基本试验仪器的使用和基本试验方法

1、九根本实验仪器的使用和根本实验方法命题趋势一些根本仪器的原理、使用方法、考前须知和读数等,在近几年的高测试题中不断出现.长度和电学量的测量及相关仪器的使用是出题最频繁的知识点.如游标卡尺、螺旋测微器的读数在近十年的全国高考中就考了8次,往往是游标卡尺、螺旋测微器交替考查.电压表、电流表、欧姆表使用方法的考查几率那么更高.另外,打点计时器、电阻箱、秒表的使用有时 也出现.高考中根本仪器的考察, 用的比拟多的题型是填空题和作图题,时而也有选择题.高考中常有连接电路实物图的题,这类题设置的目的就是考查电流表、电压表、滑动变阻器等器材的操作和使用方法.关于实验方法的考查,预计是两种形式：一是以学过的分

2、组或演示实验为背景,考查对实验方法的领悟情况；二是考查灵活运用学过的实验方法设计新的实验.由于目前设计型实验是高考实验题的热点,而掌握一些有普遍意义的实验方法又是设计实验的根底,所以在复习已学过的实验时,有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法 是很有意义的.教学目标：1 .通过专题复习,掌握根本实验仪器的使用和根本实验方法,提升解答物理实验题的 水平.2 .能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器,设计简单的实验方 案并处理相关的实验问题教学重点：掌握根本实验仪器的使用和根本实验方法,提升解答物理实验题的水平.教学难点：根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器,设

3、计简单的实验方案并处理相关的实验问题.教学方法：讲练结合,计算机辅助教学教学过程：一、知识概要一根本仪器的使用根本仪器是指通用性强,在各种实验中经常用到的仪器.中学阶段,要求掌握的根本仪 器如下：测量长度的仪器-刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器测量质量的仪器-天平苴.I 测量时间的仪器-打点计时器、秒表 根本 /仪器 测量力的仪器-弹簧秤测量温度的仪器-温度计【测量电学量仪器-电流表、电压表、多用电表电学限制仪器-滑动变阻器、变阻箱、开关对以上这些仪器,要理解结构原理、规格和主要参数,知道使用方法、考前须知、读数 和精度等.1、理解仪器的工作原理.这能使我们灵活的使用仪器和分析问题.例如,理解10

4、分度的游标卡尺,也就能理解和使用20分度和50分度的游标卡尺.2、熟悉仪器使用时的考前须知.这往往是高考实验题的考点.考前须知一般是这样几 方面：可能危及仪器平安的.如：螺旋测微器,在小砧快接触工件时,应改用微调旋钮, 以免损坏精密螺杆. 可能增大误差的. 如使用螺旋测微器, 读数时要注意半毫米刻度；测 量仪器使用前,要调整零位如弹簧秤、各种电表 .使用时容易忽略的.最容易忽略的 是仪器使用前的调整和使用后的复位.如：使用欧姆表,要机械调零和电阻档调零,换档后要重新进行电阻档调零,使用完毕要复位.3、正确选择量程.大的量用小量程,会损毁仪表；小的量用大量程,会增大误差.选 择量程的原那么是：在

5、测量值不超过量程的前提下,选用尽量小的量程；在完全不清楚测量值的情况下,试用最大量程,再视情况逐渐减小量程.如电流表和电压表一般要求指针能偏转到刻度盘的1以上；欧姆表指针应在 反4R中范围内,R中为刻度盘中央阻值.344、掌握测量仪器的读数方法.主要是估读问题,大局部刻度仪器读数时都需要估读. ,、一 一 一 1- 1如刻度尺和温度计,要估读到最小刻度的；螺旋测微器要估读到可动刻度的o1010二根本实验方法围绕实验的设计原理、 误差限制、数据处理三个环节, 都有它们自己的一些有普遍意义 的方法,在中学阶段涉及的主要是以下一些方法：1、设计实验原理1限制变量法.如：在“验证牛顿第二定律的实验中,

