力学热学实验中的基本测量仪器

实验离不开测量，必然少不了使用测试类的仪器。按教学规律，知识的获取应该由浅入深，物理实验也应先简单后复杂。实验者最先于某一实验中遇到某种测量仪器，那他就应该认为这一实验就是对这一测量仪器的“专门训练”。但不可能把每一种测试仪器的知识在每一个相关实验里都编写出来，使实验者开始遇到时就能就近学习。因此我们只有把常用的部分测试仪器的知识从中抽出来归类单独编写在各大类实验的前面，而在具体实验中用到时用文字着重指出在何处查阅，以适应实验者随时的需要。当然还有些测量仪器虽然通用，但在本书只是个别实验用到，那么这类仪器就在相关实验里介绍。本节就力学和热学实验中通用的部分测量仪器的原理，使用方法、注意事项及仪器误差作简单介绍

一、常用长度测量仪器

长度是最基本的物理量，是组成空间的最基本要素之一。世界上任何物体都具有一定的几何尺寸，空间尺寸和物体几何量的测量对现代科学研究、工农业生产以及日常生活需求都有巨大的影响。

（一）米尺

米尺包括钢卷尺和钢直尺，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，同时最后一位是估计的。测量过程中，一般不用米尺的端边作为测量的起点，以免因边缘磨损而引入误差，而可选择某一刻度线（例如10 cm刻线等）作为起点。由于米尺具有一定厚度，测量时就必须使米尺刻度面紧挨待测物体AB（如图2-1所示），否则会由于测量者视线方向的不同（即视差）而引入测量误差（图2-2）

附：钢直尺和钢卷尺的允许误差

钢直尺 钢卷尺

尺寸范围

（mm） 允许误差

（mm） 准确度等级 示值允许误差（mm）

Ⅰ级 ±(0.1±0.1L)

>1～300 ±0.10 Ⅱ级 ±(0.3±0.2L)

>300～500 ±0.15 注：式中L是以米为单位的长度，

当长度不是米的整数倍数时，

取最接近的较大的整“米”数。 >500～1000 ±0.20

1000～1500 ±0.27

>1500～2000 ±0.35

（二）、游标卡尺

游标卡尺是比钢尺更精密的测量长度的工具，它的精度比钢尺高出一个数量级。游标卡尺的结构如图 4-3 所示。

图4-3 游标卡尺

主尺D是钢制的毫米分度尺，主尺上附有外量爪A和内量爪B，游标上有相应的外量爪'A和内量爪'B以及深度尺C，游标紧贴主尺滑动，F是固定游标的螺钉。游标卡尺可用来测量物体的长度和槽的深度及圆环的内外径等。

(1) 游标原理。游标卡尺的特点是让游标上的n个分格的总长和主尺上(kn − 1)个分格的总长相等。设主尺上的分度值为a，游标上的分度值为b，则有

nb = (kn − 1)a

主尺上k个分格和游标上1个分格的差值是

akabn

这里a/n就是游标卡尺的最小分度值。

以10分度的游标卡尺为例。当它的量爪'AA合拢时，游标的零刻线和主尺的零刻线刚好对齐，游标上第10个分格的刻线正好对准主尺上第9个分格的刻线，如图 3-4 所示。 则游标的10 个分格的长度等于主尺上9个分格的长度，而主尺的分度值为a = 1mm，那么游标上的分度值为b = (9/10)mm=0.9mm。则其最小分度值为a/n = 1mm/10 = 0.1mm。若是20分度的游标卡尺，则游标上的20个分格的长度正好等于主尺上39个分格的长度，如图3-5

所示。那么，a = 1mm，b = (39/20)mm= 1.95mm，则 2a − b =0.05mm = 1mm/20 (这里k取2)。则此游标卡尺的最小分度值为0.05mm。

图4-4 10分度游标原理 图4-5 20分度游标原理

同理对50分度的游标卡尺，a = 1mm，b= 0.98mm = (49/50)mm，那么其最小分度值为(1 − 0.98)mm = 0.02mm = 1mm/50。

