理高考实验专题++基本实验仪器的使用和选择

专题一基本实验仪器的使用和选择
一．知识方法梳理
考纲解读：
课标大纲要求：
人教现行大纲要求：
要点梳理：
一些基本仪器的原理、使用方法、注意事项和读数等，在近几年的高考试题中不断出现。

长度和电学量的测量及相关仪器的使用是出题最频繁的知识点。

如游标卡尺、螺旋测微器的读数在近十年的全国高考中就考了8次，往往是游标卡尺、螺旋测微器交替考查。

电压表、电流表、欧姆表使用方法的考查几率则更高。

另外，打点计时器、电阻箱、秒表的使用有时也出现。

高考中基本仪器的考察，用的比较多的题型是填空题和作图题，时而也有选择题。

高考中常有连接电路实物图的题，这类题设置的目的就是考查电流表、电压表、滑动变阻器等器材的操作和使用方法。

基本仪器是指通用性强，在各种实验中经常用到的仪器。

中学阶段，要求掌握的基本仪器如下：
对以上这些仪器，要理解结构原理、规格和主要参数，知道使用方法、注意事项、读数和精度等。

（一）测量仪器使用常规
1．关于量程问题：这是保护测量仪器的一项重要参数，特别是天平、弹簧秤、温度计、电流表、电压表和多用电表等，超量程使用会损坏仪器，所以实验时要根据实验的具体情况选择量程适当的仪器。

在使用电流表、电压表时，选用量程过大的仪器，采集的实验数据过小，会造成相对误差较大，应选择使测量值位于电表量程的1/3以上的电表；使用多用电表测电阻时，应选择适当的档位，使欧姆表的示数在电表的中值附近。

2．关于精度问题：所选用仪器的精度直接影响着测量读数的有效数字的位数，因此应在使用前了解仪器的精度，即看清仪器的最小分度值。

其中螺旋测微器和秒表的最小分度是一定的。

但游标卡尺上游标尺的最小分度、天平游码标尺的最小分度、弹簧秤和温度计刻线的最小分度，都因具体的仪器情况不同而有所差异，电流表、电压表和多用电表则会因所选择的档位不同而造成最小分度值有所不同，因此在进行这些仪器的读数时，一定要看清所选的档位。

3．使用注意事项：一般不同的仪器在使用中都有其特殊的要求，以下几点要特别注意：
测量长度的仪器------刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器
测量质量的仪器------天平
测量时间的仪器------打点计时器、秒表
测量 力 的仪器------弹簧秤
测量温度的仪器------温度计
测量电学量仪器------电流表、电压表、多用电表
电 学控制仪器------滑动变阻器、变阻箱、开关
⑴天平在进行测量前应先调平衡。

⑵打点计时器所用电源要求为4～6V的交流电源。

⑶多用电表的欧姆档每次换档后要重新调零，被测电阻要与电路断开，使用完毕要将选择开关转至交流电压最高档或“OFF”档。

⑷滑动变阻器、电阻箱和定值电阻使用过程中要考虑其允许的最大电流。

滑动变阻器采用限流接法时，滑动触片开始应位于变阻器阻值最大的位置；滑动变阻器采用分压接法时，滑动触片开始应位于分压为零的位置。

⑸电阻箱开始应处于阻值最大状态，调整电阻箱的阻值时，不能由大到小发生突变，以免因为阻值过小而烧坏电阻箱。

（二）测量仪器的读数方法
1．需要估读的仪器：在常用的测量仪器中，刻度尺、螺旋测微器、电流表、电压表、天平、弹簧秤等读数时都需要估读。

因为最终的读数要以有效数字的形式给出，而有效数字的最后一位数字为估计数字，应和误差所在位置一致，在实际操作中，究竟估读到哪一位数字，应由测量仪器的精度（即最小分度值）和实验误差要求两个因素共同决定。

