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第五讲 物理实验

【命题趋向】
高考理综卷对物理实验的考查越来越重视，实验考查不仅仅局限于教材中已成型实验,而是要求学生在所掌握的实验原理．技能的基础上自行设计实验。这就要求学生能明确实验目的，理解实验原理，掌握实验方法，会正确使用仪器．控制实验条件，能记录并处理数据．得出结论。因此设计性实验是实验复习的重点也是高考得分的难点，考生应引起高度重视。
【考点透视】
高考实验考查主要从三个方面进行，一是基本仪器的使用，二是数据的记录和处理，三是设计实验即注重学生对实验原理．方法的理解程度及其迁移应用能力的考查。高考实验题大多以选择．填空题形式出现。
一、基本仪器的使用

1．高考中要求会使用的仪器：
（1）不需读数的仪器：打点计时器．滑动变阻器．示波器（不要求读数）
（2）需要读数的仪器： ①不需估读数字：秒表．电阻箱．游标卡尺 ②需要估读数字：
刻度尺．螺旋测微器．弹簧称．温度计．电流表．电压表．多用电表
2．估读数值的原则：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。
重点：游标卡尺．螺旋测微器的使用及读数，电压表．电流表及多用电表的使用及读数
【例题解析】
例1．用如图所示的一种十分度游标卡尺(游标尺10等份总长19mm)测量小球的直径，则直
径为___
4
2
3
0
2
4
6
8
10
cm
主尺

游标尺

解析：读尺上读数为：22mm
该游标尺的精度为：
游标尺上读数为：6×0.1=0.6mm
所以小球直径为:22.6mm
思维点拨： 游标卡尺读数方法:先在主尺上读出游标尺0刻度线前的整mm数,然后读出
游标尺上与主尺刻度线对齐的格数×精度=游标尺读数,最后把两读数相加得到结果.
方法总结: 游标卡尺读数关键是掌握设计原理。精度的计算方法:游标尺上每一格长度为
19mm÷10=1.9mm,与2mm比较差0.1mm,则精度为0.1mm.

5
0
20
25
15
例2．右图中螺旋测微计的读数为 。
解析：主尺上读数为：6.5mm
螺旋尺上读数为22.3×0.01mm=0.223mm
所以读数为:6.723mm
思维点拨：：螺旋测微计主尺分刻度分两部分，标有
数字部分为整mm数，另一部分为半mm数；螺旋尺
的螺距为0.5mm, 共分50格，所以精度为0.01mm,读数时还应估读到下一位，所以螺旋
测微计读数结果以mm为单位小数点后应有三位数。
【能力训练】
1．按照有效数字规则读出下列电表的测量值。
0
1
2
3
0
5
10
15
V
0
0.2
0.4
0.6
0
1
2
3
A
（1） （2）

接0~3V量程时读数为________V。 接0~3A量程时读数为_______A。
接0~15V量程时读数为_______V。 接0~0.6A量程时读数为______A。
2．如图（a）所示是利用双缝干涉测定单色光波长的实验装置，滤光片的作用是_____，单缝
的作用是_______________，双缝的作用是______________，单缝和双缝之间的方向关系
是_______________．某同学在做该实验时，第一次分划板中心刻度对齐A条纹中心时
（图1），游标卡尺的示数如图3所示，第二次分划板中心刻度对齐B条纹中心时（图2），
游标卡尺的示数如图4所示，已知双缝间距为0.5mm，从双缝到屏的距离为1m，则图3
中游标卡尺的示数为__________mm．图4游标卡尺的示数为_______________mm．实验
时测量多条干涉条纹宽度的目的是______________，所测单色光的波长为___________m．

（a）

图甲
图乙
1
10
0
11
0
10
5
10
5
0
【高考预测】
1．当游标卡尺的外测量爪合拢后，游标的零刻度在主尺零刻度的左端，如图甲所示，用该
游标卡尺测量一物体长度时，得到如图乙所示的情况，则物体的实际长度为 。