6、加速度、力和质量的关系 限制.在“研究单摆的周期中,摆长、偏角和摆球质量的关系限制.(2)近似替代法.用伏安法测电阻时,选择了适宜的内外接方法,一般就忽略电表的 非理想性.(3)等效替代法.某些量不易测量,可以用较易测量的量替代, 从而简化实验.在“验 证碰撞中的动量守恒的实验中,两球碰撞后的速度不易直接测量,在将整个平抛时间定为时间单位后,速度的测量就转化为对水平位移的测量了.(4)模拟法.当实验情景不易或根本无法创设时,可以用物理模型或数学模型等效的 情景代替,尽管两个情景的本质可能根本不同.“描绘电场中的等势线的实验就是用电流场模拟静电场.(5)微小量放大法.微小量不易测量,勉强测量误差

7、也较大,实验时常采用各种方法 加以放大.卡文迪许测定万有引力恒量,采用光路放大了金属丝的微小扭转；在观察玻璃瓶受力后的微小形变时,使液体沿细玻璃管上升来放大瓶内液面的上升.2、限制实验误差(1)屡次测量法.屡次测量法减小偶然误差,这是所有实验必须采取的方法,也是做 实验应具有的根本思想.(2)积累法.一些小量直接测量误差较大,可以累积起来测量,以减小误差.“用单摆测定重力加速度的实验中,为了减小周期的测量误差,不是测量完成一次全振动的时间, 而是测量完成3050次全振动的时间.3、数据处理(1)逐差法.这就是用打点计时器打出的纸带计算加速度时用到的方法,这种方法充 分利用了测量数据,具有较好的

8、取平均的效果.(2)图象法.能从图象清楚看出物理量间的关系,在“描绘小灯泡伏安特性曲线的 实验中,采用了这种方法得出电阻与温度有关的结论；可用图象法求物理量的值,在“测定电源电动势和内阻 的实验中用图象法来求 E和r不仅有取平均的效果, 还可以剔除个别有 错误的测量数据.围绕某一领域实验的共同需要,形成一些方法.在中学阶段主要有：1、记录运动(1)用频闪照片记录运动. 例如用小球自由下落的频闪照片研究自由落体运动的规律； 用平抛小球的频闪照片研究平抛运动的规律；用弹簧振子的频闪照片研究简谐运动的规律.(2)用打点计时器记录运动轨迹.例如研究匀变速直线运动、验证机械能守恒等.2、提供电压(1)限

9、流法.如图 1,选择适宜的滑动变阻器串接在电路中,用它来改变电流,以控 制负载电压.Ahs图1图2(2)分压法.如图2,当滑动变阻器的电阻小于负载电阻时,可用此法调控电压.二、考题回忆1. (04年理综天津卷22, 15分)现有一块59C2型的小量程电流表 G (表头),满偏电流为50 A ,内阻约为800850,把它改装成1mA、10mA的两量程电流表.可供选择的器材有:滑动变阻器Ri,最大阻值20滑动变阻器R2,最大阻值100k电阻箱R ,最大阻值9999定值电阻R0,阻值1k电池Ei,电动势1.5V;电池E2 ,电动势3.0V;电池E3,电动势4.5V;(所有电池内阻均不计)标准电流表A

10、,满偏电流1.5mA;单刀单掷开关 S和S2,单刀双掷开关 S3,电阻丝及导线假设干.(1)采用如图1所示电路测量表头的内阻,为提升测量精确度,选用的滑动变阻器;选用的电池为O(2)将G改装成两量程电流表.现有两种备选电路,示于图理电路,另一电路不合理的理由是 2和图3.图为合1mA量程,画出所用电3将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对仅核对路图,图中待核对的电流表符号用来表示.解答：1 R2 或最大阻值100k E3 或电动势4.5V22 图3电路在通电状态下,更换量程会造成两分流电阻都未并联在表头 两端,以致流过表头的电流超过其满偏电流而损坏（3）-1.J-t .厂 A - A 1R0