根据仪器的最小分度可以分别采用1/2、1/5、1/10的估读方法，一般：
最小分度是2的，（包括0.2、0.02等），采用1/2估读，如安培表0～0.6A档；
最小分度是5的，（包括0.5、0.05等），采用1/5估读，如安培表0～15V档；
最小分度是1的，（包括0.1、0.01等），采用1/10估读，如刻度尺、螺旋测微器、安培表0～3A档、电压表0～3V档等，当测量精度要求不高或仪器精度不够高时，也可采用1/2估读。

2．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。

⑴游标卡尺的读数：游标卡尺的读数部分由主尺(最小分度为1mm)，和游标尺两部分组成。

按照游标的精度不同可分为三种：（a）10分游标，其精度为0.1mm；（b）20分游标，其精度为0.05mm；（c）50分游标，精度为0.02mm。

游标卡尺的读数方法是：以游标零刻度线为准在主尺上读出整毫米数L1，再看游标尺上哪条刻度线与主尺上某刻度线对齐，由游标上读出毫米以下的小数L2，则总的读数为：L1+ L2。

⑵机械秒表的读数：机械秒表的长针是秒针，转一周是30s。

因为机械表采用的齿轮传动，指针不可能停留在两小格之间；所以不能估读出比0.1 s更短的时间。

位于秒表上部中间的小圆圈里面的短针是分针，表针走一周是15 min，每小格为0.5 min。

秒表的读数方法t短针读数（t1）+长针读数（t2）。

是：
⑶电阻箱：能表示出接入电阻值大小的变阻器；读数方法是：各旋扭对应的指示点的示数乘以面板上标记的倍数，它们之和就是电阻箱接入电路的阻值。

使用电阻箱时要特别注意通过电阻的电流不能超过允许的最大数值。

二．要点串讲
(一)基本仪器
1．游标卡尺
(1)构造
游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器，它由尺身及能在尺身上滑动的游标组成。

若从背面看，游标是一个整体。

游标与尺身之间有一弹簧片(图中未能画出)，利用弹簧片的弹力使游标与尺身靠紧。

游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。

尺身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径。

深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。

尺身和游标尺上面都有刻度。

以准确到0.1
毫米的游标卡尺为例，尺身上的最小分度是1
毫米，游标尺上有10个小的等分刻度，总长9
毫米，每一分度为0.9毫米，比主尺上的最小分
度相差0.1毫米。

量爪并拢时尺身和游标的零刻
度线对齐，它们的第一条刻度线相差0.1毫米，
第二条刻度线相差0.2毫米，……，第10条刻度线相差1毫米，即游标的第10条刻度线恰好与主尺的9毫米刻度线对齐。

当量爪间所量物体的线度为0.1毫米时，游标尺向右应移动0.1毫米。

这时它的第一条刻度线恰好与尺身的1毫米刻度线对齐。

同样当游标的第五条刻度线跟尺身的5毫米刻度线对齐时，说明两量爪之间有0.5毫米的宽度，……，依此类推。

在测量大于1毫米的长度时，整的毫米数要从游标“0”线与尺身相对的刻度线读出。

(2)使用
用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。

如果对齐就可以进行测量：如没有对齐则要记取零误差：游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差(这件规定
方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左
为负)。

测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左
手拿待测外径(或内径)的物体，使待测物位于外测量
爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数
(3)读数
读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以
毫米为单位的整数部分。

然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度
线对齐，如第6条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为0.6
毫米(若没有正好对齐的线，则取最接近对齐的线进行读数)。

如有
零误差，则一律用上述结果减去零误差(零误差为负，相当于加上相
同大小的零误差)，读数结果为：
L ＝整数部分＋小数部分－零误差
判断游标上哪条刻度线与尺身刻度线对准，可用下述方法：选定相邻的三条线，如左侧的线在尺身对应线左右，右侧的线在尺身对应线之左，中间那条线便可以认为是对准了。

