高考综合复习光学实验设计实验专题

1高考综合复习：光学实验设计实验专题要点精析典型实验要点：测定玻璃折射率实验原理：如图所示，入射光线AO由空气射入玻璃砖，经OO′后由O′B方向射出。作出法线NN′，则折射率n=Sinθ1/Sinθ2注意事项：手拿玻璃砖时，不准触摸光洁的光学面，只能接触毛面或棱，严禁把玻璃砖当尺画玻璃砖的界面；实验过程中，玻璃砖与白纸的相对位置不能改变；大头针应垂直地插在白纸上，且玻璃砖每一侧的两个大头针距离应大一些，以减小确定光路方向造成的误差；入射角应适当大一些，以减少测量角度的误差。重要演示实验：1.加速度和力的关系加速度和质量的关系两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上，小车前端系上细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里分别放有不同质量的砝码。小车所受的水平拉力F的大小可以认为等于砝码（包括砝码盘）的重力大小。小车后端也系有细线，用一只夹子夹住两根细线，控制两辆小车同时开始运动和结束运动。由于两个小车初速度都是零，运动时间又相同，S=at2∝a，只要测出两小车位移S之比就等于它们的加速度a之比。实验结果是：当小车质量相同时，a∝F，当拉力F相等时，a∝。实验中用砝码（包括砝码盘）的重力G的大小作为小车所受拉力F的大小，这样做会引起什么样的系统误差？怎样减小这个系统误差？2.卡文迪许实验下图是卡文迪许扭秤实验的示意图。其中固定在T形架上的小平面镜起着非常大的作用。利用光的反射定律可以把T2形架的微小转动放大到能够精确测量的程度。设小平面镜到刻度尺的距离为L，T形架两端固定的两个小球中心相距为l，设放置两个大球m/后，刻度尺上的反射光点向左移动了Δx，那么在万有引力作用下，小球向大球移动了多少？3.描绘单摆的振动图象对同一个单摆，如果两次拉出木板得到的图形分别如a、b所示，说明两次拉木板的速度之比为3∶2。对摆长不同的单摆，如果两次拉木板的速度相同，说明摆的周期之比为3∶2，摆长之比为9∶4。4.波的叠加在一根水平长绳的两端分别向上抖动一下，就分别右两个凸起状态1和2在绳上相向传播。它们在相遇后，彼此穿过，都保持各自的运动状态继续传播，彼此都没有受到影响。观察一下：在它们相遇过程中，绳上质点的最大位移出现在什么位置？每个点都有可能达到这个位移吗？在同一根绳子上，各种频率的波传播速度都是相同的。5.扩散现象装有无色空气的广口瓶倒扣在装有红棕色二氧化氮气体的广口瓶上，中间用玻璃板隔开。抽去玻璃板，过一段时间可以发现，两种气体混合在一起，上下两瓶气体的颜色变得均匀一致。扩散现象也证明分子在做永不停息的无规则运动。从热力学第一定律分析一下：设环境温度不变，在扩散过程中，瓶中气体将吸热还是放热？这个实验也证明扩散现象有方向性。6.平行板电容器的电容。3静电计是测量电势差的仪器。指针偏转角度越大，金属外壳和上方金属小球间的电势差越大。在本实验中，静电计指针和A板等电势，静电计金属壳和B板等电势，因此指针偏转角越大表示A、B两极板间的电压越高。本实验中，极板带电量不变。三个图依次表示：正对面积减小时电压增大；板间距离增大时电压增大；插入电介质时电压减小。由知，这三种情况下电容分别减小、减小、增大。因此可以确定C和S、d、ε的关系是。思考：如何测量电容器两极板间的电压？7.研究电磁感应现象首先要查明电流表指针偏转方向和电流方向的关系（方法与画电场中平面上等势线实验相同）。电键闭合和断开时、电键闭合后滑动变阻器的滑动触头移动过程中、电键闭合后线圈A在B中插入、拔出时，都会发现电流表指针发生偏转，说明有电流产生。而电键保持闭合、滑动触头不动、线圈A在B中不动时，电流表指针都不动，说明无电流产生。结论：闭合电路中有感应电流产生的充要条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。8.单缝衍射从图中看出：当狭缝宽度在0.5mm以上时，缝越窄亮斑也越窄；当狭缝宽度在0.5mm以下时，缝越窄中央亮条越宽，整个亮斑范围越宽，亮纹间距越大。