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1、物理实验设计与应用 （初中） 朱炯明 上海师范大学 数理信息学院 我们的实验室 物理实验设计与应用 二 长度测量 三 密度的测定 五 用单摆法测重力加速度 二长度测量 l 实验目的 l 实验原理 l 实验内容 l 思考题 l 附录 实验目的 l 本实验的长度测量所涉及到的测长量具和方法是 日常生活、工作中最常用的，也是最基本的。同时 也是现代高精度测量仪器的基本组元之一，是一切 测量的基础。 l 通过本实验的学习，要掌握游标卡尺、千分尺和 读数显微镜的构造特点、规格性能、读数原理、使 用方法以及维护知识等，并注意在以后的实验中恰 当地选择使用。 实验原理 1. 游标卡尺 2. 螺旋测微计（千分
2、尺） 3. 读数显微镜 1. 游标卡尺 （1）游标卡尺的结构 （2）游标读数原理 （3）游标卡尺的读数 l 读数 l 零点修正 游标卡尺的结构 游标是为了提高角度、长度微小量的测量精度而采 用的一种读数装置。测量用的游标卡尺就是用游标 原理制成的典型量具。游标卡尺的外形结构如图 2- 1所示。 游标量具是由主尺（固定不动）和沿主尺滑动的游 标尺组成的。 游标卡尺的结构 (1) 深度尺 (2) 尺身 (3) 尺框 (4) 固定螺栓(5) 下量爪 (6) 游标 (7) 刀口型量爪 图 2-1 游标卡尺的结构 当拉动尺框(3)时，两个量爪做相对移动而分离， 其距离大小的数值从游标(6)和尺身(2)上
3、读出 l 下量爪(5)用于测量各种外尺寸 l 刀口型量爪(7)用于测量深度不深于12 mm的孔 的直径和各种内尺寸 l 深度尺(1)同定在尺框(3)的背面，能随着尺框在 尺身(2)的导槽(在尺身背面)内滑动，用于测量各种 深度尺寸，测量时，尺身(2)的端面A是测定定位基 准 游标读数原理 l 游标量具的组成 主尺 （固定不动） 游标尺（沿主尺滑动） l 游标分度值：主尺一格（两条相邻刻线间的距离 ）的宽度与游标尺一格的宽度之差 l 游标卡尺的主尺刻度为每格 l mm，游标分度值 有 0.10 mm、0.05 mm、0.02 mm 三种 游标读数原理 l 十分游标： 把游标尺等分为十个分格 l
4、图 2-2 是它的读数原理示意图：游标上有10个分 格，其总长正好等于主尺的 9个分格。主尺上一个 分格是 1 mm，因此游标上10个分格的总长等于 9 mm它一个分格长度是 0. 9 mm，与主尺一格的 宽度之差（游标分度值）为 0. 10 mm。 图 2-2 游标读数原理 从图 2-2(a)中两尺（游标尺和主尺）的“0”线对齐 开始向右移动游标尺 l 移动 0.1 mm，两尺的第一根线对齐，两根“0”线 相距为 0.1 mm l 移动 0.2 mm，第二根线对齐，“0”线相距 0.2 mm l 移动 0.9 mm，第九根线对齐，“0”线相距 0.9 mm 该值就是游标 尺在该位置时 主尺的
5、小数值 图 2-2 游标读数原理 l 利用游标原理可以准确地判断游标尺的“0”线与 主尺上刻线间相互错开的距离，该距离的大小，就 是主尺的小数值 l 当量爪(5)之间夹一纸片时，游标尺上第二根线 与主尺第二根线对齐，则纸片厚度为 0.2 mm 见图 2-2(b) 图 2-2 游标卡尺的读数 l 整数值：游标尺的“0”线是读毫米的基准，主尺 上挨近游标“0”线左边最近的那根刻线的数字就是 主尺的毫米值 l 小数值：游标尺上哪一根线与主尺上的刻线对齐 ，将该线的序号乘游标分度值（也可在游标尺上直 接读出） l 测量值： 将整数和小数相加 （见图 2-3） 图 2-3 游标卡尺的读数 读数时要注意
6、l 主尺上刻的数字是厘米数 例如：主尺上刻度 13 是表示 13 cm，即 130 mm l 游标尺上刻的数字是游标分度值 例如：刻度 0.05 mm、 0.02 mm 和 0.10 mm 分别表示游标分度值 为 0.05 mm、0.02 mm 和 0.10 mm 图 2-3 游标卡尺的读数 从图中看到 l 整数是 132 mm，因为主尺的第 132 根刻度线 挨近游标尺的“0”线的左边 l 小数是 0.05 mm 9 = 0.45 mm，因为游标尺的 第 9 根刻度线与主尺上的一根刻度线对齐 l 故两次读数之和 为 132.45 mm 图 2-3 游标卡尺的读数（零点修正） 零点修正 测量之
7、前，检查游标尺和主尺在量爪(7)合拢时， 零线是否重合 如不重台，应记下零点读数加以修正 例如，零点读数为 I0，测量读数值为 I1，则待测量 I = I1 - I0 （ I0 可正可负 ） 2. 螺旋测微计（千分尺） l千分尺的结构 l千分尺的读数原理 图 2-4 千分尺千分尺 千分尺的结构 1. 测砧 2. 测微螺杆 3. 固定套筒 4. 微分筒 5. 测力装置 6. 锁紧装置 7. 护板 8. 后盖 图 2-4 千分尺的结构 l 固定套筒上的标尺刻度在水平基线的上下 l 上面刻度线是 mm数，下面刻度线在上面二刻线 之中，表示 0.5 mm l 微分筒端部圆周上等分 50 个刻度 l 千
