大物实验主体内容

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1、1 实验实验 1 基本力学量测量基本力学量测量 【预习要点】 1、 游标卡尺的测量原理。 2、 螺旋测微器（千分尺）的测量原理。 【一、问题】 直尺、游标卡尺、螺旋测微器都是基本测量工具，在日常生活、工程应用等得到了大量使用，那么， 【二、分析】 1、 测量方法分析测量方法分析 1.1 直尺直尺 在精确度、尺寸范围要求不高的情况下，进行一般长度测量，常用直尺。直尺有多种规格，诸如 15cm、30cm、100cm 等，其最小分度值一般为 1mm，测量长度时一般需要估读到最小分度值的 1/10。 为避免测量者因观测角度不同造成读数误差， 测量时必须使直尺的刻线紧贴在待测物体上，如图 1-1 所示。

2、 图 1-1 直尺测量示意图 测量过程中需要注意的是， 一般不用直尺的边沿作为测量的起点， 而是选择某一整刻度线作为起点，以避免因边缘磨损而引入误差。 1.2 游标卡尺游标卡尺 游标卡尺一般由主尺和游标组成，其外形如图 1-2 所示。游标可在主尺上滑动，通过固定螺钉固定，另外内量爪、外量爪分别用来测量物体的内径和外径，部分游标卡尺带尾尺用来测量深度。 对于对于直尺、游标卡尺、螺旋测微器，如何进行基本测量直尺、游标卡尺、螺旋测微器，如何进行基本测量呢？呢？ 2 图 1-2 游标卡尺结构图 游标卡尺是一种利用游标提高测量精度的常用测量仪器。用 a 表示主尺的最小分度值，b 表示游标的分度值，n 表

3、示游标的格数。若使 n 个游标分度的长度与主尺上的（n-1）个最小格的长度相等，即 nb = (n-1)a，则游标上的分度与主尺的最小分度相差 1/n mm，这就是游标的精度。如主尺上最小分度为 1mm，其游标上的格数分别为 10、20、50，则游标上的分度值（最小读数）分别为 0.1mm、0.05mm、0.02mm。相应的游标卡尺则叫做 10 分度、20 分度、50 分度的游标卡尺。 下面以 50 分度的游标卡尺为例来说明游标卡尺的读书方法。 使用游标卡尺测量时，首先根据游标上“0”线所对主尺的位置，如图 1-3 所示，在主尺上读取整毫米位的数值； 再找到游标上与主尺的某刻线对齐的那条线，

4、该线左面游标上的示数就是十分位之数值，其百分位的数值是剩余部分的小格数目0.02mm, 三部分之和，就是要读取的数据。例如在图 1-3 中读数为： 图 1-3 游标卡尺读数示意图 24mm+0.2mm+30.02mm =24.26mm 其他游标卡尺读数方法与此类同。 图 1-4 给出了几种常用工件用游标卡尺测量时的操作方法。 游标 主尺 内量爪 外量爪 3 图 1-4 游标卡尺的使用方法 1.3 螺旋测微计螺旋测微计（器）（器） 螺旋测微计（也叫千分尺）结构的主要部分是一个装在架子上的精密螺杆，如图 1-5 所示。它主要由一个精密的测微螺杆与螺母套管组成。测微螺杆在主尺 A 的内部，套筒 D

5、套在主尺 A 外与测微螺杆相连。D 转一圈，测微螺杆转一周，前进或后退一个螺距（0.5mm） 。套筒边缘 d 均匀刻有 50 分格，称为螺尺。螺尺每转过一个分格，螺杆前进或后退 0.01mm ，螺旋测微计的准确度为 0.01mm。测量时可估测 1/10 分度值，即 1/1000mm。K 是制动开关，可使螺杆制动。 图 1-5 螺旋测微计 测量时，应轻轻转动轮旋柄，推动螺旋杆前进，把待测物体刚好夹住。读数时，先由主尺上毫米刻度线读出毫米读数，若露出上面的半毫米刻度线，应增加 0.5mm,剩余尾数由螺粗调旋钮 微调旋钮 测微螺杆 止动旋钮 主尺 螺尺 4 尺读出。如图 1-6（a） 、 （b）所示

