大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 第二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 §2.1物理实验常用测量器具 实验中要测量各种各样的物理量,其中基本物理量如长度、质量、时间、温度、电 阻、电流、电压等的测量最为常见。基本物理量的测量是物理实验的基础,了解常用测 量器具的性能特点,掌握测量这些基本物理量的器具的原理和正确的实验方法是做好物 理实验的良好开端,是物理实验教学的基本要求之一,也是进行专业实验、从事科学研 究等工作的基础。本节仅对测量以上基本物理量的常用仪器作一简单介绍,更多的使用 方法和技巧希望同学们在实验中不断学习、摸索。 长度测量 米尺、游标卡尺和螺旋测微器是最常用的测长度的仪器.表征这些仪器主要规格的 有量程和分度值等量程是测量范围:分度值是仪器所标示的最小量度单位,分度值的大 小反映仪器的精密程度 米尺 米尺是最简单和最常用的测长仪器。实验室常用的米尺分直尺、钢卷尺等,有 50,100,200,500cm等规格。米尺的分度值是lmm,即只能准确地读到毫米位,毫米 以下的位是估读位,测量时根据实际可能和要求,估读出最小分度值的1/10,1/5,甚 至1/2。当测量长度不太大时,米尺的仪器误差一般可取最小分度值的一半,即最大估 计误差不会超过0.5mm 测量时可不用米尺的一端做测量起点,通常选择某个整数刻度值与被测物体一端对 齐,读出物体另一端对应的刻度值,两刻度值之差即为待测物体的长度 测量时应使米尺贴近被测物体或尽量靠近,垂直于米尺刻度盘读数,防止视差造成 读数误差 游标卡尺 游标卡尺是由主尺(米尺)和附加在主尺上的能沿主尺滑动的副尺(游标尺)构成的。 利用游标卡尺可以把米尺估读的那一位准确地读出来,得到比米尺更高的精度。如图 II.1所示,游标卡尺主要由两部分组成,一部分是与量爪1、3相联的主尺5:另一部 分是与量爪2、4及深度尺相联的游标(副尺)6。游标可紧贴在主尺上滑动,内量爪3、 4用来测量内径,外量爪1、2用来测量外径或厚度,深度尺7用来测量孔槽的深度 不同分度数(即格数)的游标,测量精确度不同。若用a表示主尺的最小分度值(即 最小格数),n表示游标的分度数。使n个游标分度的长度与主尺的(n-1)个最小格的长度 相等,则每一个游标分度的长度b为 b 显然,主尺最小分度值与游标分度值之差为
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 28 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 §2.1 物理实验常用测量器具 实验中要测量各种各样的物理量，其中基本物理量如长度、质量、时间、温度、电 阻、电流、电压等的测量最为常见。基本物理量的测量是物理实验的基础，了解常用测 量器具的性能特点，掌握测量这些基本物理量的器具的原理和正确的实验方法是做好物 理实验的良好开端，是物理实验教学的基本要求之一，也是进行专业实验、从事科学研 究等工作的基础。本节仅对测量以上基本物理量的常用仪器作一简单介绍，更多的使用 方法和技巧希望同学们在实验中不断学习、摸索。 一、 长度测量 米尺、游标卡尺和螺旋测微器是最常用的测长度的仪器．表征这些仪器主要规格的 有量程和分度值等量程是测量范围；分度值是仪器所标示的最小量度单位，分度值的大 小反映仪器的精密程度。 1．米尺 米尺是最简单和最常用的测长仪器。实验室常用的米尺分直尺、钢卷尺等，有 30， 50，100，200，500cm 等规格。