如果需测量几次取平均值，不需每次都减去零误差，只要从最后结果减去零误差即可。

(4)保养
①游标卡尺使用完毕，用棉纱擦拭干净。

长期不用时应将它擦上黄油或机油，两量爪合拢并拧紧紧固螺钉，放入卡尺盒内盖好。

②游标卡尺是比较精密的测量工具，要轻拿轻放，不得碰撞或跌落地下。

使用时不要用来测量粗糙的物体，以免损坏量爪，不用时应置于干燥地方防止锈蚀。

③测量时，应先拧松紧固螺钉，移动游标不能用力过猛。

两量爪与待测物的接触不宜过紧。

不能使被夹紧的物体在量爪内挪动。

④读数时，视线应与尺面垂直。

如需固定读数，可用紧固螺钉将游标固定在尺身上，防止滑动。

⑤实际测量时，对同一长度应多测几次，取其平均值来消除偶然误差。

(5)精度
实际工作中常用精度为0.05毫米和0.02毫米的游标卡尺。

它们的工作原理和使用方法与本书介绍的精度为0.1毫米的游标卡尺相同。

精度为0.05毫米的游标卡尺的游标上有20个等分刻度，总长为19毫米。

测量时如游标上第11根刻度线与主尺对齐，则小数部分的读数为 毫米＝0.55毫米，如第12根刻度线与主尺对齐，则小数部分读数为 毫米＝0.60毫米。

一般来说，游标上有n 个等分刻度，它们的总长度与尺身上(n －1)个等分刻度的总长度相等，若游标上最小刻度长为x ，主尺上最小刻度长为y ，则 nx ＝(n －1)y ， x ＝
y n n 1 ，主尺和游标的最小刻度之差为 Δx ＝y －x ＝y n
1 叫游标卡尺的精度，它决定读数结果的位数。

由公式可以看出，提高游标卡尺的测量精度在于增加游标上的刻度数或减小主尺上的最
小刻度值。

一般情况下y为1毫米，n取10、20、50其对应的精度为0.1，0.05毫米、0.02毫米。

精度为0.02毫米的机械式游标卡尺由于受到本身结构精度和人的眼睛对两条刻线对准程度分辨力的限制，其精度不能再提高。

2．螺旋测微器
螺旋测微器又称千分尺，是比游标卡尺更精密的测量长度的工具,用它测长度可以准确到0.01mm,测量范围为几个厘米。

图上A为测杆，它的一部分加工成螺距为
0.5mm的螺纹，当它在固定套管B的螺套中转
动时，将前进或后退，活动套管C和螺杆连成
一体，其周边等分成50个分格。

螺杆转动的整
圈数由固定套管上间隔0.5mm的刻线去测量，
不足一圈的部分由活动套管周边的刻线去测量。

用螺旋测微器测量长度时，读数也分为两步，即（1）从活动套管的前沿在固定套管的位置，读出整圈数。

（2）从固定套管上的横线所对活动套管上的分格数，读出不到一圈的小数，二者相加就是测量值。

螺旋测微器的尾端有一装置D，拧动D可使测杆移动，当测杆和被测物相接后的压力达到某一数值时，棘轮将滑动并有咔、咔的响声，活动套管不再转动，测杆也停止前进，这是就可以读数了。