6、，其读数分别是 5.740mm、3.016mm。 使用螺旋测微计时，应进行零点校正。注意观察 a、b 端面吻合时，即两面刚好接触，套筒上的零线是否与主尺上的准线对齐， 若没有对齐而显示某一数值， 该数值称为零点读数（或零差） 。顺刻度序列的修正值为正，逆刻度序列的修正值为负，如图 1-7 所示，测量结果应减去该修正值。若零点与准线对齐，修正值为零。 图 1-6 螺旋测微计读数示意图 （a）零差+0.022mm （b）零差-0.021mm 图 1-7 螺旋测微计零差读数 思考题思考题 1 使用螺旋测微计没有进行零点校正，将对测量结果产生什么影响？使用螺旋测微计没有进行零点校正，将对测量结果产生什

7、么影响？ 【三、注意事项】 1 使用游标卡尺时，应注意将被测物轻轻卡住即可读数，切忌将被测物在卡口内拉动 2 使用游标卡尺测完后，应将量爪保持一定缝隙，放回盒内。 3 使用螺旋测微计时，不得直接拧转螺尺套筒 D，必须旋转顶端旋柄 e，以免损坏精密螺纹。 4 读数时应注意螺尺套筒的前沿是否露出半毫米刻线，若露出半毫米刻线，应加上0.5mm。 5 仪器使用完毕，钳口端面 a、b 应留一空隙，以免热膨胀时 a、b 过分压紧而损坏螺纹与端面。 【四、实验内容与要求】 1. 用游标卡尺测各种待测物体的尺寸，并自拟表格记录。 2. 用螺旋测微计测小球的直径和薄片物体的厚度，并自拟表格记录。 3. 对不同工

8、具测量的结果进行比较，给出结论。 5 【五、数据记录及处理】 数据记录参考表格： 测量次数 直尺 游标卡尺 螺旋测微计 i )mm(iL (mm) iL (mm)iL 1 2 3 4 5 6 【六、附录】 附录 1 常见问题与解答 1、游标卡尺测量实验中人的视线需要注意什么？ 在游标卡尺上读数时，应把卡尺水平的拿着，朝着亮光的方向，使人的视线尽可能和卡尺的刻线表面垂直，以免由于视线的歪斜造成读数误差。 附录 2 实验拓展与应用 1 张秋莲. 游标卡尺的检定、调试及修理方法,中国计量,2011,9:117-118. 2 但渝霞. 游标卡尺测量误差来源分析,计量与测试技术,2009,8(36):1

9、2-14. 3 张广平,李高清.螺旋测微器实验教学中两个问题的研究.大学物理实验,2001,3(14):21-22. 6 实验实验 2 如何测量液体的粘滞系数如何测量液体的粘滞系数 【预习要点】 1、 理解小球在液体中下落时的受力分析； 2、 理解由于器壁影响需要对小球的收尾速度和粘滞系数进行修正； 3、 游标卡尺、千分尺、秒表的使用方法； 4、 如何利用外推法计算小球的收尾速度 vm。 【一、问题】 液体的粘滞系数又称为内摩擦系数或粘度。是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理 量。它表征液体反抗形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。 利用落球法测量液体的粘滞系数。设计合理的实验方案

10、、操作步骤及实验数据处理方 法。 【二、分析】 1、 测量方法分析测量方法分析 一个小球在静止的液体中运动时，如果液体是无限广延的，液体的粘滞性较大，小球的半径很小，且运动中不产生旋涡，则小球受到液体的粘滞力为 v df 3=（2-1） 此式称为斯托克斯公式。式中，d 为小球直径，v 为小球的运动速度，为液体的粘滞系数。 如图 2-1 所示，当小球在液体中下落时，其受到粘滞力、浮力和重力的作用，当三 图 2-1 原理图 力达到平衡时，小球达到收尾速度 vm，并以该速度匀速下落。由三力平衡可得 m3g)( dvVm= （2-2） 对于给定的小球，如何对于给定的小球，如何利用落球法测量液体的粘滞系

