专题18 实验基础知识、仪器的使用和读数【知识梳理+精讲精练】 高考物理一轮复习必备清单（全国通用）

专题18实验基础知识、仪器的使用和读数考点内容要求考情实验误差分析b2023·重庆卷·112023·全国卷(新课标)·102022·广东卷·11有效数字a仪器读数c实验方法a学习目标1.知道常见误差的来源及减少误差的方法.2.会对常用测量仪器进行正确操作及读数.3.知道常见的实验方法.TOC\o"1-2"\h\u知识点01实验基础知识 3一、误差 3二、有效数字 3知识点02基本测量仪器及读数 4一、总览 4二、不需要估读的测量仪器 4三、刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表等通用的读数方法 4三、游标卡尺 4四、螺旋测微器 7五、打点计时器 9六、天平 9七、秒表 9八、电流表、电压表 10九、多用电表 11十、电阻箱 11知识点03常见间接测量的物理量及其测量方法 12知识点04几种重要的实验方法 12一、控制变量法 12二、累积法 12三、等效替代法 13四、测量量的转换 13五、微小量放大法 13六、比较法 13七、留迹法 14八、外推法 14九、近似法 14知识点05实验分类 14一、测量性实验 14二、验证性实验 14三、探究性实验 14四、设计性实验 15知识点06实验数据的分析、处理方法 15一、列表法 15二、算术平均值法 15三、图象法 15四、逐差法 16知识点01实验基础知识一、误差1.定义：测量值与真实值的差异叫做误差。2.分类：①系统误差，特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。②偶然误差，特点总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。减小偶然误差的方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。3、误差分析减小误差的方法①减小偶然误差：多次测量，求其平均值；多次测量，作图象求值②减小系统误差：完善实验原理、改进实验方法、恰当选择仪器精度、量程、校准测量器材。③误差分析：从实验原理分析，从实验器材分析4、绝对误差和相对误差：设某物理量的真值为A0，测量值为A，则绝对误差，相对误差为．真值A0常以公认值、理论值或多次测量的平均值代替．二、有效数字1、定义：带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字，有效数字是指近似数字而言，只能带有一位不可靠数字，不是位数越多越好。2、凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值（可靠数字）后，再向下估读一位（不可靠数字），这里不受有效数字位数的限制。3、间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用2到3位有效数字表示。知识点02基本测量仪器及读数一、总览高考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、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。基本物理量测量仪器力学长度刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器时间秒表（停表）、打点计时器质量天平电学电阻（粗测）欧姆表、电阻箱电流电流表电压电压表二、不需要估读的测量仪器游标卡尺、秒表、电阻箱在读数时不需要估读；欧姆表刻度不均匀，可以不估读或按半刻度估读。三、刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表等通用的读数方法使用以上仪器时，凡是最小刻度是10分度的，要求读到最小刻度后再往下估读一位（估读的这位是不可靠数字，但是是有效数字的不可缺少的组成部分）。凡是最小刻度不是10分度的，只要求读到最小刻度所在的这一位，不再往下估读。最小分度含有1”的仪器:估读数字出现在最小分度的下一位,将不足最小分度的部分按最小分度的十分之几去估读.2.最小分度含有2的仪器：估读数字出现在最小分度的同一位,将最小分度分为二等分，把不足最小分度的部分以不足半等分的舍去，等于或超过半等分的算一个等分去估读。3.最小分度含有5的仪器：估读数字出现在最小分度的同一位,将最小分度分为五等分，将不足最小分度的部分按占最小分度的五分之几去估读。三、游标卡尺1.总览：游标卡尺都是根据刻线对齐来读数的，所以都不再往下一位估读，读数方法：10分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.9mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.1mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出0.1毫米位的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，0.1毫米位就读几（不能读某）。其读数准确到0.1mm。10分度，精确到0.1mm10分度，精确到0.1mm20分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.95mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.05mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出毫米以下的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，毫米以下的读数就是几乘0.05毫米。其读数准确到0.05mm。20分度，精确到0.05mm20分度，精确到0.05mm图中读数：40.70mm50分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.98mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.02mm。这种卡尺的刻度是特殊的，游标上的刻度值，就是毫米以下的读数。这种卡尺的读数可以准确到0.02mm。50分度，精确到0.02mm50分度，精确到0.02mm图中读数：18.74mm【【实战演练】(2023·重庆卷·11)某实验小组用单摆测量重力加速度。所用实验器材有摆球、长度可调的轻质摆线、刻度尺、50分度的游标卡尺、摄像装置等。

