物理实验方法与仪器

1、物理实验方法与仪器考点目标定位一、要求知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果.间接测量的有效数字运算不作要求.二、要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差.三、要求会正确使用的仪器主要有：刻度尺，游标卡尺，螺旋测微器，天平，秒表，打点计时器，弹簧秤，温度计，电流表，电压表，多用电表，滑动变阻器，电阻箱，等等.四、要求能在理解的基础上独立完成的学生实验有：11.测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）五、要求具有的设计和完成实验的能力：1.独立完成实验的能力.

2、包括理解实验原理、实验目的及要求，掌握实验方法步骤，会控制实验条件和使用实验仪器，会观察、分析和解释实验中产生的现象，会记录、处理实验数据，并得出合理的实验结论.2.能根据要求灵活运用已学过的物理理论、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.学习方略指南物理是一门以实验为基础的学科，物理实验也一直是高考考查的重要内容.从对近几年的高考实验试题的分析可以看出，高考对实验的考查有如下特点：1. 重视对基本仪器的使用和读数的考查.如游标卡尺、螺旋测微器、弹簧秤、电流表、电压表、滑动变阻器的使用或读数问题，是历年高考考查的热点问题.“只有动手做过实验的学生才能得高分”.3.重视对实验数

3、据处理的考查.对实验数据进行正确的处理和分析，从而得出正确的实验结论，是实验全过程的一个重要的环节.高考主要要求会根据数据画图象，知道舍弃错误数据，会根据图象外推结论.另外在实验数据处理中还常用算术平均值法、逐差法、列表法、描迹法等.4.注重对实验思想、实验方法及实验原理的理解的考查.譬如，“测玻璃折射率”的实验，课本实验中用的是平行玻璃砖，但高考实验题中给的却是三棱镜.虽然器材不同，但测量的原理、方法却是相同的“研究平抛物体的运动”的实验，所给方格图中的第一点并不是小球平抛的初始位置，这就要求考生要在认真分析的基础上找出解决问题的关键，把匀变速直线运动中的研究方法（saT2）迁移到平抛运动中

4、，来研究小球在竖直方向的分运动.对伏安法测电阻的考查更是不断花样翻新：测金属丝的阻值，测电压表的阻值，测电流表的阻值虽然题目是全新的，但原理还是伏安法.还有伏安法测电阻实验中对实验条件的控制方法（滑动变阻器的接法），实验误差的控制方法（电流表的内、外接），作图时对个别误点的舍弃，图线的“曲化直”，测量电路的设计、实验器材的选取原则，等等.这一切都说明近年来高考对学生的实验能力提出了更高层次的要求，对实验的考查已从简单的背诵实验转向考查对实验的思想、方法和原理的理解.而设计性实验正是考查考生对实验思想的理解程度、对所学方法灵活迁移应用程度的有效途径.从更大的方面说，通过设计性实验可以较好地考查出

5、考生的实践能力和创新精神，这也正是近些年“实验考查不是读数就是设计”的根本原因.基于高考实验考查的以上特点，相应在实验复习备考中应注意落实好以下几个方面：1.要真正学会考纲中所列基本仪器的使用.对这些仪器要掌握它们的构造原理、使用方法，会根据实验要求选取量程，会按照有效数字的规则读数.“纸上谈兵”成不了军事家，同理，只靠“课堂上听实验，书本上做实验”提高不了实验能力.对考纲中所要求的各个学生实验都要亲手做一做，这样才会体验深刻.3.要深刻地理解实验的原理和实验的方法.实验不仅仅是动手，还要动脑，是知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三位一体的综合表现.做每一个实验时都要想一想，这个实验所依

