高三物理实验复习专题一基本仪器的使用
●高考趋势展望
《考试说明》中要求学生会正确使用的基本仪器有：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.另外，从近两年的高考看，示波器也已被列为要求会正确使用的仪器.这些仪器中除打点计时器和滑动变阻器不需要读数，示波器不要求读数外，其余11种都涉及到读数问题.其中游标卡尺、螺旋测微器、电流表、电压表的读数问题，在历年的高考题中出现频率较高，另外像弹簧秤、欧姆表的读数问题也时有涉及.所以本专题把上述仪器的读数问题作为复习的重点.当然，仪器的正确使用不仅仅包括读数问题，还包括对仪器原理、结构的了解，使用仪器的注意事项，仪器的选择，仪器的布局或连线等，这些方面将在以后的专题中涉及到.
●知识要点整合
（一）螺旋测微器
1.构造和原理
图5-1-1所示是常用的螺旋测微器.在实验中常用它测量小球的直径、金属丝的直径和薄板的厚度等一些较小的尺度.用它测量长度，可以准确到0.01 mm，可以估读到0.001 mm（毫米的千分位），因此螺旋测微器又称为千分尺.
图5-1-1
螺旋测微器螺杆上精密螺纹的螺距是0.5 mm，即每旋转一周，测微螺杆P前进或后退0.5 mm.可动刻度分成50等分.每一等分表示0.01 mm.即可动刻度每转过一等分，P前进或后退0.01 mm，因此，从可动刻度旋转了多少个等分就知道长度变化了多少个0.01 mm.
2.使用及读数
（1）把待测物放入A、P之间的夹缝中，旋动旋钮K，当P将要接触待测物时，再轻轻转动微调旋钮K′，当听到棘轮的响声时（表明夹住待测物的力适中），转动锁紧手柄T使P止动；（2）读数：先由可动刻度尺的边缘所对的固定刻度线读出正毫米（或半毫米）数，再看固定刻度尺上的长横线与可动刻度相对的位置，由可动刻度尺读出小于0.5 mm的数，以上两部分相加就是螺旋测微器的读数.例如图5-1-2所示测量，从固定刻度尺上读数为2 mm，再从可动刻度尺上读数为0.130 mm，最后的“0”是估读来的.故该次测量的读数为2.130 mm.
图5-1-2
3.注意事项
①测量时，当螺杆将要接触被测物体时，要停止使用K，改用K′，以避免螺杆和被测物体间产生过大的压力，这样，既可以保护仪器又能保证测量结果准确.②读数时，要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出.读数时要准确到0.01 mm，估读到0.001 mm，即测量结果若用mm为单位，则小数点后面必须保留三位.
［例1］图5-1-3给出的是用螺旋测微器测量一小钢球的直径的示数，此读数应是____mm.
图5-1-3
【解析】 注意到固定刻度尺上的半毫米刻度线已经露出，故由固定刻度尺上读数为8.5 mm；然后由可动刻度上读出半毫米以下的读数，并注意估读一位数字，为0.100 mm；最后将两次读数相加就是所要测量的正确读数8.600 mm(可用公式d=固定刻度示数+可动刻度示数×最小分度值计算）.
小结：在读数的时候一定要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻度线是否已经露出.若忽略了这一点，本题会误读为8.100 mm.
(二)游标卡尺
游标卡尺的读数部分由主尺（最小分度为1 mm）和游标尺两部分组成.按照游标的精度不同可分为三种：（1）10分游标，其精度为0.1 mm；（2）20分游标，其精度为0.05 mm；
（3）50分游标，精度为0.02 mm.它们的共同特点（也是它们的测量原理）是：游标上的全部刻度之长比主尺上相应的刻度之长短1 mm.以20分游标为例，游标上20个分度全部之长为19 mm，比主尺上20个分度短1 mm，所以游标上每个分度比主尺短0.02 mm，当在两测脚间放一厚0.04 mm的物体时，则游标的第2条刻线将与主尺的刻线对齐，其余的刻线与主尺上的刻线都不对齐.
游标卡尺的读数方法是：以游标0刻度线为准在主尺上读出整毫米数，再看游标尺上哪一条刻度线与主尺上某刻度线（不用管是哪一条线）对齐，由游标上读出毫米以下的小数，则总的读数为：主尺上的整毫米数L1+游标上的毫米以下的小数L2.