(1)用游标卡尺测量摆球直径d。当量爪并拢时，游标尺和主尺的零刻度线对齐。放置摆球后游标卡尺示数如图1甲所示，则摆球的直径d为______mm。

【答案】19.02

【解析】解：(1)游标卡尺的精度为0.02mm，固定尺读数为19mm，游标尺读数为1×0.02mm，则摆球的直径d=19mm+0.02mm=19.02mm；.四、螺旋测微器又称千分尺，可测量到千分之一毫米。1.读数方法:主尺（mm）.0或5（半格露出则为5，未露出则为0）+三位游标尺（末尾位为估读）mm固定刻度上的最小刻度为0.5mm（在中线的上侧）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以相邻两条刻线间代表0.01mm。读数时，从固定刻度上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分（因为是10分度，所以在最小刻度后应再估读一位），再把两部分读数相加，得测量值。图中读数为6.5mm+0.225mm=6.725mm【【实战演练】(2023·全国卷(新课标)·10)一学生小组做“用单摆测量重力加速度的大小”实验。

(1)用实验室提供的螺旋测微器测量摆球直径。首先，调节螺旋测微器，拧动微调旋钮使测微螺杆和测砧相触时，发现固定刻度的横线与可动刻度上的零刻度线未对齐，如图(a)所示，该示数为______mm；螺旋测微器在夹有摆球时示数如图(b)所示，该示数为______mm，则摆球的直径为______mm。

【答案】(1)0.007；20.034

【解析】解：(1)测量钱测微螺杆与测砧相触时，图(a)的示数为

d0=0mm+0.7×0.01mm=0.007mm螺旋测微器的分度值为0.01mm，需要估读到分度值的下一位，则图中的读数为：

d1=20mm+3.4×0.01mm=20.034mm【实战演练】(2022【实战演练】(2022·广东卷·11)(2)用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图(b)所示，小球直径d=______mm。

