專題18 實驗基礎知識、儀器的使用和讀數(shù)【知識梳理+精講精練】 高考物理一輪復習必備清單（全國通用）

專題18實驗基礎知識、儀器的使用和讀數(shù)考點內容要求考情實驗誤差分析b2023·重慶卷·112023·全國卷(新課標)·102022·廣東卷·11有效數(shù)字a儀器讀數(shù)c實驗方法a學習目標1.知道常見誤差的來源及減少誤差的方法.2.會對常用測量儀器進行正確操作及讀數(shù).3.知道常見的實驗方法.TOC\o"1-2"\h\u知識點01實驗基礎知識 3一、誤差 3二、有效數(shù)字 3知識點02基本測量儀器及讀數(shù) 4一、總覽 4二、不需要估讀的測量儀器 4三、刻度尺、秒表、彈簧秤、溫度表等通用的讀數(shù)方法 4三、游標卡尺 4四、螺旋測微器 7五、打點計時器 9六、天平 9七、秒表 9八、電流表、電壓表 10九、多用電表 11十、電阻箱 11知識點03常見間接測量的物理量及其測量方法 12知識點04幾種重要的實驗方法 12一、控制變量法 12二、累積法 12三、等效替代法 13四、測量量的轉換 13五、微小量放大法 13六、比較法 13七、留跡法 14八、外推法 14九、近似法 14知識點05實驗分類 14一、測量性實驗 14二、驗證性實驗 14三、探究性實驗 14四、設計性實驗 15知識點06實驗數(shù)據(jù)的分析、處理方法 15一、列表法 15二、算術平均值法 15三、圖象法 15四、逐差法 16知識點01實驗基礎知識一、誤差1.定義：測量值與真實值的差異叫做誤差。2.分類：①系統(tǒng)誤差，特點是在多次重復同一實驗時，誤差總是同樣地偏大或偏小。②偶然誤差，特點總是有時偏大，有時偏小，并且偏大和偏小的機會相同。減小偶然誤差的方法，可以多進行幾次測量，求出幾次測量的數(shù)值的平均值。這個平均值比某一次測得的數(shù)值更接近于真實值。3、誤差分析減小誤差的方法①減小偶然誤差：多次測量，求其平均值；多次測量，作圖象求值②減小系統(tǒng)誤差：完善實驗原理、改進實驗方法、恰當選擇儀器精度、量程、校準測量器材。③誤差分析：從實驗原理分析，從實驗器材分析4、絕對誤差和相對誤差：設某物理量的真值為A0，測量值為A，則絕對誤差，相對誤差為．真值A0常以公認值、理論值或多次測量的平均值代替．二、有效數(shù)字1、定義：帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)字，叫做有效數(shù)字，有效數(shù)字是指近似數(shù)字而言，只能帶有一位不可靠數(shù)字，不是位數(shù)越多越好。2、凡是用測量儀器直接測量的結果，讀數(shù)一般要求在讀出儀器最小刻度所在位的數(shù)值（可靠數(shù)字）后，再向下估讀一位（不可靠數(shù)字），這里不受有效數(shù)字位數(shù)的限制。3、間接測量的有效數(shù)字運算不作要求，運算結果一般可用2到3位有效數(shù)字表示。知識點02基本測量儀器及讀數(shù)一、總覽高考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、溫度表、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等等?；疚锢砹繙y量儀器力學長度刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器時間秒表（停表）、打點計時器質量天平電學電阻（粗測）歐姆表、電阻箱電流電流表電壓電壓表二、不需要估讀的測量儀器游標卡尺、秒表、電阻箱在讀數(shù)時不需要估讀；歐姆表刻度不均勻，可以不估讀或按半刻度估讀。三、刻度尺、秒表、彈簧秤、溫度表等通用的讀數(shù)方法使用以上儀器時，凡是最小刻度是10分度的，要求讀到最小刻度后再往下估讀一位（估讀的這位是不可靠數(shù)字，但是是有效數(shù)字的不可缺少的組成部分）。凡是最小刻度不是10分度的，只要求讀到最小刻度所在的這一位，不再往下估讀。最小分度含有1”的儀器:估讀數(shù)字出現(xiàn)在最小分度的下一位,將不足最小分度的部分按最小分度的十分之幾去估讀.2.最小分度含有2的儀器：估讀數(shù)字出現(xiàn)在最小分度的同一位,將最小分度分為二等分，把不足最小分度的部分以不足半等分的舍去，等于或超過半等分的算一個等分去估讀。3.最小分度含有5的儀器：估讀數(shù)字出現(xiàn)在最小分度的同一位,將最小分度分為五等分，將不足最小分度的部分按占最小分度的五分之幾去估讀。三、游標卡尺1.總覽：游標卡尺都是根據(jù)刻線對齊來讀數(shù)的，所以都不再往下一位估讀，讀數(shù)方法：10分度的游標卡尺。游標上相鄰兩個刻度間的距離為0.9mm，比主尺上相鄰兩個刻度間距離小0.1mm。讀數(shù)時先從主尺上讀出厘米數(shù)和毫米數(shù)，然后用游標讀出0.1毫米位的數(shù)值：游標的第幾條刻線跟主尺上某一條刻線對齊，0.1毫米位就讀幾（不能讀某）。其讀數(shù)準確到0.1mm。10分度，精確到0.1mm10分度，精確到0.1mm20分度的游標卡尺。游標上相鄰兩個刻度間的距離為0.95mm，比主尺上相鄰兩個刻度間距離小0.05mm。讀數(shù)時先從主尺上讀出厘米數(shù)和毫米數(shù)，然后用游標讀出毫米以下的數(shù)值：游標的第幾條刻線跟主尺上某一條刻線對齊，毫米以下的讀數(shù)就是幾乘0.05毫米。其讀數(shù)準確到0.05mm。20分度，精確到0.05mm20分度，精確到0.05mm圖中讀數(shù)：40.70mm50分度的游標卡尺。游標上相鄰兩個刻度間的距離為0.98mm，比主尺上相鄰兩個刻度間距離小0.02mm。這種卡尺的刻度是特殊的，游標上的刻度值，就是毫米以下的讀數(shù)。這種卡尺的讀數(shù)可以準確到0.02mm。50分度，精確到0.02mm50分度，精確到0.02mm圖中讀數(shù)：18.74mm【【實戰(zhàn)演練】(2023·重慶卷·11)某實驗小組用單擺測量重力加速度。所用實驗器材有擺球、長度可調的輕質擺線、刻度尺、50分度的游標卡尺、攝像裝置等。