6、据的原理是什么？为什么要选用这些器材？实验的步骤为什么要这样安排？应该采用什么方法来处理实验的数据？这个实验中产生系统误差的原因是什么？“纲”，其他的各项，如实验方法及步骤、实验器材的选择、数据的处理等一切与实验有关的问题都是从实验原理中派生出来的，这些是实验的“目”，“纲举目张”，即只要紧紧抓住实验原理这个纲，许多问题就会迎刃而解.有了以上基础，才能进一步迁移应用在这些实验中学到的原理和方法，将它们灵活应用到新的情境中去，即去做设计性实验.4.除考纲中所列出的学生实验外，还要重视教材中演示实验的复习.近些年的高考实验试题已向演示实验拓展，通过演示实验来考查考生的观察能力和理解能力，对实验的教

7、学提出了更全面的要求.5.要加强对实验数据分析处理能力的训练.对处理实验数据常用的方法，如算术平均值法、作图法、逐差法、列表法等都要进行系统的训练.对某些实验，要会分析产生系统误差的原因，并知道如何减小误差.实验基础知识一、有效数字简介当用毫米刻度尺量书本时，量得的长度为184.2 mm，最末一位数字“2”是估计出来的，是不可靠数字，但是仍然有意义，仍要写出来.这种带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字.×105×105.许多物理量是从直接测量结果中计算出来的.测量结果既然是用有效数字表示的，在计算中就要遵守有效数字的规则：（1）不可靠数字与别的数字相加减、相乘除，所得

8、的结果也是不可靠的.（2）计算结果只能保留一位不可靠数字，但在计算过程中可以保留两位不可靠数字，最后再四舍五入.应该注意的是，物体的个数、实验的次数等是准确数，它们与近似数相乘或相除时，有效数字的位数应等于原来近似数的有效数字位数.例如，8个相同的小球共重92.8 g，每个小球重11.6 g，商数要取三位有效数字.如果误认为数量8个是一位有效数字，因此商数也取一位有效数字，那就错了.严格地说，有效数字的规则是相当复杂的.中学阶段的物理习题中，如果没有特别要求，不必严格按照有效数字的规则去做，通常只取两位或三位有效数字就可以了.但对物理实验中的测量结果，则要严格按照有效数字的规则表达.二、基本仪

9、器的使用（一）测量长度的仪器1.刻度尺（米尺）：最小分度值为1 mm，量程不等.常用于测量的刻度尺有钢板尺、钢卷尺、木直尺等.测量时要估读到毫米以下一位，如：l11.37 cm，l223.65 cm.用刻度尺测量时应注意以下几点：（1）要使刻度尺的刻度线紧贴被测物，眼睛应正对刻度线读数，以避免视差.（2）用零刻度线在端头的刻度尺测量时，为了防止因端头磨损而产生误差，常选择刻度尺的某一刻度线为测量起点，测量的长度等于被测物体的两个端点在刻度尺上的读数之差.2.游标卡尺：根据游标上的分度格数，常把游标卡尺分为10分度的、20分度的和50分度的三种.它们的精度（游标上的最小分度值）分别为0.1 mm

10、、0.05 mm、0.02 mm.课本上只介绍了10分度游标卡尺的读数原理，实际上，20分度、50分度的卡尺与它的读数原理是相同的，譬如，50分度游标卡尺上50个分度只有49 mm长，比主尺上的50个分度短1 mm，则游标上每个分度比主尺上的每个分度短150 mm0.02 mm，即它的测量精度为0.02 mm.游标卡尺按下列规则读数：（1）以游标零刻线位置为准，在主尺上读取整毫米数.（2）看游标上哪条刻线与主尺上的某一刻线（不用管是第几条刻线）对齐，由游标上读出毫米以下的小数.（3）总的读数为毫米整数加上毫米小数.注意：不管是10分度游标卡尺，还是20分度、50分度游标卡尺，在读数时均不需要向

11、后估读一位.3.螺旋测微器（千分尺）：螺旋测微器量程一般为025 mm，最小分度是0.01 mm.螺旋测微器螺旋测微器读数规则：（1）以鼓轮边缘为准在固定刻度上读出整毫米数.（2）从可动刻度上读出毫米以下的小数.（3）测量长度为上述二者之和.注意：在测微螺杆快要接近被测物体时，要改拧螺旋柄后端的微调旋钮（棘轮），以免将待测物夹得太紧使测量结果不准确，或损坏螺旋测微器内的精密螺纹.读数时要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是否已经露出.螺旋测微器读数时必须估读一位，即估读到0.001 mm这一位上.（二）测质量的仪器天平中学物理实验中常用的天平有物理天平和托盘天平. 托盘天平 物理天平“分度值”.