11、2. 2003年理综全国卷用伏安法测量电阻阻值R,并求出电阻率p.给定电压表内阻约为 50kQ、电流表内阻约为 40Q、滑线变阻器、电源、电键、 待测电阻约为250Q及导线假设干.画出测量R的电路图.2344图乙32图甲图丙9图甲中的6个点表示实验中测得的89(cm)6 dwiI/mA101520251U/V 534567pm8R值的步骤:求出的电阻值R=5(cm) 6II6组电流I、电压U的值,试写出根据此图求.保存3位有效数字待测电阻是一均匀材料制成的圆柱体,用游标为50分度的卡尺测量其长度与直径,结果分别如图乙、图丙所示.由图可知其长度为 ,直径为由以上数据可求出p=.保存3位有效数字解

12、析：1外接,分压或限流,如图2作UI直线,舍去左起第 侧.2点,其余5个点尽量靠近直线且均匀分布在直线两3由图可知其长度为0.800cm,直径为0.194cm.4由以上数据可求出8.46102am ( 8.16 10 2 8.76 10 2 am 均为正确)求该直线的斜K,那么R=KoR= 229(221 Q- 237 Q 均为正确)3. 2004年北京卷22题18分为了测定电流表 Ai的内阻,采用如图 1所示的电路.其中：A1是待测电流表,量程为 300 dA内阻约为100Q;A2是标准电流表,量程是 200 A;Ri是电阻箱,阻值范围 0999.9Q;舄国此R2是滑动变阻器；R3是保护电阻

13、E是电池组,电动势为 4V,内阻不计；S1是单刀单掷开关,S2是单刀双掷开关.(1)根据电路图1,请在图2中画出连线,将器材连接成实验电路图2(2)连接好电路,将开关 S2扳到接点a处,接通开关Si,调整滑动变阻器 R2使电流 表A2的读数是150 A;然后将开关 S2扳到接点b处,保持R2不变,调节电阻箱 Ri,使 A2的读数仍为 150 A.假设此时电阻箱各旋钮的位置如图3所示,电阻箱 R1的阻值是 Q,那么待测电流表 A1的内阻R3=Qo(3)上述实验中,无论怎样调整滑动变阻器 R2的滑动端位置,都要保证两块电流表的 平安.在下面提供的四个电阻中,保护电阻 R3应选用： (填写阻值相应的

14、 字母).A. 200KQ B. 20KQ C. 15KQ D. 20a(4)下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用.即要满足上述实验要求,又要 调整方便,滑动变阻器 (填写阻值相应的字母).A. 1kQ B . 5kQ C . 10kQ D. 25kQ4. 04江苏物理用游标卡尺游标尺上有50个等分刻度测定某工件的宽度时,示数如图 所示,此工件的宽度为 mm.答案：23.22 mm5. 04全国图中给出的是用螺旋测微器测量一金属薄板厚度时的示数,此读数应为mm.答案：6.123mm.6. 2001年高考理综卷实验室中现有器材如实物图所示,有：电池 E,电动势约10V,内阻约1Q;电流表A

15、l,量程约10A,内阻r 1约为0.2Q；电流表A2,量程300mA, 内阻r2约5Q;电流表 A3,量程250mA,内阻r 3约5Q;电阻箱 R1,最大阻值999.9 Q,最小阻值改变量为0.1滑线变阻器 R2,最大值100Q;开关S;导线假设干.要求用图3所示的电路测量图中电流表 A的内阻.1在所给的三个电流表中,那几个可以用此电路精确测出其内阻答:2在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路.3你要读出的物理量是 .用这 些物理量表示待测内阻的计算公式是 .解答：1电流表Ai不能精确测出其内阻,因这时图中的电流表A应为A2、A3中的一只,这使得电流表 Ai中的电流不能超