不夹被测物而使测杆和砧台相接时，活动套管上的零线应当刚好和固定套管上的横线对齐。

实际操作过程中，由于使用不当，初始状态多少和上述要求不符，即有一个不等于零的读数。

所以再使用之前必须要先调零。

使用螺旋测微器应注意以下几点：
①测量时，在测微螺杆快靠近被测物体时应停止使用旋钮，而改用微调旋钮，避免产生过大的压力，既可使测量结果精确，又能保护螺旋测微器。

②在读数时，要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是否已经露出。

③读数时，千分位有一位估读数字，不能随便扔掉，即使固定刻度的零点正好与可动刻度的某一刻度线对齐，千分位上也应读取为“0”。

④当小砧和测微螺杆并拢时，可动刻度的零点与固定刻度的零点不相重合，将出现零误差，应加以修正，即在最后测长度的读数上去掉零误差的数值。

3. 弹簧秤：
(1)构造和原理弹簧秤测力原理是根据胡克定律，即F拉=F弹=kx，故弹簧秤的刻度是均匀的，构造如图。

(2)保养
①测力计不能超过弹簧秤的量程。

②测量前要注意检查弹簧秤是否需要调零，方法是将弹簧秤竖直挂起来，如其指针不指零位，就需要调零，一般是通过移动指针来调零。

③被测力的方向应与弹簧秤轴线方向一致。

④读数时应正对平视。

⑤测量时，除读出弹簧秤上最小刻度所表示的数值外，还要估读一位。

⑥一次测量时间不宜过久，以免弹性疲乏，损坏弹簧秤。

4. 停表(秒表)：
(1)构造
①外壳按钮——使指针启动、停止和回零。

②表盘刻度——如图所示，长针是秒针指示大圆周的刻度，其最小分度一般是0.1s，秒针转一圈是30s；短针
是分针，只是小圆圈的刻度，其最小分度值常见为0.5min。

(2)使用方法首先要上好发条，它上端的按钮用来开启和止动秒
表。

(3)读数方法所测时间超过0.5min时，0.5min的整数倍部分由分
针读出，不足0.5min的部分由秒针读出，总时间为两针示数之和。

(4)注意事项
①检查秒表零点是否准确。

如不准，应记下其读数，并对读数作修正。

②实验中切勿碰摔秒表，以免震坏。

③实验完毕，应让秒表继续走动，使发条完全放松。

④对秒表读数时一般不估读，因为机械表采用的齿轮传动，指针不可能停在两小格之间，所以不能估读出比最小刻度更短的时间。

5. 电磁打点计时器(电火花打点计时器)：
I．电磁打点计时器
(1)调节和固定
电磁打点计时器使用时应先固定。

它的底
座上有两条凹槽，可用台夹将它固定在实验桌
的边沿或斜面的一端，注意使纸带的中心线位
于物体的运动方向上或与斜面另一端的定滑
轮凹糟的方向一致。

如果单独使用打点计时
器，也可用台夹将它固定在铁支架的支杆上。

把打点计时器接入50赫6伏的正弦交流电源(J1202型或J1202－1型学生电源，打点计时器在4～6伏范围内能正常工作)，让打点计时器开始工作，观察振动片的振动是否均匀。

如果振动不均匀，可调节振动片的调节螺母，直到打点均匀有力，声音清晰、不拖尾巴。

表示打点计时器已能正常工作。

然后关闭电源。

给打点计时器装上复写纸片，移动复写纸的转轴，使复写纸压入压纸框架下。

从纸带限位孔穿入纸带，经复写纸下从另一限位孔穿出。

接上电源，使打点针工作，调节打点针的高低，以刚好能在纸上打出点为准，尽量减少打点针与打点纸带的接触时间。

(2)构造和原理
J0203型电磁打点计时器为磁电式结构，其构造如图。

当线圈通以50赫的交流电时，线圈产生的交变磁场使振动片(由弹簧钢制成)磁化，振动片的一端位于永久磁铁的磁场中。

由于振动片的磁极随着电流方向的改变而不断变化，
在永久磁铁的磁场作用下，振动片将上下振动，其振
动周期与线圈中的电流变化周期一致，即为0.02秒。

图为半个周期时的情况。

振动片的一端装有打点针，当纸带从针尖下通过
时。

便打上一系列点，相邻点之间对应的时间为0.02
秒。

5个间距对应的时间为0.10秒。

(3)频率检查
打点计时器的计时精度主要由振动片的振动频率所决定。

由于振动、碰撞等原因可能使打点频率偏离正常范围(包括出现频率偏移和频率不稳等现象)，影响它的正常工作。

实验前可检查其频率是否正常。

这里介绍用示波器检查打点频率的方法。

将打点计时器的线圈接入6伏交流电源，振动片
接示波器的“y输入”(不能使用旋松紧固螺钉或夹在振
动片上的方法连结，可用导线绕在振动片的固定螺钉
上，避免影响振动频率)，限位板接示波器的“接地”端，
如图。

