湖北省光谷第二高级中学高三物理 专题1 基本仪器的使用与读数定稿（通用） 13页

专题1 基本仪器的使用与读数 ‎ 专题 概述 ‎◇◆考情分析 基本仪器的使用是实验考核的基础内容，一些基本仪器的原理、使用方法、注意事项和读数等，在高考试题中不断出现，如2020年全国Ⅱ卷、天津卷、江苏卷考查螺旋测微器的读数；2020年四川卷考查螺旋测微器和游标卡尺的读数；2020年宁夏卷考查多用电表的读数；2020年北京卷考查示波器的使用与操作以及弹簧秤的读数；从近年高考来看，基本仪器的使用与读数考查非常频繁，几乎都在实验题中命题，尤其是对游标卡尺和螺旋测微器的读数、多用电表的使用与读数、示波器的操作的考查。‎ ‎◇◆复习指导 ‎1、对物理基本仪器的构造、原理要熟悉；2、对游标卡尺、螺旋测微器的读数要掌握读数的方法，细心对待读数并总结易错点是最好的方法；3、对于多用电表的使用与读数问题，要在弄清楚原理的基础上，掌握测量电流、电压、电阻的方法，会通过选择不同“档”在表盘上读取示数；4、注意读数时的有效数字以及误差的处理，除游标卡尺、秒表、电阻箱外，其他测量仪器的读数都需要估读。‎ 典例调研 考点一 有效数字、误差分析 ‎【调研1】在测量长度的实验中某同学测量结果为‎3.245cm，请问该同学用的测量工具可能是：__________．‎ A.毫米刻度尺 B.精度为‎0.1mm的游标卡尺 C.精度为‎0.05mm的游标卡尺 D.精度为‎0.02mm的游标卡尺 E.螺旋测微器 ‎【解析】测量结果‎3.245cm =‎32.45mm。以毫米为单位时，螺旋测微器的读数结果应该为小数点后三位数；毫米刻度尺的读数结果应该为小数点后一位；游标卡尺读数不需要估读，精度为‎0.1mm的游标卡尺读数结果为小数点后一位；精度为 ‎0.02mm的游标卡尺的读数结果为小数点后两位，但最后一位 一定为偶数；精度为‎0.05mm的游标卡尺的读数结果为小数点后两位，但最后一位数必定为0或5；由此可判断只有C符合。‎ ‎【答案】C ‎【技巧点拔】解决本题的关键在于弄清楚毫米刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器三个测量工具的精度、读数原理和方法。毫米刻度尺的精度为‎1mm，后面需要估读位；游标卡尺的精度有‎0.1mm、‎0.05mm和‎0.02mm三种，不需要估读，要注意20分度和50分度的游标卡尺的尾数的规律；螺旋测微器的精度为‎0.01mm，后面需要估读位。‎ G S1‎ S2‎ R′‎ R 图1‎ ‎【知识链接】带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字。第一个不为零的数字开始数起的数字个数即为有效数字的个数。比如‎0.578cm保留2位有效数字为‎0.58cm，‎578m保留2位有效数字为5.8×‎102m。注意：有效数字的最后一位是测量者估读出来的，往往是测量工具的精度的下一位估读数，因此这一位数字是不可靠的，也是误差所在位。‎ ‎【调研2】某同学想测量一段电阻丝的电阻率，其中使用了自己利用电流表改装的电压表。整个实验过程如下：‎ 图2‎ S V G R0‎ A．测量电流表的内阻。按图1连接电路，将电位器R调到接入电路的阻值最大。闭合开关S1，调整R的阻值，使电流表指针偏转到满刻度；然后保持R的阻值不变，合上开关S2，调整电阻箱R′的阻值，使电流表指针达到半偏，记下此时R′ 的阻值；‎ B．计算出改装电压表应串联的电阻R0的值。将电阻R0与电流表串联，则R0与电流表共同构成一个新的电压表；‎ C．