物理實驗方法與儀器

1、物理實驗方法與儀器考點目標定位一、要求知道有效數(shù)字的概念，會用有效數(shù)字表達直接測量的結(jié)果.間接測量的有效數(shù)字運算不作要求.二、要求認識誤差問題在實驗中的重要性，了解誤差的概念，知道系統(tǒng)誤差和偶然誤差；知道用多次測量求平均值的方法減小偶然誤差；能在某些實驗中分析誤差的主要來源；不要求計算誤差.三、要求會正確使用的儀器主要有：刻度尺，游標卡尺，螺旋測微器，天平，秒表，打點計時器，彈簧秤，溫度計，電流表，電壓表，多用電表，滑動變阻器，電阻箱，等等.四、要求能在理解的基礎上獨立完成的學生實驗有：11.測定金屬的電阻率（同時練習使用螺旋測微器）五、要求具有的設計和完成實驗的能力：1.獨立完成實驗的能力.

2、包括理解實驗原理、實驗目的及要求，掌握實驗方法步驟，會控制實驗條件和使用實驗儀器，會觀察、分析和解釋實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象，會記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，并得出合理的實驗結(jié)論.2.能根據(jù)要求靈活運用已學過的物理理論、實驗方法和儀器，設計簡單的實驗方案并處理相關的實驗問題.學習方略指南物理是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗也一直是高考考查的重要內(nèi)容.從對近幾年的高考實驗試題的分析可以看出，高考對實驗的考查有如下特點：1. 重視對基本儀器的使用和讀數(shù)的考查.如游標卡尺、螺旋測微器、彈簧秤、電流表、電壓表、滑動變阻器的使用或讀數(shù)問題，是歷年高考考查的熱點問題.“只有動手做過實驗的學生才能得高分”.3.重視對實驗數(shù)

3、據(jù)處理的考查.對實驗數(shù)據(jù)進行正確的處理和分析，從而得出正確的實驗結(jié)論，是實驗全過程的一個重要的環(huán)節(jié).高考主要要求會根據(jù)數(shù)據(jù)畫圖象，知道舍棄錯誤數(shù)據(jù)，會根據(jù)圖象外推結(jié)論.另外在實驗數(shù)據(jù)處理中還常用算術(shù)平均值法、逐差法、列表法、描跡法等.4.注重對實驗思想、實驗方法及實驗原理的理解的考查.譬如，“測玻璃折射率”的實驗，課本實驗中用的是平行玻璃磚，但高考實驗題中給的卻是三棱鏡.雖然器材不同，但測量的原理、方法卻是相同的“研究平拋物體的運動”的實驗，所給方格圖中的第一點并不是小球平拋的初始位置，這就要求考生要在認真分析的基礎上找出解決問題的關鍵，把勻變速直線運動中的研究方法（saT2）遷移到平拋運動中

4、，來研究小球在豎直方向的分運動.對伏安法測電阻的考查更是不斷花樣翻新：測金屬絲的阻值，測電壓表的阻值，測電流表的阻值雖然題目是全新的，但原理還是伏安法.還有伏安法測電阻實驗中對實驗條件的控制方法（滑動變阻器的接法），實驗誤差的控制方法（電流表的內(nèi)、外接），作圖時對個別誤點的舍棄，圖線的“曲化直”，測量電路的設計、實驗器材的選取原則，等等.這一切都說明近年來高考對學生的實驗能力提出了更高層次的要求，對實驗的考查已從簡單的背誦實驗轉(zhuǎn)向考查對實驗的思想、方法和原理的理解.而設計性實驗正是考查考生對實驗思想的理解程度、對所學方法靈活遷移應用程度的有效途徑.從更大的方面說，通過設計性實驗可以較好地考查出