8、分尺结构的主要部件是一个高精度螺旋丝杆， 螺距是 0.5 mm。根据螺旋推进原理，微分筒转过 一周，测微螺杆位移一个螺距距离 0.5 mm l 微分筒转过一分度，相当于测微螺杆位移 0.5 mm50 = 0.01 mm 千分尺的读数原理 读千分尺和读游标尺一样，也分三步： l读整数 l读小数 l求和 图 2-5 读整数 l 微分筒的端面是读取整数的基准 l 微分筒端面左边固定套筒上露出的刻线的数字就 是主尺的读数，即整数 图 2-5 读小数 l 固定套筒的基线是读取小数的基准 l 微分筒上是哪一条剡线与固定套筒的基线对齐 l 如果固定套简上的 0.5mm 刻线没有露出，则微分 筒上与基线对齐的
9、那条刻线的数字就是测得的小数 l 如果 0.5mm 刻线已露出，则微分筒上读得的数字 再加上 0.5mm才是测得的小数（ 这点要特别注意） l 如果微分筒上没有任何一条刻线与基线恰好对齐 ，则应该估读到小数点后第三位数 求和 将两个读数（整数和小数）相加，即为所求的测量 结果 图 2-5 给出了读数示例 图 2-5 3. 读数显微镜 l 读数显微镜的结构 和测量原理 l 读数显微镜的使用方 法 图 2-6 读数显微镜的结构和测量原理 读数显微镜是用于精确测量微小长度的专用显微镜 。它主要由用于测量的螺旋测微装置和用于观察的 显微镜两部分组成。图 2-6 是实验室常用的读数显 微镜之一。 图 2
10、-6 读数显微镜的结构和测量原理 测微鼓轮A的周边上刻有100个分格，鼓轮旋转一 周，显微镜简水平移动 1 mm，每转一分格，显微 镜简将移动 0.01 mm，它的量程一般是 50 mm，水 平移动的距离（毫米数）由水平标尺 F上读出，小 于 l mm 的数，由测微鼓轮读出，两者之和就是此 时读数显微镜的位置坐标值，图 2-6(b)是读数显微 镜的螺旋测微装置，它包括标尺 F、读数准线 El 和 E2、测微鼓轮A。 读数显微镜的使用方法 a) 调整目镜C，看清十字叉丝 b) 将待测物安放在工作台上，转动反光镜H，以 得到适当亮度的视场 c) 旋动调焦手轮D，使镜筒B下降到接近物体的表 面，然后
11、逐渐上升，看清待测物 d) 转动测微鼓轮A，使叉丝交点和被测物上的一 点（或一条线）对准，记下读数，继续转动鼓轮 ，使叉丝交点对准另一点，再记下读数。两次读 数之差即所测两点间的距离 读数显微镜的使用方法 测量时，显微镜筒的移动方向和被测两点间连线平 行。为了防止螺距差，测量时应向同一方向转动鼓 轮，若不小心超过了被测目标，就要退回，再重新 测量 实验内容 1用钢板尺多次测量圆柱体的长度和直径，求出 长度和直径的平均值 2用游标卡尺多次测量金属圆管的内、外直径和 管的长度求出金属圆管的总表面面积 3用千分尺多次测量金属小球和金属细丝的直径 ，要在不同方向上测小球的直径，在不同位置测细 丝直径，
12、分别求出金属小球和细丝的平均直径 4用读数显微镜测量毛细管内径在垂直的两个 方向上各测三次，给出平均内径 思考题 1. 利用细铁丝和米尺怎样测量开口比较小的瓶子？ 请写出实验方案 2. 用棉线、米尺和手表怎样测量蚊香燃烧的速度？ 请写出实验方案 附录1 千分表 千分表是一种测量微小长度变化的量具，其外形及 内部结构如图 2-7 和 2-8 所示。外套管(4)可用以固 定千分表，测头(6)连接表盘中一0的指针(2)，当(4) 被固定后，(6)每被压缩 1 mm 时，(2)就转过一圈 ，表盘上等分100小格。 模拟试题 1. 已知游标卡尺的分度值为 0.02mm，主尺最小刻 度为 0.5mm，则游
13、标的格数为（） A. 10格B. 15格 C. 20格D. 25格 2. 用分度值为 0.02mm 的游标卡尺测某物体的长度 ，正确的数据记录为（ ） A. 67.88mmB. 5.67mm C. 45.748mmD. 36.9mm 模拟试题 3. 螺旋测微计的初读数在测量时会造成（ ） A. 系统误差B. 偶然误差 C. 过失误差D. 以上三种都不正确 4. 用螺旋测微计测一直径为1.5 mm左右的小钢球 时，因忘记注意下面的半毫米刻度，其测量所得结 果可能是 （ ） A. 2.062 mm B. 1.562 mm C. 1.062 mm D. 0.562 mm 模拟试题 5. 螺旋测微计初读数如图1（a）所示， 其值为 mm，测量物体时，读数如图1（b ）所示，其值为 mm，则待测物 体的长度为mm。 图1（a）图1（b）