11、数利用落球法测量液体的粘滞系数呢？呢？ 底座 7 式中 m 为小球质量，V 为小球体积，为液体密度。一般说来，是温度 T 的函数，可表示 为： )1/(0T+= (2-3) 式中 0为 0时液体的密度，T 为液体的温度，为修正系数。对于甘油有：温表0=1.260103kg/m3，=510-4/ 。 思考题思考题 在实验中，如何判断小球做匀速下落在实验中，如何判断小球做匀速下落 ？ 若小球在直径为 D 的圆筒中的液体里下落，由于液体不是无限广延的，考虑器壁的影 响，要对小球的收尾速度加以修正。在小球半径远小于液体深度时，小球的收尾速度应修正 为： )1 (mmDdkvv+= （2-4） 式中 v

12、m为小球在圆筒中液体里下落时测得的收尾速度，k 为修正系数。 若小球在液体中运动时引起涡流，因小球还受到涡流造成的阻力，则（2-2）式应进一 步修正为 m m163 3g)(vddvVm= （2-5） 根据式（2-5），要利用有限直径的圆筒准确测得液体的粘滞系数，必须测得修正系数k。 为此， 可让直径为 d 的小球分别在不同直径 D 的圆筒中下落。 测量小球通过两标志线 （如图 2-1 中的 Nl和 N2）所需的时间 t，计算出小球在各圆筒中下落时的收尾速度 vm。以 d/D为横轴，l/ vm为纵轴，画出如图 2-2 所示的直线。将直线延伸与纵轴相交，交点值的倒数即为液体无限广延时小球的收尾速

13、度vm。这种作图求vm的方法称为外推法。 图 2-2 收尾速度求解示意图 2、仪器、仪器结构结构 多管粘滞系数测量仪(装有待测油品)、游标卡尺、螺旋测微计、米尺、秒表、镊子、温 度计、小球等。 3、实验流程设计、实验流程设计 自行设计实验流程，并在实验报告中记录。 1/Vm 1/Vm O d/D 8 【三、注意事项】 （1） 小球表面要清洁，如果小球投入后粘滞力较大不下落，可以给小球一定助力使其下落； （2）小球下落时注意管中的标线，要在第一条标线以下记录数据； （2） 注意记录整个实验过程中温度变化。 【四、实验内容与要求】 实验内容需要根据测量目标自行设计与记录。 实验要求具体如下： 1正

14、确理解实验原理； 2设计合理的实验方案与操作步骤，写好预习报告； 3利用所给的仪器和材料，正确测量出所需的数据； 4利用外推法求出修正系数 k 和小球的收尾速度 vm； 5选择合适的实验数据处理方法，计算出待测液体粘滞系数的算术平均值； 6写出完整的实验报告。 【五、数据记录及处理】 自行设计数据记录表格记录实验数据，表格中小球直径、下落时间等实验数据次数不得少于 6 次， 数据处理需要包括计算一定温度下测量获得的液体粘滞系数， 并根据与理论值的比较计算相对误差，分析误差产生原因。 【六、附录】 附录 1 实验拓展与应用 1 徐欣, 乐飞, 陆申龙.用激光光电传感器测液体的粘滞系数- 经典的测

15、量液体粘滞系数的改进.实验技术与管理,2002,5(19):43-46. 2 许定生, 液体粘滞系数的准确测量和计算.物理实验,1999,1(19):9-11. 附录 2 设计性实验的基本原则 所谓设计性实验，就是让学生根据测量任务，自己选择实验的理论依据和实验仪器，制定实验方案，完成实验测量和处理实验数据，并写出合格的实验报告。必要时，还应对实验结果做更深入的分析，找出产生误差的主要原因，改进实验方案，进一步提高实验的精度。它最突出的特点是让学生自己主宰实验。 进行设计性实验对实验者的要求是比较高的。 实验者必须具备扎实的误差分析及数据处理的知识和能力，对仪器要比较熟悉，并能熟练地使用。会查阅相关的文献和资料。完成实验以后，通过细致深入地分析，写出合格的总结报告。总之，设计性实验是对实验者独立实验技能、知识掌握程度及实验素质的综合检验。 实验设计的核心是制定实验方案。制定实验方案必须基于实验的目的、任务、要求及现有仪器设备条件。应遵循可行性、科学性、先进性和经济节约的原则。一般来说，制定实验9 方案包括下面几个环节。 一、实验基本方法的选择 根据题目所要研究的对象，通过查阅相关的文献和资料，收集各种可能的实验方法，画出必要的原理图，推证有关的公式。或者依据物理原理，提出新的测量方法，推导新的理论公式。然后，从能达到的准确度、适用