16、过 300mA,其指针的偏转极其微小,误差很大.而 A2、A3可用此电路精确测出其内阻.2假设测实物连线如下图.3根据前面的分析,要读出的物理量是A、A两电流表的示数I、I和电阻箱的阻值Ri,待测内阻的计算公式是 Ra 2Ri7. 99全国图为测量电阻的电路,R x为待测电阻,R的阻值己知,R,为保护电阻,阻值未知.电源 E的电动势未知,Ki、K2均为单刀双掷开关. A为电流表,其内阻不计.1按图a所示的电路,在图b的实物图上连线.2测量R x的步骤为：将 K2向d闭合,Ki向 闭合,记下电流表读数 Ii,再将K2向c闭合,Ki 向闭合,记电流表读数12.计算Rx的公式是R x=解答：i如以下

17、图所示2 a, b, I 2R / I i,8. 04年科研一个电压表 Va的内阻Ra= 1000Q,量程为1.0V,现要利用电阻箱扩大它的量程,改装成量程为 3.0V的电压表.改装后,再 用一量程为3.0V的精确的电压表 Vb对其所有刻度进 行校准.除了这两个电压表 Va、Vb外,还有以下一 些器材电源 E 电动势约为6V,内阻较小变阻器 R 总电阻约10Q电阻箱 R01 9999Q电键 K导线假设干如图是以上器材和两个电压表Va、Vb的实物示意图,试在图中画出连线,连成进行校准时的实验电路.图中电阻箱的取值等于 Q用上述电压表 Vb和改装后并已校准过的电压表以下称为Vc以及一个电键和一些导

18、线,去测量一个电动势大约为2V的电源的内阻r.写出简要测量步骤,并用测得的量写出r的公式.答案：如下图 2000Uc Ub UcUc Uc3000 ()将电压表Vc通过电键、导线与电源连接, 读出Vc上的示数Uc;再将电压表 Vc和Vb串联, 通过电键、导线与电源连接,读出Vc上的示数irUc和Vb上的示数Ubo三、典题例析【例题1】用游标卡尺测一根金属管的内径和外径时,卡尺上的游标位置分别如图a、b所示.这根金属管内径读数是 cm,外径读数是 cm,管壁的厚度是cm.3cm 主尺 4U11力i山1111游标解题方法与技巧：游标卡尺的读数规那么是：整毫米数由主尺读出,游标尺的第几刻度线 与主尺

19、上的某一刻度线重合,毫米以下的读数就是 n分之几,n是游标卡尺上的分度数,该 题中,游标卡尺是10分度的,那就是10分之几.图a中,从主尺看,整毫米数是23,游标尺上第7条刻度线与主尺上的一条刻度线重合,所以毫米以下的读数就是0.7mm,得到内径的读数为 23.7mm=2.37cm.图b中主尺上整毫米数是30,游标尺上第3条刻度线与主尺上的一条刻度线重合,所以外径的读数为 30.3mm=3.03cm.管壁的厚度为两者之差的一半0.33cm.【例题2】一学生用多用电表测电阻.他在实验中有违反使用规那么之处.他的主要实 验步骤如下：1 .选择开关扳到“x 1k欧姆档上；2 .把表笔插入测试笔插孔中

20、,先把两根表笔相接触,旋转调零旋钮,使指针指在电阻 刻度的零位上；3 .把两跟表笔分别与某一待测电阻的两端相接,发现这时指针几乎满偏；4 .换用“X 100的欧姆挡,发现这时指针的偏转适中,随即记下欧姆数值；5 .把表笔从测试笔插孔中拔出后,就把多用表放回桌上原处,实验完毕.这个学生在测量时已注意到： 待测电阻与其他元件和电源断开,不用手碰表笔的金属杆.这个学生在实验中违反了那一或那一些重要的使用规那么答：解题方法与技巧：该题考查仪器使用时的考前须知.使用欧姆表要注意的地方比拟多.使用前要经过调整机械调零,选择量程后要电阻调零,使用后要复位拔出表笔,选择开关应置于“ OFF档或交流高压档,使用