二、数据记录．处理和误差分析
（1）．有效数字：测量读数（直接测量）要求按有效数字的规则来读写，但对有效数字
的运算不做要求，间接测量的结果一般写为2～3位有效数字就可以了，或按题目
要求取有效数字。
（2）．数据处理的基本方法
①列表法：通过表格对数据进行比较，找出物理规律。
②作图法：充分利用图像的斜率．截距．包围面积的物理意义分析处理数据
③平均值法：注意应按原来测量的数据的准确度决定保留的位数
【例题解析】
例3．某物理兴趣小组为了求一满足规律的小型交流发电的电动势瞬时值的表
达式，先用交流电压表测出了发电机空载时电压为U=3V，然后在发电机转轴上固定一
个有一定厚度的半径为r的轻质圆盘，可以绕通过中心的水平轴转动，让它与纸带．打
点计时器组合成如图所示装置。
实验步骤：（1）如图所示，将电磁打点计时器固定在桌面上，将
纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后，固定在圆盘的侧面上，
使得圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面上。
（2）打点计时器接通电源，打点计时器开始打点，启动发电机使
圆盘转动。
（3）经过一段时间，关闭发电机和打点计时器接通电源，取下纸带，进行测量。
①由已知量和测得量的符号表示的电动势瞬时值的表达式为e =__ _。式
中各量的意义是：
②某次实验测得圆盘半径r=5.50×10-2m，得到的纸带的一段如图所示。求得的e表
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
单位：cm
达式为___ ___ ___。（Em．ω用具体数字表示）

解析：①设T为电磁打点计时器打点的时间间隔，r为圆盘的半径，x1．x2分别是纸带上
选定的两点所对应的米尺上的刻度值，n为选定的两点间的打点数（含两点）。则纸带的
速度为，由于纸带与圆盘之间不打滑，则圆盘边缘的线速度亦为
，由匀速圆周运动的规律有，联立上面两式可得圆盘匀速转动时
的角速度为：（n=2，3，……），所以e的表达式为
②在图中给出的纸带上任取两点，读出其米尺上的刻度值x1．x2，并将
T=0.02s．r=5.50×10-2m及n值代入，可求出ω1值，重复上述步骤，求出ω2．ω3，再取
其平均值即为ω的值得ω=6.8rads-1（6.75～6.84均可）。则e的表达式为
（V）
思维点拨：求交流电电动势瞬时值表达式关键一是求最大值，二是求发电机转动的角速
度ω。本题中，电压表测的是电动势的有效值，故最大值；纸带处理问题，
一要注意单位换算，二是注意给出纸带上的点是实际打出的点还是记数点，若是计数点
要注意两计数点间的时间间隔。
例4．图甲为用伏安法测量电阻的原理图。图中， V
为电压表，内阻为4000Ω；A

为电
流表，内阻为50Ω。E为电源，R为电阻箱，Rx为待测电阻，S为开关。
（1）当开关闭合后电压表读数U＝l.6V，电流
表读数I＝2.0mA。若将作为测量
值，所得结果的百分误差是________。
（2）若将电流表改为内接如图乙。开关闭合
后，重新测得电压表读数和电流表读数，
仍将电压表读数与电流表读数之比作为
测量值，这时结果的百分误差是_______。
(百分误差 )
解析：（1）测量值为，因电流表外接，所以，故真实值为
，对应的百分误差．
（2）电流表内接时，百分误差．
思维点拨：误差分析的关键是找出误差的来源。在伏安法测电阻的实验中，外接法误差
来自电压表的分流作用，内接法误差则是电流表分压作用引起的。根据来源情况求出真
实值即可求百分误差了。
三、设计性实验（实验原理和方法的迁移应用）
（一）设计要求
中学的设计型实验一般要求考生根据题目提出的目的．要求和给出的器材，设计出实验方案．这类题对考的要求较高，要求能将课本中分组实验和演示实验的实验原理．实验方法迁移到新的物理情景中，考生需深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要有较强的创新能力．
（二）设计原则
①可行性原则：即原理要正确
②安全性原则：主要涉及仪器的量程选择．正确使用等方面