将改装的电压表与标准电压表接入如图2所示的校准电路，对改装的电压表进行校准；‎ D．利用校准后的电压表和另一块电流表，采用伏安法测量电阻丝的电阻；‎ E．测量电阻丝的直径和接入电路的电阻丝的长度；‎ F．计算出电阻丝的电阻率。‎ 根据上述实验过程，在对改装后的电压表进行校准时，发现改装后的电压表的测量值总比标准电压表的测量值小一些，造成这个现象的原因是　　　（　　　　）‎ A．电流表内阻的测量值偏小，造成串联电阻R0的阻值偏小 B．电流表内阻的测量值偏大，造成串联电阻R0的阻值偏小 C．电流表内阻的测量值偏小，造成串联电阻R0的阻值偏大 D．电流表内阻的测量值偏大，造成串联电阻R0的阻值偏大 ‎【解析】（1）在电流表内阻的测量时，实验步骤A应用了“半偏法”原理，在闭合开关S2后，图1中回路的总电阻因并联电阻箱R′ 而减小，干路电流增大，使电流表指针达到半偏，则电阻箱这条支路的电流大于半偏电流，由并联电路知识可知电阻箱的阻值偏小于电流表的内阻，即电流表内阻的测量值偏小。实验步骤B将电流表改装成电压表，如图2为了达到改装的量程Im(RA+R0)，由于电流表内阻的测量值偏小，则实际通过计算得到的串联电阻R0偏大，故改装表的内阻偏大，与标准表并联时，流过改装表的电流偏小，也就是说当标准表满偏时，改装表的指针偏转接近满偏但未达到满偏，即在对改装后的电压表进行校对时，改装后的电压表的测量值总比标准电压表的测量值小一点。综上误差分析可知，造成这个现象的原因是电流表内阻测量值偏小后，通过计算得到串联电阻R0的阻值偏大所致。‎ ‎【答案】C ‎【发散类比】本题考查分析误差的能力，大纲要求“认识误差问题在实验中的重要性，知道多次测量求平均值的方法可以减小偶然误差，能在某些实验中分析误差的来源，不要求计算误差”。物理实验均会存在误差，误差分析自然就是物理实验考查的重头戏，分析误差实际上就是找到误差来源，方法是：通过实验的原理直接或间接获取和计算出的结果，要与实际情况对比分析，即测量值与真实值的比较分析，大纲中要求“不要求计算误差”‎ ‎，虽然不要求定量计算，但定性分析误差是高考对实验考查的重点，而且考查频率很高。比如长度的粗略测量与精确测量时误差来源分析，验证机械能守恒定律实验中能量损失的误差分析，用单摆测当地重力加速度实验中摆长的测量误差分析，伏安法测电阻时电流表的内、外接法的误差分析，测定电源电动势和内阻实验中的测量值与真实值的误差分析，本题中的“半偏法”测表头内阻的误差分析等，几乎每个重要的实验都涉及到这个能力的考查。在实验复习时，务必要熟练掌握各个实验的误差来源、误差分析方法以及会定性与半定量计算误差。‎ 考点二 游标卡尺的使用与读数 ‎【调研3】用十分度的游标卡尺测一根金属管的内径和外径时，卡尺上的游标位置分别如图（a）、（b）所示。这根金属管内径读数是 cm，外径读数是 cm。‎ ‎10cm 游标 主尺 ‎(b)‎ ‎10cm 游标 主尺 ‎(a)‎ ‎【解析】两个图的游标卡尺均为10分度，精度为‎0.1mm。（a）图中的主尺读数为‎100mm，游标尺是第2条线对齐，故读数为‎100mm+‎0.1mm×2=‎100.2mm=‎10.02cm；（b）图中的主尺读数为‎101mm，游标尺是第0条线对齐，故读数为‎101mm+‎0.1mm×0=‎101.0mm=‎10.10cm。也可以这样分析：主尺读数为‎100mm，游标尺是第10条线对齐，故读数为‎100mm+‎0.1mm×10=‎101.0mm=10.10cm。‎ ‎【答案】10.02；10.10‎ ‎【知识链接】1、游标卡尺的原理：游标卡尺主要分为10、20、50分度三种，其原理和读数方法基本相同。