21、过程中换档后要重新调零.这些往往都是 考查的重点.该题中不符合操作规那么的是：换到适宜的量程后,要重新调整调零旋钮；使用后不能把 选择开关置于欧姆档.【例题3】 有一标有“ 6V, 1.5W的小灯泡,现用图a所示电路测量其在不同电压下的实际功率,提供的器材除导线和开关外,还有:A.直流电源6V 内阻不计B,直流电流表0-3A 内阻0.1 以下C.直流电流表0-300mA 内阻约为 5QD,直流电压表 0-15V 内阻约为15kE.滑动变阻器10 a 2AF.滑动变阻器1kQ 0.5A1实验中电流表应选用用序号表示,滑动变阻器应选用2试按图a电路将图b所示器材连成电路解题方法与技巧：1选电流表实

22、际上是选量程.先估算一下通过电流表的电流,由小灯泡的规格可知通过的电流最大不能超过0.25A o因此选Co在该题中滑动变阻器接成分压器,此时要求滑动变阻器的电阻比用电器的电阻小,至少应差不多；小灯泡的电阻在正常工作时约为24Q,所以滑动变阻器不能选 F,应选E,但不应忘记还要核对一下电流是否会超过其允许值,E的最大允许电流是 2A,实验中的最大电流只有 0.25A ,选E也是平安的.2连接实物图实际上是考查仪器的使用方法.这里要注意电表正负接线柱的接法、滑动变阻器做分压器时连接特点.具体连线时,可以先连主回路,把电源、开关、滑动变阻器连成一个回路；然后再连上支路,从滑动变阻器的滑动头和一个固定

23、端接出,连上电流表、小灯泡,最后将电压表并联在小灯泡上.连接情况如下图.滑动变阻器常用来调控用电器上的电压,般有限流和分压两种形式,为了有较大的调节范围,且操作方便,当滑动变阻器的电阻R比用电器电阻R0大得多时,应选用限流的方式；R比R.小或差不多时,应选用分压方式.【例题4】 如图,光滑水平轨道与光滑圆弧轨道相切,轻弹簧的一端固定在轨道的左 端,OP是可绕O点转动的轻杆,且摆到某处就能停在该处；另有一小钢球.现在利用这些 器材测定弹簧被压缩时的弹性势能.(1)还需要的器材是、.(2)以上测量实际上是把对弹性势能的测量转化为对 能的测量,进而转化为 对 和 的直接测量.(3)为了研究弹簧的弹性

24、势能与劲度系数和形变量的关系,除以上器材外,还准备了 两个轻弹簧,所有弹簧的劲度系数均不相同.试设计记录数据的表格.解题方法与技巧：因不知道弹性势能计算公式,应采用等效替代的方法,把要测量的弹性势能转化为便于测量的量.在这个装置中,假设用小钢球压缩弹簧至需要的量,然后由静止释放小球,弹簧的弹性势能会转化为小球的动能,进而在小球沿圆弧轨道上升的过程中转化为小球的重力势能.可用对重力势能的测量来代替对弹性势能的测量,因此需用天平测量小球的质量,用刻度尺测量小球上升的高度.要寻找弹性势能与弹簧的劲度系数和形变量两个物理量的关系,应采用限制变量法.先保持弹簧的劲度系数不变, 研究弹性势能与形变量的关系

25、； 再保持形变量不变, 研究弹性势 能与劲度系数的关系.因此记录数据的表格可设计成如下两表：小球的质量m=kg ,弹簧A压缩量x (m)上升高度h (m)E=mgh (J)压缩量x=cm,小球的质量 m=kg弹簧ABC劲度系数k (N/m)上升高度h (m)E=mgh (J)【答案】(1)天平、刻度尺(2)重力势、质量、上升高度(3)见上.【例题5】(2001年上海卷)利用打点计时器研究一个约1. 4高的商店卷帘窗的运动.将纸带粘在卷帘底部,纸带通过打点计时器随帘在竖直面内向上运动.打印后的纸带如图所示,数据如表格所示.纸带中 AB、BC、CD每两点之间的时间间隔为 0.10s,根据各间距的长

