全国中学生物理竞赛实验参考二

全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义54第二部分包括力学通用仪器、杨氏模量、气轨、单摆、弦上驻波相对于《指导书》实验三、二、四、五、七。力学实验六测空气中的声速和示波器使用整合为一篇测量工具长度【实验目的】1.掌握米尺、游标卡尺、螺旋测微器和移测显微镜等几种常用测量长度仪器的使用方法。2.进一步理解误差和有效数字的概念，并能正确地表示测量结果。3.学习数据记录表格的设计方法。【实验仪器】米尺、游标卡尺、螺旋测微器、移测显微镜、被测物【实验原理】一、米尺米尺的最小刻度值为1mm，用米尺测量物体的长度时，可以估测到十分之一毫米，但是最后一位是估计的。如用米尺测量一张书桌的长度和宽度的数值分别为55.25cm和48.43cm，其中55.2和48.4是准确的，而最后一位数字5和3是估计值，也就是含有误差的测量值，根据有效数字的书写方法可知，用米尺做长度测量时，当用厘米做单位时，数值应读到小数点后第二位为止。二、游标卡尺游标卡尺简称卡尺，是一种比较精确的常用测量长度的量具，其准确度可达0.1~0.01mm，它的外形和结构如图1-1所示。游标卡尺主要由主尺和可以沿主尺滑动的游标尺（副尺）组成。钳口A、B用来测量物体的外部尺寸，刀口BA′′、可用来测量管的内径或槽宽；尾尺C可用来测量槽或小孔的深度。主尺的最小分度为1mm，游标尺上刻有游标E，利用游标可以把主尺上的估读数值准确地测量出来，从而提高了测量的精确度。以10分度游标为例，图1-2为测量精确到110分格的游标(称作10分游标)的原理图。游标尺上只有10个分格，是将主尺上的9个分格10等分而成，由此有标尺上的一个分格的间隔等于主尺一个分格的110。图1-3是使用10分游标测量的示意图。测量时将物体ab的a端和主尺的零线对齐，另一端b在主尺的第7和第8格分格之间，即物体的长度稍大于7个主尺格。设物体的长度比7个主尺格长l∆，全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义55使用10分游标可将l∆测准到主尺一分格的110。如图1-3示，将有标的零线和物体的b端相接，查出与主尺刻线对齐的是由标尺上的第6条线，则99(66)6(1)0.61010l∆=−×=−=主尺格主尺格主尺格即物体的长度等于7.6主尺格。如果主尺每分格为1mm，则被测物体的长度为7.6mm。由图1-3可以看出，游标卡尺是利用主尺和游标尺上每一分格之差，使测量读数进一步精确的，此种方法称作差示法。参照上例可知，使用游标卡尺进行测量时，读数分为两步：(1)从游标零线位置读出主尺的整格数.(2)根据游标上与主尺对齐的刻线读出不足一分格的小数,二者相加即为测量值.一般说来,游标是将主尺的1−n个分格，分成n等分（称作n分游标），如主尺的一分格宽为x，则游标一分格宽为nxn/)1(−，二者的差为/xxn∆=是游标尺的分度值。图1-4所示，使用n分游标测量时，如果是游标的第k条线与主尺的某一刻线对齐，则所求的l∆值等于1nxlkxkxknn−∆=−=即l∆等于游标分度值xn乘以k。所以使用游标卡尺时，先要明确其分度值。一般使用的游标有n等于10、20和50三种，其分度值即精密度分别为0.1mm、0.05mm和0.02mm。现代生产和实验中使用的常为五十分游标，是将主尺的49mm等分为游标的50个分格，即游标的一个分格宽度为0.98mm，它的分度值即精密度为0.02mm。三、螺旋测微器螺旋测微器又称千分尺，是比游标卡尺更精密的测长仪器，准确度可在001.0~010.mm之间。常用于测量细丝和小球的直径以及薄片的厚度等。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义56螺旋测微器的外形与结构如图1-5所示。螺母套管B、固定套管D和测砧E都固定在尺架G上。D上刻有主尺，主尺上有一条横线称作读数准线，横线上方刻有表示毫米数的刻线，横线下方刻有表示半毫米数的刻线。测微螺杆A和微分筒C、棘轮旋柄K连在一起。