5、考生的實踐能力和創(chuàng)新精神，這也正是近些年“實驗考查不是讀數(shù)就是設計”的根本原因.基于高考實驗考查的以上特點，相應在實驗復習備考中應注意落實好以下幾個方面：1.要真正學會考綱中所列基本儀器的使用.對這些儀器要掌握它們的構(gòu)造原理、使用方法，會根據(jù)實驗要求選取量程，會按照有效數(shù)字的規(guī)則讀數(shù).“紙上談兵”成不了軍事家，同理，只靠“課堂上聽實驗，書本上做實驗”提高不了實驗能力.對考綱中所要求的各個學生實驗都要親手做一做，這樣才會體驗深刻.3.要深刻地理解實驗的原理和實驗的方法.實驗不僅僅是動手，還要動腦，是知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三位一體的綜合表現(xiàn).做每一個實驗時都要想一想，這個實驗所依

6、據(jù)的原理是什么？為什么要選用這些器材？實驗的步驟為什么要這樣安排？應該采用什么方法來處理實驗的數(shù)據(jù)？這個實驗中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因是什么？“綱”，其他的各項，如實驗方法及步驟、實驗器材的選擇、數(shù)據(jù)的處理等一切與實驗有關的問題都是從實驗原理中派生出來的，這些是實驗的“目”，“綱舉目張”，即只要緊緊抓住實驗原理這個綱，許多問題就會迎刃而解.有了以上基礎，才能進一步遷移應用在這些實驗中學到的原理和方法，將它們靈活應用到新的情境中去，即去做設計性實驗.4.除考綱中所列出的學生實驗外，還要重視教材中演示實驗的復習.近些年的高考實驗試題已向演示實驗拓展，通過演示實驗來考查考生的觀察能力和理解能力，對實驗的教

7、學提出了更全面的要求.5.要加強對實驗數(shù)據(jù)分析處理能力的訓練.對處理實驗數(shù)據(jù)常用的方法，如算術(shù)平均值法、作圖法、逐差法、列表法等都要進行系統(tǒng)的訓練.對某些實驗，要會分析產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因，并知道如何減小誤差.實驗基礎知識一、有效數(shù)字簡介當用毫米刻度尺量書本時，量得的長度為184.2 mm，最末一位數(shù)字“2”是估計出來的，是不可靠數(shù)字，但是仍然有意義，仍要寫出來.這種帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)字，叫做有效數(shù)字.×105×105.許多物理量是從直接測量結(jié)果中計算出來的.測量結(jié)果既然是用有效數(shù)字表示的，在計算中就要遵守有效數(shù)字的規(guī)則：（1）不可靠數(shù)字與別的數(shù)字相加減、相乘除，所得

8、的結(jié)果也是不可靠的.（2）計算結(jié)果只能保留一位不可靠數(shù)字，但在計算過程中可以保留兩位不可靠數(shù)字，最后再四舍五入.應該注意的是，物體的個數(shù)、實驗的次數(shù)等是準確數(shù)，它們與近似數(shù)相乘或相除時，有效數(shù)字的位數(shù)應等于原來近似數(shù)的有效數(shù)字位數(shù).例如，8個相同的小球共重92.8 g，每個小球重11.6 g，商數(shù)要取三位有效數(shù)字.如果誤認為數(shù)量8個是一位有效數(shù)字，因此商數(shù)也取一位有效數(shù)字，那就錯了.嚴格地說，有效數(shù)字的規(guī)則是相當復雜的.中學階段的物理習題中，如果沒有特別要求，不必嚴格按照有效數(shù)字的規(guī)則去做，通常只取兩位或三位有效數(shù)字就可以了.但對物理實驗中的測量結(jié)果，則要嚴格按照有效數(shù)字的規(guī)則表達.二、基本儀

9、器的使用（一）測量長度的儀器1.刻度尺（米尺）：最小分度值為1 mm，量程不等.常用于測量的刻度尺有鋼板尺、鋼卷尺、木直尺等.測量時要估讀到毫米以下一位，如：l11.37 cm，l223.65 cm.用刻度尺測量時應注意以下幾點：（1）要使刻度尺的刻度線緊貼被測物，眼睛應正對刻度線讀數(shù)，以避免視差.（2）用零刻度線在端頭的刻度尺測量時，為了防止因端頭磨損而產(chǎn)生誤差，常選擇刻度尺的某一刻度線為測量起點，測量的長度等于被測物體的兩個端點在刻度尺上的讀數(shù)之差.2.游標卡尺：根據(jù)游標上的分度格數(shù)，常把游標卡尺分為10分度的、20分度的和50分度的三種.它們的精度（游標上的最小分度值）分別為0.1 mm

