基本物理量的测量

实验目的1.掌握游标卡尺的测量原理和使用方法；2.掌握螺旋测微计的测量原理和使用方法；3.学会正确使用游标卡尺、螺旋测微计及移测显微镜测量长度；4.学会使用万用表5.掌握多次等精度测量误差的估算方法与有效数字的基本运算。实验器材游标卡尺，螺旋测微计，移测显微镜，待测物体（长方体、圆球、钢丝）实验原理一游标卡尺结构：游标卡尺是能够准确测量长度的装置。它由主尺（米尺）和游标尺（标有N个刻度的游标尺）两部分组成。游标与尺身之间有一弹簧片，利用弹簧片的弹力使游标与尺身压紧。游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。尺身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径(图1)。深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。主尺的分度值为1mm，与游标尺上分度值NN1mm相差一个小量Δx=N1mm。常见的三种卡尺分别为：Δx=0.1mm、Δx=0.05mm和Δx=0.02mm，分别称为十分游标，二十分游标和五十分游标(图2)。以十分游标为例，游标尺的10个分度值（游标尺刻度总长）与主尺的(10—1)mm重合。故使用游标卡尺测长度时，读数可精确到0.1mm。同理可知，二十分游标读数可精确到0.05mm，五十分游标读数可精确到0.02mm。二螺旋测微计结构：螺旋测微计又称千分尺。是利用测微螺杆的外螺纹和套管的内螺纹紧密配合、将测微螺杆的角位移变为直线位移的原理，来实现长度测量的量具，如图4。测微螺杆的螺距为0.5mm，可转动的套管（叫微分筒）的圆周上均匀刻画50个分度，所以每旋转一个分度，螺杆移动0.5mm/50=0.01mm。也就是说螺旋测微计的精密度（分度值）为0.01mm。三移测显微镜移测显微镜是利用螺旋测微器控制镜筒（或工作台）移动的一种测量显微镜。显微镜是由物镜、叉丝和目镜组成的光学显微系统。位于物镜焦点前的物体经物镜成放大倒立实像于目镜焦点附近并与叉丝的刻线在同一平面上。目镜的作用如同放大镜，人眼通过它观察放大后的虚像。图6所示为镜筒移动式移测显微镜，可分为测量架和底座两大部分。在测量架上装有显微镜筒和螺旋测微装置。显微镜的目镜用锁紧圈和锁紧螺钉固紧于镜筒内。物镜用螺纹与镜筒连接。整体的镜筒可用调焦手轮对观测物调焦。旋转测微鼓轮，镜筒能够沿导轨横向移动，测微鼓轮每旋转一周，显微镜筒移动1mm，镜筒的移动量从附在导轨上的50mm刻度尺上读出整毫米数，小数部分从测微鼓轮上读。测微鼓轮圆周均分为100个刻度，所以测微鼓轮每转一格，显微镜移动0.01mm。测量架的横杆插入立柱的十字孔中，立柱可在底座内转动和升降，用旋手固紧。使用前先调整目镜，对叉丝聚焦清晰后，再转动调焦手轮，同时从目镜中观察，使被观测物成像清晰，无视差。为了测量准确，必须使待测长度与显微镜筒移动方向平行。四万用表万用表的使用的注意事项（1）在使用万用表之前，应先进行“机械调零”，即在没有被测电量时，使万用表指针指在零电压或零电流的位置上。（2）在使用万用表过程中，不能用手去接触表笔的金属部分，这样一方面可以保证测量的准确，另一方面也可以保证人身安全。（3）在测量某一电量时，不能在测量的同时换档，尤其是在测量高电压或大电流时，更应注意。否则，会使万用表毁坏。如需换挡，应先断开表笔，换挡后再去测量。（4）万用表在使用时，必须水平放置，以免造成误差。同时，还要注意到避免外界磁场对万用表的影响。（5）万用表使用完毕，应将转换开关置于交流电压的最大挡。