微分筒上的刻度通常为50分度。测微螺杆的螺距为0.5，当测微螺杆旋转一周时，它延轴线方向前进或后退0.5，而每旋转一格时，它延主轴线方向前进或后退0.50.0150=mm。可见该螺旋测微器的最小刻度值为0.01mm，即千分之一厘米，故亦称千分尺。使用螺旋测微器测量物体长度时，要先将测微螺杆A退开，将待测物体放在AE、的两个测量面之间。螺旋测微器的尾端有棘轮旋柄K，转动K可使测杆移动，当测杆与被测物（或砧台E）相接后的压力达到某一数值时，棘轮将滑动并产生喀、喀的响声，活动套管不再转动，测杆也停止前进，此时即可读数。读数时，从主尺上读取0.5mm以上的部分，从微分筒上读取余下尾数部分[估计到最小分度值的十分之一，即1000/1(mm)]，然后两者相加，如图1-6(a)的读数为5.155mm，(b)的读数为5.655mm。使用螺旋测微器应注意以下几个问题：1.测量前要检查零点读数，并对测量数据作零点修正。螺旋测微器的测杆A与测砧E相接时，活动套管上的零线应当刚好和固定套管上的横线对齐，而实际使用的螺旋测微器由于调整不充分或使用不当等原因，造成初始状态与上述要求不符，既有一个不等于零的零点读数，图1-7表示两种零点读数的例子。要注意它们的符号不同，每次测量后，要从测量值的平均值中减去零点读数。2.检查零点读数和测量长度时，切忌直接转动测微螺杆和微分筒，而应轻轻转动棘轮旋柄。设置棘轮可保证每次测量条件（对被测物的压力）一定，并保护螺旋测微器的精密螺纹，如不使用棘轮而直接转动活动套管去卡物体时，由于对被测物的压力不稳定而测量不准确，另外可使螺纹发生形变和增加磨损，降低了仪器的准确度。3.测量完毕应使测砧和测微螺杆留有间隙，以免因热胀而损坏螺纹。四、读数显微镜读数显微镜是将测微螺旋和显微镜组合起来的作精确测量长度的仪器。它的测微螺距为1mm。如图1-8所示，和螺旋测微计活动套管对应的部分是转鼓A，它的周边等分为100个分格，每转一个分格显微镜将移动0.01mm，所以读数显微镜的测量精度也是0.01mm，它的量程一般是50mm。读数显微镜所附的显微镜B一般是低倍的(20倍左右)，它由三部分组成：全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义57(1)目镜、叉丝(靠近目镜)和物镜。用读数显微镜进行测量的步骤是：(1)伸缩目镜C看清叉丝；(2)转动旋柄D，由下向上移动显微镜镜筒，改变物镜到被测物之间的距离，看清被测物；(3)转动转鼓A，横向移动显微镜，使叉丝的交点和测量的目标对准；(4)读数，从指标1E和标尺F读出毫米的整数部分，从指标2E和转鼓A读出毫米以下的小数部分；(5)转动转鼓移动显微镜，使叉丝和被测物的第二个目标对准并读数，而读数之差即为所测量点间的距离。使用读数显微镜要注意：(1)当转动转鼓A移动显微镜时，要使显微镜的移动方向和被测物的两点连线平行；(2)防止回程误差。当移动显微镜从两个方向对准同一目标的两次读数，因螺丝和螺套不可能完全密接，螺旋转动方向改变时，它们的接触状态也将改变，两次读数并不相同，由此产生的误差称作回程误差。为了防止回程误差，在测量时应向同一方向转动转鼓使叉丝和目标对准，当移动叉丝超过了目标时，就要多退回一些，重新再向同一方向转动转鼓去对准目标。【实验内容】1.用米尺分别测量实验桌的长度和宽度，计算出实验桌的面积。并按照单次测量误差计算方法计算误差。2.记下游标卡尺的分度值。用游标卡尺测量圆磁环的外径D、内径d及圆环厚度各6次(测量时要在垂直交叉方向进行)，并求出它们平均值及误差。3.依据公式4/)(22dDhV−=π求出圆磁环的体积，并依据误差传递公式计算出圆磁环的误差，写出测量结果。4.记下螺旋测微器的分度值。测量其零点读数3次，求出平均值。5.用螺旋测微器测量圆柱体不同部位的直径1d，测量6次(测量时要在垂直交叉方向进行)。计算出直径的平均值。6.按步骤5用螺旋测微器测量钢丝不同部位的直径2d，测量6次。计算出直径的平均值。7.用读数显微镜测量磁片的厚度，重复测量6次，求出平均值及误差。