下表所示即为上述三种游标尺的设计原理和读数方法
| 游标尺（mm） | 精度（mm） | 测量结果（游标尺上第n个格与主尺上的刻度线对正时）(mm) | ||
| 刻度格数 | 刻度总长度 | 每小格与1毫米差 | ||
| 10 20 50 | 9 19 49 | 0.1 0.05 0.02 | 0.1 0.05 0.02 | 主尺上读的毫米数+0.1n 主尺上读的毫米数+0.05n 主尺上读的毫米数+0.02n |
由于游标卡尺在读数时要分辨游标上的哪一条刻线与主尺上的刻线对的最齐，这里已包含了估读的因素，所以游标卡尺一般不再往下估读.不过用10分游标尺读数时，可在毫米的百分位上加一个“0”，表示该读数在毫米的10分位上是准确的，以区别于毫米刻度尺的读数.
［例2］有一游标卡尺，主尺的最小分度是1 mm，游标上有20个小的等分刻度.用它测量一工件的长度，如图5-1-4所示.图示的读数是_____mm.
图5-1-4
【解析】 此图经过了二级放大.由一级放大图可知工件的长度约在10~11 cm之间，再由二级放大图仔细看游标上的零刻线所对主尺的刻线位置，由主尺读出测量的整毫米数：L1=104 mm(主尺上所标数值的单位为cm);再看游标上的哪一条刻线与主尺上的某一刻线对齐，由游标读出毫米以下的小数.从二级放大图中可以看出，游标上零刻线右侧的第一条刻线与主尺上的刻线对的最齐，游标上共20个分度，每个分度代表0.05 mm，所以游标上的读数为L2=0.05 mm.故所测该工件的长度L=L1+L2=104.05 mm.
小结：要掌握游标卡尺测量的原理和读数的方法，要知道主尺上和游标上所标数值的意义和单位，要能看懂多级放大图.
［例3］（2003年新课程理综，23）用游标为50分度的卡尺测量一圆柱体的长度与直径，结果分别如图5-1-5（甲）、（乙）所示.由图可知其长度为_____，直径为_____.
图5-1-5
【解析】 游标为50分度，每个分度值为0.02 mm.由图（甲）原图及放大图示，可看出该物体的长度约为8 mm，再由放大图仔细观察，以游标的零刻线与主尺的刻线对的最齐（有主观估计的成分，允许有些误差），所以，由图甲读出该物体的长度为8.00 mm(注意有效数字）.
由图乙的原图可以看出，游标的零刻线大约对在主尺的2 mm处，再仔细观察放大图，游标上数字“9”右边的第二条刻线——即第47条刻线与主尺的刻线对的最齐，所以游标的读数为0.02 mm×47=0.94 mm，这也说明主尺的读数还不到2 mm.最后我们得到该物体的直径为1.94 mm.
小结：对图甲中游标零刻线正对的情况，一定要注意读数的有效数字位数.对图乙中游标的零刻线是否正对2 mm，还是不到或是已过2 mm，即该种情况主尺如何读数，要与游标的读数结合起来判断.
（三）多用电表
1.测量原理
多用电表可以用来测电流、电压、电阻等，并且每一种测量都有几个量程，其外形如图5-1-6所示，多用电表测电流和电压所依据的原理是串、并联电路的特点及部分电路的欧姆定律，欧姆表即是多用表的电阻测量档.欧姆表测电阻所依据的原理是闭合电路的欧姆定律.欧姆表的内部电路如图5-1-7所示，R为调零电阻.当红、黑表笔相接进行欧姆调零时，表头指针满偏，根据闭合电路欧姆定律有I0=
;当红、黑表笔间接有未知电阻Rx时，有I1=
，故每一个未知电阻都对应一个电流值I，我们在刻度盘上直接标出与I对应的Rx的值，根据表头指针偏转的位置，即可从表盘刻度直接读出所测电阻的值.当Rx等于欧姆表内阻，即Rx=R+RA+r时，I=
，指针半偏，所以把等于欧姆表内阻的这一阻值又叫做欧姆表的中值电阻R中.
图5-1-6 图5-1-7
2.使用和操作
（1）机械调零.将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔中.不管是测量电流、电压或电阻，测量前都要检查多用电表的指针是否停在表盘刻度线左端的零位置，若不指零，可用小螺丝刀旋转机械调零旋钮（定位螺丝），直到指针指零为止.