如果长期不使用，还应将万用表内部的电池取出来，以免电池腐蚀表内其它器件。欧姆挡的使用一、选择合适的倍率。在欧姆表测量电阻时，应选适当的倍率，使指针指示在中值附近。最好不使用刻度左边三分之一的部分，这部分刻度密集很差。二、使用前要调零。三、不能带电测量。四、被测电阻不能有并联支路。五、测量晶体管、电解电容等有极性元件的等效电阻时，必须注意两支笔的极性。六、用万用表不同倍率的欧姆挡测量非线性元件的等效电阻时，测出电阻值是不相同的。这是由于各挡位的中值电阻和满度电流各不相同所造成的，机械表中，一般倍率越小，测出的阻值越小。万用表测直流时一、进行机械调零。二、选择合适的量程档位。三、使用万用表电流挡测量电流时，应将万用表串联在被测电路中，因为只有串连接才能使流过电流表的电流与被测支路电流相同。测量时，应断开被测支路，将万用表红、黑表笔串接在被断开的两点之间。特别应注意电流表不能并联接在被测电路中，这样做是很危险的，极易使万表烧毁。四、注意被测电量极性。五、正确使用刻度和读数。六、当选取用直流电流的2.5a挡时，万用表红表笔应插在2.5a测量插孔内，量程开关可以置于直流电流挡的任意量程上。七、如果被测的直流电流大于2.5a，则可将2.5a挡扩展为5a挡。方法很简单，使用者可以在“2.5a”插孔和黑表笔插孔之间接入一支0.24欧姆的电阻，这样该挡位就变成了5a电流挡了。接入的0.24a电阻应选取用2w以上的线绕电阻，如果功率太小会使之烧毁。实验内容1.用游标卡尺测量长方体的长、宽、高，并求其体积。在测量时应按长、宽、高的顺序依次测量，应取物体的不同部分进行测量。2.用螺旋测微计测量圆球的直径，并求其体积。应做交叉测量，即在同一截面上，在相互垂直的方向上进行测量。3.用移测显微镜测量钢丝的直径。调整移测显微镜底座里面的平面镜，使从目镜中观察到的视场明亮。转动显微镜的接目镜，直到能够看清里面的叉丝。观察纵方向的叉丝是否与刻度尺垂直，若不垂直，可旋松目镜锁紧圈上的锁紧螺钉，进行调整。转动调焦手轮，同时从目镜中观察，使被测钢丝成像清晰，无视差。调节钢丝在玻璃板上的取向，使纵叉丝与钢丝表面平行。转动鼓轮手柄，让叉丝从钢丝的左侧运动到钢丝的左边缘，记录显微镜的位置为左读数。注意鼓轮读数与主尺上小数部分的大小关系，确定读数是大于还是小于主尺读数。沿原方向转动鼓轮手柄，使叉丝对准钢丝右边缘，再记录此时的读数。注意仍然用前面的读数规则。改变钢丝的位置，重复测量三次。4.使用万用表测电阻和二极管数据表格1.用游标卡尺测量长方体的长、宽、高游标尺的分度值：mm游标尺的零点读数：mm表一长方体尺寸用游标卡尺测量长方体的长、宽、高长度a：3131iaa，可比读数多保留一位，精确至0.001mm。21312133aaauiA，可保留两位有效数字。按中华人民共和国计量检定规程，游标卡尺的允许误差等于分度值，所以mm02.0。)(3/02.03/mmauB，可保留两位有效数字。而auauauBAc22)()(对b和c可进行同样的运算。长方体体积V的计算：最佳值为cbaV，可暂时多保留几位有效数字。不确定度由相对不确定度的计算公式2222211lnlnlnkkcuxfuxfuxfyyuE得21222ccubbuaauVVucccc，只保留一位有效数字。根据Vuc所在的位数，按照末位对齐的原则，对V进行取舍。结果表示为：VuVVc2.用螺旋测微计测量圆球体积方法同上。按中华人民共和国计量检定规程，对螺旋测微计，允许误差为0.04mm。由336134dRV知，V仅是直径d的函数。计算时，的位数应与d的有效数字相等或多一位。且dduVVucc3