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、秤盘 秤盘多为金属材料制成,安装在天平的传感器上,是天平进行称量的承受装置。它 具有一定的几何形状和厚度,以圆形和方形的居多。使用中应注意卫生清洁,更不要随 意掉换秤盘 传感器 传感器是的关键部件之一,由外壳、磁钢、 极靴和线圈等组成,装在秤盘的下方。它的精 度很高也很灵敏。应保持天平称量室的清洁, 切忌称样时撒落物品而影响传感器的正常工 c、位置检测器 位置检测器是由高灵敏度的远红外发光 管和对称式光敏电池组成的。它的作用是将秤 图Ⅱ7电子天平 盘上的载荷转变成电信号输出。 PID调节器 PID(比例、积分、微分)调节器的作用,就是保证传感器快速而稳定地工作 e、功率放大器 其作用是将微弱的信号进行放大,以保证天平的精度和工作要求。 f、低通滤波器 它的作用是排除外界和某些电器元件产生的高频信号的干扰,以保证传感器的输出 为一恒定的直流电压。 g、模数(A/D)转换器 它的优点在于转换精度高,易于自动调零能有效地排除干扰,将输入信号转换成数 字信号 h、微计算机 此部件可说是电子天平的关键部件了。它是电子天平的数据处理部件,它具有记忆、 计算和查表等功能 、显示器 现在的显示器基本上有两种:一种是数码管的显示器:另一种是液晶显示器。它们 的作用是将输出的数字信号显示在显示屏幕上 j、机壳 其作用是保护电子天平免受到灰尘等物质的侵害,同时也是电子元件的基座等。 k、底脚 电子天平的支撑部件,同时也是电子天平水平的调节部件,一般均靠后面两个调整 脚来调节天平的水平。 (2)电子天平操作程序(以JY系列电子天平为例) ①、调水平
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 33 a、秤盘 秤盘多为金属材料制成，安装在天平的传感器上，是天平进行称量的承受装置。它 具有一定的几何形状和厚度，以圆形和方形的居多。使用中应注意卫生清洁，更不要随 意掉换秤盘。 b、传感器 传感器是的关键部件之一，由外壳、磁钢、 极靴和线圈等组成，装在秤盘的下方。它的精 度很高也很灵敏。应保持天平称量室的清洁， 切忌称样时撒落物品而影响传感器的正常工 作。 c、位置检测器 位置检测器是由高灵敏度的远红外发光 管和对称式光敏电池组成的。它的作用是将秤 盘上的载荷转变成电信号输出。 d、PID 调节器 PID（比例、积分、微分）调节器的作用，就是保证传感器快速而稳定地工作。 e、 功率放大器 其作用是将微弱的信号进行放大，以保证天平的精度和工作要求。 f、低通滤波器 它的作用是排除外界和某些电器元件产生的高频信号的干扰，以保证传感器的输出 为一恒定的直流电压。 g、模数 (A/D)转换器 它的优点在于转换精度高，易于自动调零能有效地排除干扰，将输入信号转换成数 字信号。 h、微计算机 此部件可说是电子天平的关键部件了。它是电子天平的数据处理部件，它具有记忆、 计算和查表等功能。 i、显示器 现在的显示器基本上有两种：一种是数码管的显示器；另一种是液晶显示器。它们 的作用是将输出的数字信号显示在显示屏幕上。 j、机壳 其作用是保护电子天平免受到灰尘等物质的侵害，同时也是电子元件的基座等。 k、底脚 电子天平的支撑部件，同时也是电子天平水平的调节部件，一般均靠后面两个调整 脚来调节天平的水平。 （2）电子天平操作程序（以 JY 系列电子天平为例） ①、调水平 图 II.7 电子天平
