牢記注意事項,確保精確測量

胡靈芝

物理是一門以實驗為基礎的學科,在學習物理的過程中,要注重培養(yǎng)學生對物理實驗的操作能力和對實驗現(xiàn)象的觀察能力。但在實際學習中,學生對實驗儀器的使用及注意事項不是很重視,因而在實驗過程中出現(xiàn)很多問題,引起較大的實驗誤差,甚至實驗錯誤。本文主要講的是初中物理實驗中常用的刻度尺、天平、彈簧測力計等器材在使用的過程中要注意的問題。

一、刻度尺使用過程中要注意的問題

刻度尺是測量物體長度的工具,同學們所使用的刻度尺分度值一般為1 mm。用刻度尺測量長度是物理實驗的基本技能,也是其他測量儀器正確讀數的基礎。

1. 正確使用刻度尺

使用時注意正確放置和正確讀數。

正確放置的關鍵:尺邊對齊被測對象,必須放正重合,不能歪斜;尺的刻面必須緊貼被測對象,不能“懸空”。

正確讀數的關鍵:視線在終端刻度線的正前方,視線與刻面垂直,看清大格及小格數。

2. 正確記錄測量結果

一般情況下應估讀到最小分度值的下一位。如學生用的三角尺最小刻度是1 mm,用它測量長2 cm的長度,若正好對準在刻度線上時,正確記錄應為2.00 cm,其中2.0 cm是尺面準確讀出的數值(準確值),由于無估計讀數,需在毫米的10分位上加“0”。

注意:記錄測量結果時必須寫上相應準確值、估計值、測量單位。

3. 正確認識誤差

①誤差產生的原因來自于測量儀器的準確程度、實驗原理的局限性、環(huán)境與人為的主觀因素等。因此,任何測量中的誤差都是不可避免的,只能設法減小誤差,不可能消除誤差。誤差與錯誤不同,錯誤是由于方法不當、人為主觀因素(讀錯、記錯等)造成的,是實驗中必須避免的。

②減小誤差的途徑:選用準確度較高的測量儀器、采用科學的測量方法、熟練實驗技能等。在一般實驗中,減小誤差的有效途徑是取多次測量的平均值(這種方法對偶然誤差的減小有效)。

還可以利用刻度尺先測量出長度,繼而算出面積或體積。

例1 一塊長方形的均勻鋁箔,用天平和刻度尺能不能求出它的厚度?如果能,說出你的辦法。

解析 用刻度尺可以間接測量出長方形均勻鋁箔的面積S,用天平可以稱出它的質量m。然后根據公式m=ρSh可得到h=,即可求出鋁箔的厚度h。

例2 油漆工在漆地板前,需要估測出所用油的質量。請說出一種估測方法并說明依據。

解析 需要估測地板的面積以及刷油的厚度,從而估算出油的體積,再根據密度公式算出油的質量。

二、天平使用過程中要注意的問題

在實驗室里,人們通常用天平來測各種物體的質量。根據測量精確程度的要求不同,實驗室里通常有兩種天平,一種是托盤天平,一種是物理天平。不管是托盤天平還是物理天平,每一架天平的銘牌上都標有最大稱量和感量兩個物理量。如一架托盤天平的銘牌上標有:“最大稱量:500 g 感量:0.5 g”,則說明此天平能稱量的最大質量為500 g,若稱量超過500 g的物體的質量,就容易損壞天平;感量表示能使天平橫梁發(fā)生擺動的最小質量——即此天平能精確測出的最小質量(天平的精確度)為0.5 g。托盤天平和物理天平的一個不同之處就是它們的精確度不一樣,托盤天平的感量一般為0.1~1 g之間(托盤天平的感量往往由該天平游碼標尺的最小刻度來決定),而物理天平則往往精確到幾毫克到幾十毫克之間(物理天平的感量由砝碼盒中的最小砝碼質量決定)。因此,物理天平要比托盤天平精確得多,現(xiàn)以托盤天平為例,談談如何正確使用天平。

1. 天平平衡調節(jié)

①將游碼移到橫梁標尺左端的零刻度處。

②調節(jié)平衡螺母,調節(jié)的方法是“左偏右移,右偏左移”,即指針指在橫梁標尺中央紅線的左邊時,就將平衡螺母向右移;指在中央紅線的右邊時,就將平衡螺母向左移。指針指在橫梁標尺中央紅線處或在中央紅線兩邊等幅擺動時,表明天平已經平衡。

注意:天平調平后,不得搬動,不得調換左右托盤,否則要重新調節(jié)平衡。

2. 稱量時,要遵循“左物右碼”的原則,即物體放在天平左邊的托盤里,砝碼放在天平右邊的托盤里。在加減砝碼時,先估計物體的質量,選擇合適的大砝碼,不夠再加小一號的砝碼,以此類推,當加至沒有更小的砝碼時,就向右慢慢移動游碼,這相當于在右盤中加小砝碼,直至天平橫梁再次平衡。這時,物體的質量等于右盤中砝碼的總質量和游碼指示的示數之和。