(1)用游標卡尺測量擺球直徑d。當量爪并攏時，游標尺和主尺的零刻度線對齊。放置擺球后游標卡尺示數(shù)如圖1甲所示，則擺球的直徑d為______mm。

【答案】19.02

【解析】解：(1)游標卡尺的精度為0.02mm，固定尺讀數(shù)為19mm，游標尺讀數(shù)為1×0.02mm，則擺球的直徑d=19mm+0.02mm=19.02mm；.四、螺旋測微器又稱千分尺，可測量到千分之一毫米。1.讀數(shù)方法:主尺（mm）.0或5（半格露出則為5，未露出則為0）+三位游標尺（末尾位為估讀）mm固定刻度上的最小刻度為0.5mm（在中線的上側）；可動刻度每旋轉一圈前進（或后退）0.5mm。在可動刻度的一周上平均刻有50條刻線，所以相鄰兩條刻線間代表0.01mm。讀數(shù)時，從固定刻度上讀取整、半毫米數(shù)，然后從可動刻度上讀取剩余部分（因為是10分度，所以在最小刻度后應再估讀一位），再把兩部分讀數(shù)相加，得測量值。圖中讀數(shù)為6.5mm+0.225mm=6.725mm【【實戰(zhàn)演練】(2023·全國卷(新課標)·10)一學生小組做“用單擺測量重力加速度的大小”實驗。

(1)用實驗室提供的螺旋測微器測量擺球直徑。首先，調節(jié)螺旋測微器，擰動微調旋鈕使測微螺桿和測砧相觸時，發(fā)現(xiàn)固定刻度的橫線與可動刻度上的零刻度線未對齊，如圖(a)所示，該示數(shù)為______mm；螺旋測微器在夾有擺球時示數(shù)如圖(b)所示，該示數(shù)為______mm，則擺球的直徑為______mm。

【答案】(1)0.007；20.034

【解析】解：(1)測量錢測微螺桿與測砧相觸時，圖(a)的示數(shù)為

d0=0mm+0.7×0.01mm=0.007mm螺旋測微器的分度值為0.01mm，需要估讀到分度值的下一位，則圖中的讀數(shù)為：

d1=20mm+3.4×0.01mm=20.034mm【實戰(zhàn)演練】(2022【實戰(zhàn)演練】(2022·廣東卷·11)(2)用螺旋測微器測量小球的直徑，示數(shù)如圖(b)所示，小球直徑d=______mm。