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 调整地脚螺栓高度,使水平仪内空气气泡位于圆环中央 ②、开机 安装电池或接通电源变压器,按开关键,天平自检,显示天平型号后,显示“0.0g 表示机器正常,可以使用。 ③、预热 电子天平接通电源后一般1~2分钟即可使用,但若对精度有较高要求时,在初次 接通电源或长时间断电之后,至少需要预热30分钟。为取得理想的测量结果,天平应 保持在待机状态 ④、校正 首次使用天平或长时间使用后须进行校正。按一下校正键天平显示全“0”,,再长 按键10秒左右,显示窗出现“C-XX”(校正砝码值),几秒钟后显示“0.0g”,此时将 相应的校正砝码放在天平秤盘上,显示窗显示“-”(表示等待)。几秒钟后显示上述校 正砝码值,天平自动完成矫正。若仍不准确,可按上述方法在进行一次矫正 ⑤、称量 将重物放于秤盘上,待示数稳定后,即为该重物的的重量 ⑥、去皮 按一下除皮键“T”,即可除皮清零。若重量还未稳定,可再次去皮 ⑦、计数 电子天平可以对具有相同重量的物体进行计数。长按除皮键“T”,显示屏将在0.0g →CAL→10P→25P→…→—g之间循环,在哪一个显示时松开,即进入该状态。如在显 示25P时松开,表示计数标准为25个样本,将25个待计数物体(样本)放于秤盘上, 十几秒后显示“PASS”再显示“PCS”,表示校准完毕,然后放置任意个相同重量的物体 后,将显示物体(样本)个数 ⑧、关机 天平应一直保持通电状态(24小时),不使用时将开关键关至待机状态,使天平 保持保温状态,可延长天平使用寿命 (3)电子天平使用注意事项 ①、待称物体的重量不能超过天平的量程。不可用手或其他重物按压秤盘,以免损 坏天平 ②、将天平置于稳定的工作台上,避免振动、气流及阳光照射 ③、在使用前,调整水平仪气泡至中间位置,否则读数不准 ④、电子天平使用时,称量物品之重心,须位于秤盘中心点;称量物品时应遵循逐 次添加原则,轻拿轻放,避免对传感器造成冲击,损坏天平 ⑤、称量易挥发和具有腐蚀性的物品时,要盛放在密闭的容器中,以免腐蚀和损坏 电子天平。另外,若有液体滴于称盘上,立即用吸水纸轻轻吸干,不可用抹布等粗糙物 擦拭。 ⑥、每次使用完天平后,应对天平内部、外部周围区域进行清理,不可把待称量物
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 34 调整地脚螺栓高度，使水平仪内空气气泡位于圆环中央。 ②、开机 安装电池或接通电源变压器，按开关键，天平自检，显示天平型号后，显示“0.0g”， 表示机器正常，可以使用。 ③、预热 电子天平接通电源后一般 1～2 分钟即可使用，但若对精度有较高要求时，在初次 接通电源或长时间断电之后，至少需要预热 30 分钟。为取得理想的测量结果，天平应 保持在待机状态。 ④、校正 首次使用天平或长时间使用后须进行校正。按一下校正键天平显示全“0”，，再长 按键 10 秒左右，显示窗出现“C-XXX”(校正砝码值)，几秒钟后显示“0.0g”，此时将 相应的校正砝码放在天平秤盘上，显示窗显示“-”（表示等待）。几秒钟后显示上述校 正砝码值，天平自动完成矫正。若仍不准确，可按上述方法在进行一次矫正。 ⑤、称量 将重物放于秤盘上，待示数稳定后，即为该重物的的重量。 ⑥、去皮 按一下除皮键“T”，即可除皮清零。若重量还未稳定，可再次去皮。 ⑦、计数 电子天平可以对具有相同重量的物体进行计数。长按除皮键“T”，显示屏将在 0.0g →CAL→10P→25P→…→----g 之间循环，在哪一个显示时松开，即进入该状态。如在显 示 25P 时松开，表示计数标准为 25 个样本，将 25 个待计数物体（样本）放于秤盘上， 十几秒后显示“PASS”再显示“PCS”，表示校准完毕，然后放置任意个相同重量的物体 后，将显示物体（样本）个数。 ⑧、关机： 天平应一直保持通电状态（２４小时），不使用时将开关键关至待机状态，使天平 保持保温状态，可延长天平使用寿命。 （3）电子天平使用注意事项 ①、待称物体的重量不能超过天平的量程。不可用手或其他重物按压秤盘，以免损 坏天平。 ②、将天平置于稳定的工作台上，避免振动、气流及阳光照射。 ③、在使用前，调整水平仪气泡至中间位置，否则读数不准。 ④、电子天平使用时，称量物品之重心，须位于秤盘中心点；称量物品时应遵循逐 次添加原则，轻拿轻放，避免对传感器造成冲击，损坏天平。 ⑤、称量易挥发和具有腐蚀性的物品时，要盛放在密闭的容器中，以免腐蚀和损坏 电子天平。另外，若有液体滴于称盘上，立即用吸水纸轻轻吸干，不可用抹布等粗糙物 擦拭。 ⑥、每次使用完天平后，应对天平内部、外部周围区域进行清理，不可把待称量物
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 品长时间放置于天平周围,影响后续使用 ⑦、仪器管理人经常对电子天平进行校准,一般应3个月校一次,保证其处于最佳 状态.使天平内干燥剂保持蓝色状态,及时更换。 三、时间测量 测量时间的方法很多,测时器具通常基于物体机械、电磁或原子等运动的周期性而 设计的。目前,利用原子周期性运动制造的原子钟精确度为最高。实验室常用的计时器 有机械式秒表、电子秒表和数字毫秒计等。机械式秒表功能比较简单,且目前使用逐渐 减少。功能单一的数字毫秒计也逐渐被智能型毫 秒计代替。下面介绍功能较多的电子秒表的功能 和使用方法,而智能型毫秒计参见实验二 电子秒表: 实验室所用的电子秒表即石英液晶精密计时 显示屏 器。其机芯全部由电子元件组成,利用石英振 荡频率作为时间基准。具有6位液晶数字显示器, 显示出月、日、星期、时、分、秒,并有102S ) 计数的单针秒表和双针秒表功能。有的在机芯内 还装有硅太阳电池,可以延长表内氧化银电池的 寿命 1/100秒 电子秒表的外形如图Ⅱ8所示。由于此种表 的功能较多,而在实验室主要用于计时,这里只 图Ⅲ8电子秒 介绍100秒计时的使用方法。表壳配有四个按 钮,S1为起动、停止、调整按钮,S2为功能转换按钮。S3为选择按钮,S4为分段、设置、 复零按钮。首先,按S2,置于秒表功能状态。 (1)基本秒表功能 按S1秒表开始计时,再按S,计时停止。秒表显示计时数据。按S4复零。 按S1秒表开始计时,再按S1,计时停止。再按S1秒表累加计时,再按S1计时停止。 此往复,实现累加计时。 (2)分段计时功能 分段计时功能即用一个秒表可同时记录两段时间,分段计时又分为标准分段计时与 部分分段计时 标准分段计时即两段时间同时开始,不同时结束。使用方法为:按S3置于标准分 段计时状态。按S开始计时,按S4第一段计时结束,显示第一段计时时间。按S1第二 段计时结束,仍显示第一段计时时间。按S4显示第二段时间。按S4复零。 部分分段计时即第一段计时结束时,第二段计时同时开始。使用方法为:按S3置 于部分分段计时状态。按S1第一段计时开始,按S4第一段计时结束,显示第一段时间, 同时第二段计时开始。再按S1,第二段计时结束,仍显示第一段时间。按S4,显示第二
