實驗一基本測量

1、第三章基礎(chǔ)性實驗Chapter 3 Fu ndament a 1 p hysics experiment實驗一基本測量Exper i ment 1 Fundame n tai t e ch no logy o f meas u r i n g實驗目得 E x perim e n t a 1 pur p ose1. 掌握游標卡尺、外徑千分尺米、天平得測量原理與使用方法。2. 掌握用流體靜力稱衡法測量形狀不規(guī)則物體密度得測量原理與方法。3. 學會實驗數(shù)據(jù)得處理方法,正確寫出測量結(jié)果表達式。實驗原理 E x periment a 1 pr i nc i pie®1 .測不規(guī)則物體得密度(d

2、etermining density of irregular objects )設(shè)物體在空氣中得重量為必二為物體得質(zhì)量)，若它全部浸入水中得 視重為w?= iH2g(ni2為物體在水中得表觀質(zhì)量)，則物體所受浮力為實重與視重之 差：(1) 式中，心為水得密度，不同溫度下水得密度可查表得知。曲此可得物體得體積：(2) 將(2)式代入，得物體密度p:(3)若待測物體得密度小于液體得密度，則可采用在待測物體下拴掛重物得方法 進行測量。所拴掛重物得大小,以拴掛后待測物體能浸沒于液體中為準。如圖1 (a)所示,先使待測物、重物分別處于液面得上、下，即只將重物浸沒液體中，此時 稱衡，相應得舷碼質(zhì)量為加4

3、；再將待測物連同重物全部浸入液體中進行稱衡，如圖1(b)所示，相應得眩碼質(zhì)量為則物體在液體中所受得浮力為物體得密度為。(4)其中，口為待測物在空氣中得質(zhì)量。避開不易直接測量得體積V,將其轉(zhuǎn)換 為只需測量較易測準得質(zhì)量稱衡問題，就是流體靜力稱衡法得優(yōu)點。一般在實驗時，液體常用水a(chǎn)即水得密度。不同溫度下水得密度值詳見本書 得附錄。ab圖1小密度值得測定為減小或消除可能存在得天平不等臂系統(tǒng)誤差,宜采用交換法(也稱復稱法) 測量。2測液體得密度(dete r mining dens i ty o f li q u id )用靜力稱衡法測液體得密度，要借助于不洛于水并且與被測液體不發(fā)生化學 反應得物體(

4、一般用玻璃塊等)。設(shè)物體得質(zhì)量為將其懸吊在被測液體中得稱衡值為朋懸吊在水中稱衡 值為加°。則依阿基米德定律有液體中水中式中山為物體得體積®為待測液體得密度0）為水得密度。山此二式消去V,得（5） 若以式（3沖皿"2分別代替式中加a與"2c,則式（5）變?yōu)閷嶒瀮x器 E xperime n tai de v ice1.游標卡尺（v e r n i e r ca 1 iper）我們通常用量程與分度值表示長度測量儀器得規(guī)格。量程就是測量范RI, 分度值就是儀器所標示得最小分度單位。分度值得大小反映儀器得精密程度。游標卡尺得精度（分度值）有0.02mm,0.05m

5、m,O. 10mm三種、常見得游標卡 尺如圖2所示。游標卡尺一般由尺身（主尺）、尺框（附游標）、量爪與深度尺等組成。尺身上 刻有間距為1mm得刻度，尺框可沿尺身滑動,游標固定在尺框上。外量爪用來 測量物體得長度與外徑，內(nèi)量爪用來測量內(nèi)徑，深度尺用來測量深度。圖2三用游標卡尺1）游標原理游標卡尺得設(shè)計，一般有以下兩類： 若主尺上S-1）個分格得長度等于游標上刀個分格得長度，如圖3（a） 所示。設(shè)主尺每格長度為億游標每格長度為6則有游標卡尺得精度為(7) 主尺上(2刀-1)個分格得長度等于游標上n個分格得長度，如圖2( b)所示， 即° 游標卡尺得精度為°2) 讀數(shù)方法圖3所示

