实验仪器的读数方法

实验中常用仪器及其正确操作方法.
一、误差与有效数字
1、误差:
测量的数值与真实值的差异称为误差.误差分系统误差和偶然误差两种.

系统误差是指仪器本身不精确或实验方法粗略或实验原理不完善而产生的.它使测量值要么都偏大要么都偏小.比如在安培表内接法测电阻时,测量值总是比真实值大,这就是实验原理不完善而产生的.

偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被侧量物的影响而产生的,它有时偏大有时偏小,而且偏大和偏小的概率是相同的,我们可以多进行测量几次取平均值来解决这类问题.


2、有效数字: 用毫米刻度尺量书本时,量得长度为184.2mm,最末一位字2是估计出来的,是不可靠数字,但仍然有意义,仍要写出来.这种带有一位不可靠数字的近似数字,叫做有效数字.有效数字中,数2.7、2.70、2.700的含义是不同的,它们分别代表二位、三位、四位有效数字,数2.7表示最末一位数这7是不可靠的,而数2.70和2.700则表示最末一位数字0是不可靠的,因此,小数最后的0是有意义的,不能随便舍去或添加.但是,小数的第一个非零数字前面的零是用来表示小数点位置的,不是有效数字,例如,0.92、0.085、0.0063都是两位有效数字,大的数目,如36500Km,如果是三位有效数字,就写成3.65×10
4Km.


在物理实验中有估读要求的仪器(如螺旋测微器)一定要有估读.实际计算时取二到三位有效数字即可.

注意在平时的估算题中,了解有效数字的计算规则是有好处的:它们是(1)有效数字与别的数相加减、相乘除,所得的结果是不可靠的(2)计算结果只能保留一位不可靠数字.

二、常用仪器的使用
1、要估读的仪器
中学阶段对仪器的估读,一般来讲,就是把最小刻度十等分,对于最小刻度是以1结尾的,应估读到最小刻度的1/10位,比如米尺的最小刻度是1mm,就要估读到0.1 mm.对于最小刻度是以2、5等数字结尾的,方法较杂,可以把最小刻度十等分,观察指针指在第几等分,就是第几等分乘上最小刻度的1/10,不过最后数字肯定是2或5的倍数。

常用仪器中要估读的仪器有刻度尺、螺旋测微器、天平、弹簧秤、温度表、电流表、电压表、多用电表.


(1) 螺旋测微器:螺旋测微器(又叫千分尺)是比游标卡尺更精密的测长度的工具.用它测长度可以准确到0.01毫米.这是因为测微螺杆前进或后退0.5毫米.可动刻度正好转一周,而一周分成50等分,每一等分表示0.01毫米,所以能精确到0.01毫米,但要估计到毫米的千分位.在使用时,在测微螺杆快靠近被测物体时,应停止使用旋钮,改用微调旋钮.这样就不致在测微螺杆和被测物体间产生过大的压力,既可以使测量结果精确,又可以保护螺旋测微器.螺旋测微器读数时先读固定部分露出的部分,这部分与一般刻度尺差不多,但多了个半毫米的刻度,再读可动的螺旋部分的刻度,要估计一位,并乘上0.01mm,二者相加就行.


由图示螺旋测微器可知,其示数为:3.5mm+20.8×0.01mm=3.708mm

(2)电压表与电流表:这是分别用来测电压和电流的仪器,电流表常用的量程有0.6A和3A两个量程,而电压表常用的量程有3V和15V两种量程.当然选择量程要考虑安全性与准确性相结合的原则,不是量程越大越好.如果实验过程中指针所指的最大位置不到三分之一,说明量程选的太大了.比如一个用电器得到的最大电压是4V,那么我们应选用3V量程的档位,也许有同学认为不安全了,其实电路中有滑动变阻器的保护不会损坏电表的,这样的话测量电压就准确多了.


