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1、实验一长度测量1. 【实验目的】1. 掌握游标卡尺、螺旋测微器、移测显微镜的测量原理和使用方法；2. 学习正确读取和记录测量数据；3. 掌握数据处理中有效数字的运算法则及表示测量结果的方法；4.熟悉直接和间接测量中的不确定度的计算. 2. 【实验仪器】米尺，游标卡尺，螺旋测微计，移侧显微镜，被测物（滚球，圆管，毛细管）3. 【实验原理】一、游标卡尺用普通的米尺或直尺测量长度，只能准确地读到毫米位。毫米以下的1 位要凭视力估计，实验中要使读数准确到0.1mm 或更小时，一般采用游标卡尺和螺旋测微计。1游标卡尺的结构游标卡尺又叫游标尺或卡尺，它是为了使米尺测量的更准确一些，在米尺上附加了一段能够滑
2、动的有刻度的小尺，叫做游标。利用它可将米尺估读的那位数值准确地读出来。 因此，它是一种常用的比米尺精密的测长仪器。利用游标卡尺可以用来测量物体的长度、孔深及内外直径等。游标卡尺的外形如图 4-1-1 所示。它主要由两部分构成： 与量爪AA 相连的主尺D；与量爪 BB 及深度尺 C相连的游标 E。游标 E 可紧贴着主尺 D 滑动。 量图 4-1-1 游标卡尺游标上分度格数主尺上最小分度值ymxyx1爪 A、B 用来测量厚度和外径，量爪A 、B 用来测量内径，深度尺C 用来测量槽的深度，他们的读数值都是由游标的0 线于主尺的 0 线之间的距离表示出来。2游标卡尺的测量原理游标卡尺在构造上的主要特点
3、是：游标刻度尺上m 个分格的总长度和主刻度尺上的 (m1)个分格的总长度相等。设主刻度尺上每个等分格的长度为y，游标刻度尺上每个等分格的长度为x，则有mx（m1）y(4-1-1) 主刻度尺与游标刻度尺每个分格的差值是式中， x为游标卡尺所能准确读到的最小数值，即分度值（或称游标精度）。若把游标等分为 10 个分格（即 m=10） ， 这种游标卡尺叫做 “ 十分游标 ” 。“ 十分游标 ”的 x=1/10mm。这是由主刻度尺的刻度值于游标刻度值之差给出的，因此x不是估读的，它是游标卡尺所能准确读到的最小数值，即游标卡尺的分度值。若m=20，则游标卡尺的最小分度为1/20mm=0.05mm，称为
4、20 分度游标卡尺；还有常用的 50 分度的游标卡尺，其分度值为1/50mm=0.02mm。3游标卡尺的读数游标卡尺的读数表示的是主刻度尺的0 线与游标刻度尺的0 线之间的距离。读数可分为两部分： 首先。从主刻度尺上与游标刻度上0 线对齐的位置读出整数部分 L1(整毫米位 )；然后，根据游标刻度尺上与主刻度尺对齐的刻度线读出不足毫米分格的小数部分L2，则两者相加就是测量值，即L= L1+ L2。下面介绍实验室常用的 10 分度的游标卡尺的读数方法。如图 4-1-2 所示， 第一步从主刻度尺上可读出的准确数是30mm，即 L1=30，第二步找到游标上的第7 根刻线（不含0 刻线）与主刻度尺上的某
5、一刻度线对齐，则位数为 L2=70.1mm=0.7mm，所以图 4-1-2 所示的游标卡尺的读数为L= （4-1-2）0 10 3 4 cm 图 4-1-2 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 cm 图 4-1-3 L1+ L2=30.7mm。同理，图 4-1-3 所示，五十分游标的读数方法是，第一步从主刻度尺上可读出的准确数是 3mm， 即 L1=3， 第二步找到游标上的第22 根刻线（不含 0 刻线）与主刻度尺上的某一刻度线对齐，则该位数为L2=220.02mm=0.44mm，所以图4-1-3 所示的游标卡尺的读数为L= L1+ L2=3.44mm。4游标卡尺的使用与