26、度,可计算出卷帘窗在各间距内的平均速度v平均.可以将V平均近似地作为该间距中间时刻的瞬时速度V.(1)请根据所提供的纸带和数据,绘出卷帘窗运动的v - t图线.(2) AD段的加速度为 m/s2, AK段的平均速度为 m/s.间隔间距(cm)AB5 JOBC100CD15.0DE20.CEF20j0TOGH20.01 HlITOuB.OJK4.0卷帘运动的敷据解题方法与技巧：根据题目要求.把各段时间的平均速度当做这段时间中间时刻的瞬时速度,可算出一系列时刻的速度,见下表.根据表中数据在v-t图上描点画出图象,如下图.由图象可以看出,卷帘窗开始做匀加速直线运动,中间有一段作匀速运动,然后作加速度

27、变化的运动.AD段的加速度可由v-t图对应段的斜率确定,为 5m/s2.AK段的平均速度可根据表中数据由公式算出,为1.39m/s.时刻(s)0.050.150.250.350.450.550.650.750.850.95速度(m/s)0.501.01.52.02.02.02.01.70.800.40点评：要研究物体的运动, 利用打点计时器把运动记录下来是一种可供选择的方法.用图像处理数据可以把物体各阶段的运动性质清楚地反映出来.【例题6】如下图是测定电流表内阻的电路图.电流表的内阻约100左右,满偏电流为500隐,用电池做电源.(1)现备有以下可变电阻：A.电阻箱,阻值范围为 0700aB.

28、电阻箱,阻值范围为 0999.90C.滑动变阻器,阻值范围为0200aD.滑动变阻器,阻值范围为020 KQ在上述可变电阻中,电路图中的 R应选用 , R应选用.(2)某同学进行的实验步骤如下：先将R的阻值调到最大,合上 Si,调节R的阻值,使电流表的指针转到满刻度.合上S2,调节R和R的阻值,使电流表的指针转到满刻度的一半.记下R的阻值指出上述实验步骤中有什么错误.答： 解题方法与技巧：由题中给出的电路图可知,该题要求用半偏法测电流表的内阻.半偏法的原理是：先断开 S2,闭合Si,让电流通过电流表并使其满偏,然后接上电阻箱,并调 节它使电流表半偏,由于总电流几乎不变,因此电阻箱中应有另一半电

29、流,电流表和R上各有一半电流意味着它们电阻相等,此时读出电阻箱的电阻,即为电流表的内阻.由以上原理可知,选电阻箱时,只要它能调出与电流表内阻相当的电阻即可；另外,当电阻箱接入时,维持总电流几乎不变是至关重要的,由于这时才可以说两条支路上各有一半电流.为此：滑动变阻器的实际组织应远大与电流表的内阻,成为整个电路电阻的主要部分,使R的接入仅使电阻发生微小变化.在调节电阻箱时,电阻 R不应变化.【答案】(1)滑动变阻器应选电阻大的D;电阻箱应选 B, (2)第步中,合上 S2后不应再调节R.点评：半偏法实际上也是比拟法,比拟两支路的电流, 只是比拟特殊,两支路电流是相等的关系,因此电阻也是相等的关系

30、.这样特殊的比拟简化了运算.【例题7】 有两只电压表 Vi和V2.量程,内阻未知.另有一干电池,它的内阻 不能忽略,但大小未知.试用这两只电压表、开关、导线测定这只干电池的电动势(电 动势不超过电压表的量程).(1)画出测量时所用的电路图.(2)以测量的量为量,导出计算电动势的表达式.解题方法与技巧：测电源的电动势和内电阻,一般采用屡次测量(至少两次),列方程组的数学方法.测两次需要两个负载电阻,现在一个都没有. 但两个实际的电压表内阻不是无穷大,因此它们可以作为负载.单独Vi、单独V2、Vi和V2.考虑到没有电流表,两次负载应有些联系,选 i、3两种或2、3两种.【答案】(i)测量时所用的电路图如图中甲、乙所示.(2)对第一次测量,测得 Ui,有E匕 其中Ri为表Vi的内阻Ri对第