另处电压表和电流表都有电阻的,必要时我们可以把它们看成是一个能知道自己电压或电流的电阻而已.若电表的内阻知道了,电表还可以反串使用,即电压表可以知道流过自已的电流,而电流表可以知加在自已上面的电压.使用时外部的电源正极要接电表的"+"极,外部电源的负极要接电表的"-"极.读数要参考有效数字的要求.
(3)多用电表:它一般可测交流电压(用符号"~"表示),、直流电压、直流电流(用符号"-"表示)和电阻四样,它的电阻刻度是不均匀的,而且左边是最大的,右边是0,这与电流和电压表的标法相反.测量前,应先检查表针是否停在左端的"0"位置,否则,要用小螺丝刀轻轻地转动表盘下边中间的调整定位螺丝,使指针指零.万用表有两根测试笔,将红表笔和黑表笔分别插入正(+)、负(-)测试笔插孔测量时,应把选择开关旋到相应的项目和量程上.读数时,要看跟选择开关的挡位相应的刻度.



测量电流时,跟电流表一样,应把万用表串联在被测电路里;对于直流电,还必须使电流从红表笔流进万用表,从黑表笔流出来.
B测量电压时,跟电压表一样,应把万用表和被测部分并联;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.
C测量电阻时,在选择好选择开关的挡位后(它常见有×1、×10、×100、×1K四档,以指针指在当中为最佳),要先把两根表笔相接触,调整欧姆挡的调零旋钮,使指针指在电阻刻度的零位上(注意,电阻刻度的零位在表盘的右端).然后再把两表笔分别与待测电阻的两端相接,进行测量(别忘了读数要乘上档位).换用欧姆挡的另一量程时,需要重新调整欧姆挡的调零旋钮,才能进行测量.

应当注意,测量电阻时待测电阻要跟别的元件和电源断开.测量时,注意手不要碰到表笔的金属触针,以保证安全和测量的准确;使用后,要把表笔从测试笔插孔拔出,并且不要把选择开关置于欧姆挡,以防电池漏电;长期不使用时,应把电池取出.

特别注意的是红表笔内接电源的负极,而黑表笔内接电源的正极,即测电阻时电流是从黑表笔流出的,这对判定未知元件是二极管还是电阻有重要作用.


2、不要估读的仪器:不用估读的仪器有游标卡尺(其实也要估读,只是高中段不要求)、秒表、电阻箱.


(1)游标卡尺:游标卡尺是比较精密的测量长度的仪器,它可测外径(下测脚)、内径(上测脚)与深度(窄片).用它来测量长度可以准确到0.1mm(游标10等分)、0.05mm(游标20等分,总长19 mm)和0.02mm(游标50等分,总长49 mm).对精度为0.1 mm的游标尺而言,游标尺上有10个小的等分刻度,它们的总长等于9毫米.因此游标尺的每一分度比主尺的最小分度相差0.1毫米.精度就是0.1 mm.在测量大于1毫米的长度时,整的毫米数由主尺上读出,十分之几毫米从游标上读出.


(2) 秒表:机械秒表使用前要上发条,不同秒表使用方法不同.老式秒表第一次按压,秒表开始记时;第二次按压,指针停止走动,秒表此时显出两次按表之间的时间;第三次按压,指针均回零刻度处.秒表外面大刻度显示的是秒针的刻度,每圈是30秒,内部小圆是分针的刻度,每格是1分种,中间有一小格显示半分种的位置.在所测时间超过0.5分时,0.5分的整数部分由分针读出,不足0.5分的部分由秒针读出,总时间为两针读数之和,右图中分针的读数1.5分,就是90秒,秒针的读数为11.2秒,不需要估读,共是101.2秒.



(3)电阻箱:电阻箱有插入式和开关式(又叫筒式)两种,下面左图中的是插入式电阻箱,这里的铜塞起短路作用,如果把3、5两个铜塞拔起,电流就必须通过4欧姆与6欧姆两个电阻,则该电阻箱的电阻值是10欧姆.右图中就是开关式电阻箱,它的读数应该是各开关上旋转后与指针对应的数字乘上相应的量程再相加就成.比如此图中的电阻大小就是1×1000+4×100+0×10+3×1=1403(Ω).另外电阻箱的调节很有讲究,无论从小阻值调到大阻值还是从大阻值调到小阻值都要先让电阻变大再变小,这样可以有效防止短路.