6、游標卡尺主尺一分格得長度為«= 1 mm,游標上一分格得長度為b =0. 98mm,分度值為mm=0. 0 2mm。游標上第1根刻線與主尺上第1根刻線 對齊時，游標“0”刻線與主尺“0”刻線之間距離為1x0. 02 mm;兩尺第2根刻線 對齊時，兩“0”刻線之間距離為2x0. 02mma依此類推，兩尺第加根刻線對齊時, 兩“0”刻線之間距離為7HX 0 .0 2 mmo因此,游標可用來測量毫米以下得長度。圖3游標卡尺得讀數(shù)使用游標卡尺進行測量時，首先要弄清楚分度值就是多少，然后瞧清楚游標第 兒根刻線與主尺得某刻線對齊，具體步驟如下： 山游標“0”線在主尺上得位置讀出整毫米數(shù)k

7、6; 若游標第m根刻線與主尺上某刻線對齊，則從游標上讀出毫米以下小數(shù) 部分為mXi,則有待測尺寸二k+ m X /例如圖3所示得游標卡尺得分度值/=0.0 2 mm,游標上第22根刻線與主尺 上得刻線對齊，則有待測尺寸二k+ mXi= OOmm + 37XO. 02mm=10 0 .74mm直接讀數(shù)法:游標尺得分度值為0.02mm,游標尺上得數(shù)字表示為0mm、0.2mm. ，則上圖對齊線得讀數(shù)為074mm,待測尺寸=100mm+ 0 .74 mm =1 0 0 .74mm3 ）注意事項 測量前檢查游標卡尺。應將量爪間得臟物、灰塵與油污等擦干凈。 工件得被測量表面也應該擦干凈,并檢查表面有無毛刺

8、、損傷等缺陷，以免 刮傷游標卡尺量爪得測量面或測量刀口，影響測量得結(jié)果。 測量小零件時，可用左手拿零件、右手拿卡尺進行測量，如圖4（a）,對比較長得 零件，要多測幾個位置,如圖4（b）o2外徑千分尺（螺旋測微訃m i crometer screw）外徑千分尺（見圖5）就是比游標卡尺更精密得長度測量儀器，乂稱為螺旋測微計，主要用來測量工件得外部尺寸，精度一般可達0.01 mmo結(jié)構(gòu)如圖5所示，A為測砧，F(xiàn)為測微螺桿，它得螺距為0.5mm得螺紋，當它在固定套管B得螺套中轉(zhuǎn)動時，將前進或后退，可動套管刻度E與測桿F連成一體，其 周邊等分為50個分格。D為粗調(diào)旋鈕，D'為細調(diào)旋鈕，也稱為棘輪裝

9、置，擰動D' 可使測桿移動，當測桿與被測物（或砧臺E）相接后得壓力達到某一數(shù)值時，棘輪將 滑動并有咔、咔得響聲,活動套管不再轉(zhuǎn)動，測桿也停止前進,鎖住制動旋鈕，這時 就可讀數(shù)。設(shè)置棘輪可保證每次得測量條件（對被測物得壓力）一定，并能保護 螺紋與測桿，測桿與砧臺相接時，活動套管上得零線應當剛好與固定套管上得橫 線對齊。原理就是精密螺紋得螺距為0. 5mmo即D每旋轉(zhuǎn)一周，F(xiàn)前進或后退0 .5mm, 可動刻度E上得刻度為5 0等分，即把0 .5mm分為5 0等份，則可動刻度E上得每個 刻度為0. 0 1mm,即精度為0.01 mm o讀數(shù)方法，被測物得長度得整毫米數(shù)與半毫米部分111固定刻