12、这一数值愈小，天平愈灵敏.2.天平的使用.称量前应按下列步骤进行调整：（1）调水平：调天平底座上的两个调平旋钮，使重垂线的小重锤尖端与底座上的小锥体的尖端正对.（2）调平衡：用镊子把横梁上的游码拨到左边零位，然后通过调节横梁两端的平衡螺母，使天平指针能在中央刻线两侧等幅摆动.注意：被测物体的质量不能超过天平的称量.待测物体和砝码的放置应为“左物右码”.取放待测物或加减砝码时应使天平静止不动.待测物的质量等于砝码的总质量加上游码所示读数.（三）测时间的仪器1.秒表：（略）2.打点计时器：电火花打点计时器接220 V交流电源，电磁打点计时器接46 V交流电源，当交变电流的频率为50 Hz时，打点周

13、期为0.02 s. 电磁打点计时器使用时应注意：（1）为使打点的频率比较稳定，要求打点计时器振动片的固有频率也是50 Hz，使之发生共振现象.振动片的长度可在一定范围内调节，通过改变振动片的长度可调节它的固有频率.（2）实验前要检查打点的清晰情况，必要时应调整振针的高度，且不能让它松动，否则将会出现漏点、双点等现象，还会对纸带产生过大的阻力.（四）测力的仪器弹簧秤（弹簧测力计） 弹簧秤学生实验用弹簧秤量程一般为05 N，最小分度值为0.1 N.使用时应注意：（1）所测力不要超过弹簧秤量程.（2）使用前应检查弹簧秤是否需要调零.方法是将弹簧秤竖直挂起，如其指针不指零位，就需要调零，一般是通过移动

14、指针来调零.（3）若弹簧秤零点准确，但挂上钩码检查时，示值误差随钩码的增大而增大，此时应调整弹簧的圈数来解决.示值小于钩码重力应增加弹簧圈数；示值大于钩码重力时，应减少弹簧的圈数.（五）测温度的仪器温度计中学物理实验中常用的液体温度计有水银温度计、煤油温度计（红色液体）等.1.性能：水银温度计测量范围一般为0100 ；煤油温度计的测量范围一般是50100 .最小分度值一般为1 .2.使用时应注意：（1）选用的测温范围要适当，待测物体的温度不能超出温度计的最高可测温度.（2）测量液体的温度时，温度计不要与器壁接触.（3）读数时，温度计不应离开被测物体（体温计除外），而且眼睛要正对液柱的凸（或凹）

15、弯月面的水平切线位置.（4）最好在液柱芯向上升至最高不再上升时或达稳定时进行读数.（六）电学测量仪表电流表 电压表学生实验中用的直流电流表的量程为00.6 A3 A，内阻一般在1 以下（毫安表的内阻一般在几欧几十欧）.直流电压表的量程为03 V15 V，两个量程的内阻分别约为3 k和15 k.使用时应注意以下几点：（1）选择合适的量程：根据被测电流或电压值的大小选择量程，使得指针偏转超过所选量程的2/3，至少也要超过1/2.如果量程选择太大，指针偏转太小，会造成测量误差太大.量程选择太小，过大的电流或电压会使电表损坏.在不知道被测电流或电压大小的情况下，应选用电表的较大量程，然后再根据指针偏转

16、情况选取合适的量程.“”“”接线柱不能接反，以免损坏电表.（3）读数时应使视线垂直于刻度表面，一般都要估读到电表的最小分度的1/2以下（学生实验用电表J0407、J0408型，3 V和3 A量程估读到最小分度的1/10，15 V量程估读到最小分度的1/5，0.6 A量程估读到最小分度的1/2）.I，回路中的电流与电阻存在一一对应关系，这样就可以通过电流表的读数来反映被测电阻的大小.使用欧姆挡测电阻时应注意以下几点：（1）由于使用多用电表时不管测量项目是什么，电流都要从电表的“”插孔（红表笔）流入，从“”插孔（黑表笔）流出，所以使用欧姆挡时，多用电表内部电池的正极接的是黑表笔，负极接的是红表笔.