米尺的分度值是 1mm，即只能准确地读到毫米位，毫米 以下的位是估读位，测量时根据实际可能和要求，估读出最小分度值的 1/10，1/5，甚 至 1/2。当测量长度不太大时，米尺的仪器误差一般可取最小分度值的一半，即最大估 计误差不会超过 0.5mm。 测量时可不用米尺的一端做测量起点，通常选择某个整数刻度值与被测物体一端对 齐，读出物体另一端对应的刻度值，两刻度值之差即为待测物体的长度。 测量时应使米尺贴近被测物体或尽量靠近，垂直于米尺刻度盘读数，防止视差造成 读数误差。 2．游标卡尺 游标卡尺是由主尺(米尺)和附加在主尺上的能沿主尺滑动的副尺(游标尺)构成的。 利用游标卡尺可以把米尺估读的那一位准确地读出来，得到比米尺更高的精度。 如图 II.1 所示，游标卡尺主要由两部分组成，一部分是与量爪 1、3 相联的主尺 5；另一部 分是与量爪 2、4 及深度尺相联的游标（副尺）6。游标可紧贴在主尺上滑动，内量爪 3、 4 用来测量内径，外量爪 1、2 用来测量外径或厚度，深度尺 7 用来测量孔槽的深度。 不同分度数(即格数)的游标，测量精确度不同。若用 a 表示主尺的最小分度值(即 最小格数)，n 表示游标的分度数。使 n 个游标分度的长度与主尺的(n-1)个最小格的长度 相等，则每一个游标分度的长度 b 为 n n a b ( 1) 显然，主尺最小分度值与游标分度值之差为
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 a-b 该差值称为游标常量,也即游标的最小读数值,它等于主尺最小刻度的1/n。 图Ⅱ1游标卡尺 1,2一外量爪:3,4一内量爪:5一主尺:6—副尺:7一尾尺:8一紧固螺钉 α为定值时,游标的格数n越大,其分度值就越小,游标卡尺的精确度也越高。若 主尺的最小分度值为1mm,游标分度数为10,20,50时(分别叫做:10分游标尺,20 分游标尺,50分游标尺),相应的最小读数分别为:01,005和002mm。除游标卡尺 外,其它有游标的仪器分度值判断和读数方法均与此相同。 以50分游标卡尺为例介绍其读数方法,主尺的分度值为a=1mm,游标副尺上有50 格(n=50),其总长度为49mm,游标的分度值为ar=0.02mm 测量时先将游标卡尺合拢,游标的0刻线应与主尺的0刻线对齐,如图Ⅱ2所示 若不对齐,应记下此初始读数,以作测量数据修正用。记被测物体的长度为l,则游标0 刻度与主尺0刻度的距离也是l,如图3所示。取mm为单位,可从主尺上直接读出长 度l的整数部分,记为b,从游标上读取余下部分的数值,记为△。方法为:先判定游 标上哪条刻线与主尺的一条刻线对齐得最好,就以该游标刻线为准,从游标上读出△l Δl即游标最小格值002mm乘以格数。参见图Ⅱ3,lo=2lmm,=0.02mm/格×24格 =048mm,则被测长度的测得值F/0+1=2148mm 图Ⅱ3
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 29 n a a n n a b a 1 该差值称为游标常量，也即游标的最小读数值，它等于主尺最小刻度的 1/n。 a 为定值时，游标的格数 n 越大，其分度值就越小，游标卡尺的精确度也越高。若 主尺的最小分度值为 1mm，游标分度数为 10，20，50 时(分别叫做：10 分游标尺，20 分游标尺，50 分游标尺)，相应的最小读数分别为：0.1，0.05 和 0.02mm。除游标卡尺 外，其它有游标的仪器分度值判断和读数方法均与此相同。 