（2）测电压、电流.测量的方法和注意的问题与用单独的电表测量时基本一样.测电流时将选择开关拨至电流档，根据估计电流的大小选取适当的量程，注意将电流表串联入待测电路中，让电流从红表笔流入，从黑表笔流出.测电压的过程与此类似，不过是注意将电表并联在待测电路两端，红表笔接高电势，黑表笔接低电势.
（3）测电阻.①选档.先估计待测电阻的阻值大小，选择合适的欧姆档位.在操作中，当两表笔与待测电阻两端相接，选择开关旋至某一欧姆档位时，发现指针偏转的角度既不过大，也不过小，而是指在中间附近时，此时的旋钮尖端所对应的欧姆档位即为所要选择的“合适的档位”.②欧姆调零.将红、黑表笔短接，调整欧姆调零旋钮，使指针指到欧姆表刻度的零位置.③测量、读数.将红、黑表笔分别与待测电阻两端相接，表针示数乘以所选欧姆档的倍率，即为待测电阻的阻值.④重复①②③，测其他电阻的阻值.
3.几点说明.①用欧姆表测电阻时，当指针处在表盘中央附近时读数较为准确些.由于待测电阻与电流之间的非线性关系（由上面所讲原理可看出），欧姆表的刻度是不均匀的，因此用欧姆表测电阻只是一种粗略的测量.②测电阻时，待测电阻要与电源以及其他电阻断开，且不要用手接触表笔金属端.③每换用欧姆档的另一量程时，必须重新进行“欧姆调零”.④实验完毕，应将两表笔从插孔中拔出，并将选择开关旋至“OFF”档或交流电压最高档.如果表长期不用，应取出表内的电池.
［例4］（2003年春季，27）图5-1-8为多用电表的示意图，其中S、K、T为三个可调节的部件，现用此电表测量一阻值约为20~30 Ω的定值电阻，测量的某些操作步骤如下：
图5-1-8
①调节可调部件_______，使电表指针停在_______位置；
②调节可调部件K，使它的尖端指向_______位置；
③将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔，笔尖相互接触，调节可调部件_____，使电表指针指向_____位置.
（2）在用多用表测量另一电阻的阻值时，电表的读数如图5-1-9所示，该电阻的阻值为_____Ω.
图5-1-9
【解析】 （1）多用电表在使用前首先要进行“机械调零”，即测量前先检查电表的指针是否停在刻度盘左端的“0”位置，若不在“0”位置，则调节表盘下中间部位的调零螺丝，即图5-1-8中的可调部件“S”，使指针停在刻度盘左端的“0”位置.
测量电阻应将图中的选择开关K旋至欧姆档的适当档位.我们已经知道，测量时欧姆表的指针在表盘的中间部位时读数较为准确.由图可以看出，该欧姆表的表盘中值约为“20”，又待测电阻的阻值为20~30 Ω，所以应选Ω×1档，这样测量时就可使指针指在中间部位了.
选好档位后就要进行欧姆档的调零，且每次换档后都要重新进行调零.调零时将红、黑表笔接触，调节图中的“欧姆调零”旋钮T，使指针指在表盘右端电阻刻度的“0”位置.
（2）由图5-1-9表针位置读数为“20.0”，注意到选择开关置于“Ω×1 k”的倍率档，所以所测电阻的阻值为20.0 kΩ.
小结：要搞清楚多用电表的各个旋钮的作用及调节的顺序.欧姆表表盘刻度的“中值”有着重要的意义，欧姆档位的选择就是根据“中值”来确定的.
［例5］（2003年广东，11）图5-1-10为一正在测量中的多用电表表盘.
图5-1-10
（1）如果是用直流10 V档测量电压，则读数为_____V.
（2）如果是用×100 Ω档测量电阻，则读数为_____Ω.
（3）如果是用直流5 mA档测量电流，则读数为_____mA.
【解析】 由于多用电表的测量项目和量程比较多，而表盘的空间有限，所以并不是各个项目的每个量程都有专门的标度，有些标度就是属于共用标度.如图5-1-10中的第二行刻度就是交、直流电压、电流共用的标度.使用直流10 V档测量电压时，由于直流10 V档没有专门的标度，只能按“0~250”或“0~50”来读数，然后再折算成“0~10 V”的电压.譬如当按 “0~50”读数时，将读数乘以0.2即为测量值.
（1）用直流10 V档测量电压时，按“0~50”的标度来读数为32.5，则测量值为32.5×0.2=6.50 V(也可写为6.5 V）.
（2）指针所指电阻刻度的读数为8.0，乘以欧姆档的倍率，则所测电阻值为8.0×102 Ω.
