高三物理实验复习专题一基本仪器的使用

高三物理实验复习专题一基本仪器的使用●高考趋势展望《考试说明》中要求学生会正确使用的基本仪器有：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.另外，从近两年的高考看，示波器也已被列为要求会正确使用的仪器.这些仪器中除打点计时器和滑动变阻器不需要读数，示波器不要求读数外，其余11种都涉及到读数问题.其中游标卡尺、螺旋测微器、电流表、电压表的读数问题，在历年的高考题中出现频率较高，另外像弹簧秤、欧姆表的读数问题也时有涉及.所以本专题把上述仪器的读数问题作为复习的重点.当然，仪器的正确使用不仅仅包括读数问题，还包括对仪器原理、结构的了解，使用仪器的注意事项，仪器的选择，仪器的布局或连线等，这些方面将在以后的专题中涉及到.●知识要点整合（一）螺旋测微器1.构造和原理图5-1-1所示是常用的螺旋测微器.在实验中常用它测量小球的直径、金属丝的直径和薄板的厚度等一些较小的尺度.用它测量长度，可以准确到0.01mm，可以估读到0.001mm（毫米的千分位），因此螺旋测微器又称为千分尺.图5-1-1螺旋测微器螺杆上精密螺纹的螺距是0.5mm，即每旋转一周，测微螺杆P前进或后退0.5mm.可动刻度分成50等分.每一等分表示0.01mm.即可动刻度每转过一等分，P前进或后退0.01mm，因此，从可动刻度旋转了多少个等分就知道长度变化了多少个0.01mm.2.使用及读数（1）把待测物放入A、P之间的夹缝中，旋动旋钮K，当P将要接触待测物时，再轻轻转动微调旋钮K′，当听到棘轮的响声时（表明夹住待测物的力适中），转动锁紧手柄T使P止动；（2）读数：先由可动刻度尺的边缘所对的固定刻度线读出正毫米（或半毫米）数，再看固定刻度尺上的长横线与可动刻度相对的位置，由可动刻度尺读出小于0.5mm的数，以上两部分相加就是螺旋测微器的读数.例如图5-1-2所示测量，从固定刻度尺上读数为2mm，再从可动刻度尺上读数为0.130mm，最后的“0”是估读来的.故该次测量的读数为2.130mm.图5-1-23.注意事项①测量时，当螺杆将要接触被测物体时，要停止使用K，改用K′，以避免螺杆和被测物体间产生过大的压力，这样，既可以保护仪器又能保证测量结果准确.②读数时，要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出.读数时要准确到0.01mm，估读到0.001mm，即测量结果若用mm为单位，则小数点后面必须保留三位.［例1］图5-1-3给出的是用螺旋测微器测量一小钢球的直径的示数，此读数应是____mm.图5-1-3【解析】注意到固定刻度尺上的半毫米刻度线已经露出，故由固定刻度尺上读数为8.5mm；然后由可动刻度上读出半毫米以下的读数，并注意估读一位数字，为0.100mm；最后将两次读数相加就是所要测量的正确读数8.600mm(可用公式d=固定刻度示数+可动刻度示数×最小分度值计算）.小结：在读数的时候一定要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻度线是否已经露出.若忽略了这一点，本题会误读为8.100mm.(二)游标卡尺游标卡尺的读数部分由主尺（最小分度为1mm）和游标尺两部分组成.按照游标的精度不同可分为三种：（1）10分游标，其精度为0.1mm；（2）20分游标，其精度为0.05mm；（3）50分游标，精度为0.02mm.它们的共同特点（也是它们的测量原理）是：游标上的全部刻度之长比主尺上相应的刻度之长短1mm.以20分游标为例，游标上20个分度全部之长为19mm，比主尺上20个分度短1mm，所以游标上每个分度比主尺短0.02mm，当在两测脚间放一厚0.04mm的物体时，则游标的第2条刻线将与主尺的刻线对齐，其余的刻线与主尺上的刻线都不对齐.游标卡尺的读数方法是：以游标0刻度线为准在主尺上读出整毫米数，再看游标尺上哪一条刻度线与主尺上某刻度线（不用管是哪一条线）对齐，由游标上读出毫米以下的小数，则总的读数为：主尺上的整毫米数L1+游标上的毫米以下的小数L2.