③可操作性原则：实验要有便于操作，容易控制，便于数据处理等
④精确性原则：实验要考虑尽量减少误差，同样涉及量程选择等方面内容
（三）设计关键
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解决设计型实验问题的关键是确定实验原理，它是进行实验设计的根本依据和起点，它决定应当测量哪些物理量．如何安排实验步骤．如何处理数据等．
实验原理的确定：一是根据问题的要求，二是根据问题的条件．
（四）设计思路
明确实验目的→设计实验原理→根据原理设计多种实验方案→对方案进行可行性分析,筛选确定最佳方案
（五）重点．难点：电学实验设计问题
1．实验仪器的选择：
电流表．电压表选择：从安全性考虑，要求电流．电压不超过电流表．电压表量程，从准确性考虑，要合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般要大于满偏度的1/3）。
滑动变阻器的选择：注意电流不得超过其允许通过的最大电流。大阻值电阻，一般不宜采用。
2．测量电路的选择（电流表的内．外接问题）
（甲）所示电路为电流表外接电路（简称外接法）；
（乙）所示电路为电流表内接电路（简称内接法）。
两种接法的选择可按下列方法进行：
粗选法：一般来说，测小电阻用外接法，测大电阻用内接法
细选法：
①．当<时，电压表分流作用小，应选用外接法
当>时，电流表分压作用小，应选用内接法
a
b
c
当=时，两种方法均可。
②．试触法：在．均不知的情况下采用。如图
所示，分别将a端与b．c接触，如果前后两次电流表
示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，
应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表分压作用
大，应采用外接法。
3．控制电路的选择（变阻器限流．分压问题）
甲
乙
为了改变测量电路（待测电阻）两端
的电压（或通过测量电路的电流），
常使滑动变阻器与电源连接作为控
制电路，滑动变阻器在电路中主要
有两种连接方式：如图（甲）为滑
动变阻器的限流式接法。如图（乙）
是滑动变阻器的分压式接法。
选取原则：
①要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。
②负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接
法对电路基本起不到调节作用。
③采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额
定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。
④需要用描点法作图问题一般用分压式接法
⑤负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表．电流表示
数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。
⑥两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小。
4．实物图的连接：
（1）要求：
①连接电表应注意量程选用正确，正．负接线柱不要接错。
②各导线都应接在接线柱上，导线中间出现分叉，导线不交叉。
③滑动变阻器在接线时要特别注意不能将线接到滑动触头上。
（2）方法：
①画出实验电路图。
②分析各元件连接方式，明确电流表与电压表的量程。
③画线连接各元件。连线顺序应先画串联电路，再画并联电路。 一般先从电源正极开
始按电流方向先将干路和最靠近电源的支路连成回路，然后依次连好远离电源的各支
路，电压表可最后才连到要测部分的两端。连接完毕，应进行检查，检查电路也应按照
连线的方法和顺序。
【例题解析】
例5．为测量一量程为1.5V，内阻约为1500Ω的电压表V的内阻，提供以下器材：干电池E
（电动势3V），电阻箱R，滑动变阻器R’（10Ω），电流
表(量程15mA)，开关，导线若干。
（1）请在右边方框中画出实验电路图
（2）写出实验需记录的数据并用符号表示：