10、、0.05 mm、0.02 mm.課本上只介紹了10分度游標卡尺的讀數(shù)原理，實際上，20分度、50分度的卡尺與它的讀數(shù)原理是相同的，譬如，50分度游標卡尺上50個分度只有49 mm長，比主尺上的50個分度短1 mm，則游標上每個分度比主尺上的每個分度短150 mm0.02 mm，即它的測量精度為0.02 mm.游標卡尺按下列規(guī)則讀數(shù)：（1）以游標零刻線位置為準，在主尺上讀取整毫米數(shù).（2）看游標上哪條刻線與主尺上的某一刻線（不用管是第幾條刻線）對齊，由游標上讀出毫米以下的小數(shù).（3）總的讀數(shù)為毫米整數(shù)加上毫米小數(shù).注意：不管是10分度游標卡尺，還是20分度、50分度游標卡尺，在讀數(shù)時均不需要向

11、后估讀一位.3.螺旋測微器（千分尺）：螺旋測微器量程一般為025 mm，最小分度是0.01 mm.螺旋測微器螺旋測微器讀數(shù)規(guī)則：（1）以鼓輪邊緣為準在固定刻度上讀出整毫米數(shù).（2）從可動刻度上讀出毫米以下的小數(shù).（3）測量長度為上述二者之和.注意：在測微螺桿快要接近被測物體時，要改擰螺旋柄后端的微調(diào)旋鈕（棘輪），以免將待測物夾得太緊使測量結(jié)果不準確，或損壞螺旋測微器內(nèi)的精密螺紋.讀數(shù)時要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻線是否已經(jīng)露出.螺旋測微器讀數(shù)時必須估讀一位，即估讀到0.001 mm這一位上.（二）測質(zhì)量的儀器天平中學物理實驗中常用的天平有物理天平和托盤天平. 托盤天平 物理天平“分度值”.

12、這一數(shù)值愈小，天平愈靈敏.2.天平的使用.稱量前應按下列步驟進行調(diào)整：（1）調(diào)水平：調(diào)天平底座上的兩個調(diào)平旋鈕，使重垂線的小重錘尖端與底座上的小錐體的尖端正對.（2）調(diào)平衡：用鑷子把橫梁上的游碼撥到左邊零位，然后通過調(diào)節(jié)橫梁兩端的平衡螺母，使天平指針能在中央刻線兩側(cè)等幅擺動.注意：被測物體的質(zhì)量不能超過天平的稱量.待測物體和砝碼的放置應為“左物右碼”.取放待測物或加減砝碼時應使天平靜止不動.待測物的質(zhì)量等于砝碼的總質(zhì)量加上游碼所示讀數(shù).（三）測時間的儀器1.秒表：（略）2.打點計時器：電火花打點計時器接220 V交流電源，電磁打點計時器接46 V交流電源，當交變電流的頻率為50 Hz時，打點周

13、期為0.02 s. 電磁打點計時器使用時應注意：（1）為使打點的頻率比較穩(wěn)定，要求打點計時器振動片的固有頻率也是50 Hz，使之發(fā)生共振現(xiàn)象.振動片的長度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，通過改變振動片的長度可調(diào)節(jié)它的固有頻率.（2）實驗前要檢查打點的清晰情況，必要時應調(diào)整振針的高度，且不能讓它松動，否則將會出現(xiàn)漏點、雙點等現(xiàn)象，還會對紙帶產(chǎn)生過大的阻力.（四）測力的儀器彈簧秤（彈簧測力計） 彈簧秤學生實驗用彈簧秤量程一般為05 N，最小分度值為0.1 N.使用時應注意：（1）所測力不要超過彈簧秤量程.（2）使用前應檢查彈簧秤是否需要調(diào)零.方法是將彈簧秤豎直掛起，如其指針不指零位，就需要調(diào)零，一般是通過移動