(3)用直流5 mA档测量时，读数方法与（1）中相同，测量值为3.25 mA.
小结：多用电表电压档、电流档的读数在2003年之前的高考中从未考过，现在高考对此也提出了要求.读数问题不能只是纸上谈兵，这些仪表一定要真正使用过，只有真正用过才会有深的体验和理解.
以上对螺旋测微器、游标卡尺和多用电表这三种常用仪器的原理和读数方法做了较为详细的介绍.限于篇幅，对“考试说明”中要求会使用的其他仪器不再一一介绍，这些仪器在下面的练习题中会涉及到.
●应用强化训练
1.（2003年科研测试）用米尺测量一杆的长度.杆的两端A、B在米尺上的位置如图5-1-11所示.由此可知该杆的长度为_____cm.
图5-1-11
【答案】 38.5
2.用天平称量物体的质量时，右盘中已放入了砝码68 g，游码位置如图5-1-12所示，则被称物体的质量为_____g.
图5-1-12
【解析】 由图可知，该天平的最小分度为0.04 g，读数误差最大按最小分度值的一半估计，即为0.02 g，误差出现在百分位上，读数时只需估读到克的百分位上，因此被测物体的质量为68.28 g.
【答案】 68.28
3.将橡皮筋的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，每根细绳分别连接一个量程是5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计，沿着两个不同的方向拉测力计，当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图5-1-13所示.这时弹簧测力计的读数可以从图中读出.由图可读得两个互相垂直的拉力的大小分别为_____N和_____N.
图5-1-13
【解析】 由图可知，该测力计的最小分度为0.1 N，读数时应估读到0.01 N.因此测力计的读数分别为2.50 N和4.00 N.
【答案】 2.50；4.00
4.(2002年广东，11）用螺旋测微器（千分尺）测小球直径时，示数如图5-1-14所示.这时读出的数值是_____，单位是_____.
图5-1-14
【答案】 8.473;mm
5.一游标卡尺的主尺最小分度为1 mm，游标上有10个小等分间隔，现用此卡尺来测量工件的直径，如图5-1-15所示.该工件的直径为_____mm.
图5-1-15
【答案】 29.80(答29.8的同样给分）
6.游标卡尺的主尺最小分度为1 mm，游标上有20个小的等分刻度，用它来测量一工件的内径，如图5-1-16所示.该工件的内径为_____mm.
图5-1-16
【解析】 游标卡尺是20分度的，游标尺的最小分度值为0.05 mm，由主尺读数L1=23 mm，游标上零刻线右边的第17条刻线与主尺上的刻线对齐，故游标读数为L2=17×0.05=0.85 mm,该工件的内径为L=L1+L2=23.85 mm.
【答案】 23.85
7.（1999年全国，17）用游标为50分度的卡尺（测量值可准确到0.02 mm）测定某圆筒的内径时，卡尺上的示数如图5-1-17.可读出圆筒的内径为_____mm.
图5-1-17
【答案】 52.12
8.一同学在用打点计时器做测匀变速直线运动加速度的实验时，纸带上打出的不是圆点，而是如图5-1-18所示的一些短线，这可能是因为
图5-1-18
A.打点计时器错接在直流电源上
B.电源电压不稳定
C.电源的频率不稳定
D.打点针压得过紧
【解析】 对选项A，若打点计时器错接在直流电源上，则可能会出现两种情况:一种是打点计时器根本不打点，纸带上是一片空白；另一种是打点计时器也不打点，但纸带上是一条连续的（不间断）直线，故A错.对选项B，若其他情况均正常，仅因电源电压不稳定，则打点计时器打出的应是正常的点迹的纸带，故B错.对选项C，若其他情况也均正常，则打点计时器打出的纸带上的点迹间距不满足匀变速直线运动的规律，但从打出的纸带上来看，所打出来的是圆点而不是短线，故选项C错.因此，本题答案是D.
【答案】 D
9.图5-1-19是学生实验用的有两个量程的电流表刻度盘，当用“+”和“0.6”两接线柱时，能测量的最大电流是_____A，对应刻度盘上每一小格代表_____A；图中指针的示数为_____A；当使用电流表的“+”和“3”两个接线柱时，对应刻度盘上每一小格代表_____A，图中表针示数为_____A.
图5-1-19 图5-1-20
图5-1-20为学生实验用的有两个量程的电压表刻度盘，当使用较小量程时，测量电压最大值不得超过_______V，每小格表示_______V，图中指针示数_______V；若使用的是较大量程，则表盘刻度每小格表示_____V，图中指针示数_____V.
