些;插针时,眼睛在bb'的一侧透过玻璃砖观察两 枚大头针并调整视线方向,使P3挡住P1、P2的像,再插上P4,使P4挡住P3和P1、P2的像。 2.入射角应满足什么要求:入射角θ1不宜太大(接近90°)或太小(接近0°)。入射角太大折 射光较弱,入射角太小角度测量的误差较大。 3.画线时应如何操作:先在白纸上画一条直线aa',再在白纸上放上玻璃砖,使玻璃砖的一 返回目录 条长边与直线aa'对齐,在玻璃砖另一条边上确定两点,并用刻度尺画出该条长边的对齐 线bb'。操作时,手不能触摸光通过的玻璃砖的光洁面,也不能把玻璃砖的棱当尺子画边 界线。 三、数据处理 1.计算法:用量角器测量入射角θ1和折射角θ2,计算不同入射角时的 ,并取平均值。 2.图像法:改变不同的入射角θ1,测出不同的折射角θ2,作sin θ1-sin θ2图像,由n= 可知 图线应是一条过原点的倾斜直线,其斜率为折射率。 3.“单位圆”法:以入射点O为圆心,以一定的长度R为半径画圆,如图所示,sin θ1= ,sin 返回目录 θ2= ,OE=OE'=R,则n= = 。只要用刻度尺测量出EH、E'H'的长度就可以 求出折射率n。   四、误差分析 1.若本实验方案中直线aa'与直线bb'不平行,则会产生误差。 2.如图甲所示,若误将本实验方案中的玻璃砖稍向上平移了一些(aa'、bb'的间距与玻璃 返回目录 砖的宽度仍相等),不影响实验结果。        3.如图乙所示,若在本实验操作中误将两界面aa'、bb'的间距画得比玻璃砖的宽度大些, 则会导致测量的折射率偏小。 返回目录 实验16 用双缝干涉测量光的波长 返回目录 一、实验原理 光源发出的光,经过滤光片后变成单色光,再经过单缝S时发生衍射,S1、S2相当于两个相 干光源,相邻两条亮(暗)条纹中心间的距离Δx= λ。因此,只要测出Δx、d、l即可测出 波长λ。 二、操作要领及注意事项 1.安装时应注意的细节:使光源、透镜、滤光片、单缝、双缝的中心均在遮光筒的中 心轴线上,并使单缝、双缝平行且间距适当。 2.如何进行调节:调整光源的高度和亮度,使它发出的光束能够沿着遮光筒的轴线把屏 返回目录 照亮;调节测量头时,应使分划板中心刻线和亮条纹的中心对齐,记下此时手轮上的读 数,转动手轮,使分划板中心刻线和另一亮条纹的中心对齐,记下此时手轮上的读数,两 次读数之差就表示这两条亮条纹中心间的距离。 三、数据处理 1.条纹间距的计算:转动测量头的手轮,分划板中心刻线在第1条亮条纹中央时读数为a1, 在第n条亮条纹中央时读数为an,则Δx= ,再根据Δx= λ求出λ。 2.测量时需测量多组数据,求λ的平均值。 四、误差分析 1.双缝到屏的距离l的测量存在误差。 返回目录 2.测条纹间距Δx带来的误差 (1)干涉条纹没有调整到最清晰的程度。 (2)分划板中心刻线与干涉条纹不平行,中心刻线没有恰好位于条纹中心。 (3)测量多条亮条纹中心间的距离时因读数不精准存在的误差。 五、其他方案 方案一　利用激光笔和双缝进行实验   返回目录 让一束激光经过双缝后投射到光屏上,测出相邻两亮条纹中心间的距离Δx,由λ= Δx测 出λ。本方案操作简便,现象明显,但相邻亮条纹中心之间的距离测量误差较大。 方案二　洛埃镜实验 S为单色光源,一部分入射到平面镜后反射到光屏上,一部分直接照射到光屏上,在光屏 上两光束交叠区域里将出现干涉条纹。S和S通过平面镜成的像S'构成相干光源,d= 2h。在光屏上可以观察到明暗相间的干涉条纹,由λ= Δx可以求出λ。 