10、度讀出，小于半亳 米得部分山可動刻度E讀出，但就是要注意固定刻度上表示半亳米得刻度線就是 否已經(jīng)露出。螺桿轉(zhuǎn)動得整圈數(shù)由固定刻度上間隔0 .5mm得刻線去測量，不足 一圈得部分由可動刻度去測量，二者相加就就是測量值。使用外徑千分尺測量時，要注意防止錯讀整圈數(shù)，圖6所示得三例，（a）得 讀數(shù)為0 .00 2 mm （b）得讀數(shù)為6、5+0、1 3 5=6.63 5 mm,（ c ）得讀數(shù)就是5+13、 5 = 5.1 3 5mm。千分尺得零誤差，測桿與砧臺相接時,活動套管上得零線應、"l剛好與固 定套管上得橫線對齊。實際使用得 外徑千分尺，由于調(diào)整得不充分或 使用得不當，其零點讀數(shù)不為

11、零, 圖7表示兩個零點讀數(shù)得例子。要 注意它們得符號不同，順刻度序列 得記為正值，反之為負值。圖7千分尺得零點讀數(shù)每次測量之后，要從測量值中減去零點讀數(shù)，以便對測量值進行修正。3. 天平（balance）天平就是稱衡物體質(zhì)量得精密儀器，天平具有穩(wěn)定性、靈敬性、正確性與示 值不變性四種性能。穩(wěn)定性就是指天平在其平衡狀態(tài)被擾動后，經(jīng)過若干次擺動 仍能回復到原來得平衡位置。天平指針第/次擺動幅值人與下一次擺幅值A(chǔ)+i 之比稱為衰減比。靈敬性就是指天平察覺兩稱盤所放物體質(zhì)量之差得能力，通常 用靈敬度S二表示，丿”就是指針偏轉(zhuǎn)分格數(shù)加就是稱盤上所加得微小質(zhì)量。靈 敬度得倒數(shù)就是感量E=.正確性就是指天平

12、得等臂性。示值不變性就是指在不 改變天平工作狀態(tài)得情況下，多次開啟天平時其平衡位置得重復性。對比上述四 項性能指標，物理天平不及工業(yè)天平。物理天平如圖8所示。i/Ju天平得操作程序就是：肉8韌埋大十1）調(diào)水平調(diào)天平得底腳螺絲，觀察鉛錘或圓氣泡水準器，將天平立 柱調(diào)成鉛直。2）調(diào)零點 空載時支起天平，通過橫梁兩端得調(diào)節(jié)螺母，進行零點調(diào)節(jié)。但 就是對比較靈敬得天平，很難使指針停在標尺中點處，所以一般要求觀察指針 得停點與標尺中點相差不超過0、5格。3）稱衡。一般將物體放在左盤，舷碼放在右盤。升起橫梁觀察平衡。若不平 衡按操作程序反復增減舷碼直至平衡為止。平衡時，舷碼與游碼讀數(shù)之與即 為物體得質(zhì)量。

13、4）復原（天平復原、舷碼放回盒中）常用得稱量方法：一般稱量方法有直接稱量法（單稱法）與交換稱量法（復稱法）。1 ）直接稱量法得公式為式中，刃I就是舷碼得質(zhì)量;S就是荷載靈敬度；a就是停點;m就是空載時得停 點。2）交換稱量法得公式為式中"人分別就是物體放在左盤時舷碼得質(zhì)量與停點;7皿右分別就是物體放 在右盤時舷碼得質(zhì)量與停點。實驗任務 Ex p erimental assignme n t1. 用游標卡尺測量圓柱體得直徑D與高度也，各測6次，記入數(shù)據(jù)表格中; 進而山圓柱體得體積心=，寫出心得測量結(jié)果表達式，用天平測量圓柱 體得質(zhì)量m（,進而計算圓柱體得密度。2. 用外徑千分尺測量鋼珠

14、得直徑D2,各測6次;進而由鋼球得體積,寫出得 測量結(jié)果表達式。3. 測量不規(guī)則物體得密度p1）測量物體在空氣中得表觀質(zhì)量加I；2）稱出物體浸沒于水中得表觀質(zhì)量加,采用交換法亦可）；3）測讀水溫,查表記錄該溫度下水得密度內(nèi);計算p°4. 測定蠟塊得密度/1）測出蠟塊在空氣中得表觀質(zhì)量加3；2）按圖3、1、（a）,將蠟塊吊在空氣中，使重物浸沒水中，測出加I；3）按圖3、1、（b），將蠟塊與重物都浸沒在水中,測出加5;4）測岀水溫，由表中查出",計算“注意事項（can t ions）1. 天平稱衡時，每次用鑲子加減舷碼或取放物體時必須使天平止動，只有在判斷天平就是否平衡時才啟動