【答案】 0.6；0.02；0.44；0.1；2.20;3.0；0.1； 1.70；0.5；8.50
10.一多用电表的欧姆档有4档，分别为×1 Ω、×10 Ω、×100 Ω、×1 kΩ，现用它来测量一未知电阻的阻值.当用×100 Ω档测量时，发现指针偏转的角度很小，为了使测量结果更准确，测量前就进行如下两项操作，先_______，接着_______，然后再测量并读数.
【解析】 对于调好的欧姆表来说，指针偏转到最大时——即电流表满刻度时，对应的待测电阻的阻值为0；指针偏转越小，表示待测电阻的阻值越大.当用×100 Ω档测量时，如果发现指针偏转很小，表示待测电阻的阻值比100 Ω大得多，应当改用×1 kΩ档来测量.这时指针就可能有更明显的偏转.但在改用×1 kΩ档后，必须重新调零才行.
【答案】 把选择开关拨到×1 kΩ档；调零
11.某人用万用表按正确步骤测量一电阻阻值，指针指示位置如图5-1-21，则这电阻值是_______.如果要用这万用表测量一个约200 Ω的电阻，为了使测量比较精确，选择开关应选的欧姆档是_____.
图5-1-21
【答案】 1.20×103 Ω;×10
12.在做“用单摆测定重力加速度”的实验时，用摆长L和周期T计算重力加速度的公式是g=_____.如果已知摆球直径为2.00 cm，让刻度尺的零点对准摆线的悬点，摆线竖直下垂，如图5-1-22所示，那么单摆摆长是_____cm，如果测定了40次全振动的时间如图中秒表所示，那么秒表读数是_______s，单摆的摆动周期是_______s.
图5-1-22
【答案】 
;87.50 ;75.2;1.88
13.一种供仪器使用的小型电池标准电压为9 V，允许电池输出的最大电流为50 mA，为了测定这个电池的电动势和内电阻，实验室利用了图5-1-23所示电路，图中电压表内阻很大，可不考虑对电路的影响，R为电阻箱，阻值范围为0~9999 Ω，R0是保护电阻.
图5-1-23
（1）实验室中配有的定值电阻有以下几种规格：
A.10 Ω,5 W
B.150 Ω,1/2 W
C.200 Ω,1/2 W
D.1.2 kΩ,1 W
R0宜选用_____.
（2）在实验中，当变阻箱各旋钮调到图5-1-24所示位置后，闭合开关，电压表示数为9.0 V，变阻箱此时电阻为_____Ω.电路中通过电阻箱的电流为_____mA.
图5-1-24 图5-1-25
（3）断开开关，调整电阻箱阻值，再闭合开关，读取电压表示数，多次重复，取得数据后，作出图线如图5-1-25，则该电池电动势E=_____V，内电阻r=_____Ω.
【解析】 （1）电路中最小电阻应为R0=
=180 Ω,故R0应取C（200
Ω，1/2 W）为宜.
（2）由图可读出R0=100×7+10×5=750
Ω,电流I=
A=9.5 mA.
（3）由图线在U轴上截距可得E=9.5 V,据图线斜率可得r=50 Ω.
【答案】 （1）C （2）750;9.5 （3）9.5;50
●教学参考链接
基本仪器的使用特别是仪器的测量读数问题，是高考实验命题的重点和热点问题，所以本专题研究的重点就是仪器测量的读数问题.专题是以螺旋测微器、游标卡尺、多用电表为典型来讲解的，对这三种仪器的读数方法和使用方法都做了较为详细的介绍.之所以这样安排是因为近些年高考对读数的考查主要是集中在螺旋测微器和游标卡尺的读数上，对多用电表则是既要求读数又要求会使用操作，它们都是基本仪器使用的考查热点.对其他的基本仪器除滑动变阻器外在本专题的【应用强化训练】中也都有涉及.至于电流表、电压表量程的选取.滑动变阻器的连接方式等，这些问题在下面的专题中还要讲到.对练习题的使用不要就题论题，可以在原题的基础上运用变式、适度扩展.譬如【应用强化训练】中的第13题涉及到电阻箱的使用，讲解该题时可以启发学生思考：在保持电路连接的情况下，若要使电阻箱阻值由3 kΩ调为200 Ω时应按怎样的顺序进行操作？使学生更深刻地理解为什么要强调科学地安排操作步骤.