在游标尺上的n条刻度线的总长度与主尺上(n－1)条刻度线的总长度相等。如果游标尺为x分度，相应主尺上的分度值为y，则nx=(n－1)y，故游标尺与主尺两者分度值之差为k=y－x= 。其中 叫游标卡尺的精度。如果主尺上的分度值为y=‎1mm，但n=10时，其精度为‎0.1mm，同理n=20时，精度为‎0.05mm；n=50时，精度为‎0.02mm。游标卡尺可用于测量工件的外径、内径和深度或较小的长度。‎ ‎2、游标卡尺的读数方法与公式 ‎：从游标卡尺的零刻度线所对的位置，读出在主尺上以mm为单位的整数部分，再确定游标尺上的第几条刻度线与主尺上某条刻度线对齐，由游标尺读出不足整毫米的小数部分，最后把两个部分读数相加即可得到测量长度。公式为：L=主尺上的整毫米数 + 游标尺读数×精度（以毫米为单位）。‎ ‎【误点警示】游标卡尺的读数非常容易出错，要注意：①首先要辨别出游标卡尺的分度是10分度、20分度还是50分度，从而确定精度，精度为将‎1mm按照分度值等分；②游标尺的零刻度线所对的位置如果是正好对齐，游标尺的读数取零；③不要将游标尺的零刻度线与游标尺的外边框混淆；④要注意单位的统一与换算；⑤要注意游标卡尺读数的有效数字，不要随便去掉最末位的零。⑤快速找到游标尺与主尺对齐的刻度线的方法是先看游标尺的零刻度线与主尺上最靠近左边的刻度线的距离，通过这个距离迅速找到游标尺的对齐格数，比如游标尺的零刻度线与主尺上最靠近左边的刻度线距离较大，与主尺上最靠近右边的刻度线距离非常小，说明游标尺的对齐格数非常靠后。‎ 考点三 螺旋测微器的使用与读数 ‎【调研4】如图所示，用螺旋测微器测量待测工件的厚度，则(a)、 (b)、 (c)三幅图显示的待测量工件的厚度分别为：________mm，_________mm，_________mm。‎ ‎5‎ ‎0‎ ‎25‎ ‎30‎ ‎20‎ ‎5‎ ‎0‎ ‎0‎ ‎5‎ ‎45‎ ‎5‎ ‎0‎ ‎45‎ ‎0‎ ‎40‎ ‎(a)‎ ‎(b)‎ ‎(c)‎ ‎【解析】(a)图：主尺读数为‎2mm，可动刻度的对齐刻度为25.0格，则螺旋测微器读数为‎2mm + ‎0.01mm×25.0 = ‎2.250mm；(b)图：可动刻度的对齐刻度约为0.3格，由于主尺刻度‎1mm处离可动转筒的距离接近‎0.5mm，故主尺读数为‎1.5mm，则螺旋测微器读数为‎1.5mm + ‎0.01mm×0.3 = ‎1.503mm；(c)图：可动刻度的对齐刻度约为45.3格，由于主尺刻度‎1mm处离可动转筒的距离接近‎0.5mm，故主尺读数为‎1mm，则螺旋测微器读数为‎1mm + ‎0.01mm×45.3 = ‎1.453mm。‎ ‎【答案】2.250；1.503；1.453‎ ‎【知识链接】1、螺旋测微器的基本原理：螺旋测微器螺纹螺距为0.5mm，即可动转筒旋转一圈，螺杆前进或后退‎0.5mm，可动转筒上可动刻度分成50等分，每一等分表示‎0.01mm，即可动刻度每转过一等份，测微螺杆前进或后退‎0.01mm。这样把沿轴线方向不便于测量的微小距离用圆周上的点移动较大的距离表示出来（机械放大原理）。‎ ‎2、螺旋测微器的读数方法：整数部分由固定刻度的整数决定；小数部分则由固定部分的半刻度和可动部分的示数共同决定。若固定部分过半刻度线，则可动部分的示数增加‎0.05mm，再加上可动部分的示数，若没有过半刻度线，就由可动部分的示数确定。读数公式：L = 固定刻度示数 + 可动示数×精度值（‎0.01mm）。