注意:天平不能用來稱量超過其測量范圍的物體的質量,在進行多次測量時,每測量一次都要重新調節(jié)平衡。

例1 用天平能否測出墨水瓶的容積?如果能,說出你的辦法。

解析 先稱出空墨水瓶的質量m1,再稱出墨水瓶中盛滿水后的質量m2,由m2-m1求出水的質量,用公式V=求出水的體積,即可知道墨水瓶的容積。

例2 有一堆大頭針約幾百個,你能利用天平很快知道其數量嗎?說出你的辦法來。

解析 用天平稱出10個大頭針的質量,再求出1個大頭針的平均質量。用天平稱出這堆大頭針的總質量,用總質量除以1個大頭針的質量,即可求得這堆大頭針的大約個數。

三、彈簧測力計使用過程中要注意的問題

1. 使用彈簧測力計之前,先要拉一拉測力計,檢查彈簧是否靠在刻度盤上,觀察彈簧伸長是否受阻,若彈簧受摩擦,測力計的示數將偏小。

2. 根據被測力的大小選擇量程合適的彈簧測力計,不能超過其量程,否則會損壞測力計,選擇量程過大的測力計也容易產生較大的測量誤差。在量程合適的情況下,應選擇最小分度值較小的彈簧測力計,測量結果更精確。

3. 使用前要檢查彈簧測力計的指針是否在零刻度位置,如果沒有指在零刻度位置就需要調零。調零的方法是通過移動指針并用手輕輕抖動掛鉤,確保彈簧與外殼無摩擦,并用標準的砝碼來檢查示數是否準確。在示數準確無誤后,方能使用。

4. 被測力的方向應與彈簧測力計的軸線方向一致。在使用測力計測力時,只有保證了被測力的方向與彈簧的伸長方向在一條直線上,才能保證彈簧與外殼間無摩擦(聽不見摩擦聲為準)。根據二力平衡的條件,這時彈簧測力計的示數才是被測力的大小。

5. 使用過程中,彈簧、指針、拉桿都不能與彈簧測力計的刻度板和刻度板末端的限位卡發(fā)生摩擦,這樣可以減小測量過程中產生的誤差。若指針與限位卡相互接觸,說明被測力超過了測力計的測量范圍,容易損壞測力計。

6. 讀數時,視線應與指針所指刻度線相平,先讀出大格的讀數,再讀小格的讀數。讀數前先弄清每大格每小格表示力的大小及彈簧測力計最小分度值,讀數時盡量加快讀數時間,避免彈簧因測量時間過長,導致彈簧疲勞,無法完全恢復,以后的測量不準確。

7. 使用彈簧測力計時不允許把測力計倒掛著使用,即將物體掛在拉環(huán)上,手提掛鉤。這樣做會使彈簧測力計自身的重力加到讀數上,使測量結果比真實值大,產生較大的誤差。

例1 現(xiàn)有一個大容器和足夠的水,兩塊三角板,一把刻度尺,一個彈簧測力計,一個金屬圓柱體,細線若干。請你說出利用上述器材測定金屬圓柱體密度的兩種不同方法,要求寫出用什么儀器和測什么物理量,并用符號表示測出的量,寫出圓柱體密度的最后計算式。

解析 (方法一)用彈簧測力計測出圓柱體的重量G,用三角板、刻度尺測出圓柱體的高h、直徑d。則圓柱體密度ρ==。

(方法二)用彈簧測力計測出圓柱體的重量G,用細線系著圓柱體掛在彈簧測力計下面,讓圓柱體浸沒在水中,讀出彈簧測力計示數F。由F浮=G-F=ρ水gV排,V排=V物,則圓柱體密度ρ==。

例2 小明彎曲手中的鋼鋸片,感覺到彈力大小與彎曲程度有關,同時他猜想彈力大小可能還跟鋼鋸片的長度有關。于是,他和同學合作進行了下面的實驗:將鋼鋸片夾在厚書內,伸出的長度(簡稱為長度)用L表示,鋼鋸片形變量(彎曲程度)用X表示,鋼鋸片的彈力用F表示,實驗數據如下表:

(1)由______兩次實驗數據分析可知,鋼鋸片在形變量X一定時,彈力F隨長度L的增加而_________(選填“增大”或“減小”)。

(2)由第3~7次的實驗數據可知,鋼鋸片在長度L一定時,彈力F跟形變量X成______比。

(3)請用表中鋼鋸片長度L為25 cm時的數據,在坐標紙上畫出彈力F與形變量X關系的圖象,分析圖象還可得到什么結論。

解析 這是由彈簧測力計變化而來的一道題目,主要考查了對控制變量法的把握,雖然里面有很多新名詞,但不會影響同學們解題。

(1)由題設知道,當形變量X一定時,表格中有三組實驗序號可供選擇:1和2、1和3或2和3。無論是哪種,彈力F都是隨長度L的增加而減小的。這一問有一定的開放性。

(2)從表格中可以看到,從第3~7次的實驗數據可知,當鋼鋸片在長度L一定時,彈力F隨著形變量X的增加而成線性增大,即兩者成正比。

(3)利用描點作圖法,可以作出彈力F和形變量X關系的圖象,從圖象里面可以看到,當形變量X大于5時,就不再是直線了,即當鋼鋸片超過一定的形變量,彈力F和形變量X就不再滿足線性關系了。