6、注意事项游标卡尺使用前， 应该先将游标卡尺的卡口合拢，检查游标尺的 0 线和主刻度尺的 0 线是否对齐 。若对不齐说明卡口有零误差， 应记下零点读数， 用以修正测量值；使用游标卡尺时，推动游标刻度尺的过程中，不要用力过猛，卡住被测物体时松紧应适当， 更不能卡住物体后再移动物体，以防卡口受损； 用完后两卡口要留有间隙， 然后将游标卡尺放入包装盒内，不能随便放在桌上， 更不能放在潮湿的地方。二、螺旋测微计（千分尺）螺旋测微计是比游标卡尺更为精密的测量长度的仪器，其量程比游标卡尺小，为 25mm，分度值也比游标卡尺小，通常为0.01mm。螺旋测微计常用来测量准确度要求较高的物体的长度。1螺旋测微计的
7、结构及机械放大原理实验室常用的螺旋测微计的结构如图4-1-4 所示，螺旋测微计的尺架成弓形，一端装有测砧 2，测砧很硬，以保持基面不受磨损。测微螺杆 3（露出的部分无螺纹，螺纹在固定套管内）和微分筒6、棘轮 7（测力装置）相连。当微分筒相对于固定套管转过一周时，测微螺杆前进或后退一个螺距，测微螺杆端面和测砧之间的距离也改变一个螺距长。实验室常用的螺旋测微计的螺距为0.5mm，眼微分筒周界刻有50 等分格，固定套管上刻有毫米刻度线。因此，当微分筒转过1 分格时，测微螺杆沿轴线前进或后退 0.5/50=0.01mm，该值就是这种螺旋测微计的分度值。在读数时可估计到最小分度的1/10，即 0.001
8、mm，这就是螺旋测微计的机械放大原理，故图 4-1-4 螺旋测微器1.尺架2.测砧3.测微螺杆4.锁紧装置5.固定套筒6.微分筒7.棘轮8.螺母套管9.被测物螺旋测微计又称为千分尺。2螺旋测微计的读数读数可分两步： 首先，观察固定标尺读数准线 （即微分筒前沿） 所在的位置，可以从固定标尺上读出整数部分，每格0.5mm，即可读到半毫米；其次，以固定标尺的刻度线为读数准线，读出0.5mm 以下的数值，估计读数到最小分度的1/10 ，然后两者相加。如图 4-1-5 （a） 所示，整数部分是5.5mm（因固定标尺的读数准线已经超过了0.5mm 刻 度线，所以是 5.5mm） ，副刻度尺上的圆周刻度是1
9、5 的刻线正好与读数准线对齐，即 0.150mm，所以，其读数值为5.5+0.150=5.650 mm。同理，图 4-1-5（b）的读数为 5.150mm。3螺旋测微计的使用与注意事项用螺旋测微计测量物体的长度时，将待测物放在测砧和测微螺杆之间后，不得直接拧转微分筒， 而应先轻轻转动棘轮， 使测微螺杆前进， 当它们以一定的力使待测物夹紧时，测力装置中的棘轮即发出“喀、喀”的响声。这样操作，不至于把待测物夹的过紧或过松， 影响测量结果， 也不含压坏测微螺杆的螺纹。螺旋测微计能否保持测量结果的准确，关键是能否保护好测微螺杆的螺纹。在使用螺旋测微计测量物体长度前必须读取初读数，即转动棘轮， 当测微螺
10、杆和测砧刚好接触时，记录固定套管上的准线在微分筒上的示值，即为初读数，考虑初读数后， 测量结果应是： 测量值 =读数值 -初读数。 在记录时还应该注意初读数的正、负值。螺旋测微计使用完毕， 应将测微螺杆退回几转， 使测微螺杆与测砧之间留有空隙，以免在受热膨胀时两者过分压紧而损坏测微螺杆。三、移测显微镜圆周分度的读数准线固定标尺的读数准线20 15 10 0mm 0.5mm 分度线20 15 10 5 0mm 5 图 4-1-5 (a) (b) 螺旋测微计虽能估读到千分之一毫米，但对于有些测量工作却很难或根本无法胜任，如刻线宽度、纤维粗细、光学系统的成像宽度等。 然而，读数显微镜却能很好地胜任这
11、些物理量的测量工作。1读数显微镜的结构读数显微镜的结构如图4-1-6所示，从构造上可分为机械部分和光学部分。光学部分由显微镜及反光镜组成，显微镜又由物镜和目镜组成。目镜筒中装有十字叉丝。 显微镜的作用是放大所测量的物体，反光镜的作用是给测量物提供合适的照明。机械部分由相互垂直的两个螺旋测微计、可旋转的载物台、调焦手轮、底座、支柱等组成。旋转两个螺旋测微计，可使载物台分别沿两互相垂直的方向移动。2读数显微镜的工作原理读数显微镜的测微螺距为1mm（即标尺分度），测微鼓轮的周边上刻有100个分格，每格为 0.01mm。鼓轮旋转一周，显微镜筒水平移动1mm，当测微鼓轮每旋转过一分格，显微镜筒将沿标尺移