‎ ‎【误点警示】①要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出，有时候肉眼看不出来，此时可观察可动转筒上的示数，如果旋钮上的零刻度线非常靠近主尺线基线上方，则认为固定部分没有过半线，如果可动转筒上的零刻度线非常靠近主尺线基线下方，则认为固定部分过半线，要增加固定刻度示数‎0.5mm。②读数时注意精确度为‎0.01mm。③可动旋钮的示数要估读，估读到‎0.001mm，螺旋测微器俗称为千分尺，即以毫米为单位时，螺旋测微器的读数均要到小数点后面的第三位，即使最后一位估读数字为零时，也不能省略。④固定刻度的单位是毫米，有半毫米刻度线在主尺基线的另外一侧。‎ 考点四 多用电表的使用与读数 ‎+‎ ‎－‎ 白 灰 黑 ‎【调研5】使用多用表测量时示意图如图所示.‎ ‎（1）当指针位置如图中灰三角箭头所示，则测量的是　　　　，测量结果为　　　　．‎ ‎（2）当指针位置如图中白三角箭头所示，则测量的是　　　　，测量结果为　　　　。‎ ‎（3）当指针位置如图中黑三角箭头所示，则测量的是　　　　，测量结果为　　　　。‎ ‎（4）当指针位置如图中黑三角箭头所示，正确操作后发现指针的偏转角很小，那么接下来的操作步骤应该依次为：①　　　　，②　　　　，③　　　　　．测量结束后应将选择开关拨到④　　　　或者　　　　　．‎ ‎（5）无论用多用电表进行何种（直流）测量，电流都应该从　　　表笔经　　　插孔流入电表．在使用欧姆挡测量时，多用电表内部的电池的正极将跟表的面板上的　　　　插孔相连．‎ ‎【解析】（1）这时测量的是直流电流，量程为10mA，应该用满刻度为10的刻度线读数．由于不是 10分度，在读出3.2以后，不应该再向下估读，所以测量结果为3.2mA．‎ ‎（2）这时测量的是直流电压，量程为50V，应该用标满刻度为50的刻度线读数．由于是10分度，在读出16V后，还应该估读下一位，结果为16.0V。‎ ‎（3）这时测量的是电阻，倍率为×100，按表盘最上方的刻度读数，结果为3.4×103Ω．‎ ‎（4）测电阻时指针偏转角度小，说明倍率太小了，所以应该增大倍率，操作步骤是①改用欧姆挡×1KΩ倍率，②重新调零，③测量并读数，④多用电表有内置电池，测量结束后要将选择开关拨到OFF档或者交变电压最高档．‎ ‎（5）电流应从红表笔经“＋”插孔流入电表．内部电池的正极跟“一”插孔相连．‎ ‎【答案】（1）直流电流；3.2mA；（2）直流电压；16.0V；（3）电阻；3.4×103Ω；（4）①改用欧姆挡×1KΩ倍率，②重新调零，③测量并读数，④OFF，交变电压最高档；（5）红；“＋”；“一”‎ ‎【知识链接】1、多用电表是测量交流与直流电压、直流电流和电阻大小的多功能仪器，测量前，应首先检查表针是否停在左端“0”刻度的位置，否则要用小螺丝刀轻轻转动表盘下边中间位置的调整定位螺丝，使指针指零，即机械调零。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。‎ 多用电表有两根测试笔，将红表笔和黑表笔分别插入正、负测试笔插孔。测量交流、直流电压和直流电流时，只要把选择旋钮置于相应的档位和量程即可，连接电路的方式跟电压表和电流表一样。‎ ‎2、多用电表的表头最上端刻度是不均匀的，这是用于测量电阻阻值的，“‎0”‎刻度的位置在最右端，而下面的刻度是均匀的，这是用于测量电流和电压的刻度盘。‎ ‎3、使用多用电表测电阻的步骤：机械调零→选档→欧姆调零→测量与读数→实验完毕。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。