下表所示即为上述三种游标尺的设计原理和读数方法游标尺（mm）精度（mm）测量结果（游标尺上第n个格与主尺上的刻度线对正时）(mm)刻度格数刻度总长度每小格与1毫米差102050919490.10.050.020.10.050.02主尺上读的毫米数+0.1n主尺上读的毫米数+0.05n主尺上读的毫米数+0.02n由于游标卡尺在读数时要分辨游标上的哪一条刻线与主尺上的刻线对的最齐，这里已包含了估读的因素，所以游标卡尺一般不再往下估读.不过用10分游标尺读数时，可在毫米的百分位上加一个“0”，表示该读数在毫米的10分位上是准确的，以区别于毫米刻度尺的读数.［例2］有一游标卡尺，主尺的最小分度是1mm，游标上有20个小的等分刻度.用它测量一工件的长度，如图5-1-4所示.图示的读数是_____mm.图5-1-4【解析】此图经过了二级放大.由一级放大图可知工件的长度约在10~11cm之间，再由二级放大图仔细看游标上的零刻线所对主尺的刻线位置，由主尺读出测量的整毫米数：L1=104mm(主尺上所标数值的单位为cm);再看游标上的哪一条刻线与主尺上的某一刻线对齐，由游标读出毫米以下的小数.从二级放大图中可以看出，游标上零刻线右侧的第一条刻线与主尺上的刻线对的最齐，游标上共20个分度，每个分度代表0.05mm，所以游标上的读数为L2=0.05mm.故所测该工件的长度L=L1+L2=104.05mm.小结：要掌握游标卡尺测量的原理和读数的方法，要知道主尺上和游标上所标数值的意义和单位，要能看懂多级放大图.［例3］（2003年新课程理综，23）用游标为50分度的卡尺测量一圆柱体的长度与直径，结果分别如图5-1-5（甲）、（乙）所示.由图可知其长度为_____，直径为_____.图5-1-5【解析】游标为50分度，每个分度值为0.02mm.由图（甲）原图及放大图示，可看出该物体的长度约为8mm，再由放大图仔细观察，以游标的零刻线与主尺的刻线对的最齐（有主观估计的成分，允许有些误差），所以，由图甲读出该物体的长度为8.00mm(注意有效数字）.由图乙的原图可以看出，游标的零刻线大约对在主尺的2mm处，再仔细观察放大图，游标上数字“9”右边的第二条刻线——即第47条刻线与主尺的刻线对的最齐，所以游标的读数为0.02mm×47=0.94mm，这也说明主尺的读数还不到2mm.最后我们得到该物体的直径为1.94mm.小结：对图甲中游标零刻线正对的情况，一定要注意读数的有效数字位数.对图乙中游标的零刻线是否正对2mm，还是不到或是已过2mm，即该种情况主尺如何读数，要与游标的读数结合起来判断.（三）多用电表1.测量原理多用电表可以用来测电流、电压、电阻等，并且每一种测量都有几个量程，其外形如图5-1-6所示，多用电表测电流和电压所依据的原理是串、并联电路的特点及部分电路的欧姆定律，欧姆表即是多用表的电阻测量档.欧姆表测电阻所依据的原理是闭合电路的欧姆定律.欧姆表的内部电路如图5-1-7所示，R为调零电阻.当红、黑表笔相接进行欧姆调零时，表头指针满偏，根据闭合电路欧姆定律有I0=rRREA;当红、黑表笔间接有未知电阻Rx时，有I1=rRRREAx，故每一个未知电阻都对应一个电流值I，我们在刻度盘上直接标出与I对应的Rx的值，根据表头指针偏转的位置，即可从表盘刻度直接读出所测电阻的值.当Rx等于欧姆表内阻，即Rx=R+RA+r时，I=20I，指针半偏，所以把等于欧姆表内阻的这一阻值又叫做欧姆表的中值电阻R中.图5-1-6图5-1-72.使用和操作（1）机械调零.将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔中.不管是测量电流、电压或电阻，测量前都要检查多用电表的指针是否停在表盘刻度线左端的零位置，若不指零，可用小螺丝刀旋转机械调零旋钮（定位螺丝），直到指针指零为止.（2）测电压、电流.测量的方法和注意的问题与用单独的电表测量时基本一样.