9.小孔衍射和泊松亮斑小孔衍射和泊松亮斑的中心都是亮斑。区别是：泊松亮斑中心亮斑周围的暗斑较宽。410.伦琴射线管电子被高压加速后高速射向对阴极，从对阴极上激发出X射线。在K、A间是阴极射线即高速电子流，从A射出的是频率极高的电磁波，即X射线。X射线粒子的最高可能的频率可由Ue=hν计算。11.α粒子散射实验全部装置放在真空中。荧光屏可以沿着图中虚线转动，用来统计向不同方向散射的粒子的数目。观察结果是，绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转。12.光电效应实验把一块擦得很亮的锌板连接在灵每验电器上，用弧光灯照锌板，验电器的指针就张开一个角度，表明锌板带了电.进一步检查知道锌板带()电。这表明在弧光灯的照射下，锌板中有一部分()从表面飞了出去锌板中少了()，于是带()电。设计性实验：所谓设计型实验，就是题目要求学生运用学过的实验方法，自行设计一个新的实验方案。它要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验误差。主要考查学生是否理解实验原理和实验仪器的工作原则，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力，这些对学生的能力要求都较高。设计方案涉及到对实验原理的认识和理解，包括选择的合理实验方法、配置合适的实验器材，安排正确的实验步骤，设计科学的数据处理方法，采用客观的误差分析方法，最后给予总结和评价。5设计性实验运用的原理、方法、器材都渗透在“学生实验”、“演示实验”和课本教材或习题中，能有效地考查学生运用已学知识处理新情景中提出问题的迁移能力、创新意识，是近几年高考命题中较具活力的领域。一、设计性实验概述1．设计原则(1)科学性：实验方案所依据的原理应当正确，符合物理学的基本规律。(2)安全性：实验方案的实施要安全可靠，不会对仪器、器材及人身造成危害。(3)准确性：实验的误差应在允许的范围内。若有多种可能的实验方案，应尽可能选择误差较小的方案。(4)简便性：实验应当便于操作、读数及数据处理。2．设计思想(1)理想化：实际物理现象中的研究对象，外部因素往往复杂多变，为此研究时常可采用忽略某些次要因素或假设一些理想条件的办法，以便能突出现象的本质因素，取得实际情况下合理的近似结果。如单摆实验中假设摆线不可伸长、质量远小于摆球质量，摆球为匀质小球，悬点的摩擦和空气阻力均不计等；用油膜法估测分子直径实验中，假设形成的是单分子的油膜，分子与分子紧密挨着排列。(2)平衡：一个物理系统中，常存在着对立的矛盾双方，当双方使系统向彼此偏离的因素（或作用）互相抵消时，系统就取得了暂时的平衡。于是根据矛盾双方使系统偏离的因素，就可得出使系统平衡的条件，列出相应的平衡方程式。在物理中常根据这种思想指导实验的设计。用天平测量质量，就是根据待测的物体和砝码使天平横梁两侧偏离的因素互相抵消时天平取得了暂时平衡的条件设计的；用电流表测电流强度就是根据磁力矩和弹簧游丝的扭转力矩相平衡的条件设计的；在研究牛顿第二定律的演示实验中巧妙地运用了将长木板一端垫起，让小车重力的分力将摩擦阻力平衡。(3)放大：物理实验中对于某些直接测量的微小量，或观察、显示某些极细微的现象和图景，常采用物理方法加以放大。常用的放大法有累积放大法、机械放大法、光学放大法、电学放大法等。如螺旋测微器就是机械放大装置，把测微螺杆的微小进退，通过有较大周长的可动刻度盘表示出来；游标卡尺也是在放大思想支配下的产物；许多电表都是利用一根较长的指针将通电后线圈的偏转角显示出来；另外卡文迪许实验及显示微小形变的装置，都是光学放大方法的应用；利用电磁感应原理可制成交流互感器，对交流电流和交流电压进行放大或缩小，以便于读数和操作。(4)转换：根据物理量间的各种关系、物理现象及规律中存在的各种效应，运用变换原理进行测量的方法。对于某些不易直接测量（或显示）的量或现象，实验设计中常借助于力、热、电、光、机械等方法之间的转换，用某些直接测量（或显示）的量来代替，或者根据研究对象在一定条件下可以有相同的效果作用，间接地观察、测量。