17、（2）要区分开“机械零点”与“欧姆零点”.“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置，调整的是表盘下边中间的定位螺丝；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，调整的是欧姆挡的调零旋钮.（3）测量前应根据估计阻值选用适当的挡位.由于欧姆挡刻度的非线性，使用欧姆挡测电阻时，表头指针偏转过大过小都有较大误差，通常只使用表盘中间一段刻度范围（R中4R中）为测量的有效范围.譬如，J0411型多用电表欧姆挡的R中15 ，当待测电阻约为2 k时，则应采用R×100挡.（4）每变换一次挡位，都要重新进行欧姆调零.（5）由于欧姆挡表盘刻度不均匀，难于估读，测量结果只需取两位有效数字.读数时不要忘记乘

18、上相应挡位的倍率.（6）测量时待测电阻要跟其他元件和电源断开，不然就不能得到准确的测量结果，甚至还可能损坏电表.（7）多用电表使用完毕后，应将选择开关拨离欧姆挡，一般旋至空挡或交流电压最高挡上.（七）电学实验器材中学实验室内常用滑动变阻器有以下几种规格：010 ，2 A；050 ，1.5 A；滑动变阻器0200 ，1.5 A；01 750 ，0.3 A.滑动变阻器有两种基本连接方法：限流式接法和分压式接法.下表是对两种连接方式的比较：滑动变阻器的连接方式及特点接 法电路图特 点适用条件限流式接法R0与滑动变阻器R的部分电阻串联，另一部分不起作用2.R0上电压调节范围为ER0与R的阻值差不多，且

19、不要求R0上电压能调至零分压式接法R0与滑动变阻器的部分电阻并联后再与另一部分串联2.R0上电压调节范围为0E2.R比R0小，一般取R限流式接法的线路连接较简单，调节方便，但调节范围较小；分压式接法的线路连接较复杂，且随着滑动端的移动，R0上的电压并非均匀变化，所以调节起来不如限流式方便.因此，在设计电路的时候，应首先考虑限流式，若确实无法满足题目要求，再选取分压式接法.中学物理学生分组实验中采用的规格一般为：阻值调节范围09 999 ，各挡允许通过的最大电流如下表：阻值（）×1×10×100×1 000最大电流（A）使用方法及注意事项：（1）不要使通过

20、电阻箱的电流超过其允许的最大电流.（2）电阻箱使用阻值的读数为：每挡指示数字乘以相应倍率后相加的总和.（3）实验过程中改变阻值时，不要使电阻箱上电阻值出现零欧姆，以免损坏其他仪表.譬如，当要把90 变至100 ，应先将“×100”挡拨至“1”处，再将“×10”挡拨至零.中学物理实验中主要使用干电池、学生电源和蓄电池.干电池每节电动势约1.5 V，内阻约0.2 左右，不能提供较强的电流（0.6 A以下），学生实验中用作测定电源的电动势和内电阻等.铅蓄电池的电动势约2 V，内阻小（约0.05 ），可以提供较强的电流.在一些需要短时大电流放电的实验中常用，如在研究电磁感应现象的学

21、生实验中、安培力的演示实验中都要用到.学生电源的最大特点是输出电压可调、交直流可变换.它的内阻不但偏大而且是变化的，用于电磁打点计时器和描绘电场中等势线的实验.三、实验的主要思想方法在中学物理实验中涉及的主要思想方法有：转换法：将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于测量的物理量的方法称为转换法（间接测量法）.转换法是物理实验常用的方法，例如，测力计是把力的大小转换为弹簧的伸长量；打点计时器是把流逝的时间转换成振针的周期性振动；电流表是利用电流在磁场中受力，把电流转化为指针的偏转角；用单摆测定重力加速度g是通过公式T=2把g的测量转换为T和l的测量；估测分子的大小时不是直接测量