需要注意的是，每次换挡后，都要重新调零；实验完毕后，应将两表笔从插孔中拔出，并将选择开关置于“OFF”档或交流电压的最高档；如果欧姆表长期不用，应取出表内的电池。‎ 创新预测 ‎1．读出下面各图中显示的示数。‎ ‎（a）______；（b）______；（c）______；（d）______；（e）______；（f）______；‎ ‎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 ‎26‎ ‎55‎ ‎57‎ ‎28‎ ‎59‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎10‎ ‎11‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎12‎ ‎13‎ ‎14‎ ‎（f）‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎ ‎ ‎（a）‎ ‎3 ‎‎4 cm ‎0 5 10‎ ‎（b）‎ ‎67‎ ‎0 10 20‎ cm ‎（c）‎ ‎0‎ ‎10 15‎ ‎ ‎‎0 5 10‎ ‎25 30‎ ‎（d） （e）‎ ‎2．正确读出下图中各表的读数：‎ ‎（1）接0～3V量程时读数为　　　V；接0～15V量程时读数为　　　　　V ‎（2）接0～‎3A量程时读数为　　　A；接0～0．‎6A量程时读数为　　　　　A ‎（3）用电压表的0V～3V挡测电路中某两点间的电压时，表的指针位置如图（a）所示．从电压表读出的电压是　　　　　．‎ ‎（4）用电流表的‎0A～‎0.6A挡测某一电路中的电流时，表的指针位置如图(b)所示．从电流表读出的电流是 ．‎ ‎ ‎A ‎②‎ ‎①‎ ‎3．现给出两个阻值不同的电阻R1和R2，用多用电表按正确的操作程序分别测出它们的阻值，测量R1时选用“×‎100”‎欧姆挡，其阻值如图中指针①所示，R1=_________Ω；测量R2时选用“×‎10”‎欧姆挡，其阻值如图中指针②‎ 所示，R2=_________Ω。将某一小量程的电流表改装成不同量程的电压表，其中量程较大的是电流表与_________（填“R‎1”‎、“R‎2”‎）__________联（填“串”、“并”）的。‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎7‎ ‎10‎ ‎11‎ ‎12‎ ‎13‎ ‎14‎ ‎15‎ 开 Y增益 X增益 扫描微调 扫描范围 ‎10‎ ‎100‎ ‎10k ‎100 k ‎1k 外x 衰减 ‎10‎ ‎100‎ ‎1000‎ DC AC Y输入 X输入 地 同步 ‎+‎ ‎-‎ ‎↓↑‎ ‎←‎ ‎→‎ ‎1‎ ‎4．某同学做“练习使用示波器”实验中 ‎（1）观察正弦式电压的图线时，把衰减调节旋钮置于“”档（机内提供50Hz正弦式交变电压），扫描范围旋钮置于第一档，扫描微调旋钮顺时针旋到底，此时屏上显示的图形应是 x x x x y y y y A B C D ‎（2）观察正弦规律变化的电压图线时，在示波器荧屏上出现如图(a)所示的图线，为了将图线调整为图(b)所示的形状，他采取了下列措施：‎ ‎(a)‎ ‎(b)‎ A．调节竖直位移旋钮，使整个图线向下移动 B．保持同步极性选择开关不动，仍置于“+”位置 C．调节Y增益使图形的振幅增大 D．调X增益使图形的横向幅度增大 其中正确的是________‎ A V b Rx S a ‎5．在测定金属丝电阻Rx的实验中，为提高测量精确度，减小误差，需要确定电流表采用内接法还是外接法。