（3）测量结果（用上问中符号表示）Rv=

解析：测量电路设计：待测电压表的满偏电流Im≈1mA，所以不能直接用电流表测通过
电压表的电流，可以采用电阻箱来分流，即让电阻箱与待测电压表并联，然后与电流表
V
A
R’
S
E
R
串联组成测量电路，电阻箱所分电流约为电压表电流的14倍，故电阻箱电阻调至约为
电压表内阻的1/14，即100Ω左右。
控制电路选择：用粗选法：R’比R并小得多，故应选分
流接法。用细选法：若接成限流式接法，当R’电阻调
至最大（10Ω）时，R并≈10R’，即电压表两端电压若
为U=10E/11≈2.7V超过了其量程，因此只能用分压式
接法

（1）测量电路如图所示
（2）需记录数据电压表读数U，电流表示数I，电阻箱阻值R
（3）因为，被测电压表电流为，故
思维点拨：当电流表与电压表量程不匹配时，可借助电阻箱与电流表间接测出待测部分
电流。此时，电阻箱充当了电流表的角色，体现了“替代”的物理思想。
方法总结:
V
V
2
R’
S
E
【变式题】：上题中，若没有提供电流表，而是提供一只量程为3V，内阻R2=2500Ω的
电压表V2，又该如何测量？
解析:新提供电压表V2满偏电流Im=1.2mA，接近于待
测电压的的满偏电流，设计电路时可以将两表直接串
联，此时电压表V2当电流表用，可测得V的电流为
， U2为电压表V2的示数设此时V的读
数为U，则待测电压表内阻为：
思维点拨：已知电阻的电流表可作小量程电压表用，已知电阻的电压表可作小量程电流
表用。
例6．下图是用来测量未知电阻Rx的实验电路的实物连线示意图，图中Rx是待测电阻，阻值
约为几千欧；E是电池组，电动势6V，内阻不计；V是电压表，量程3V，内阻r=3kΩ；
R是电阻箱，阻值范围0－9999 Ω，R1是滑动变阻器，S1和S2是单刀单掷开关。
主要的实验步骤如下：
a．连好电路后，合上开关S1和S2，调节滑动
变阻器的滑片，使得电压表的示数为3.0 V.
b．合上开关S1，断开开关S2，保持滑动变阻器
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的滑片位置不变，调节电阻箱的阻值，使得
电压表的示数为1.5 V.
c．读出电阻箱的阻值，并计算求得未知电阻Rx
的大小.
d．实验后整理仪器.
①根据实物连线示意图，在虚线框内画出实验的电路图，
图中标注元件的符号应与实物连接图相符。
②供选择的滑动变阻器有：
滑动变阻器A：最大阻值100Ω，额定电流0.5 A滑动变
阻器B：最大阻值20Ω；额定电流1.5 A。为了使实验的
系统误差尽量小，实验应选用的滑动变阻器是 。
③电阻箱的旋钮位置如图所示，它的阻值是 。
④未知电阻Rx= 。
⑤测量值与真实值比较，测量值比真实值 。
（填“偏大”．“相等”或“偏小”）
解析：①电路图如右图
②半偏法测电阻，要求测量部分电压不变，即要求测量部分与滑
动变阻器右半部分并联的总电阻不变，据并联电路特点知，当
＜＜R测时，并联的总电阻由决定，故应先B
③1400Ω
④Rx= 2625 Ω（Rx和电压表内阻相差不多，它们并联后的阻值
和电阻箱阻值相同。） 。
⑤偏大（提示：断开S2后，电路总电阻增大，分压器上分到的
电压略大于3 V，当把电压表示数调到1.5 V时，电阻箱上的电
压将略大于1.5 V,因此电阻箱的阻值略大于Rx和电压表的并联阻值。）
思维点拨：此题采用了半偏法测Rx的电阻。 此法关键是如何保证S2断开和闭合时测量
电路电压基本不变。
方法总结:测量电压表和电流表内阻时，一般不能直接用伏安法进行测量，因为电流表电
阻太少，其两端电压太小用电压表测误差太大，同理，电压表电阻太大，其上通过的电
流太小，电流表测误差太大。故电流表．电压表内阻测量常用半偏法，替代法等。半偏
法测电压表内阻时，要求R滑＜＜RV，这种方法测得电阻偏大。半偏法测电流表内阻时，
要求R滑＞＞RA，这种方法由于电阻箱与电流表并联后总电阻变小，总电流变大，故电
阻箱电阻略小于RA，测得电阻偏小。在使用替代法时注意，已知电阻的电流表可作小量
程电压表用，已知电阻的电压表可作小量程电流表用。
【能力训练】
3．为了测量两个电压表VA．VB的内电阻，可以提供的仪器有
器材（代号）
规 格
电压表（VA）
量程5V,内阻RA待测（约3000Ω）
电压表（VB）
量程3V,内阻RB待测（约2500Ω）
电流表（A）
量程3A，内阻r3=2.5Ω
电阻箱（R1）
阻值范围0－9999.9Ω
电阻箱（R2）
阻值范围0－99.9Ω
滑动变阻器（R3）
阻值为0－50Ω．额定电流1.5A
滑动变阻器（R4）
阻值为0－10Ω．额定电流1A
电池（E）
电动势12V,内阻约0.5Ω
电键（S）
单刀开关两个
导线若干

（1）在设计电路时,能否选用电流表A,并说明
原因
（2）选用的器材有
导线若干。（填代号）
（3）为了测量两个电压表内电阻，请设计一个测量电
路，在方框中画出电路图
（4）需要测量的物理量（并用符号表示）

（5）根据上面测量数据得出两电压表内阻的计算式：RA= ，RB=

【高考预测】
2．有一电阻Rx，其阻值在400～500Ω之间，要测量它的阻值，要求消除因电压表和电流表
内阻引起的误差，实验器材有：
安培表A，量程6mA,内阻约为20Ω
电压表V1，量程为6V，内阻约10kΩ
电压表V2，量程为3V，内阻约3kΩ
变阻器R1，变阻范围0～20Ω
变阻器R2，变阻范围0～1000Ω
电源E，电动势E=9V
开关两个，导线若干。
（1）在右图框中画出所用实验电路图。
（2）写出简单实验操作步骤及记录数据(用符号表示)