【答案】(2)7.885【解析】解：(2)螺旋测微器的分度值为0.01mm，需要估读到分度值的下一位，则d=7.5mm+38.5×0.01mm=7.885mm；.打点计时器是一种特殊的计时仪器，电源用50Hz的交流电，所以打相邻两个点的时间间隔是0.02s。六、天平天平使用前首先要进行调节。调节分两步：调底座水平和横梁水平（在调节横梁水平前，必须把游码移到左端零刻度处，左端与零刻线对齐，如图中虚线所示）。测量读数由右盘中砝码和游标共同读出。横梁上的刻度单位是毫克（mg）。若天平平衡时，右盘中有26g砝码，游码在图中所示位置，则被测物体质量为26.32g（最小刻度为0.02g，不是10分度，因此只读到0.02g这一位）。七、秒表秒表的读数分两部分：小圈内表示分，每小格表示0.5分钟；大圈内表示秒，最小刻度为0.1秒。当分针在前0.5分内时，秒针在0~30秒内读数；当分针在后0.5分内时，秒针在30~60秒内读数。八、电流表、电压表电流表量程一般有两种——0.1~0.6A，0~3A；电压表量程一般有两种——0~3V，0~15V电压表、电流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精确度）分别为0.1V、0.1A，为10分度仪表读数，读数规则较为简单，只需在精确度后加一估读数即可。电压表若用0~15V量程，则其最小刻度为0.5V，为2分度仪表读数，所读数值小数点后只能有一位小数，也必须有一位小数。九、多用电表使用多用电表时首先应该根据被测物理量将选择开关旋到相应的位置。使用前应先进行机械调零，用小螺丝刀轻旋调零螺丝，使指针指左端零刻线。使用欧姆挡时，还应进行欧姆调零，即将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。【技巧点拨】欧姆挡的使用：①选挡。一般比被测电阻的估计值低一个数量级，如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。②调零。③将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。④将指针示数乘以倍率，得测量值。⑤将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小，应增大倍率；如果指针偏转角度太大，应减小倍率。十、电阻箱右图中的电阻箱有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数值（都为整数）乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到这时电阻箱的实际阻值。知识点03常见间接测量的物理量及其测量方法有些物理量不能由测量仪器直接测量，这时，可利用待测量和可直接测量的基本物理量之间的关系，将待测物理量的测量转化为基本物理量的测量．待测物理量基本测量方法力学速度①利用纸带，；②利用平抛，加速度①利用纸带，逐差法；②利用单摆力根据F=ma转化为测量m、a功根据转化为测量m、S、v电学电阻（精确测量）①根据转化为测量U、I（伏安法）；②电阻箱（半偏、替代）电功率根据P=IU转化为测量U、I电源电动势根据E＝U＋Ir转化为测量U、I知识点04几种重要的实验方法一、控制变量法在实验中或实际问题中，常有多个因素在变化，造成规律不易表现出来，这时可以先控制一些物理量不变，依次研究某一个因素的影响和利用。如:在“验证牛顿第二定律的实验”中，加速度、力和质量的关系控制。在“研究单摆的周期”中，摆长、偏角和摆球质量的关系控制等等。二、累积法把某些难以用常规仪器直接准确测量的物理量用累积的方法，将小量变大量，不仅可以便于测量，而且还可以提高测量的准确程度，减小误差。在“用单摆测重力加速度”测周期时我们用的是累积法，即我们不直接测一个周期的时间，而是测30～50个周期的总时间，再除以周期数即得周期T的值．用累积法的好处是：①相当于进行多次测量而后取平均值，这样可以减少偶然误差；②增加有效数字的位数．以测单摆的周期为例，我们实验时单摆的摆长大约是1m或不到1m，用停表（最小分度值是0.1s）直接测1个周期的值，只能读出两位有效数字（机械停表的指针是跳跃式前进的，因此不能估读），如1.8s、2.0s等，而测30个周期总时间，则可读出至少3位有效数字。用累积法的实验还有很多，如测一张纸的厚度、用刻度尺测金属丝的直径…三、等效替代法某些物理量不直观或不易测量，可以用较直观、较易测量而且又有等效效果的量代替，从而简化问题。在“互成角度两个共点力的合成”的实验中我们就用到了替代法，第一次我们用两个弹簧秤成角度地拉橡皮筋，把结点拉到某一位置，再换成一个弹簧秤，同样拉这个橡皮筋，也把结点拉到同样位置，这说明后一个弹簧秤的拉力与前面两个弹簧秤的拉力效果相等因此右以互相替代．对于“等效”这个问题，应正确理解：所谓效果相等，是对某一方面说的，并不是在所有方面都等效，仍以合力与分力来说，它们只是在改变物体的运动状态上等效，而在其他方面，例如在产生形变上，二者并不等效。用替代法的例子还有很多，如用天平称物物体的质量，电阻测量等都可以用替代法，我们古代三国时期曹冲称象的故事就是替代法的典型实例。四、测量量的转换例如在“碰撞中的动量守恒”的实验中，把测物体的速度转换为测物体平抛运动的水平位移，即把测速度转换为测长度。又如在“测定玻璃的折射率”的实验中，本应测量入射角和折射角，再根据折射率求出折射率，但角度不容易测准确（一般所用的量角器的最小分度是1°，并且测角度时顶点很难对得特别准确），而通过做辅助线的方法可以把测角度转换为测线段的长度，从而增加了有效数字的位数，即提高了测量的准确度。五、微小量放大法微小量不易测量，勉强测量误差也较大，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。六、比较法用天平称物体的质量，就是把物体与砝码进行比较，砝码的质量是标准的，把被测量与标准的量进行比较，就是比较法．天平是等臂杠杆，因此用天平测物体质量时，不用再进行计算，而是直接读出砝码的质量，它就等于物体的质量。一般情况下，被测物跟标准量并不相等，而是要根据某种关系进行计算，最常用的是二者间满足一定的比例关系，通过一定的比例计算即可得出结果，因此常常称为比例法。用比例法测电阻是常见的，当两个电阻串联时，通过的电流相等，因此两电阻两端的电压跟它们的电阻成正比，如果其中的一个电阻是标准电阻，另一个电阻的阻值就可测出．同样，两电阻并联时，由于两端电压相等，通过两支路的电流跟电阻成反比，只要一个是标准电阻，另一个电阻的阻可测出。七、留迹法有些物理过程是瞬息即逝的，我们需要将其记录下来研究，如同摄像机一样拍摄下来分析。如用沙摆描绘单摆的振动曲线;用打点计时器记录物体位置;用频闪照相机拍摄平抛的小球位置;用示波器观察交流信号的波形等。八、外推法有些物理量可以局部观察或测量，作为它的极端情况，不易直观观测，如果把这局部观察测量得到的规律外推到极端，可以达到目的。例如在测电源电动势和内电阻的实验中，无法直接测量I=0(断路)时的路端电压(电动势)和短路(U=0)时的电流强度，通过一系列U、I对应值点画出直线并向两方延伸，交U轴点为电动势，交I轴点为短路电流。九、近似法在复杂的物理现象和物体运动中，影响物理量的因素较多，有时为了突出主要矛盾，可以有意识的设计实验条件、忽略次要因素的影响，用近似量当成真实量进行测量。知识点05实验分类一、测量性实验以某一原理或物理规律为依据，通过测量相关的物理量，实现测定某个（或某些）物理量（或物理常数）为实验目的。高中物理实验要测量的物理量主要有：质量、长度、时间、力、加速度、温度、分子直径、电流、电压、电阻、电阻率、电动势、内电阻、折射率、波长。二、验证性实验用实验的方法来验证已知规律(或结论)，通过实验过程的再现，加深对规律适用条件和结论的理解。这类实验有：验证力的平行四边形定则，验证动量守恒定律，验证机械能守恒定律，大量的课堂课堂演示实验。要求明确验证的规律，懂得实验原理、实验装置和实验步骤的确定，必须考虑到规律能否成立。能有效地尽量减小误差的分析。三、探究性实验通过实验来探索某种物理规律，研究某个物理问题。研究性实验在教材和考纲中的比例较过去有大幅度地增加，意在训练实验的主动性、自觉性，培养创新意识。四、设计性实验根据实验目的，运用已掌握的物理规律、实验方法，选择熟