【答案】(2)7.885【解析】解：(2)螺旋測微器的分度值為0.01mm，需要估讀到分度值的下一位，則d=7.5mm+38.5×0.01mm=7.885mm；.打點計時器是一種特殊的計時儀器，電源用50Hz的交流電，所以打相鄰兩個點的時間間隔是0.02s。六、天平天平使用前首先要進行調節(jié)。調節(jié)分兩步：調底座水平和橫梁水平（在調節(jié)橫梁水平前，必須把游碼移到左端零刻度處，左端與零刻線對齊，如圖中虛線所示）。測量讀數(shù)由右盤中砝碼和游標共同讀出。橫梁上的刻度單位是毫克（mg）。若天平平衡時，右盤中有26g砝碼，游碼在圖中所示位置，則被測物體質量為26.32g（最小刻度為0.02g，不是10分度，因此只讀到0.02g這一位）。七、秒表秒表的讀數(shù)分兩部分：小圈內表示分，每小格表示0.5分鐘；大圈內表示秒，最小刻度為0.1秒。當分針在前0.5分內時，秒針在0~30秒內讀數(shù)；當分針在后0.5分內時，秒針在30~60秒內讀數(shù)。八、電流表、電壓表電流表量程一般有兩種——0.1~0.6A，0~3A；電壓表量程一般有兩種——0~3V，0~15V電壓表、電流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精確度）分別為0.1V、0.1A，為10分度儀表讀數(shù)，讀數(shù)規(guī)則較為簡單，只需在精確度后加一估讀數(shù)即可。電壓表若用0~15V量程，則其最小刻度為0.5V，為2分度儀表讀數(shù)，所讀數(shù)值小數(shù)點后只能有一位小數(shù)，也必須有一位小數(shù)。九、多用電表使用多用電表時首先應該根據(jù)被測物理量將選擇開關旋到相應的位置。使用前應先進行機械調零，用小螺絲刀輕旋調零螺絲，使指針指左端零刻線。使用歐姆擋時，還應進行歐姆調零，即將紅、黑表筆短接，調節(jié)歐姆調零旋鈕，使指針指右端零刻線處?！炯记牲c撥】歐姆擋的使用：①選擋。一般比被測電阻的估計值低一個數(shù)量級，如估計值為200Ω就應該選×10的倍率。②調零。③將紅黑表筆接被測電阻兩端進行測量。④將指針示數(shù)乘以倍率，得測量值。⑤將選擇開關扳到OFF或交流電壓最高擋。用歐姆擋測電阻，如果指針偏轉角度太小，應增大倍率；如果指針偏轉角度太大，應減小倍率。十、電阻箱右圖中的電阻箱有6個旋鈕，每個旋鈕上方都標有倍率，將每個旋鈕上指針所指的數(shù)值（都為整數(shù)）乘以各自的倍率，從最高位依次往下讀，即可得到這時電阻箱的實際阻值。知識點03常見間接測量的物理量及其測量方法有些物理量不能由測量儀器直接測量，這時，可利用待測量和可直接測量的基本物理量之間的關系，將待測物理量的測量轉化為基本物理量的測量．待測物理量基本測量方法力學速度①利用紙帶，；②利用平拋，加速度①利用紙帶，逐差法；②利用單擺力根據(jù)F=ma轉化為測量m、a功根據(jù)轉化為測量m、S、v電學電阻（精確測量）①根據(jù)轉化為測量U、I（伏安法）；②電阻箱（半偏、替代）電功率根據(jù)P=IU轉化為測量U、I電源電動勢根據(jù)E＝U＋Ir轉化為測量U、I知識點04幾種重要的實驗方法一、控制變量法在實驗中或實際問題中，常有多個因素在變化，造成規(guī)律不易表現(xiàn)出來，這時可以先控制一些物理量不變，依次研究某一個因素的影響和利用。如:在“驗證牛頓第二定律的實驗”中，加速度、力和質量的關系控制。在“研究單擺的周期”中，擺長、偏角和擺球質量的關系控制等等。二、累積法把某些難以用常規(guī)儀器直接準確測量的物理量用累積的方法，將小量變大量，不僅可以便于測量，而且還可以提高測量的準確程度，減小誤差。在“用單擺測重力加速度”測周期時我們用的是累積法，即我們不直接測一個周期的時間，而是測30～50個周期的總時間，再除以周期數(shù)即得周期T的值．用累積法的好處是：①相當于進行多次測量而后取平均值，這樣可以減少偶然誤差；②增加有效數(shù)字的位數(shù)．以測單擺的周期為例，我們實驗時單擺的擺長大約是1m或不到1m，用停表（最小分度值是0.1s）直接測1個周期的值，只能讀出兩位有效數(shù)字（機械停表的指針是跳躍式前進的，因此不能估讀），如1.8s、2.0s等，而測30個周期總時間，則可讀出至少3位有效數(shù)字。