以 50 分游标卡尺为例介绍其读数方法，主尺的分度值为 a=1mm，游标副尺上有 50 格(n=50)，其总长度为 49mm，游标的分度值为 a/n=0.02mm。 测量时先将游标卡尺合拢，游标的 0 刻线应与主尺的 0 刻线对齐，如图 II.2 所示。 若不对齐，应记下此初始读数，以作测量数据修正用。记被测物体的长度为 l，则游标 0 刻度与主尺 0 刻度的距离也是 l，如图 3 所示。取 mm 为单位，可从主尺上直接读出长 度 l 的整数部分，记为 l0，从游标上读取余下部分的数值，记为 Δl。方法为：先判定游 标上哪条刻线与主尺的一条刻线对齐得最好，就以该游标刻线为准，从游标上读出 Δl， Δl 即游标最小格值 0.02mm 乘以格数。参见图 II.3，l0=21mm，l=0.02 mm／格×24 格 =0.48mm，则被测长度的测得值 l=l0+l=21.48mm。 图 II.2 图 II.3 图 II.1 游标卡尺 1，2—外量爪；3，4—内量爪；5—主尺；6—副尺；7—尾尺；8—紧固螺钉
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 测量时,量爪要卡正被测物体,松紧适当。勿用游标卡尺测表面粗糙的硬物,勿使 量爪中卡住的被测物挪动,以免磨损量刃。用毕卡尺,勿使量爪紧闭,并锁住紧固螺钉, 以避免因热膨胀效应损坏卡尺 3.螺旋测微计 螺旋测微计也称千分尺,是比游标卡尺更精密的长度测量仪器。常用螺旋测微计的 量程为25mm,分度值为001mm,准确度可达00lmm (1)结构与测量原理 螺旋测微计的主要部分是测微螺旋,如图Ⅱ4所示。图中5为精密测微螺杆,10 是与之配合的螺母套管,螺距为0.5mm。测微螺杆的后端套装一个50分度的微分筒8, 当微分筒相对螺母套管10转过一周时,测微螺杄沿轴冋移动一个螺距θ.5πmm。显然 当微分筒转过一个分度时,测微螺杆则移动0.5/50=0.01mm。因此,读取的微分筒转 过的刻度值就是测微螺杆沿轴向移动的距离,该距离由固定套筒7上的刻度读取,读数 是05mm的整数倍,余下部分由微分筒上的刻度读出。 图II.4 l—尺架:2—测砧测量面A:3—被测物体:4—一螺杆测量面B:5一测微螺杆 6—锁紧装置:7一固定套筒:8—微分筒:9—测力装置:10螺母套管 图II.4中的Ⅰ为螺旋测微计的弓形尺架,它的两端装有测砧2和测微螺杆。当转 动螺杆使测砧与螺杄测量面A和B刚好接触时,微分筒锥面的边缘应与固定套筒上的0 刻线对齐,同时微分筒上的零线也应与固定套筒上的轴向刻线对齐,这时的读数是 000mm,如 5(a)所示 图I1.5 (2)使用方法
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 30 测量时，量爪要卡正被测物体，松紧适当。勿用游标卡尺测表面粗糙的硬物，勿使 量爪中卡住的被测物挪动，以免磨损量刃。用毕卡尺，勿使量爪紧闭，并锁住紧固螺钉， 以避免因热膨胀效应损坏卡尺。 3．螺旋测微计 螺旋测微计也称千分尺，是比游标卡尺更精密的长度测量仪器。常用螺旋测微计的 量程为 25mm，分度值为 0.01mm，准确度可达 0.01mm。 (1)结构与测量原理 螺旋测微计的主要部分是测微螺旋，如图 II.4 所示。图中 5 为精密测微螺杆，10 是与之配合的螺母套管，螺距为 0.5mm。测微螺杆的后端套装一个 50 分度的微分筒 8， 当微分筒相对螺母套管 10 转过一周时，测微螺杆沿轴向移动一个螺距 0.5mm。显然， 当微分筒转过一个分度时，测微螺杆则移动 0.5／50=0.01mm。