当打点针与限位板不接触时，示波器y输入上就有一个感应交流电压的正弦信号输入；当打点针与限位板接触时，y输入电压为零，因此在正弦波上留下一个缺口。

若打点器的振动频率稳定，打点针与限位板碰击的时机相同，则正弦波上的缺口位置始终一致；若打点器的振动不稳定，打点针与限位板碰击时机不等，各次缺口出现的位置不同，由于视觉暂留的作用，正弦波看来就会有两个缺口，这时打点纸带上会出现重复性的“双点”。

仔细调节振动片的固定螺钉，直到示波器显示的正弦波只出现一个缺口，打点器的振动频率就核准好了。

(4)造成打点计时器频率不稳或出现“双点”的原因及解决办法
①当振动片的固有频率与电源频率(50赫)相一致时，振动片便产生与电源频率同步的振动，即发生共振，此时打点周期与电源周期一致。

若振动片的固有频率偏离工作电源频率，就会出现打点周期不稳的情形。

振动片的固有周期主要由它的长度决定。

所以可通过调节振动片的长度来调整它的固有周期。

松开振动片的固定螺钉，逐步改变振动片的长度，并观察振动片的振幅，当振幅最大时，表明振动片的固有频率与电源频率一致。

②振动片在线圈框架中的位置及在磁铁之间的位置都必须位于正中间，否则会出现打点周期不稳的现象。

如发现振动片周期不稳，可松开振动片的紧固螺钉，改变垫片的厚度，使振动片位于正中间。

Ⅱ．电火花打点计时器：
电火花计时器的外形如图所示，它可以代替电磁打点计时器使用，也可以与简易电火花描迹仪配套使用。

使用时电源插头直接插在交流220伏插
座内，将裁成圆片(直径约38毫米)的墨粉纸盘
的中心孔套在纸盘轴上，将剪切整齐的两条普
通有光白纸带(20×700mm2)从弹性卡和纸盘轴
之间的限位槽中穿过，并且要让墨粉纸盘夹在
两条纸带之间，这样当两条纸带运动时，也能
带动墨粉纸盘运动，当按下脉冲输出开关时，放电火花不至于始终在墨粉纸盘的同一位置而影响到点迹的清晰度。

也可以用上述尺寸的白纸带和墨粉纸带(位于下面)做实验，例如在简易电火花描迹仪的导轨上就是这样放置的。

还可以用两条白纸带夹着一条墨粉纸带做实验；用电火花计时器做测量自由落体的加速度实验就是这样做的。

墨粉纸可以使用比较长的时间，一条白纸带也可以使用4次，从而降低了实验成本。

电火花计时器使用中运动阻力极小(这种极小阻力来自于纸带运动的本身，而不是打点产生的)，因而系统误差小，记时精度与交流电源频率的稳定程度一致(脉冲周期漂移不大于50微秒，这一方面也远优于电磁打点计时器)，同时它的操作简易，学生使用安全可靠(脉冲放电电流平均值不大于500微安)。

6. 直流电压表和直流电流表
（1）常用电表的规格
直流电流表的量程为0~0.06A~3A ，内阻一般在1Ω以下（毫安表的内阻一般在几欧～几十欧）。

直流电压表的量程为0～3Ｖ～15V ，两个量程的内阻分别约为3k Ω和15k Ω。

（2）读数原则
中学实验中常用3V 和3A 量程估读到量小分度的1/10，15V 量程估读到最小分度的1/5，0.6A 量程估读到最小分度的1/2。

（3）注意事项：
选择适当量程：估算电路中的电流或电压，指针应偏转到满刻度的1/3以上，若无法估算电路中的电流和电压，则应先选用较大的量程，再逐步减小量程。

电流表应串联在电路中，电压表应并联在电路中，两种表都应使电流从正接线柱流入，负接线柱流出。

7. 滑动变阻器和电阻箱
（1）滑动变阻器的两种基本连接方法（设电源r=0）
（2）两种接法选用原则：
R L >10R 时，用分压；R L <2R 时，用限流式，
时，用限流式或分压式均
可。