（3）测量结果表达式(用上问中对应符号表示)Rx=
【专题训练】
1．一多用表的电阻挡有三个倍率，分别是×1，×10，×100.用×10挡测量某电阻时，操作
步骤正确，发现表头指针偏转角度很大，为了较准确地进行测量，应换到 挡，如
果换挡后立即用表笔连接待测电阻进行读数，那么缺少的步骤是 ，若补上
该步骤后测量，表盘的示数如图，则该电阻的阻值是 Ω.
2．现要测定一根尼龙丝能承受的最大拉力F，手头只有一个质量为m的砝码（已知F＞mg）
和一个米尺．请回答：
（1）画出实验方案的示意图；
（2）其中需测量的物理量是__________；
（3）尼龙丝能承受的最大拉力F的表达式是_________．
3．如图（乙）所示，将包有白纸的圆
柱棒替代纸带和重物，蘸有颜料的
毛笔固定在马达上并随之转动，使
之替代打点计时器．当烧断挂圆柱
的线后，圆柱竖直自由落下，毛笔
就在圆柱白纸上划出记号，图（甲）所示，测得记号之间的距离依次为26、42、58、74、
90、106mm，已知马达铭牌上有“1440r／min”字样，请说明如何由此验证机械能守恒．
4．用以下器材测量一待测电阻的阻值。器材（代号）与规格如下：
电流表A1（量程250mA,内阻r1为5Ω)；标准电流表A2（量程300mA,内阻r2约为5Ω）；
待测电阻R1（阻值约为100Ω）；滑动变阻器R2（最大阻值10Ω）；电源E（电动势约为
10V，内阻r 约为1Ω）；单刀单掷开关S，导线若干。
（1）要求方法简捷，并能测多组数据，画出实验电路原理图，并标明每个器材的代号.
（2）需要直接测量的物理量是_______,用测的量表示待测电阻R1的计算公式是R1＝____。

5．用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（约100Ω）
电源E，电动势约为6.0V，内阻可忽略不计；
电流表A1，量程为0—50mA，内阻r1=20Ω；
电流表A2，量程为0—300mA，内阻r2=4Ω；
定值电阻R0，阻值为20Ω
滑动变阻器R，最大阻值为10Ω；
单刀掷开关S，导线若干。
①要求测量中尽量减小误差，并测多组数据。
试在虚线框中画出测量电阻Rx的一种实验电路
原理图（原理图中的元件要用相应的英文字母标注）。
②若某次测量中电流表A1的示数为I1，电流表A2的
示数为I2。则由已知量和测量量计算Rx的表达式为Rx= 。
参考答案
【能力训练】
1．解析：量程是3V和3A时，最小分度是0.1V和0.1A,应估读到下一位，而量程为15V和
0.6A时，最小分度为0.5V和0.02A，所以只需估计到当前位。
答案：（1）2.17；10.8；（2）0.80；0.16
2．解析：条纹间距为
由得：
答案：获得单色光，产生线光源，产生相干光源，平行，11.5mm，16.7mm，减小实验误
差，6.5×10－7．
3．解析：（1）电流表A不能选用，电流表量程太大，测量不准确
（2）VA．VB ．R1 ．R3．S
（3）如右图所示
（4）闭合S1，断开S2，读出电压表读数VA1．VB1
闭合S2，调节R1的阻值为R时，读出电压表读数VA2．VB2
（5）

点拨：本题中相当于VB作电流表用，也可认为VA与R1并联当电流表用。

【高考预测】
1．解析：游标尺的外测量爪合拢后，游标尺的零刻度在左边，且游标尺第3条刻度线与主
尺对齐，说明该尺的零误差L0=0.3mm－1mm=－0.7mm，用该游标尺去测量时，如图乙
V1
A
S1
E
V2
S2
Rx
R2
R1
所示物体的实际长度为
答案：
2．解析：（1）电路图如图所示
（2）闭合S1．S2，调节R1．R2使V1示数为V2示数
的2倍，然后断开S2，保持R2滑片位置不变，调节
R1读出电流表A及电压表V2的示数I．U
（3）待测电阻阻值为：
点拨：由闭合S1．S2，调节R1．R2使V1示数为V2示
数的2倍，可知此时R2与电压表V2并联的总电阻跟
Rx相等断开S2之后由于R2未调节，故电压分配关系不发生变化，即V2两示数总与Rx
两端电压相等，而电流表测的又是通过Rx的电流。所以。
【专题训练】
1．×1、 调零（或重新调零）． 22
2．（1）实验方案的示意图如图所示．
（2）需要测量的量是：尼龙丝的长L和刚好拉断时两悬点间的距离l．
（3）尼龙丝能承受的最大拉力的表达式是
3．其方法如下：
①由马达铭牌“1440 r／min”算出毛笔画的线距时间间隔了（s）
②根据算出任意选取的相邻两条线的瞬时速度．
（m/s）
（m/s）
∴（J）
而（J）　　　　验证完毕．
4．（1）实验电路图如图所示。
⑵两电流表A1． A2的读数为I1．I2和电流表A1的内阻为r1，
待测电阻R1的阻值的计算公式是：
5．①电路图如右图所示
A1
A2
RX
R0
②

13