因此，读取的微分筒转 过的刻度值就是测微螺杆沿轴向移动的距离，该距离由固定套筒 7 上的刻度读取，读数 是 0.5mm 的整数倍，余下部分由微分筒上的刻度读出。 图 II.4 中的 1 为螺旋测微计的弓形尺架，它的两端装有测砧 2 和测微螺杆。当转 动螺杆使测砧与螺杆测量面 A 和 B 刚好接触时，微分筒锥面的边缘应与固定套筒上的 0 刻线对齐，同时微分筒上的零线也应与固定套筒上的轴向刻线对齐，这时的读数是 0.000mm，如图 II.5(a)所示。 (2)使用方法 (a) (b) (c) 图 II.5 图 II.4 1—尺架；2—测砧测量面 A； 3—被测物体；4—螺杆测量面 B；5—测微螺杆； 6—锁紧装置；7—固定套筒；8—微分筒；9—测力装置；10—螺母套管
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 把被测物体(如图II.4中的3)放在测量面A与B之间,轻轻转动测力装置9,使A 和B分别与物体接触,在转动中出现“咯咯”声时,即停转并可读数。以微分筒的边缘 为读数准线,先读取固定套筒上的刻度值,再以该筒上的轴向刻线为基准线读取微分筒 上的刻度值,应估读至微分筒最小刻度值的1/10,即0.001mm,故又称千分尺。 固定套筒上的标尺刻度分列于轴向刻线的两侧,一侧为1mm刻度,另一侧为05mm 刻度。如果微分筒前沿未超过0.5mm刻线,则可读出整毫米数,再加上微分筒上的读 数,即为被测数值,如图Ⅱ5(b)所示,可读为5376mm。如果微分筒前沿超过0.5mm刻 线,则只需在前述方法读取的数据后加05mm即可。如对图Ⅱ5(c)的情况可读为 6875mm。 (3)注意事项 ①测量前应检查0点是否对齐,若未对齐,应记下初始刻度值。若微分筒上的0刻 线在固定套筒的轴向刻线上侧,初始读数取正,反之取负。此初始读数为定值系统误差, 被测物体线度为:读数十初始读数。 ②刻度线总有一定的宽度,当固定套筒的轴向刻线很靠近微分筒上的0刻线时,务 必特别注意。通常微分筒上的0刻线在轴向刻线上方时,虽然固定套筒上的一条短刻度 线似乎已经显露,但读数时不能计人,否则会误加0500m ③螺旋测微计使用完毕,应使螺杄与测砧之间有一间隙,以免因热膨胀而损坏螺纹 对长度直接测量,通常采用米尺、游标卡尺和螺旋测微计。若待测线度很小,由于 人的视力限制及操作上的困难等,无法用上述测量器具直接测量,往往借助于显微镜或 望远镜将被测物的像放大或移至适当距离(如明视距离),然后与米尺、长度规(经严格 校准的刻度尺)或精密测微丝杆等比较而读取数据。利用显微镜、望远镜等光学仪器测 量长度,读数的准确度可达10mm,甚至达10m。 质量测量 质量是基本物理量之一,通常用天平测量。常用的有物理天平和分析天平。前者的 准确度较低,后者的较高。分析天平常用于化学分析,物理实验一般使用物理天平。现 在,电子天平的使用逐渐普遍,以下只介绍物理天平和天子天平的构造和使用。 1.物理天平 (1).物理天平的构造 物理天平如图I.6所示,它由底座、立柱、横梁和两个称盘等组成。横梁上有3 个刀口,中间的刀口支持在固定于升降杆顶端的刀垫上,调节手轮,可使横梁上升或下 降。两边的刀口用来支持称盘。横梁固接一指针,横梁摆动时,指针尖端随之在固定于 立柱下方的标尺前摆动。横梁两端有两个平衡螺母,用于天平空载时调节平衡。横梁上 装有游码,用于1g以下的称衡。底座上有水准器,旋转底座的可调节螺丝,使水准器 的气泡居中,即表明天平已处于工作位置。 (2).天平的调整和使用 (a)旋转天平底座下可调螺丝,使水准器的气泡居中。 (b)使游码前侧边对齐横梁的0刻线,转动手轮,支起横梁,待梁停摆后,指针应