限流式可省一个耗电支路，而分压式电压调节范围大，它们各有所长，应根据需要选用。

常用的选择方法：
负载电阻的阻值R L 远大于变阻器的总电阻R ，须用分压式电路。

要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调，须用分压式电路。

负载电阻的阻值R
小于变阻器总电阻R或相差不多，且电压电流变化不要求从零调起
L
时，可采用限流接法。

两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流接法总功耗较小。

特殊问题中还要根据电压表和电流表量程以及电阻允许通过的最大电流值来反复推敲，以更能减小误差的连接方式为好。

（3）电阻箱的结构、原理、注意事项。

电阻箱是由多个电阻串联而成，它的原理是通过改变串联电阻的个数，从而达到改变电阻的目的。

它的用途是为实验提供一个可变电阻，它和滑动变阻器的区别是：电阻的阻值可从电阻箱上直接读出，而滑动变阻器的阻值不能直接读出。

不要使通过电阻箱的电流超过其允许的最大电流。

电阻箱使用电阻值的读数为：每挡指示数值乘以相应倍率后相加的总和。

例如，“×1000”相就3，“×100”对应6，“×10”对应0，“×1”对应8，则阻值为3608Ω
8．多用电表的原理和使用
I．多用电表结构：全品高考网
其外形如图所示，它的上半部为表头，表盘上有电流、电压、电阻等各种量程的刻度；下半部为选择开头，它的四周刻着各种测量项目的量程。

另外，还有欧姆表的调零旋钮、机械调零旋钮和测试表的插孔。

多用电表的原理：多用电表是一种多用仪表，一般可用来测量直流和交流电流，直流和交流电压以及电阻等，并且每中测量都有几个量程。

（1）测量直流电流、直流电压的原理和直流电流表、直流电压表的原理相同。

（2）测量电阻：内部电路原理如右图所示，其原理是根据闭合回路的欧姆定律测量，
即。

式中均为定值电阻，不同的R x 对应不同的电流I（当然电流I和被测电阻R x不是正比的关系，所以电阻值的刻度是不均匀的）。

如果在刻度盘直接标出与电流I对应的电阻R x值，可以从刻度盘上直接读出被测量电阻的阻值。

（3）“调零”原理：当两表笔接触时，R x=0，此时电流调到满偏值（最大值），对应电阻值为零。

（4）中值电阻：是多用表电阻档的内阻，当被测电阻R x=时，
通过表头的电流，即通过表头的电流为满偏电流的一半，此时指针指在刻度盘的中央，所以一般叫电阻档的内阻称为中值电阻。

II．多用表的使用方法：
（1）测量电流时，跟电流表一样，应把多用表串联在被测电路中，对于直流电，必须使电流从红表笔流进多用表从黑表笔流出来；
（2）测量电压时，跟电压表一样，应把多用表并联在在被测电路两端，对于直流电，必须用红表笔接电势较高的点，用黑表笔接电势较低的点；
（3）测量电阻时，在选择好档位后，要先把两表笔相接触，调整电阻档的调零旋钮，使指针指在电阻刻度的零位置，然后再把两表笔分别与待测电阻的两端相连。

应当注意：换用欧姆档的另一个量程时，需要重新调整电阻档的调零旋钮，才能进行测量。

9．示波器
实验原理全品高考网
当信号电压输入示波器时，示波管的荧光屏上就反映出这个电压随时间变化的波形来。

示波管主要由电子枪、竖直偏转电极和水平偏转电极组成。

两电极都不加偏转电压时，由电子枪产生的高速电子做直线运动，打在荧光屏中心，形成一个亮点。

这时如果在水平偏转电极上加上随时间均匀变化的电压，则电子因受偏转电场的作用，打在荧光屏上的亮点便沿水平方向匀速移动。

如果再在竖直偏转电极上，加上一随时间变化的信号电压，则亮点在竖直方向上也要发生偏移，偏移的大小与所加信号电压的大小成正比。

这样，亮点一方面随着时间的推移在水平方向匀速移动，一方面又正比于信号电压在竖直方向上产生偏移。

于是在荧。