测电流时将选择开关拨至电流档，根据估计电流的大小选取适当的量程，注意将电流表串联入待测电路中，让电流从红表笔流入，从黑表笔流出.测电压的过程与此类似，不过是注意将电表并联在待测电路两端，红表笔接高电势，黑表笔接低电势.（3）测电阻.①选档.先估计待测电阻的阻值大小，选择合适的欧姆档位.在操作中，当两表笔与待测电阻两端相接，选择开关旋至某一欧姆档位时，发现指针偏转的角度既不过大，也不过小，而是指在中间附近时，此时的旋钮尖端所对应的欧姆档位即为所要选择的“合适的档位”.②欧姆调零.将红、黑表笔短接，调整欧姆调零旋钮，使指针指到欧姆表刻度的零位置.③测量、读数.将红、黑表笔分别与待测电阻两端相接，表针示数乘以所选欧姆档的倍率，即为待测电阻的阻值.④重复①②③，测其他电阻的阻值.3.几点说明.①用欧姆表测电阻时，当指针处在表盘中央附近时读数较为准确些.由于待测电阻与电流之间的非线性关系（由上面所讲原理可看出），欧姆表的刻度是不均匀的，因此用欧姆表测电阻只是一种粗略的测量.②测电阻时，待测电阻要与电源以及其他电阻断开，且不要用手接触表笔金属端.③每换用欧姆档的另一量程时，必须重新进行“欧姆调零”.④实验完毕，应将两表笔从插孔中拔出，并将选择开关旋至“OFF”档或交流电压最高档.如果表长期不用，应取出表内的电池.［例4］（2003年春季，27）图5-1-8为多用电表的示意图，其中S、K、T为三个可调节的部件，现用此电表测量一阻值约为20~30Ω的定值电阻，测量的某些操作步骤如下：图5-1-8①调节可调部件_______，使电表指针停在_______位置；②调节可调部件K，使它的尖端指向_______位置；③将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔，笔尖相互接触，调节可调部件_____，使电表指针指向_____位置.（2）在用多用表测量另一电阻的阻值时，电表的读数如图5-1-9所示，该电阻的阻值为_____Ω.图5-1-9【解析】（1）多用电表在使用前首先要进行“机械调零”，即测量前先检查电表的指针是否停在刻度盘左端的“0”位置，若不在“0”位置，则调节表盘下中间部位的调零螺丝，即图5-1-8中的可调部件“S”，使指针停在刻度盘左端的“0”位置.测量电阻应将图中的选择开关K旋至欧姆档的适当档位.我们已经知道，测量时欧姆表的指针在表盘的中间部位时读数较为准确.由图可以看出，该欧姆表的表盘中值约为“20”，又待测电阻的阻值为20~30Ω，所以应选Ω×1档，这样测量时就可使指针指在中间部位了.选好档位后就要进行欧姆档的调零，且每次换档后都要重新进行调零.调零时将红、黑表笔接触，调节图中的“欧姆调零”旋钮T，使指针指在表盘右端电阻刻度的“0”位置.（2）由图5-1-9表针位置读数为“20.0”，注意到选择开关置于“Ω×1k”的倍率档，所以所测电阻的阻值为20.0kΩ.小结：要搞清楚多用电表的各个旋钮的作用及调节的顺序.欧姆表表盘刻度的“中值”有着重要的意义，欧姆档位的选择就是根据“中值”来确定的.［例5］（2003年广东，11）图5-1-10为一正在测量中的多用电表表盘.图5-1-10（1）如果是用直流10V档测量电压，则读数为_____V.（2）如果是用×100Ω档测量电阻，则读数为_____Ω.（3）如果是用直流5mA档测量电流，则读数为_____mA.【解析】由于多用电表的测量项目和量程比较多，而表盘的空间有限，所以并不是各个项目的每个量程都有专门的标度，有些标度就是属于共用标度.如图5-1-10中的第二行刻度就是交、直流电压、电流共用的标度.使用直流10V档测量电压时，由于直流10V档没有专门的标度，只能按“0~250”或“0~50”来读数，然后再折算成“0~10V”的电压.譬如当按“0~50”读数时，将读数乘以0.2即为测量值.（1）用直流10V档测量电压时，按“0~50”的标度来读数为32.5，则测量值为32.5×0.2=6.50V(也可写为6.5V）.（2）指针所指电阻刻度的读数为8.0，乘以欧姆档的倍率，则所测电阻值为8.0×102Ω.(3)用直流5mA档测量时