12、动0.01mm。0.01mm 即为读数显微镜的最小分度。水平移动的距离（毫米数）由水平标尺上读出，小于1mm 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。3读数显微镜的测量与读数调节目镜进行视场调整，使显微镜十字线最清晰。具体做法是：旋转目镜使十字叉丝清晰； 转动调焦手轮， 从目镜中观测使被测工件成像清晰；旋转目镜筒使十字叉丝与载物台移动方向一致（具体调节方法见下图）；可调整被测工件，使其被测工件的一个横截面和显微镜移动方向平行；测量时，转动读数鼓轮或轻轻移动待测物使十字叉丝中一条线与待测物一边相切（见图 4-1-7） ，从标尺和鼓轮上读出位置坐标x，然后转动读数鼓轮，使叉丝
13、线与待测物另一边相切，读出图 4-1-6 读数显微镜1.目镜2.锁紧圈3.调焦手轮4.镜筒支架5.物镜6.压紧片7.台面玻璃8.手轮9.平面镜10.底座11.支架 12.测微手轮13.标尺指示14.标尺 15.测微指示位置坐标 x, 则待测物长度 L=| x- x| 4读数显微镜使用注意事项（1）在松开每个锁紧螺丝时，必须用手托住相应部分，以免其坠落和受冲击；（2）注意防止回程误差， 由于螺丝和螺母不可能完全密合，螺旋转动方向改变时它的接触状态也改变， 两次读数将不同， 由此产生的误差叫回程误差。为防止此误差， 测量时应向同一方向转动， 使十字线和目标对准， 若移动十字线超过了目标，就要多退回
14、一些，重新再向同一方向转动。【实验内容及步骤】4.【实验步骤及内容 】1用游标卡尺测量圆管的体积（1）练习正确使用游标卡尺。 首先将游标卡尺的下量爪完全合拢，记录游标卡尺的初读数。然后移动游标，练习正确读数。（2）测量圆管的外径D、内径 d、高度 H 和中心孔深度 h（各 6 次） 。注意：测量时，应该在圆管周围的不同位置上测量高度和中心孔深度；沿轴线的不同位置上测量内径和外径，且每两次测量都应在互相垂直的位置上进行。（3）计算各测量量的平均值。修正由于游标卡尺初读数引入的系统误差，得到各测量量的测量结果。（4）计算圆管的体积及不确定度，正确表示测量结果。2用螺旋测微计测量滚珠的体积（1）练习
15、正确使用螺旋测微计。首先记录初读数。然后移动测微螺杆，练习正确读数。（2）测量滚珠的直径d（在不同位置上测6 次） 。AAA AA(a)(b)(c)(d)(e)图 4-1-7 读数显微镜的十字叉丝线与待测物一边相切(a)当从显微镜中看到清晰的物象后，在像上选取易于选取的一点A 作为参考点。(b)移动物体（或载物台） ，使 A 点和十字叉丝交点“ ” 重合。(c)转动轴读数鼓轮，点和点将沿载物台轴运动方向相互离开。(d)转动目镜筒使十字叉丝中一根通过点。该叉丝即与载物台轴方向一致。(e)移动物体（或载物台） ，使待测物一边与轴重合。（3）计算各测量量的平均值。修正由于初读数引入的系统误差，得到d
16、 的测量结果。（4）计算滚珠的体积及不确定度，正确表示测量结果。3用读数显微镜测量毛细管的直径（1）将被测件放在工作台面上，用压片固定。调整目镜，使叉丝清晰。（2）调节目镜进行视度调整，使分划板清晰；转动调焦手轮，从目镜中观察，使被测件成象清晰； 调整被测件， 使其被测部分的横面和显微镜移动方向平行。（3）转动测微鼓轮，使分划板的纵丝对准被测件的起点，记下此值（在标尺上读取整数，在测微鼓轮上读取小数，此二数之和即是此点的读数）x，沿同方向转动测微鼓轮， 使分划板的纵丝恰好停止于被测件的终点，记下此值 x ，则所测之长度计算可得L=| x- x| 。注意在一次测量过程中，测微鼓轮应沿一个方向旋转，中途不得反转，以免引起回程差。5. 【数据记录及处理】( 数据记录表格以下页补充表格为主 ) 1 用游标卡尺测量圆管的体积表 4-1-1 游标卡尺测量游标分度数： n = 最小分度值：= 次数外径 D/ （mm）D/ （mm）内径 d/（mm）
