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1、 - 1 - 专题 4：高中物理实验专题 一、 高中物理重要仪器的使用： 在力学和电学实验中，常需要利用测量工具直接测量基本物理量 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 刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表的读数 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
2、刻度所在的这一位，不再往下估 读。 例如 读出上左图中被测物体的长度。 上右图用 3V 量程时电压表读数为多少？用 15V 量程时电压表度数又为多少？ 右图中秒表的示数是多少分多少秒？ 凡仪器的最小刻度是 10 分度的， 在读到最小刻度 后还要再往下估读一位。6.50cm。1.14V。15V 量 程时最小刻度为 0.5V， 只读到 0.1V 这一位， 应为 5.7V。 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 030 秒内读数；当分针在后 0.5 分内时，秒针在 3060 秒内读数。因此图中秒表读 数
3、应为 3 分 48.75 秒（这个 5 是估读出来的） 。 游标卡尺游标卡尺 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。 1 2 3 0 5 10 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 31 2 33 4 35 6 37 8 39 41 10 43 12 14 45 16 47 18 49 20 51 22 53 24
4、26 55 57 28 59 0 1 2 6 7 8 9 10 11 3 4 5 12 13 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 - 2 - 5 0 20 25 15 20 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。 50 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
5、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。如右图中被测圆柱体的直径为 2.250cm。 要注意：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。 螺旋测微螺旋测微器器 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
6、数相加，得测量值。右图中的读数应该是 6.702mm。 天平天平 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） 。 多用电表多用电表 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
7、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。欧姆挡 的使用：选挡。一般比被测电阻的估计值低一个数 量级，如估计值为 200就应该选10 的倍率。调 零。将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。将指 针示数乘以倍率，得测量值。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。 电阻箱电阻箱 线圈 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 mg - 3 - 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
8、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。 图中最左边的两个黑点是接线柱。若指针所示如图，则阻值为 84580.2。 【特别提示】 一般来说，除游标卡尺、电阻箱外，其他测量仪器的读数都需要估读，即读到精度的 下一位 二、 实验的的方法和数据的处理方法： 1、 常用的实验方法： （1）累积法：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 3050 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：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；增加有效数字 的位数以测单摆的周期为例，我
9、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 （2）替代法：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
10、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。 （3）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 n=sini/sinr 求出折射率，但角度不容易测准确（一般
11、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。 （4）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， 0.1 10 1 1K 10K 100 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3 2 8 9 0 1 7 6 5 4 3
12、2 8 9 0 - 4 - 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。 2、高中物理常用的物理数据分析： （1） 常见间接测量的物理量及其测量方法 有些物理量
13、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 利用纸带， 1 2 nn m SS v T + + =；利用平抛， 2 g vx y = 加速度 利用纸带，逐差法 2 S a T =；利用单摆 2 2 4L g T = 力 根据 F=ma 转化为测量 m、a 功 根据 k WE= 转化为测量 m、S、v 电 学 电阻（精确测 量） 根据 U R I =转化为测量 U、I（伏安法） ；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 EUIr
14、 转化为测量 U、I （2） 处理实验数据的常用方法 为了减小由于实验数据而引起的偶然误差，常需要采用以下方法进行处理 （1）多次测量求平均值； （2）图象法 （3） 实验误差的分析 中学物理中只要求初步了解系统误差和偶然误差、 绝对误差和相对误差的概念； 能定性 分析某些实验中产生误差的主要原因；知道用平均值法、图象法减小偶然误差；但不要求计 算误差 （a）系统误差和偶然误差：测量值总是有规律的朝着某一方向偏离真值（总是偏大或 总是偏小） 的误差， 称为系统误差 系统误差的主要来源是仪器本身不够精确， 或实验原理、 方法不够完善由于偶然因素的影响，造成测量值的无规则起伏称为偶然误差偶然误差是
15、 由于各种偶然因素对实验者、测量仪器，被测物理量的影响而产生的，多次测量偏大和偏小 的机会相同，因此，多次测量求平均值可减小偶然误差 （b）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 0 |AA =，相对误差为 0 00 |AA AA =真值 A0常以公认值、理论值或多次测量的平均值 代替 （c）有效数字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。 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
16、制。 间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用 23 位有效数字表示。 - 5 - 三、 重点实验： 1.研究匀变速研究匀变速直线运动直线运动 右图为打点计时器打下的纸带。选点迹清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，从便 于测量的地方取一个开始点 O，然后每 5 个点取一个计数点 A、B、C、D 。测出相邻计 数点间的距离 s1、s2、s3 利用打下的纸带可以： 求 任 一 计 数 点 对 应 的 即 时 速 度v ： 如 T ss vc 2 32+ = (其中 T=50.02s=0.1s） 利用“逐差法”求 a： () () 2 321654 9T ssssss a + = 利用上图中任意相