14、指針來調(diào)零.（3）若彈簧秤零點準確，但掛上鉤碼檢查時，示值誤差隨鉤碼的增大而增大，此時應調(diào)整彈簧的圈數(shù)來解決.示值小于鉤碼重力應增加彈簧圈數(shù)；示值大于鉤碼重力時，應減少彈簧的圈數(shù).（五）測溫度的儀器溫度計中學物理實驗中常用的液體溫度計有水銀溫度計、煤油溫度計（紅色液體）等.1.性能：水銀溫度計測量范圍一般為0100 ；煤油溫度計的測量范圍一般是50100 .最小分度值一般為1 .2.使用時應注意：（1）選用的測溫范圍要適當，待測物體的溫度不能超出溫度計的最高可測溫度.（2）測量液體的溫度時，溫度計不要與器壁接觸.（3）讀數(shù)時，溫度計不應離開被測物體（體溫計除外），而且眼睛要正對液柱的凸（或凹）

15、彎月面的水平切線位置.（4）最好在液柱芯向上升至最高不再上升時或達穩(wěn)定時進行讀數(shù).（六）電學測量儀表電流表 電壓表學生實驗中用的直流電流表的量程為00.6 A3 A，內(nèi)阻一般在1 以下（毫安表的內(nèi)阻一般在幾歐幾十歐）.直流電壓表的量程為03 V15 V，兩個量程的內(nèi)阻分別約為3 k和15 k.使用時應注意以下幾點：（1）選擇合適的量程：根據(jù)被測電流或電壓值的大小選擇量程，使得指針偏轉(zhuǎn)超過所選量程的2/3，至少也要超過1/2.如果量程選擇太大，指針偏轉(zhuǎn)太小，會造成測量誤差太大.量程選擇太小，過大的電流或電壓會使電表損壞.在不知道被測電流或電壓大小的情況下，應選用電表的較大量程，然后再根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)

16、情況選取合適的量程.“”“”接線柱不能接反，以免損壞電表.（3）讀數(shù)時應使視線垂直于刻度表面，一般都要估讀到電表的最小分度的1/2以下（學生實驗用電表J0407、J0408型，3 V和3 A量程估讀到最小分度的1/10，15 V量程估讀到最小分度的1/5，0.6 A量程估讀到最小分度的1/2）.I，回路中的電流與電阻存在一一對應關系，這樣就可以通過電流表的讀數(shù)來反映被測電阻的大小.使用歐姆擋測電阻時應注意以下幾點：（1）由于使用多用電表時不管測量項目是什么，電流都要從電表的“”插孔（紅表筆）流入，從“”插孔（黑表筆）流出，所以使用歐姆擋時，多用電表內(nèi)部電池的正極接的是黑表筆，負極接的是紅表筆.

17、（2）要區(qū)分開“機械零點”與“歐姆零點”.“機械零點”在表盤刻度左側(cè)“0”位置，調(diào)整的是表盤下邊中間的定位螺絲；“歐姆零點”在表盤刻度的右側(cè)電阻刻度“0”位置，調(diào)整的是歐姆擋的調(diào)零旋鈕.（3）測量前應根據(jù)估計阻值選用適當?shù)膿跷?由于歐姆擋刻度的非線性，使用歐姆擋測電阻時，表頭指針偏轉(zhuǎn)過大過小都有較大誤差，通常只使用表盤中間一段刻度范圍（R中4R中）為測量的有效范圍.譬如，J0411型多用電表歐姆擋的R中15 ，當待測電阻約為2 k時，則應采用R×100擋.（4）每變換一次擋位，都要重新進行歐姆調(diào)零.（5）由于歐姆擋表盤刻度不均勻，難于估讀，測量結(jié)果只需取兩位有效數(shù)字.讀數(shù)時不要忘記乘