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 35 品长时间放置于天平周围，影响后续使用。 ⑦、仪器管理人经常对电子天平进行校准，一般应３个月校一次，保证其处于最佳 状态．使天平内干燥剂保持蓝色状态，及时更换。 三、时间测量 测量时间的方法很多，测时器具通常基于物体机械、电磁或原子等运动的周期性而 设计的。目前，利用原子周期性运动制造的原子钟精确度为最高。实验室常用的计时器 有机械式秒表、电子秒表和数字毫秒计等。机械式秒表功能比较简单，且目前使用逐渐 减少。功能单一的数字毫秒计也逐渐被智能型毫 秒计代替。下面介绍功能较多的电子秒表的功能 和使用方法，而智能型毫秒计参见实验二。 电子秒表： 实验室所用的电子秒表即石英液晶精密计时 器。其机芯全部由电子元件组成，利用 石英振 荡频率作为时间基准。具有 6 位液晶数字显示器， 显示出月、日、星期、时、分、秒，并有 10-2S 计数的单针秒表和双针秒表功能。有的在机芯内 还装有硅太阳电池，可以延长表内氧化银电池的 寿命。 电子秒表的外形如图 II.8 所示。由于此种表 的功能较多，而在实验室主要用于计时，这里只 介绍 1/100 秒计时的使用方法。表壳配有四个按 钮，S1为起动、停止、调整按钮，S2 为功能转换按钮。S3 为选择按钮，S4 为分段、设置、 复零按钮。首先，按 S2，置于秒表功能状态。 （1）基本秒表功能 按 S1秒表开始计时，再按 S1，计时停止。秒表显示计时数据。按 S4 复零。 按 S1秒表开始计时，再按 S1，计时停止。再按 S1 秒表累加计时，再按 S1计时停止。 如此往复，实现累加计时。 （2）分段计时功能 分段计时功能即用一个秒表可同时记录两段时间，分段计时又分为标准分段计时与 部分分段计时。 标准分段计时即两段时间同时开始，不同时结束。使用方法为：按 S3 置于标准分 段计时状态。按 S1 开始计时，按 S4 第一段计时结束，显示第一段计时时间。按 S1第二 段计时结束，仍显示第一段计时时间。按 S4显示第二段时间。按 S4 复零。 部分分段计时即第一段计时结束时，第二段计时同时开始。使用方法为：按 S3 置 于部分分段计时状态。按 S1 第一段计时开始，按 S4第一段计时结束，显示第一段时间， 同时第二段计时开始。再按 S1，第二段计时结束，仍显示第一段时间。按 S4，显示第二 图 II.8 电子秒 表
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 段计时时间。按S4复零 四、温度测量 1.水银温度计(水银一玻璃温度计) 利用液体体积受热膨胀和受冷收缩的性质测定温度的温度计叫液体温度计。最为常 用的是水银温度计(水银一玻璃温度计)。其优点为构造简单,读数方便,水银与玻璃管 壁不相粘附,在标准大气压下,在-38.87~356.58范围内水银为液态,膨胀系数变化 很小,可视其体积的改变量与温度的改变量成正比。其缺点是玻璃毛细管内径不均匀 玻璃热膨胀后不易恢复原状,即有热滞后现象,并且易碎,撒出的水银会造成污染等 规定:冰点纯冰和纯水在101.3kPa(latm)下达到平衡的温度]为0℃,汽点(纯水和 水蒸气在蒸汽压为101.3kPa时达到平衡的温度)为100℃。温度计标度是定出冰点与汽 点刻度后,将两刻度之间的玻璃管长度均分,若分为100等份,每一等份就是1℃。实 验室常用的水银温度计有最小分度值为01,02和1℃等几种。 液体温度计有“半浸式”和“全浸式”两种。使用液体温度计应将温度计插入被测 介质至温度计上的“浸没线”处。读数时 视线应正对读数并与温度计垂直,以防视差 造成读数误差:测量室温时,勿使其他物体 或手等触到储液泡 对于标度正确的温度计,在使用中为保 14 证测量的精确度,需注意以下几点: (1)零点位置的确定。一般是将液体温 度计加热至标尺上限的温度后,取出温度 计,待液柱降至室温,再将它“全浸”入容 有冰水混合物的槽内,测出相应的刻度值作 为零点修正值。 (2)液体温度计露出部分的影响。在实 际使用中,往往不能使玻璃管全部浸入待测 介质中,露出的部分与待测介质难以达到热 平衡,故应注意修正 图IL.9数字温度计 (3)热滞后影响。