【实验数据】表1-1米尺测量长度米尺分度值=_______mm物理量长度ml/宽度mh/面积2/mS测量值Slhlhσ∆∆=+=表1-2游标卡尺测量圆环的体积游标卡尺的分度值=_____mm123456平均值cm/σ全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义58cmD/cmd/cmh/表1-3用螺旋测微器测量直径螺旋测微器的分度值=________mm123456平均值σ1d2d=+=111dddσ表1-4读数显微镜测量长度读数显微镜分度值=________mm123456l1x2x12xxl−==lσ=+=lllσ【问题讨论】1.将一个钢直尺旁附上一个特制的游标，可以成为一游标尺码？2.一铜丝的直径大约0.05mm，用什么仪器以及如何测量其直径，才能使其不确定度不大于0.001mm？3.如何确定一螺旋测微器的零点读数？如果某一螺旋测微器的零点读数为014.0−，用此螺旋测微器测量钢丝的直径为2.478mm，则测量值应修定为多少？=∆+∆+∆=rdRDhhV22σ=+=222dddσ=−=)(4122dDhVπ全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义59天平的使用【实验目的】1.学习使用物理天平调节与使用方法2.掌握天平测量物体质量的方法。【实验仪器和用具】物理天平，金属圆柱体，轻质绳【实验原理】天平是实验室秤衡物体质量的仪器。多数天平是一种等臂杠杆。在天平横梁上对称地、在同一平面上排列三个刀口，横梁(包括指针)的质心在中央刀口的稍下方。当天平偏向某一方向时，作用在横梁质心处的横梁的重力gm0，将产生向相反方向的恢复力矩，使天平出现左右摆动。如图2-1所示。天平的性能指标主要有：最大载量、分度值和灵敏度。1.最大载量是指允许秤衡的最大质量，是由横梁的结构和材料决定。2.分度值是指天平平衡时，使指针11产生一小格的偏转，在另一端需加(或减)的最小质量。3.灵敏度分度值的倒数称为灵敏度。分度值越小，天平的灵敏度越高。灵敏度由天平的臂长、指针长度、横梁的质量0m和质心到中央刀口的距离决定。当天平一侧增加一小质量m∆时，指针向另一侧偏转n个格(div)，则天平的灵敏度S等于nSm=∆(单位：div/单位质量)(2-1)【实验内容】一、天平的安装和调整1.安装：从盒中取出横梁后，辨别横梁左边和右边的标记，通常左边标有“1”，右边标有“2”，挂钩和秤盘上也标有1、2字样，安装时，左右必须分清，不可弄错，要轻拿轻放，避免碰撞刀口。2.水平调整调节天平的底脚螺丝1和，观察圆气泡水准器中的气泡，将气泡调至中央，保证天平全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义60立柱B铅直。有些天平是采用铅垂线和底柱准尖对齐来调节水平的。3.零点调节天平空载，先用镊子把游码6拨到刻度零位处，轻轻顺时针旋转制动旋钮15，支起横梁，观察指针的摆动情况，当指针指在标尺中线或在其左右作小幅度等幅摆动时，天平即达到平衡。如不平衡，逆时针转动制动旋钮15，落下横梁，调节两端的平衡螺母，再观察，直至天平达到平衡。二、天平灵敏度的测定天平调节平衡后，用镊子轻轻拨动游码，使之指示出一整数微小质量m∆，支起天平观察天平稳定后指针指示的标尺格数，由式(2-1)计算出该天平的灵敏度，重复测量6次，求出平均值，并与理论值mgdiv10/1进行比较，分析误差产生的原因。三、秤衡物体质量1.记下天平的最大称量和分度值。2.将金属圆柱体放在物理天平的左盘，在右盘由大到小逐步增加砝码，最后使用游码，秤出其质量1m；再将物体放在天平的右盘，秤出其质量2m；重复测量6次，求出其平均值，则圆柱体的质量21mmm⋅=(称作复称法，用来消除天平两臂不等长引起的系统误差)。3.测量轻质绳的质量4.估算不确定度。三、电子天平的使用1.外形结构示意图2.操作键的位置识别①校正键②转换键③计数键④去皮键⑤开关键/打印键3.电子天平的操作方法（1）水平调整后，接通电源，按住开关键2秒以上，此时天平显示“CH1-CH9”后，稳定显示0.00g。预热15分钟，如果天平在空载的况