用累積法的實驗還有很多，如測一張紙的厚度、用刻度尺測金屬絲的直徑…三、等效替代法某些物理量不直觀或不易測量，可以用較直觀、較易測量而且又有等效效果的量代替，從而簡化問題。在“互成角度兩個共點力的合成”的實驗中我們就用到了替代法，第一次我們用兩個彈簧秤成角度地拉橡皮筋，把結點拉到某一位置，再換成一個彈簧秤，同樣拉這個橡皮筋，也把結點拉到同樣位置，這說明后一個彈簧秤的拉力與前面兩個彈簧秤的拉力效果相等因此右以互相替代．對于“等效”這個問題，應正確理解：所謂效果相等，是對某一方面說的，并不是在所有方面都等效，仍以合力與分力來說，它們只是在改變物體的運動狀態(tài)上等效，而在其他方面，例如在產(chǎn)生形變上，二者并不等效。用替代法的例子還有很多，如用天平稱物物體的質量，電阻測量等都可以用替代法，我們古代三國時期曹沖稱象的故事就是替代法的典型實例。四、測量量的轉換例如在“碰撞中的動量守恒”的實驗中，把測物體的速度轉換為測物體平拋運動的水平位移，即把測速度轉換為測長度。又如在“測定玻璃的折射率”的實驗中，本應測量入射角和折射角，再根據(jù)折射率求出折射率，但角度不容易測準確（一般所用的量角器的最小分度是1°，并且測角度時頂點很難對得特別準確），而通過做輔助線的方法可以把測角度轉換為測線段的長度，從而增加了有效數(shù)字的位數(shù)，即提高了測量的準確度。五、微小量放大法微小量不易測量，勉強測量誤差也較大，實驗時常采用各種方法加以放大?？ㄎ牡显S測定萬有引力恒量，采用光路放大了金屬絲的微小扭轉;在觀察玻璃瓶受力后的微小形變時，使液體沿細玻璃管上升來放大瓶內液面的上升。六、比較法用天平稱物體的質量，就是把物體與砝碼進行比較，砝碼的質量是標準的，把被測量與標準的量進行比較，就是比較法．天平是等臂杠桿，因此用天平測物體質量時，不用再進行計算，而是直接讀出砝碼的質量，它就等于物體的質量。一般情況下，被測物跟標準量并不相等，而是要根據(jù)某種關系進行計算，最常用的是二者間滿足一定的比例關系，通過一定的比例計算即可得出結果，因此常常稱為比例法。用比例法測電阻是常見的，當兩個電阻串聯(lián)時，通過的電流相等，因此兩電阻兩端的電壓跟它們的電阻成正比，如果其中的一個電阻是標準電阻，另一個電阻的阻值就可測出．同樣，兩電阻并聯(lián)時，由于兩端電壓相等，通過兩支路的電流跟電阻成反比，只要一個是標準電阻，另一個電阻的阻可測出。七、留跡法有些物理過程是瞬息即逝的，我們需要將其記錄下來研究，如同攝像機一樣拍攝下來分析。如用沙擺描繪單擺的振動曲線;用打點計時器記錄物體位置;用頻閃照相機拍攝平拋的小球位置;用示波器觀察交流信號的波形等。八、外推法有些物理量可以局部觀察或測量，作為它的極端情況，不易直觀觀測，如果把這局部觀察測量得到的規(guī)律外推到極端，可以達到目的。例如在測電源電動勢和內電阻的實驗中，無法直接測量I=0(斷路)時的路端電壓(電動勢)和短路(U=0)時的電流強度，通過一系列U、I對應值點畫出直線并向兩方延伸，交U軸點為電動勢，交I軸點為短路電流。九、近似法在復雜的物理現(xiàn)象和物體運動中，影響物理量的因素較多，有時為了突出主要矛盾，可以有意識的設計實驗條件、忽略次要因素的影響，用近似量當成真實量進行測量。知識點05實驗分類一、測量性實驗以某一原理或物理規(guī)律為依據(jù)，通過測量相關的物理量，實現(xiàn)測定某個（或某些）物理量（或物理常數(shù)）為實驗目的。高中物理實驗要測量的物理量主要有：質量、長度、時間、力、加速度、溫度、分子直徑、電流、電壓、電阻、電阻率、電動勢、內電阻、折射率、波長。二、驗證性實驗用實驗的方法來驗證已知規(guī)律(或結論)，通過實驗過程的再現(xiàn)，加深對規(guī)律適用條件和結論的理解。這類實驗有：驗證力的平行四邊形定則，驗證動量守恒定律，驗證機械能守恒定律，大量的課堂課堂演示實驗。要求明確驗證的規(guī)律，懂得實驗原理、實驗裝置和實驗步驟的確定，必須考慮到規(guī)律能否成立。能有效地盡量減小誤差的分析。三、探究性實驗通過實驗來探索某種物理規(guī)律，研究某個物理問題。研究性實驗在教材和考綱中的比例較過去有大幅度地增加，意在訓練實驗的主動性、自覺性，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。四、設計性實驗根據(jù)實驗目的，運用已掌握的物理規(guī)律、實驗方法，選擇熟