18、上相應擋位的倍率.（6）測量時待測電阻要跟其他元件和電源斷開，不然就不能得到準確的測量結(jié)果，甚至還可能損壞電表.（7）多用電表使用完畢后，應將選擇開關撥離歐姆擋，一般旋至空擋或交流電壓最高擋上.（七）電學實驗器材中學實驗室內(nèi)常用滑動變阻器有以下幾種規(guī)格：010 ，2 A；050 ，1.5 A；滑動變阻器0200 ，1.5 A；01 750 ，0.3 A.滑動變阻器有兩種基本連接方法：限流式接法和分壓式接法.下表是對兩種連接方式的比較：滑動變阻器的連接方式及特點接 法電路圖特 點適用條件限流式接法R0與滑動變阻器R的部分電阻串聯(lián)，另一部分不起作用2.R0上電壓調(diào)節(jié)范圍為ER0與R的阻值差不多，且

19、不要求R0上電壓能調(diào)至零分壓式接法R0與滑動變阻器的部分電阻并聯(lián)后再與另一部分串聯(lián)2.R0上電壓調(diào)節(jié)范圍為0E2.R比R0小，一般取R限流式接法的線路連接較簡單，調(diào)節(jié)方便，但調(diào)節(jié)范圍較小；分壓式接法的線路連接較復雜，且隨著滑動端的移動，R0上的電壓并非均勻變化，所以調(diào)節(jié)起來不如限流式方便.因此，在設計電路的時候，應首先考慮限流式，若確實無法滿足題目要求，再選取分壓式接法.中學物理學生分組實驗中采用的規(guī)格一般為：阻值調(diào)節(jié)范圍09 999 ，各擋允許通過的最大電流如下表：阻值（）×1×10×100×1 000最大電流（A）使用方法及注意事項：（1）不要使通過

20、電阻箱的電流超過其允許的最大電流.（2）電阻箱使用阻值的讀數(shù)為：每擋指示數(shù)字乘以相應倍率后相加的總和.（3）實驗過程中改變阻值時，不要使電阻箱上電阻值出現(xiàn)零歐姆，以免損壞其他儀表.譬如，當要把90 變至100 ，應先將“×100”擋撥至“1”處，再將“×10”擋撥至零.中學物理實驗中主要使用干電池、學生電源和蓄電池.干電池每節(jié)電動勢約1.5 V，內(nèi)阻約0.2 左右，不能提供較強的電流（0.6 A以下），學生實驗中用作測定電源的電動勢和內(nèi)電阻等.鉛蓄電池的電動勢約2 V，內(nèi)阻?。s0.05 ），可以提供較強的電流.在一些需要短時大電流放電的實驗中常用，如在研究電磁感應現(xiàn)象的學

21、生實驗中、安培力的演示實驗中都要用到.學生電源的最大特點是輸出電壓可調(diào)、交直流可變換.它的內(nèi)阻不但偏大而且是變化的，用于電磁打點計時器和描繪電場中等勢線的實驗.三、實驗的主要思想方法在中學物理實驗中涉及的主要思想方法有：轉(zhuǎn)換法：將某些不易顯示、不易直接測量的物理量轉(zhuǎn)化為易于顯示、易于測量的物理量的方法稱為轉(zhuǎn)換法（間接測量法）.轉(zhuǎn)換法是物理實驗常用的方法，例如，測力計是把力的大小轉(zhuǎn)換為彈簧的伸長量；打點計時器是把流逝的時間轉(zhuǎn)換成振針的周期性振動；電流表是利用電流在磁場中受力，把電流轉(zhuǎn)化為指針的偏轉(zhuǎn)角；用單擺測定重力加速度g是通過公式T=2把g的測量轉(zhuǎn)換為T和l的測量；估測分子的大小時不是直接測量

22、分子的直徑，而是測油滴的體積和它所形成的單分子油膜的面積而間接測得分子的直徑；測光的波長是通過測易于測量的雙縫干涉條紋之間的寬度后來求得的；等等.“碰撞中的動量守恒”實驗中，用小球的水平位移代替小球的水平速度；畫電場中等勢線分布時用電流場模擬靜電場；等等.累積法：把某些難以直接準確測量的微小量累積后測量，提高測量的精確程度.如測單擺振動的周期，應測量單擺多次全振動的時間除以全振動次數(shù)，以減少個人反應時間造成的誤差.在初中物理中曾經(jīng)學過用累積法測細銅線的直徑.控制變量法：在多因素的實驗中，可以先控制一些量不變，依次研究某一個因素的影響.如牛頓第二定律實驗中可以先保持質(zhì)量一定，研究加速度和力的關系