(2) 游标卡尺的读数要点。以50分度游标卡尺为例，

第一步：根据副尺零线位置以左的主尺上的最近刻度读出毫米的整数位，该图中为6mm；

第二步：根据副尺零线以右和主尺某一刻线对准的刻线数乘以0.02读出小数。该图中副尺零线右第9条线和主尺某刻线对齐，则小数位读数为9×0.02mm＝0.18mm；

第三步：将上面的整数和小数两部份相加，即得总尺寸。如图中的读数为：

6＋9×0.02=6.18（mm）

在实验中，要求大家学会直接读数。例：6+0.18＝6.18（mm）

图4-6 50分度游标卡尺读数：6.18mm

游标卡尺的使用注意事项

1.用游标卡尺测量前，应先检查零点。即合拢量爪，检查游标零线和主尺零线是否 对齐，如零线未对齐，应记下零点读数，加以修正。

2.不允许在卡紧的状态下移动卡尺或挪动被测物，也不能测量表面粗糙的物体。一 旦量爪磨损，游标卡尺就不能作为精密量具使用了。

用完卡尺应放回盒内，不得乱丢乱放。

附：游标卡尺的示值误差

测量长度

（mm） 示值误差（mm）

分度值（mm）

0.02 0.05 0.10

0～150

150～200

200～300

300～500 ±0.02

±0.03

±0.04

±0.05 ±0.05

±0.05

±0.08

±0.08 ±0.10

500～1000 ±0.07 ±0.10 ±0.15

（三）、螺旋测微器

1、简介

螺旋测微器是比游标卡尺更精密的长度测量仪器，分度值可在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。

螺旋测微器的外形如图2-8所示。其中螺母套管B、固定套管D和测砧E都固定在尺架G上。主尺刻在D上，主尺上有一条横线称作读数准线，横线的下方刻有表示毫米数的刻线，横线上方刻有表示半毫米数的刻线（也叫半刻度线）。测微螺杆A、微分筒C和棘轮旋柄K是连在一起的。其中微分筒上的刻度通常为50分度。测微螺杆的螺距为0.5，它表示测微螺杆旋转一周时，螺杆延轴线方向前进或后退0.5mm，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分度值为0.01mm，即千分之一厘米，故也称为千分尺。

图2-8 螺旋测微计示意图

A2－测微螺杆；B3－螺母套管；C5－微分筒；D4－固定套管；

E1－测砧；F7－锁紧装置；G8－尺架；K6－棘轮旋柄。

2、读数方法

使用螺旋测微器测量物体长度时，应先把测微螺杆A往后退开，等待测物体放在测量面A、E之间后，旋转棘轮旋柄K，使测杆和测砧的测量面刚好和物体接触，可在旋转棘轮旋柄时听到咔咔两下声响后停止旋转，最后从固定套筒D的主尺上读出测量结果的整数部分，再从微分筒上读出其小数部分，两者相加得待测物体长度。

具体分以下三步骤：

Ⅰ 读整数

从微分筒的端面是读取整数。读数时，看微分筒端面左边固定套筒上露出的数字，也即主尺上的读数，为测量结果的整数部分。

Ⅱ 读小数

固定套筒上的读数准线是读取小数的基准。读数时，看微分筒上是哪一条刻线和固定套筒的读数准线重合，同时注意0.5mm半刻度线是否露出，如果固定套筒上的0.5mm刻线没有露出，则微分筒上和读数准线重合的那条刻线对应的数字就是测量结果的小数部分。如果0.5mm刻线已经露出，则应从微分筒上读得的数字再加上0.5mm才是测量结果的小数部分。这是特别应该注意的一个地方，否则会造成读数错误。另外一个要注意的是读数准线对应微分筒上的位置要估读到小数点后第三位。

Ⅲ 求和

将测量结果的两部分相加，即为所求的测量结果。图2-9为一读数实例。

(a) 主尺读数5.5mm，微分筒读数0.150mm，总读数5.650mm；

(b) 主尺读数5.0mm，微分筒读数0.150mm，总读数5.150mm。

图2-9 螺旋测微计读数实例

使用螺旋测微器应注意以下几个问题：

1.测量前检查零点读数，并根据零点读数对测量结果作相应的零点修正。

当螺旋测微器的测杆A和测砧E接触时，微分筒上的零线应当刚好和固定套管上的横线对齐，然而实际使用的螺旋测微器由于使用不当等原因，造成初始状态和上述要求不符，也就是有一个不为零的零点读数，具体以图2-10表示两种零点读数的例子来说明。由于对应的位置不同，测量完成后，要从测量值的平均值中减去或者加上零点读数。

图2-10螺旋测微计读数的校正

(a)读数应加上0.035mm；(b) 读数应减去0.030mm.