由于电表内阻未知，一位同学运用试触法进行判断。具体做法是：按如图所示电路闭合电键后，当与电压表连接的导线（带箭头部分）接到a点时，电压表示数为2.0V，电流表示数为‎0.40A；当接到b点时，电压表示数为3.0V，电流表示数为‎0.38A。电源内阻不计。‎ ‎（1）由以上数据可知，应该采用电流表___________接法 ‎（2）测得Rx的电阻是_____________Ω。 ‎ ‎【创新预测答案】‎ ‎1．（a）‎6.50cm；（b）‎2.98cm ；（c）‎6.170cm ；（d）‎0.642mm；（e）‎10.294mm；（e）10分52.75秒（提示：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。因此图中秒表读数应为10分52.75秒，这个5是估读出来的）。‎ ‎2．（1）2.16；10.8；（2）0.79；0.16；（3）2.20 V；（4）‎0.480 A 接0～3V量程时，读取电压表指针所指的外环数据为2.16V；接0～15V量程时，读取电压表指针所指的内环数据为10.8V，注意每小格为0.5V；接0～‎3A量程时，读取电流表指针所指的内环数据为‎0.79A；接0～0.6V量程时，读取电流表指针所指的外环数据为‎0.16A，注意每小格为‎0.02A；用电压表的0V～3V挡测电压时读取表盘内环数据为2.20V；用电流表的0V～‎0.6A挡测电流时读取表盘内环数据为‎0.480A，每小格为‎0.02A，可向后估读一位。‎ ‎3．900；300；R1；串 图中指针①对应的欧姆表盘刻度为9Ω，选用“×‎100”‎欧姆挡，则R1=9×100Ω=900Ω；图中指针②对应的欧姆表盘刻度为30Ω，选用“×‎10”‎欧姆挡，则R2=30×10Ω=300Ω；用电流表改装电压表时需要串联电阻以扩大量程，根据公式：U=Im(RA + R串)可知，与电流表串联的电阻越大，改装的电压表量程越大。‎ ‎4．（1）D；（2）ABD 第一问中扫描电压的频率为100Hz，扫描周期只有交变电压的1/2，扫描一次只显示交变电压半个周期的图形，第二次扫描，再显示另半个周期的图形，由于屏上图线不会立即消失，另由于人眼的视觉崭留等因素，屏上将可观察到图D所示图线。注意：用示波器如何才能观察到清晰的正弦图象？把扫描范围旋钮置于第一档，把衰减调节旋钮置于“”档，由机内提供竖直方向的正弦式电压，调节扫描微调旋钮，当扫描频率等于正弦式交变电压频率（50Hz）时，屏上将出现一个完整的正弦图线，若扫描频率等于25Hz，则屏上将出现两个完整的正弦图线。‎ 第二问，对比两幅图均为交流电压的变化图线，另有两处变化：整个图线下移；正弦波图线横向幅度变大。因此在同步极性选择开关置于交流档不能改变的前提下，可通过调节X增益旋钮（旋钮9）使横向幅度加大，并通过调节竖直位移旋钮（旋钮6）使整个图线下移。‎ ‎5．通过“试触法”的操作，试题所给的数据显示，与电压表连线的导线从接到a点转到接到b点时，电压表示数变化百分比为×100%=50%，电流表示数变化百分比为×100%=5%，故电压表示数变化较大，原因是电流表内阻相对较大所致，此时应该采用电流表外接法以减小误差，即导线接a点，提高测量精度。由于电源内阻不计，导线接b点时，电压表示数U2=3.0V，即为电源电动势，当导线接a时，电压表示数U1=2.0V，电流表两端的电压UA= U2－U1=1.0V，电流表内阻RA= = Ω=2.5Ω。则当导线接b点时，金属丝电阻Rx的真实值为Rx= －RA= Ω－2.5Ω=5.4Ω（或5.39Ω）。‎