15、天平。天平啟、止動時動作要輕。2. 浸沒物體時,托板與燒杯得位置、細線得長度及液體得數(shù)量均適宜。3. 稱衡后，檢查、調(diào)整天平得橫梁、吊耳、舷碼等，以使天平始終保持正常狀 態(tài)。4. 天平得各部分以及舷碼都要防銹、防蝕，高溫物體及帶腐蝕性得化學藥品 不得直接放在秤盤內(nèi)稱衡。5. 操作完畢，天平復原，璉碼放回盒中。數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理(data record i ng a n d pr o c es s ing)例用游標卡尺測量圓柱體舉例：1)數(shù)據(jù)記錄表格(tab 1 e o f data r e co r ding)量具:，量程:mm,A i ns=0.02mm，零點讀數(shù)：表1項目次fDi(mm)I

16、l (mm)134、7030、10234、7030、1233 4、6830、1 0434、6830、1053 4、703 0、1 2634.7030、1234、6930、1 10、0100.0104、 2x10 34、4x10-3A A =20、010、0 1Ab0、020、020、0 20、0 2空氣中待測規(guī)則物體質(zhì)疑得袪碼示值m 0=2)測量結(jié)果表達式(expr e ssion of me a su r i n g res u It) =3 4、69+0> 02 (mm)=3、4 69±0、00 2 (cm)= 3 0、1 1+0 > 02 (mm ) =3、0 1

17、l±0、002(cm) .*.=28458、3 2 (mn?)、3x100、1 3%(mm3)(因為只取丨位有效數(shù)字)這樣末位與取齊尸2 8 4 6xl0(mm3)o圓柱體體積得結(jié)果表達式為Vi=(2 8 46±4 ) xl0mm'=2 8、4 6± 0 .04 c n?用天平測質(zhì)量數(shù)據(jù)表格：天平型號：，稱量:，分度值:水溫:,查表知水得密度po=思考題Ex e rcises1. 游標卡尺得設(shè)計一般有兩類,對照實驗提供得游標卡尺確定它屬于哪一 類？精度就是多少？怎樣正確使用游標卡尺？2. 外徑千分尺活動套管每轉(zhuǎn)一格，測桿移動多少毫米？3. 棘輪有什么用處?

18、怎樣正確使用外徑千分尺？4. 您用得外徑千分尺得零點讀數(shù)就是多少？就是正還就是負？怎樣確定 得？兒次測量得零點讀數(shù)一樣嗎？待測長度如何確定？5. 建議您用具有統(tǒng)訃功能得訃算器，以教材中圓柱體得測量數(shù)據(jù)為例，親自 計算一下，瞧就是否與教材中得結(jié)果一樣？如不一樣，一定找出產(chǎn)生錯誤 得原因，直到算對為止，這樣您處理實驗數(shù)據(jù)時才會心中有數(shù)。6. 流體靜力稱衡法測固體密度有什么優(yōu)點？此法對待測物試件有什么要 求？7. 天平得主要技術(shù)參數(shù)就是什么？簡要說明其意義。8. 有人把天平得使用要點總結(jié)為四句話：“稱量、分度值先瞧清，柱直、梁 平、'游碼'零,物左、碼右、制動勤，儀器用畢收拾凈”。請給出解釋。9. 在使用物理天平測量前，應進行哪些調(diào)節(jié),如何消除天平不等臂誤差？10. 若待測物體得密度比水得密度小，則測其密度時應測哪些物理量？11 .測時，待測物體置于水中得位置如何選擇？12.只有在時，才能將天平啟動，否則必須將天平止動。關(guān)鍵詞key words游標卡尺Cal i per gaug e with ver n i e r外徑千分尺（螺旋