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1、大学物理实验实验指导书实验一 长度测量1了解游标卡尺、螺旋测微器的构造，掌握它们的原理，正确读数和使用方法。2学会直接测量、间接测量的误差计算与数据处理。本授课单元教学重点和难点：1掌握游标卡尺、螺旋测微器的构造原理，读数原理以及零点修正本授课单元教学过程设计：1引入本实验2实验原理（1）游标卡尺结构：游标卡尺主要由主尺和游标两部分构成。游标尺主要由两部分构成（如图1-2），与卡口、相联的主尺，主尺按米尺刻度；与卡口、，及尾尺相联的游标尺，游标紧贴着主尺可滑动，尾尺用来测量槽的深度。它们测量的数值都是由游标的线与主尺线之间的距离表示出来为固定螺丝。 游标卡尺结构示意图准确度： 设游标卡尺上的每
2、一刻度长为，主尺上每刻度长为，游标上有个分格，游标的总长与主尺上分格的总长相等，即： 主尺与游标上每个分格的差值为，称为该游标尺的准确度。 读数：对于一般的情形，若游标线在主尺上的位置读出的整数位为，而付尺上的第根刻度线与主尺上的某一刻度线对齐，则待测物体的长度：点修正：我们在用游标尺测量之前必须检查两个线是否对齐，若由于某种原因两个线没有对齐，而又要用该游标尺测量时，那就必须对测量结果进行修正。这有两种情况：A当卡口密合时，游标上的线在主尺上的线的右方，如图14(a)，且游标的第根刻度线与主尺上的某一刻度线对齐，这种情况下说明了在游标尺未测量物体之前尺上已经出现了的读数了，这个读数就是点修正
3、值，所以在以后没测一次就应在读数上减去点修正值，即测定植=读数-修正值B当卡口密合时，游标上线在主尺线左方，如图14(b)，且且游标的第根刻度线与主尺上的某一刻度线对齐，这种情况下说明了在游标尺未测量物体之前尺上已经出现了的读数了，这个读数就是点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去点修正值，即测定植=读数-修正值图 正修正值图负修正值 （2）螺旋测微器构造：由精密的微动螺旋杆和一螺旋套组成。图螺旋测微计构造图1尺架2固定测砧3待测物体4测微螺旋杆5螺母套管6固定标尺7微分筒8棘轮9制动装置准确度：螺旋杆可以在螺旋套内旋转，其螺距为，螺旋杆是和螺旋柄相连的，在柄上附有沿圆周的刻度，共有个分
4、格，当螺旋杆沿轴线方向前进，螺旋杆圆周刻度转过个分格，即螺旋测微器的准确度为 读数： 测量之前，应先把卡口闭合，检查是否有修正。若不需，就可以开始测量了。测量时，将物体放在卡口之间。当螺旋杆离待测物理较远时可用微分筒；当螺旋杆快接近待测物体时，要用后面的小棘轮，直到听到“咔、咔”的声音。然后观察微分筒边缘在固定标尺上的位置，整数部分由固定标尺上的刻度直接读出，小于的部分，则由固定标尺横线在微分筒上所在的位置上读出。则待测物体的长度：其中为螺旋柄边缘在固定标尺所处位置的整数部分，为固定标尺横线在螺旋柄上所对应的位置，为螺旋测微器的准确度。图螺旋测微器读数示意图 点修正：同理，在测量之前，一定要检
5、查是否有点修正值。在测砧与测杆之间未放物体（小球）时，轻轻转动棘轮，待听到发出“咔、咔”的声音时即停止转动。然后观察微分筒“”线与固定标尺的横线是否对齐。若未对齐，则此时的读数为零读数。零读数有正、负，测量结果需予以修正。同样有种情况，如图1-7所示。图 修正值 A当卡口密合时，螺旋杆的边缘尚未到达固定标尺的线而且固定标尺横线在螺旋柄上所对应的位置为，这种情况下说明了在未测量物体之前尺上已经出现了的读数了，这个读数就是点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去点修正值，即测定植=读数-修正值B当卡口密合时，螺旋杆的边缘已超过固定标尺的线而且固定标尺横线在螺旋柄上所对应的位置为，这种情况下说明
6、了在未测量物体之前尺上已经出现了的读数了，这个读数就是点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去点修正值，即测定植=读数-修正（3）固体密度的测定直接称衡法对于形状规则的物体，用游标卡尺或千分尺测量其线度，然后根据其体积公式计算它的体积；对于形状不规则、密度分布均匀的物体用量杯测它的体积，量杯读数时，应注意以液体中心面为读数基准，不能以液体与量杯接触交线为基准，同时眼睛位置应与液面相平。液体静力称衡法用量杯直接称衡体积其测量的准确度低，利用阿基米德原理测量的准确度可以大大提高。阿基米德原理指出，物体在液体中减少的重量等于它所排开同体积液体的重量。为此，用物理天平测得物体在空气中的质量（不考虑
7、空气的浮力）和浸在水中（全部浸没）的质量，则就等于物体同体积的水的质量，若实验时，温度为，该时水的密度为，则物体的体积为。 （4）液体密度的测定 直接测量法：将密度计直接放在液体里面，观察液面在密度计所对应的刻线，所对应的刻线读数就是待测液体密度，直接读数即可测得液体密度。注意不同的液体要用不同的密度计。称衡法（密度瓶法）：在一定温度的条件下，密度瓶的容积是一定的，设密度瓶容积为，质量为，装满待测的液体后其质量为，则待测液体质量为：由此可得液体的密度为： 3实验内容（1）用游标卡尺测量圆柱体的直径和高各次；（2）用螺旋测微器测钢珠或钢线的直径次；4实验数据与数据处理（1）测圆柱体体积（误差计算