2.检查零点读数和测量长度时，不可直接转动测微螺杆和微分筒，而应轻轻转动棘轮旋柄。当测杆接触物体时，它会自动打滑，发出“喀、喀”的声响，此时应停止转动，打开锁紧装置同时开始读数。

3.测量完毕关闭锁紧装置，同时使测砧和测微螺杆留出一定间隙，以免因热膨胀而使两面吻合过度从而损坏螺旋测微器。

附：螺旋测微器的示值误差

测量范围（mm） 示值误差（μm）

0～25 25～50 4

50～75 75～100 5

100～125 125～150 6

150～175 175～200 7

（四）、读数显微镜

1、简介

把测微螺旋和显微镜组合起来的精确测量长度的仪器叫读数显微镜。如图2-11所示，它的测微螺距分度值为1mm，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，每转动一个分格显微镜将平移0.01mm，所以读数显微镜的测量精度也是0.01mm，量程一般是50mm。读数显微镜所附的显微镜B一般由三部分组成：(1)目镜、叉丝(靠近目镜)和物镜。

2、读数显微镜使用及读数方法

(1)转动转鼓A，是指标E1对应在标尺F25mm附近；

(2)旋转目镜C看清十字叉丝；

(3)转动旋柄D，由下而上移动显微镜镜筒，改变物镜到被测物之间的距离，直至看清被测物，同时移动被测物，使其在物镜正下方；

(4)转动转鼓A，横向移动读数显微镜，使十字叉丝的交点和被测物体的目标对准；

(5)从标尺F和指标1E读出毫米的整数部分，从转鼓A和指标2E读出毫米以下的小数部分，将两部分相加得出目标所在的位置读数；

(6)转动转鼓平移显微镜，使十字叉丝和被测物的第二个目标对准并采取（5）中相同的读数方法，最后两读数之差即为所测量点之间的距离。

3、使用规则

(1)当转动转鼓A移动显微镜时，要使被测物两点连成的线和显微镜移动的方向平行；

(2)防止回程误差。当移动显微镜从两个方向对准同一目标进行两次读数时，因螺丝和螺套不可能完全密接，有一定的间隙，旋转方向改变时，它们的接触状态也将改变，两次读数有一定的差值，由此产生的误差称为回程误差。为防止这种误差，在测量时应向同一方向旋转转鼓使十字叉丝和目标对准，如果移动十字叉丝后超过目标，则应该往后多退些，再重新向同一方向转动转鼓去对准目标。

（3）操作时动作要轻，眼睛疲劳后要注意休息。

二、常用质量测量仪器

（一）物理天平

1、简介

天平常用来称量物体的质量。天平是一种利用等臂杠杆原理的装置，其按称量的精确度可分为精确度低的物理天平和精确度高的分析天平。这里主要讲解物理天平，分析天平将在具体实验项目中讲解使用规则。

物理天平横梁的左、中、右各镶有一个刀口。中刀口向下放在玛瑙刀承上，左、右刀口向上，通过吊耳内的玛瑙刀承下挂吊环及吊盘。横梁的起落通过手轮升降杆控制。在立柱的后面装有水准气泡。天平都配有砝码一盒，以称量为1000g的为例，砝码有200g、100g、20g、2g的各两个，500g、50g、5g、1g的各1个．

天平的主要技术参数为称量、感量。其中称量是指天平所能称量的最大质量（量程），常以克（g）为单位表示．感量是指使天平指针从平衡位置偏转一分度时所需的最大质量，所以感量也叫做“分度值”，常以“毫克”（mg）为单位，它反映了天平的灵敏程度。天平还有其他的一些技术参数比如变动性、级别、砝码精度、游码标尺误差等。普通物理实验室中常用的物理天平最大称量是为500g，感量为20mg。 图2-11

图2-12