23、；再保持力一定，研究加速度和質(zhì)量的關系.留跡法：把瞬息即逝的現(xiàn)象（位置、軌跡、圖象等）記錄下來.如通過紙帶上打出的小點記錄小車的位置；用描跡法畫出平拋物體的運動軌跡；用砂擺顯示振動的圖象.黑箱法：“用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學元件”就是典型的黑箱法的應用. 四、實驗的一般原則雖然各個物理實驗的原理、方法、使用的器材不相同，但實驗仍有一些共同的原則.分析找出實驗的一般原則，有利于掌握實驗的思想、方法，提高對實驗的認識.現(xiàn)分作以下四個方面分別談實驗應遵守的一般原則.（一）選擇儀器根據(jù)實驗的原理和實驗室條件選擇儀器是進行正確測量的前提.一般遵循以下三個原則：可行性原則：要能夠根據(jù)實驗要求和客觀條件選用

24、合適的儀器，使實驗切實可行，能達到預期目標.譬如，當要求測量一個電阻器的阻值時，就要根據(jù)要求的測量精度、實驗室條件及本人已有的理論知識，確定是采用電橋，還是采用歐姆表或伏安法.當采用伏安法測量時，還要根據(jù)電阻的規(guī)格（額定功率）選擇電壓表、電流表的量程.準確性原則：根據(jù)實驗的需要，選用精度合適的測量工具.但對某個實驗來講，精確程度夠用即可，并不是精度越高越好.正如稱一噸煤用磅秤即可，沒有必要用精密天平稱量一樣.譬如，在“測定金屬絲電阻率”的實驗中，為保證測量結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)合適（23位），測金屬絲直徑要用螺旋測微器，而測金屬絲長度用毫米刻度尺即可，伏安法測金屬絲電阻用2.5級電表（學生實驗用）

25、即可滿足實驗要求.操作性原則：實驗時調(diào)節(jié)方便、便于操作.如滑動變阻器的選擇，既要考慮它的額定電流，又要考慮它的阻值范圍，在二者都能滿足實驗要求的情況下，還要考慮阻值大小對實驗操作中是否調(diào)節(jié)方便的影響.（二）儀器放置按規(guī)定放置好儀器是保證測量結(jié)果正確和實驗便捷的前提.放置規(guī)范：不同的儀器有不同的放置要求，如多用電表要平臥；學生用的電流表、電壓表應斜置；水銀氣壓計要豎直懸掛；平拋實驗用的斜槽末端要水平等等.操作順手：儀器擺放要便于操作，防止實驗中手忙腳亂.如開關、變阻器要放在便于手操作的位置；使用天平要“左物右碼”.便于讀數(shù)：實驗人員要面對儀器、儀表的刻度，視線與刻度盤垂直.實驗時能否有條理地把各

26、種儀器正確放置好，也是實驗素養(yǎng)高低的重要體現(xiàn).（三）初始狀態(tài)設置測量前先設置好儀器儀表的初始狀態(tài)，否則將可能損壞儀器，甚至會造成事故.連接電路時，電路開關要處于斷開狀態(tài)；開關閉合前變阻器的滑片位置要合理（限流時阻值大，分壓時阻值?。粌x表要先調(diào)零，再選好擋位（不好確定時先選高擋位）.（四）操作程序設計實驗操作程序的安排要科學合理，譬如，在“力的合成”實驗中，要先用兩只彈簧秤互成角度地把結(jié)點拉至某點，再用一只彈簧秤拉至同一點；使用打點計時器做“驗證機械能守恒定律”的實驗時，要先接通電源再松開紙帶；電路連線時，應從電源正極開始，先連干路再連支路；使用歐姆表時要先調(diào)“機械零點”再調(diào)“歐姆零點”等等.程序混亂將會導致測量困難或測量錯誤.五、實驗數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)處理是對原始實驗記錄的