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 31 把被测物体(如图 II.4 中的 3)放在测量面 A 与 B 之间，轻轻转动测力装置 9，使 A 和 B 分别与物体接触，在转动中出现“咯咯”声时，即停转并可读数。以微分筒的边缘 为读数准线，先读取固定套筒上的刻度值，再以该筒上的轴向刻线为基准线读取微分筒 上的刻度值，应估读至微分筒最小刻度值的 1／10，即 0.001mm，故又称千分尺。 固定套筒上的标尺刻度分列于轴向刻线的两侧，一侧为 1mm 刻度，另一侧为 0.5mm 刻度。如果微分筒前沿未超过 0.5mm 刻线，则可读出整毫米数，再加上微分筒上的读 数，即为被测数值，如图 II.5(b)所示，可读为 5.376mm。如果微分筒前沿超过 0.5mm 刻 线，则只需在前述方法读取的数据后加 0.5mm 即可。如对图 II.5(c)的情况可读为 6.875mm。 (3)注意事项 ①测量前应检查 0 点是否对齐，若未对齐，应记下初始刻度值。若微分筒上的 0 刻 线在固定套筒的轴向刻线上侧，初始读数取正，反之取负。此初始读数为定值系统误差， 被测物体线度为：读数十初始读数。 ②刻度线总有一定的宽度，当固定套筒的轴向刻线很靠近微分筒上的 0 刻线时，务 必特别注意。通常微分筒上的 0 刻线在轴向刻线上方时，虽然固定套筒上的一条短刻度 线似乎已经显露，但读数时不能计人，否则会误加 0.500mm。 ③螺旋测微计使用完毕，应使螺杆与测砧之间有一间隙，以免因热膨胀而损坏螺纹。 对长度直接测量，通常采用米尺、游标卡尺和螺旋测微计。若待测线度很小，由于 人的视力限制及操作上的困难等，无法用上述测量器具直接测量，往往借助于显微镜或 望远镜将被测物的像放大或移至适当距离(如明视距离)，然后与米尺、长度规(经严格 校准的刻度尺)或精密测微丝杆等比较而读取数据。利用显微镜、望远镜等光学仪器测 量长度，读数的准确度可达 10-3mm，甚至达 10-4m。 二、 质量测量 质量是基本物理量之一，通常用天平测量。常用的有物理天平和分析天平。前者的 准确度较低，后者的较高。分析天平常用于化学分析，物理实验一般使用物理天平。现 在，电子天平的使用逐渐普遍，以下只介绍物理天平和天子天平的构造和使用。 1．物理天平 （1）．物理天平的构造 物理天平如图 II.6 所示，它由底座、立柱、横梁和两个称盘等组成。横梁上有 3 个刀口，中间的刀口支持在固定于升降杆顶端的刀垫上，调节手轮，可使横梁上升或下 降。两边的刀口用来支持称盘。横梁固接一指针，横梁摆动时，指针尖端随之在固定于 立柱下方的标尺前摆动。横梁两端有两个平衡螺母，用于天平空载时调节平衡。横梁上 装有游码，用于 1g 以下的称衡。底座上有水准器，旋转底座的可调节螺丝，使水准器 的气泡居中，即表明天平已处于工作位置。 （2）．天平的调整和使用 (a)旋转天平底座下可调螺丝，使水准器的气泡居中。 (b)使游码前侧边对齐横梁的 0 刻线，转动手轮，支起横梁，待梁停摆后，指针应
