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专题 19 实验基础知识、仪器的使用和读数
误差
实验基础知识
有效数字
通用读数方法（10分刻度与非10分刻度）
刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表
波 游标卡尺
粒
二 螺旋测微计
象
测量仪器及
性 打点计时器
读数
天平
多用电表
电阻箱
实验方法：累积法、替代法、测量量的转换、比较法
实验分类：测量性实验、验证性实验、探究性实验、设计性实验
实验数据的分析、处理方法：列表法、算术平均值法、图象法
一、实验基础知识
1、误差：测量值与真实值的差异叫做误差。误差可分为系统误差和偶然误差两种。
①系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。
②偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。减小偶然误差的方法，可以
多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。
2、误差分析减小误差的方法
①减小偶然误差：多次测量，求其平均值；多次测量，作图象求值
②减小系统误差：完善实验原理、改进实验方法、恰当选择仪器精度、量程、校准测量器材。
③误差分析：从实验原理分析，从实验器材分析3、绝对误差和相对误差：设某物理量的真值为A，测量值为A，则绝对误差 ，相对误差为
0
．真值A常以公认值、理论值或多次测量的平均值代替．
0
4、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制。
间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用2到3位有效数字表示。
二、基本测量仪器及读数
高考要求会正确使用的仪器主要有：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、电阻箱等等。
基本物理量 测量仪器
长度 刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器
力学 时间 秒表（停表）、打点计时器
质量 天平
电阻（粗测） 欧姆表、电阻箱
电学 电流 电流表
电压 电压表
1、不需要估读的测量仪器：游标卡尺、秒表、电阻箱在读数时不需要估读；欧姆表刻度不均匀，可
以不估读或按半刻度估读。
2、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，只要求读到最小刻度所在的这一位，不再往下估读。
3、游标卡尺：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，读数方法：
1
主尺（mm）+游标尺第几格对齐× mm
总格数①10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。
②20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。图中读数：40.70mm
③50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。
图中读数：18.74mm
4、螺旋测微器（千分尺，可测量到千分之一毫米）：读数方法
主尺（mm）.0或5（半格露出则为5，未露出则为0）+三位游标尺（末尾位为估读）mm
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
部分读数相加，得测量值。图中读数为1.5mm+0.283mm=1.783mm
5、打点计时器
打点计时器是一种特殊的计时仪器，电源用50Hz的交流电，所以打相邻两个点的时间间隔是0.02s。
6、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）。
7、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。
技巧点拨：欧姆挡的使用：
①选挡。一般比被测电阻的估计值低一个数量级，如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。
②调零。
③将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。
④将指针示数乘以倍率，得测量值。
⑤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。
8、电阻箱右图中的电阻箱有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。
三、常见间接测量的物理量及其测量方法
有些物理量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
速度
①利用纸带， ；②利用平抛，
力
加速度
学
①利用纸带，逐差法 ；②利用单摆
力 根据F=ma转化为测量m、a
功 根据 转化为测量m、S、v
电阻（精确测
①根据 转化为测量U、I（伏安法）；②电阻箱（半
电 量）
偏、替代）
学
电功率 根据P=IU转化为测量U、I
电源电动势 根据E＝U＋Ir转化为测量U、I
四、几种重要的实验方法
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30～50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：①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；②增加有效数字的位数．以测单摆的周期为例，我们实验
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．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。
sini
n=
sinr
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 求出
折射率，但角度不容易测准确（一般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，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。
五、实验分类
1、测量性实验：以某一原理或物理规律为依据，通过测量相关的物理量，实现测定某个（或某些）
物理量（或物理常数）为实验目的。
高中物理实验要测量的物理量主要有：质量、长度、时间、力、加速度、温度、分子直径、电流、电
压、电阻、电阻率、电动势、内电阻、折射率、波长。
2、验证性实验：用实验的方法来验证已知规律(或结论)，通过实验过程的再现，加深对规律适用条
件和结论的理解。这类实验有：验证力的平行四边形定则，验证动量守恒定律，验证机械能守恒定律，大量的课堂课堂
演示实验。
要求明确验证的规律，懂得实验原理、实验装置和实验步骤的确定，必须考虑到规律能否成立。能有
效地尽量减小误差的分析。
3、探究性实验：通过实验来探索某种物理规律，研究某个物理问题。研究性实验在教材和考纲中的
比例较过去有大幅度地增加，意在训练实验的主动性、自觉性，培养创新意识。
4、设计性实验：根据实验目的，运用已掌握的物理规律、实验方法，选择熟悉的仪器、器材等，独
立设计新的实验方案。
设计方案包括理解实验原理，选择和配置合适的实验方法、实验器材，安排正确的实验步骤，设计科
学的数据处理方法，采用客观的误差分析方法，最后给予总结和评价。高考可以考查其中的几个方面。
选择器材、装置遵循的几个原则：安全性原则，可行性原则，准确性原则，方便性原则。
六、实验数据的分析、处理方法
1、列表法：把被测物理量用表格的形式分类列出的方 法。记录表格一般应包括表号、标题、主栏、
宾栏、数据、备注等。列表法大体反映某些因素对结果的影响效果或变化趋势，常用来作为其他数据处理
方法的一种辅助手段。
2、算术平均值法：将待测物理量的若干次测量值相加后除以测量次数，即得该待测量的算术平均值
实际应用上往往用多次测量值的平均值代替真实值。求取算术平均值时，必须按原来测量仪器的准确度决
定应该保留的有效数字的位数。
3、图象法：测得的量按自变量和应变量之间的关系在直角坐标平面上用图线表示出来的方法。根据
实验数据在坐标纸上作图的原则要求是：准确、清楚、布局合理、便于应用。作图法可以减小实验中的偶
然误差。
作图原则：
①合理选取坐标原点
②两坐标轴的分度要恰当
③要有足够多的描点数目
④画出的图象应尽可能穿过较多的点或是尽可能多的描点分布在图线的两侧
4、逐差法：一般用于等间隔线性变化的测量中。在打点计时器纸带计算加速度时候用。
