在初中物理学习时,同学们会发现有不少实验,需要测量多组数据,才能最后得出结论,那么在这些实验中,多次测量的原因相同吗?针对这一问题,下面我们以2008年中考物理实验探究中评估类试题为例加以说明。
一、多次测量,减小实验误差
例1(08株洲市)为测量阻值约10Ω的电阻,小龙设计并连接了如图1所示电路,所使用的电源为两节干电池。请指出他在电路设计和连接上存在的两个问题:
(1)______________________________________;
(2)______________________________________。
解析:本题电路设计是运用伏安法测电阻,从理论上讲可以测出电阻值的大小。但是本设计仅能测出一组数据,由于实验的偶然性,会产生很大误差。为减小误差我们在做实验时要多测几次,求其平均值。故在此电路中串联一个滑动变阻器,改变被测电阻两端的电压和流过它的电流。
答案:①电流表(正、负接线柱)接反;②只能读取一组实验数据,实验误差大。
点评:在初中物理实验中,有一些物理量的测定,需要进行多次测量求平均值,以减小误差。如测量物体长度、定值电阻的阻值、滑动摩擦力大小、物质的密度等物理量。
二、多次测量,探寻共同规律
例2(08莆田)丁丁和冬冬同学分别设计了“探究并联电路中电流关系”的实验,他们的实验电路图及数据记录如下所示。
(1)根据他们的实验数据可以得到:并联电路中的总电流各支路电流之和。(填“大于”、“小于”或“等于”)
(2)冬冬同学根据他的实验数据认为并联电路中各支路的电流一定相等,这是因为他选用的两个电阻、之间的大小关系是。(填“>”、“<”或“=”)
(3)你认为丁丁、冬冬同学的实验应如何改进?
丁丁:
冬冬:
解析:(1)、(2)略;
(3)丁丁和冬冬的实验设计均有不恰当之处:丁丁的实验设计不足之处是支路电流和干路电流无法改变,只能测一组数据,仅凭一次测量数据就得出结论是片面的、不科学的。为得到并联电路电流所遵循的普遍规律,可在干路中串联一个滑动变阻器,改变被测电阻两端的电压和流过的电流,多测几组数据。冬冬得出“并联电路各支路的电流一定相等”的结论也是片面的,原因是他设计实验时R1=R2。不具有普遍性。应在第2、3、4次实验时改变R1或R2阻值,使R1≠R2,这样他实验时就不会得出以偏概全的结论了。
答案:(1)等于;(2)=;(3)丁丁:干路中应串联一个滑动变阻器。(或实验时多次测量)
冬冬:将R1、R2换成阻值不同的两个电阻。
点评:为得出科学结论,防止以偏概全、找出在不同条件下的普遍物理规律,有不少物理实验必须进行多次测量,如探究串、并联电路中的电流、电压特点,探究杠杆平衡条件,探究平面镜、凸透镜成像特点、研究浮力原理等。
三、多次测量,研究不同状态下的物理量
例3(08江西)小宜同学做“测小灯泡的额定功率”实验时,已知小灯泡的额定电压是3.8V,其中电源是三节新的干电池,灯丝电阻大约10Ω,滑动变阻器上标有“10Ω 1A”的字样。器材如图3。
(1)、(2)略。
(3)小宜同学在实验中为了能得到比较准确的小灯泡的额定功率,改变接入电路的滑动阻器的阻值,分别得到三组数据,如下表:
老师认为小宜同学通过三次测量得到三组数据,算出三个电功率值,再求平均值得到额定功率的数据处理方法有误,为什么?
(4)你认为正确测量结果P额=___________W。
解析:小灯泡的额定电功率是额定电压下的电功率,只有一个数值。不在额定电压下的电功率有无数个,因为实际电功率会随着电压的改变而变化。把在不同电压下电功率的平均值,作为额定电功率是没有任何物理意义的。当然为得到比较准确的小灯泡的额定电功率,可以在额定电压下,多测几次小灯泡此时的电功率,然后求其平均值。
答案:(3)因为额定功率是用电器在额定电压下的电功率,当滑动变阻器阻值变化时,灯两端电压也变化,实际功率是变化的,多次测量求平均值算出的功率不是额定功率。
(4)1.52 W。
点评:为了得到在不同条件下某物理量的大小,研究它的变化趋势,需要进行多次测量,如测小灯泡在不同电压下的电功率、测小灯泡在不同电压下电阻值等,通过多次测量可以发现小灯泡的电功率和电阻值都不是定值,都会随电压而变化,同时还会发现小灯泡的电阻随温度升高而变大。
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