常用的有热电换测、力电换测、光电换测等方法。例如：利用热敏电阻的温度特性将温度的测量转换成金属电阻的测量；把流逝的时间转换成指针周期性的振动；话6筒和扬声器是用传感器将力学量和电学量相互转换；把对电压、电流、电阻的测量转换成指针偏角的测量；在研究匀变速直线运动的实验中，通过位移和时间的测量得出加速度和速度；在验证动量守恒定律实验中，用从等高处水平抛出的两球水平位移代替速度；在用油膜法估测分子直径实验中，通过对面积的测量得分子直径；光敏电阻是利用半导体的电阻在光照时大大减小，光电管是利用光电效应将光学量转换为电学量；布朗运动实验是通过分子运动产生的效果来间接探测分子运动规律；在α粒子散射实验中通过α粒子穿过金箔后的偏转情况来推测原子的内部结构，也是一种间接的探测方法。生活中也有一些现象对我们的发明创造会有启示作用，例如，胸前挂着监考牌时，当阳光照在塑封过的牌子上，会明显地看到牌子的反射光随着心脏的跳动周期性运动，这难道不是一种将力现象转换为光现象并且具有放大功能的例子吗？是不是可以发明这样一个测心跳速度的仪器呢？(5)模拟：是一种间接测量方法，它不直接研究物理现象或过程本身，而是用与该现象或过程相似的模型来研究和测量。在进行物理研究时，有时受客观条件的限制，无法对某些物理现象和物理过程进行实验，此时人为地创造一定的条件和因素，使之于物理现象或物理过程有一定的相似特点，从而在模拟的情况下进行实验。采用模拟法的基本条件是模拟量与被模拟量必须是等效或相似的。如用稳恒电流场模拟静电场；夏季雨后阳光下的天空常出现霓虹现象，虽然无法直接研究，但可以用棱镜对光的色散来模拟彩虹，从而达到研究目的；更逼真的模拟是用喷雾器对着阳光喷出雾状的水滴（更简单一些，可以口含一口水喷出），同样可看到七彩的霓虹；可用水流模拟电流演示串联电路的电流强度相等，理解电流的微观解释I＝neSv中，S越小v越大（将软管捏细时）。(6)等效替代：当被测物（如待测电阻）被一个标准件（如电阻箱）代替时，实验过程中所起的作用（例如对电流的阻碍作用）完全相同，则标准件的相应值（电阻）就是被测物的值。(7)改变相关量，用方程组求不变量：当用转换法间接测量某个量时，如果一个方程求不出所求量，则改变相关量，用方程组求解。例如在测电源的电动势和内阻实验中，根据一个闭合回路欧姆定律方程求不出电动势和内阻两个未知量，于是保持电源(E、r)不变，改变外电路电阻，用两组数据解方程组或多组数据图象法求解。又如，用单摆测重力加速度实验中，若只有天花板上掉着的重物（线很长，大于1米），一个没有刻度的米尺（无法精确量出摆长），秒表，就可用缩短摆长1米，两个方程解方程组求出重力加速度。3．设计方法(1)物理量测量方法：是指对某个物理量具体的测定方法，是实验设计思想的手段。①换测法：根据一个物理量与其他物理量的函数关系，将不易直接测量的物理量转化为另一个易测的物理量进行测量的方法，也叫间接测量法。这是最常用的一种设计方法，大多数物理实验都是采用这种方法。如打点计时器测加速度，测定玻璃的折射率，用单摆测定当地的重力加速度，测定金属的电阻率，伏安法测电阻，测电池的电动势和内阻，测玻璃的折射率，用双缝干涉测定光的波长。②累计测量法：将微小量累计后测量。其目的在于减小微小量测量的相对误差。如单摆实验中，通过若干次全振动的时间，测出单摆全振动一次的时间（周期）；在测定金属电阻率实验中，没有螺旋测微器时，可将金属丝在铅笔上密绕十几圈，由线圈的总长度测出金属丝的直径；油膜法测分子直径时，先测1mL溶液中所含油滴数，就可知一滴溶液的体积；双缝干涉测光的波长实验中，测n条亮纹间的距离a，就可算出条纹间距△x。7(2)实验的操作方法：①控制变量法：实际的物理现象总是错综复杂的，常受多种因素支配，为了研究物理现象的发生、演变，进而确定其遵循的客观规律，在实验设计的操作上常采用先控制某些因素不变，依次研究每一个因素的方法。如，在研究牛顿第二定律的演示实验中，先保持物体的质量一定，研究加速度和力的关