返回目录 实验17 用油膜法估测油酸分子的大小 返回目录 一、实验原理及装置图 如图所示,利用油酸酒精溶液在平静的水面上形成单分子油酸薄膜,用D= 计算出油酸 薄膜的厚度,其中V为一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积,S为油酸薄膜面积,这个 厚度就近似等于油酸分子的直径。        返回目录 二、操作要领及注意事项 1.如何配制油酸酒精溶液:取纯油酸1 mL,注入500 mL的容量瓶中,然后向容量瓶内注入 酒精,直到液面达到500 mL刻度线为止。 2.如何测出1滴油酸酒精溶液的体积:用注射器(或滴管)将油酸酒精溶液一滴一滴地滴 入量筒中,并记下量筒内增加一定体积Vn时的滴数n。根据V0= 算出1滴油酸酒精溶液 的体积V0。 3.如何形成待测油酸薄膜:向浅盘里倒入约2 cm 深的水,并将爽身粉均匀地撒在水面上; 用注射器(或滴管)将一滴油酸酒精溶液滴在水面上,形状稳定后就形成了油酸薄膜。 4.如何求出油酸薄膜的面积:将玻璃板放在浅盘上,并将油酸薄膜的轮廓用彩笔画在玻 返回目录 璃板上;将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,算出油酸薄膜的面积S(求面积时 以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位计算轮廓内正方形的个数,不足半格的舍去,多 于半格的算一格)。 三、数据处理 1.根据配制的油酸酒精溶液的浓度,算出一滴溶液中纯油酸的体积V。 2.根据一滴溶液中纯油酸的体积V和薄膜的面积S,即可算出油酸薄膜的厚度,即油酸分 子的直径大小。 四、误差分析 1.油酸酒精溶液的实际浓度和理论值间存在偏差。 返回目录 2.一滴油酸酒精溶液的实际体积和理论值间存在偏差。 3.油酸在水面上的实际分布情况和理想中的“均匀”“单分子纯油酸层”间存在偏 差。 4.采用“互补法”(即不足半格的舍去,大于半格的算一格)计算获得的油膜面积与实际 的油膜面积间存在偏差。 返回目录 实验18 探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系 返回目录 一、实验原理及装置图   控制气体质量和温度不变,用如图装置研究气体压强与体积的关系。 二、操作要领及注意事项 1.如何确保气体的质量不变:按图示安装器材,注射器下端有橡胶套,它和柱塞一起把一 段空气柱封闭。 返回目录 2.如何测量不同状态下气体的体积和压强 (1)用手缓慢地把柱塞向下压,选取几个位置,待示数稳定后读出刻度尺示数与压力表示 数,记录数据;用手缓慢把柱塞向上拉,选取几个位置,待示数稳定后读出刻度尺示数与 压力表示数,记录数据。 (2)在该实验中,我们可以直接用刻度尺示数作为空气柱体积,无须测量空气柱的横截面 积。 三、数据处理 1.以压强p为纵坐标、体积V为横坐标,建立p-V坐标系,画出气体等温变化的p-V图像,由 于图线是曲线,不能说明压强与体积成反比。 返回目录 2.以压强p为纵坐标、体积的倒数 为横坐标,建立p- 坐标系,画出气体等温变化的p-  图像,图线是过原点的倾斜直线,说明压强与体积成反比。 四、误差分析 1.橡胶套密封不严会使空气柱的质量变化,从而引起误差。 2.实验过程环境温度变化,或柱塞向下压或向上拉得过快均会使空气柱的温度发生变 化,从而引起误差。 3.空气柱长度的测量、压力表的读数等引起的误差。 返回目录 $