当待测介质的温度变 1.传感器接口2.电源开关3.校正按钮 化时,液体温度计由于存在热滞后现象,其7温度显示8.保护套9传多调节 4.传感器柄5.满度值6.满度 读数不能及时反映待测介质的实际温度,应 予修正 2.数字温度计 采用热敏电阻为感温元件的数字温度计,体积小,重量轻,灵敏度高,稳定性好, 适用于对各种气体、液体和固体的温度测量。更换不同形式的传感器,可用作各种待测 系统的温度的测量。图I.9所示数字温度计的使用方法如下 按下电源开关接通电源,显示屏应有数字显示。按下校正按钮,显示屏应显示面板
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 36 段计时时间。按 S4复零。 四、温度测量 1．水银温度计(水银—玻璃温度计) 利用液体体积受热膨胀和受冷收缩的性质测定温度的温度计叫液体温度计。最为常 用的是水银温度计(水银—玻璃温度计)。其优点为构造简单，读数方便，水银与玻璃管 壁不相粘附，在标准大气压下，在-38.87～356.58C 范围内水银为液态，膨胀系数变化 很小，可视其体积的改变量与温度的改变量成正比。其缺点是玻璃毛细管内径不均匀， 玻璃热膨胀后不易恢复原状，即有热滞后现象，并且易碎，撒出的水银会造成污染等。 规定：冰点[纯冰和纯水在 101.3kPa(1atm)下达到平衡的温度]为 0℃，汽点(纯水和 水蒸气在蒸汽压为 101.3kPa 时达到平衡的温度)为 100℃。温度计标度是定出冰点与汽 点刻度后，将两刻度之间的玻璃管长度均分，若分为 100 等份，每一等份就是 1℃。实 验室常用的水银温度计有最小分度值为 0.1，0.2 和 1℃等几种。 液体温度计有“半浸式”和“全浸式”两种。使用液体温度计应将温度计插入被测 介质至温度计上的“浸没线”处。读数时， 视线应正对读数并与温度计垂直，以防视差 造成读数误差；测量室温时，勿使其他物体 或手等触到储液泡。 对于标度正确的温度计，在使用中为保 证测量的精确度，需注意以下几点： (1)零点位置的确定。一般是将液体温 度计加热至标尺上限的温度后，取出温度 计，待液柱降至室温，再将它“全浸”入容 有冰水混合物的槽内，测出相应的刻度值作 为零点修正值。 (2)液体温度计露出部分的影响。在实 际使用中，往往不能使玻璃管全部浸入待测 介质中，露出的部分与待测介质难以达到热 平衡，故应注意修正。 (3)热滞后影响。当待测介质的温度变 化时，液体温度计由于存在热滞后现象，其 读数不能及时反映待测介质的实际温度，应 予修正。 2．数字温度计 采用热敏电阻为感温元件的数字温度计，体积小，重量轻，灵敏度高，稳定性好， 适用于对各种气体、液体和固体的温度测量。更换不同形式的传感器，可用作各种待测 系统的温度的测量。图 II.9 所示数字温度计的使用方法如下： 按下电源开关接通电源，显示屏应有数字显示。按下校正按钮，显示屏应显示面板 图 II.9 数字温度计 1.传感器接口 2.电源开关 3.校正按钮 4.传感器柄 5.满度值 6.满度调节 7.温度显示 8.保护套 9.传感器
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 所标明的满度值,随即调节满度电位器,使之与所标满度值相等。放开校正按钮,根据 待测量温度范围拨正量程开关,这时显示屏上出现被测系统的温度。 3.热电偶(温差电偶) 将两种不同的金属材料两端彼此焊接成一闭合回路,即制成热电偶。若使两接点处 在不同温度下,回路中就会产生电动势及电流,这种现象为温差电现象,该电动势称作 温差电动势。