8、）仪器名称：游标卡尺 准确度：直径高读数0点修正值测定值读数0点修正值测定值1122334455平均值标准偏差：相对误差：结果表述：标准偏差：相对误差: 结果表述:体积的测量结果：相对误差:绝对误差:结果表述:2、测钢珠直径仪器名称：螺旋测微器（） 准确度：直径直径读数0点修正值测定值读数0点修正值测定值16273849510平均值体积的测量结果：标准偏差: 相对误差:结果表述:5思考题（1）游标卡尺的测量准确度为，其主尺的最小分度的长度为，试问游标的分度数（格数）为多少？以毫米作单位，游标的总长度可能取哪些值？（2）试述游标卡尺、螺旋测微器的零点修正值如何确定？测定值如何表示？（3）游标卡尺
9、读数需要估读吗，为什么？（4）实验中所用的水是事先放置在容器里，还是从水龙头里当时放出来的好，为什么？（5）观察密度计刻度是否均匀，若不均匀，为什么？本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）（注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课，下同。） 实验二 简谐振动与弹簧劲度系数实验一.概述 用焦利秤测量弹簧倔强系数及研究弹簧振子运动规律是高校理工科物理实验教学大纲中的一个重要实验。本仪器下列特点：1.测量弹簧振子振动周期采用集成开关传感器作为计数计
10、时的触发信号，结合毫秒仪实现自动计数计时记录。2.对原焦利秤的拉杆装置进行改进，采用端点加反射镜的游标尺直接读出弹簧的伸长量，直观且准确度高。3.两种方法测定弹簧劲度系数，开拓实验测量思路。 二.仪器外型 1、弹簧上挂孔2、实验弹簧3、主尺4、弹簧下端挂托盘5、上下移动铝块，上粘有平面反射镜、游标读数副尺、下端装有霍尔开关传感器6、磕码托盘，内装有一块磁钢，磁钢上面极性为S极，下面为N极，靠近霍尔传感器时，传感器输出（黄线）为低电平。7、读数游标8、开关霍尔传感器9、实验架底盘，上面三个螺丝可作垂直调整10、计数计时毫秒仪三. 用途1.位移法（即弹簧伸长法）测量弹簧的倔强系数。2、测量弹簧振子
11、的简谐振动周期，研究弹簧振子的运动规律。3、了解开关霍尔传感器在实验测量中的使用方法。 四、实验原理1.1 弹簧在外力作用下将产生形变(即伸长或缩短)。在弹性限度内，外力F和它的变形量 DY成正比，即F=KDY (1)这就是胡克定律，比例系数K称为弹簧的倔强系数，其值与弹簧的形状，材料有关。若改变施加在某一弹簧上的外力，并测量相应的形变量，即可通过式(1)推算该弹簧的倔强系数K。1.2质量为 M的物体系于一轻弹簧的自由端，而弹簧 的另一端固定，这就构成一个弹簧振子。若使物体在外力作用下(如用手拉)离开平衡位置少许，然后释放，则弹簧振子将在平衡点附近来回作简谐 振动，其周期为: T2（2） 实际
12、上弹簧本身具有质量M0，它必对周期产生影响，故式(2)可修正为 T=2（3） 其中P是待定系数，0P1，其值可以通过实验予以确定。称为弹簧的有效质量(亦称折合量)。若将上述弹簧振子铅直地悬挂在一个稳固的支架上，则它仍能在重力(是一个常力)及弹性力的作用下作简谐振动，只是平衡位置有所变动。新的平衡位置即是弹簧下端悬挂物体后所处的平衡位置，故式(3)仍成立 1.3 集成开关型霍尔传感器测量周期如图1所示，集成霍尔开关是由稳压器A。霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B，差分放大器C，施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成。(1)，(2)，(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。 在输入端输入电压，经稳
13、压器稳压后加在霍尔发生器的两端。根据霍尔效应原理，当霍尔片处于磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电势差输出，该信号经放大器放大以后送至施密特触发器整形，使触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点(即)时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时，OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即)时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这时称其为“关”态这样两次高电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。与的差值一定，此差值=-称为磁滞，在此差值内，Vo保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一，集成霍尔开关传感器输出特性如图2。因此，开关霍尔传感器具有抗干扰好、工作寿命长的优点，而触发其工作仅需一个磁钢，磁钢是无源的，可轻易地固定于研究对象上。五、实验内容1.位移法测定弹簧劲度系数K。在砝码盘W中放置砝码M，则作用力F=(M+m0)g式中m0为砝码盘质量与弹簧的有效质量之和，g为重力加速度。利用(1)式可得： (M+m0)g=K(Y1-Y0)=KY (4)(1).调节实验装置底脚螺丝，使焦利秤立柱垂直。(2).将弹簧固定在焦利秤上部螺钉孔中，使挂于