22、分子的直径，而是测油滴的体积和它所形成的单分子油膜的面积而间接测得分子的直径；测光的波长是通过测易于测量的双缝干涉条纹之间的宽度后来求得的；等等.“碰撞中的动量守恒”实验中，用小球的水平位移代替小球的水平速度；画电场中等势线分布时用电流场模拟静电场；等等.累积法：把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量，提高测量的精确程度.如测单摆振动的周期，应测量单摆多次全振动的时间除以全振动次数，以减少个人反应时间造成的误差.在初中物理中曾经学过用累积法测细铜线的直径.控制变量法：在多因素的实验中，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响.如牛顿第二定律实验中可以先保持质量一定，研究加速度和力的关系

23、；再保持力一定，研究加速度和质量的关系.留迹法：把瞬息即逝的现象（位置、轨迹、图象等）记录下来.如通过纸带上打出的小点记录小车的位置；用描迹法画出平抛物体的运动轨迹；用砂摆显示振动的图象.黑箱法：“用多用电表探索黑箱内的电学元件”就是典型的黑箱法的应用. 四、实验的一般原则虽然各个物理实验的原理、方法、使用的器材不相同，但实验仍有一些共同的原则.分析找出实验的一般原则，有利于掌握实验的思想、方法，提高对实验的认识.现分作以下四个方面分别谈实验应遵守的一般原则.（一）选择仪器根据实验的原理和实验室条件选择仪器是进行正确测量的前提.一般遵循以下三个原则：可行性原则：要能够根据实验要求和客观条件选用

24、合适的仪器，使实验切实可行，能达到预期目标.譬如，当要求测量一个电阻器的阻值时，就要根据要求的测量精度、实验室条件及本人已有的理论知识，确定是采用电桥，还是采用欧姆表或伏安法.当采用伏安法测量时，还要根据电阻的规格（额定功率）选择电压表、电流表的量程.准确性原则：根据实验的需要，选用精度合适的测量工具.但对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好.正如称一吨煤用磅秤即可，没有必要用精密天平称量一样.譬如，在“测定金属丝电阻率”的实验中，为保证测量结果的有效数字位数合适（23位），测金属丝直径要用螺旋测微器，而测金属丝长度用毫米刻度尺即可，伏安法测金属丝电阻用2.5级电表（学生实验用）

25、即可满足实验要求.操作性原则：实验时调节方便、便于操作.如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响.（二）仪器放置按规定放置好仪器是保证测量结果正确和实验便捷的前提.放置规范：不同的仪器有不同的放置要求，如多用电表要平卧；学生用的电流表、电压表应斜置；水银气压计要竖直悬挂；平抛实验用的斜槽末端要水平等等.操作顺手：仪器摆放要便于操作，防止实验中手忙脚乱.如开关、变阻器要放在便于手操作的位置；使用天平要“左物右码”.便于读数：实验人员要面对仪器、仪表的刻度，视线与刻度盘垂直.实验时能否有条理地把各

26、种仪器正确放置好，也是实验素养高低的重要体现.（三）初始状态设置测量前先设置好仪器仪表的初始状态，否则将可能损坏仪器，甚至会造成事故.连接电路时，电路开关要处于断开状态；开关闭合前变阻器的滑片位置要合理（限流时阻值大，分压时阻值小）；仪表要先调零，再选好挡位（不好确定时先选高挡位）.（四）操作程序设计实验操作程序的安排要科学合理，譬如，在“力的合成”实验中，要先用两只弹簧秤互成角度地把结点拉至某点，再用一只弹簧秤拉至同一点；使用打点计时器做“验证机械能守恒定律”的实验时，要先接通电源再松开纸带；电路连线时，应从电源正极开始，先连干路再连支路；使用欧姆表时要先调“机械零点”再调“欧姆零点”等等.程序混乱将会导致测量困难或测量错误.五、实验数据的处理数据处理是对原始实验记录的