温差电动势的大小与组成热电偶的金属材料有关,与热端和冷端的温度差 有关,在测量温度变化范围不大的情况下,可近似看作成线性关系,当热电偶的高、低 温端温度为T和T时,其温差电动势E=α(T-T)。其中α称为热电偶的温差系数。 通常把冷端置入冰水混合物中,即低温端为0℃。测出温差电动势,由该热电偶的校准 的曲线或数据,就可得知待测温度。 热电偶的测温范围广,(使用范围为-200~2000℃):灵敏度和准确度很高(在103℃ 以下),特别是铂和铑的合金制成的热电偶稳定性很高,常用作标准温度计等。 常用的热电偶有以下几种:铜-康铜热电偶,用于300℃以下的温度测量:测高达 l100℃的温度用镍铬—镍镁合金组成的热电偶;测更高的温度,通常用铂一铂铑合金的 热电偶(测温范围为-200~1700℃);如果温度高达2000C,则可用钨一钛热电偶 五、电流测量 电磁学测量器具种类繁多,结构与功能千差万别。第一类是作为测量单位标准的度 量器,如标准电池、标准电阻等:第二类则是将被测量与度量器进行比较,然后确定出 被测量的较量仪器,如电桥、电位差计等:第三类是能直接读出被测量大小的直读仪表。 此外,还有一些辅助器具,如电源、开关、滑线变阻器等。 电测仪表的类型、性能、实验条件等一般在表盘上都有表示,电表性能标志见表1 般它们都位于电表面板的右下角或左下角。必须明确各种标识符号及其意义,才能保 表1 符号 符号 意义 符号 ∩电式仪⊙变直@① 以指示值的自分 数表示准确度等级 非。电崛式⊥(+) 仪表故置) 以标民量程的自分 05-1 数表示准确度等 静电式口(-)水平 绝缘强度实验电压 整流式 ∠·☆ 检流式(x)=接地端 三防外磁场和 电场 证使用的合理,保证电测仪表的精确性
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 37 所标明的满度值，随即调节满度电位器，使之与所标满度值相等。放开校正按钮，根据 待测量温度范围拨正量程开关，这时显示屏上出现被测系统的温度。 3．热电偶(温差电偶) 将两种不同的金属材料两端彼此焊接成一闭合回路，即制成热电偶。若使两接点处 在不同温度下，回路中就会产生电动势及电流，这种现象为温差电现象，该电动势称作 温差电动势。温差电动势的大小与组成热电偶的金属材料有关，与热端和冷端的温度差 有关，在测量温度变化范围不大的情况下，可近似看作成线性关系，当热电偶的高、低 温端温度为 T 和 T0时，其温差电动势 ( ) E T T0 。其中 α 称为热电偶的温差系数。 通常把冷端置入冰水混合物中，即低温端为 0℃。测出温差电动势，由该热电偶的校准 的曲线或数据，就可得知待测温度。 热电偶的测温范围广，(使用范围为-200～2000℃)；灵敏度和准确度很高(在 10-3℃ 以下)，特别是铂和铑的合金制成的热电偶稳定性很高，常用作标准温度计等。 常用的热电偶有以下几种：铜-康铜热电偶，用于 300℃以下的温度测量；测高达 1100℃的温度用镍铬—镍镁合金组成的热电偶；测更高的温度，通常用铂一铂铑合金的 热电偶(测温范围为-200～1700℃)；如果温度高达 2000C，则可用钨—钛热电偶。 五、电流测量 电磁学测量器具种类繁多，结构与功能千差万别。第一类是作为测量单位标准的度 量器，如标准电池、标准电阻等；第二类则是将被测量与度量器进行比较，然后确定出 被测量的较量仪器，如电桥、电位差计等；第三类是能直接读出被测量大小的直读仪表。 此外，还有一些辅助器具，如电源、开关、滑线变阻器等。 电测仪表的类型、性能、实验条件等一般在表盘上都有表示，电表性能标志见表 1， 一般它们都位于电表面板的右下角或左下角。必须明确各种标识符号及其意义，才能保 证使用的合理，保证电测仪表的精确性。 表 1