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 位于标尺中央。如指针偏向一侧,调节横梁两端的平衡螺母(调节前应止动天平,即降 下横梁),直到支起横梁时指针指在标尺中央 (c)被称衡物体放在左 称盘中,右称盘放置砝码, 轻轻支起横梁,观察是否平 衡。如不平衡,则适当加减 砝码或移动游码,直至横梁 平衡为止。此时砝码的质量 加游码的读数即为物体的 质量 (3).注意事项 (a)使用天平时要缓 慢平稳地转动手轮。加减 砝码和移动游码前都必须 将横梁降下止动。 (b)被称物体和砝码都 应放在称盘中部,使用多个 砝码时,大砝码置中间,小 图II.6物理天平 砝码放在周围。 1.平衡螺母2.游码3.中刀托4.平衡螺母5.边刀吊架 (c)勿称衡质量超过天6横梁7.立柱8感量砣9.指针10.标尺1.气泡水准 器12.砝码13.砝码盘14.调平螺丝15.底座16.手轮 平称量范围的物体。 杯托盘18.待测物 (d)天平用毕,必须先 降下横梁,再取下物体和砝码。砝码放回砝码盒中,将称盘等清理干净。 (e)取放砝码必须用镊子,严禁手拿 2.电子天平 电子天平是最新一代的天平,是根据电磁力平衡原理,直接称量,全量程不需砝码。 放上称量物后,在几秒钟内即达到平衡,显示读数,称量速度快,精度高。电子天平的 支承点用弹性簧片,取代机械天平的玛瑙刀口,用差动变压器取代升降枢装置,用数字 显示代替指针刻度式。因而,电子天平具有使用寿命长、性能稳定、操作简便和灵敏度 高的特点。此外,电子天平还具有自动校正、自动去皮、超载指示、故障报警等功能以 及具有质量电信号输出功能,且可与打印机、计算机联用,进一步扩展其功能,如统计 称量的最大值、最小值、平均值及标准偏差等。由于电子天平具有机械天平无法比拟的 优点,尽管其价格较贵,但也会越来越广泛地应用于各个领域并逐步取代机械天平。 (1)电子天平结构原理 电子天平构造原理基本构造是相同的。见图I.7,主要由以下几个部分组成
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 32 位于标尺中央。如指针偏向一侧，调节横梁两端的平衡螺母(调节前应止动天平，即降 下横梁)，直到支起横梁时指针指在标尺中央。 (c)被称衡物体放在左 称盘中，右称盘放置砝码， 轻轻支起横梁，观察是否平 衡。如不平衡，则适当加减 砝码或移动游码，直至横梁 平衡为止。此时砝码的质量 加游码的读数即为物体的 质量。 (3)．注意事项 (a)使用天平时要缓 慢平稳地转动手轮。加减 砝码和移动游码前都必须 将横梁降下止动。 (b)被称物体和砝码都 应放在称盘中部，使用多个 砝码时，大砝码置中间，小 砝码放在周围。 (c)勿称衡质量超过天 平称量范围的物体。 (d)天平用毕，必须先 降下横梁，再取下物体和砝码。砝码放回砝码盒中，将称盘等清理干净。 (e)取放砝码必须用镊子，严禁手拿。 2. 电子天平 电子天平是最新一代的天平，是根据电磁力平衡原理，直接称量，全量程不需砝码。 放上称量物后，在几秒钟内即达到平衡，显示读数，称量速度快，精度高。电子天平的 支承点用弹性簧片，取代机械天平的玛瑙刀口，用差动变压器取代升降枢装置，用数字 显示代替指针刻度式。因而，电子天平具有使用寿命长、性能稳定、操作简便和灵敏度 高的特点。此外，电子天平还具有自动校正、自动去皮、超载指示、故障报警等功能以 及具有质量电信号输出功能，且可与打印机、计算机联用，进一步扩展其功能，如统计 称量的最大值、最小值、平均值及标准偏差等。由于电子天平具有机械天平无法比拟的 优点，尽管其价格较贵，但也会越来越广泛地应用于各个领域并逐步取代机械天平。 （1）电子天平结构原理 电子天平构造原理基本构造是相同的。见图 II.7，主要由以下几个部分组成： 图 II.6 物理天平 1.平衡螺母 2.游码 3.中刀托 4.平衡螺母 5.边刀吊架 6.横梁 7.立柱 8.感量砣 9.指针 10.标尺 11.气泡水准 器 12.砝码 13.砝码盘 14.调平螺丝 15.底座 16.手轮 17.杯托盘 18.待测物