熟知實(shí)驗(yàn)原理 妙解圖像問題

物理實(shí)驗(yàn)圖像能夠直觀得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，揭示物理的本質(zhì)和規(guī)律。近年來高考實(shí)驗(yàn)題加強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)圖像的考查，部分同學(xué)經(jīng)常會被一些繁雜的推導(dǎo)和運(yùn)算所難倒，無法合理利用圖像中的數(shù)據(jù)解答問題。從實(shí)驗(yàn)到圖像所經(jīng)歷的思維活動，有兩個關(guān)鍵點(diǎn)，一是明確實(shí)驗(yàn)考查的物理規(guī)律，即實(shí)驗(yàn)原理，找出變量之間的物理關(guān)系，列出物理方程;二是建立合理的坐標(biāo)系，按照坐標(biāo)軸將物理規(guī)律方程變形，尋找圖像斜率、截距的物理含義。下面通過例題的剖析，總結(jié)實(shí)驗(yàn)圖像問題的處理方法。

例1 用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，打出如圖l甲所示的一條紙帶。已知打點(diǎn)計(jì)時器的頻率為50 Hz。

點(diǎn)評：在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常用到的物理規(guī)律有牛頓運(yùn)動定律、運(yùn)動學(xué)公式、動能定理、機(jī)械能守恒定律。常考的力學(xué)實(shí)驗(yàn)有探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，研究平拋運(yùn)動，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等。無論是教材原型實(shí)驗(yàn)，還是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，都需要先從實(shí)驗(yàn)原理人手，由原理寫物理方程，再將方程與圖像相結(jié)合，找出變量之間的關(guān)系，圖像中的截距、斜率的物理含義就會呼之欲出。本題的實(shí)驗(yàn)原理是機(jī)械能守恒定律，將規(guī)律方程寫出后，再結(jié)合v2/2-h^圖像，就能找到圖像斜率的含義應(yīng)該是重力加速度g，但因?yàn)闄C(jī)械能守恒的條件是只有重力做功，而物體下落會受到阻力作用，使得兩物體下落的加速度都小于g。而加速度也與物體的質(zhì)量有關(guān)系，這一點(diǎn)與（2）問不謀而合。因此我們可以先將規(guī)律方程寫成動能定理的形式，再找圖像斜率的物理含義。

例2某多用電表歐姆擋“×1”的內(nèi)部電路圖如圖2甲中虛線框內(nèi)所示。一學(xué)習(xí)小組將電阻箱和電壓表并聯(lián)后接到多用電表兩表筆A、B上，采用圖甲的電路測量多用電表歐姆擋“×1”正常工作時的內(nèi)阻RΩ和其內(nèi)部電池的電動勢E（電壓表的內(nèi)阻很大，它在該電路中的分流作用可以忽略）。

解析：該實(shí)驗(yàn)考查的物理規(guī)律是閉合電路歐姆定律，與測定電池的電動勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理相同，虛線框內(nèi)部分電路可看成是電動勢為E、內(nèi)阻為RΩ的電源。

點(diǎn)評：在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常用到的物理規(guī)律有歐姆定律。常考的電學(xué)實(shí)驗(yàn)有測量金屬絲的電阻率，多用電表的原理和使用，測定電池的電動勢和內(nèi)阻等。電學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新題也比較常見，例如半偏法測電阻，利用電流表、變阻箱或電壓表、變阻箱測定電池的電動勢和內(nèi)阻等。這些實(shí)驗(yàn)都離不開歐姆定律，因此，在遇到這類題目時，可以先觀察實(shí)驗(yàn)電路，寫出定律方程，再依據(jù)圖像對方程進(jìn)行變形，找出斜率、截距的物理含義。本題在多用表的原理中考查了閉合電路的歐姆定律，與測定電池的電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)有相似之處。

跟蹤練習(xí)：

1.某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證“外力一定時加速度與質(zhì)量的關(guān)系”，把一端帶定滑輪的長木板放置在水平桌面上，在長木板靠近定滑輪處安裝一加速度傳感器，輕質(zhì)細(xì)繩跨過定滑輪一端連接重物，另一端連接小車，并備有質(zhì)量均為m。的砝碼多個。經(jīng)過正確的實(shí)驗(yàn)操作，在處理數(shù)據(jù)時，該同學(xué)以小車中添加的砝碼的個數(shù)n為橫坐標(biāo)，并以____為縱坐標(biāo)，得到如圖4所示的圖像。已知圖像的縱截距為b，斜率為k，重力加速度為g.則小車的質(zhì)量為___，重物的質(zhì)量為____ 。

2.現(xiàn)有一電池，電動勢E約為9V，內(nèi)阻r在40Ω- 60Ω范圍內(nèi)。允許通過的最大電流為50 mA。為測定該電池的電動勢和內(nèi)阻，某同學(xué)利用如圖5甲所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖中R為電阻箱，阻值范圍為0-9 999 Ω，Ro為保護(hù)電阻。

（1）可備選用的定值電阻Ro有以下幾種規(guī)格，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選用 。

A.20Ω，2.5 W

B.50 Ω，1.0 W

C.150 Ω，1.0 W

D.1 500 Ω，0 W