1-长度测量基本仪器的使用

第三章 普通物理实验

实验1 长度测量基本仪器的使用

【实验目的】

1．熟悉游标卡尺、螺旋测微计、测量显微镜的构造、测量原理及使用方法； 2．学习有效数字和不确定度的计算，掌握误差理论与数据处理方法．

【实验仪器】

游标卡尺，螺旋测微计，测量显微镜，球体，圆柱等．

【仪器介绍】

1．游标原理

普通米尺最小刻度是1mm ，因此使用米尺只能准确地测量到1mm ，为更准确地测量长度，人们采用了游标装置．

游标尺有主尺（米尺）和副尺（标有N 个刻度的游标）两部分构成．由于主尺上标出的相应长度与副尺上标出的相应刻度均相差一个小量x ∆，1/(mm )x N ∆=，（常见的有三种，1/10(mm )x ∆=，1/20(mm)x ∆=，1/50(mm )x ∆=．当副尺上标有N 个刻度时，游标上这N 个刻度恰好能等分主尺上的1mm ，使读数可精确到1/(mm )N ．可见，游标原理可用四个字来概括——

例如：1/10(m m )游标（也叫十分游标）．游标上每个刻度与主尺相应刻度均差

1/10(mm

)x ∆=，当测量某物体长度时，先将被测物体一端和主尺的零刻线对齐，而另

一端落在主尺的第k 和k+1个刻度之间（k =6，k +1=7），则物体长度L k L =+∆，L ∆为物体另一端距离第k 个刻度的距离．由于游标刻度与主尺刻度存在差值x ∆，两排刻度经对比，必然可找到游标上某个刻度（设为第n 个）与主尺上某刻度重合或最为接近，如图1-2中n =5处与主尺最为接近，即

图1-2 游标卡尺读数举例

图1-1 游标卡尺差示法

150.510

L ∆=

⨯= 而 60.5 6.5()L k L mm =+∆=+=

一般而言，当游标上第n 个刻度与主尺上某一刻度重合时，主尺第k 个刻度与游标零刻线间距离为L n x ∆=∆，待测物体长度由两部分读数构成：①游标零刻线指示部分，即主尺上第k 个刻度所标示的长度，这部分可从主尺上读出，②游标刻线与主尺刻线重合部分所标示的长度，即L n x ∆=∆，这部分可从游标上读出（目前使用的游标上的刻度不是n 的值，而是n 与x ∆相乘后的结果）．即

L k L =+∆

1/20(mm )的游标也叫“二十分游标”，游标上有20个刻度，如图1-3（a ）所示，

游标上每个刻度与主尺的1mm 刻度相差1/20(mm )．游标上的刻度值0，25，50，75，0就是L ∆的数值．

1/50(mm )的游标如图1-3（b ）所示，其具体含义仿前述讨论，可以自行总结．

2．游标卡尺

游标卡尺的构造如图1-4所示，卡钳E 和E '同刻有毫米的主尺A 相连，游标框W 上附有游标B 以及卡钳F 和F '，推动游标框W 可使游标B 连同卡钳F 、F '沿主尺滑

（a ）

图1-3 二十分、五十分游标

（b ）

动．当两对钳口E 与F ，E '与F '紧靠时，游标的零点（即零刻度线）与主尺的零点相重合．用游标卡尺测定物体长度时，用卡钳E F 或E 'F '卡着被测物体，显然此时游标零点与主尺零点间距离恰好等于卡钳E 、F 间或卡钳E '、F '的距离，所以从游标零点在主尺上的位置，根据游标原理就可测出物体的长度（卡钳E 'F '部分是用来测量物体的内部尺寸，如管的内径等）．图中螺钉C 是用来固定油标框的，防止游标框在主尺上滑动以便于读数．

游标卡尺的零点校正：使用游标卡尺测量之前，应先把卡钳E 、F 合拢，检查游标的“0”线和主尺的“0”线是否重合，如不重合，应记下零点读数，此即为游标卡尺的零点误差，用它对测量结果加以校正．即待测量0x x x '=-，x '为未作零点校正的测量值，0x 为零点读数．0x 可以正，也可以负．

3．螺旋测微计（又称千分尺） (1) 螺旋测微原理

螺旋测微计是比游标卡尺更精密的量具，实验室中常用它来测量金属丝的直径或金属薄片的厚度等，其最小刻度为1/100(mm)外形如图1-5所示，1—测砧；2—测微螺杆；

3—制动栓；4

7—可动刻度；8—尺架．

螺旋测微计主要部分是内部有一很精密的丝杠和螺母（图中未画出），常见的螺旋测微计如图1-5所示，其量程为15mm ，分度值为0.01mm ．螺旋测微计的测微螺杆2的螺距0.5mm ，螺杆后端与微分套筒6、棘轮5相连接．当微分套筒旋转（测微螺杆也随之转动）一周，测微螺杆沿轴线方向运动一个螺距（0.5mm ）．微分套筒前沿上一周刻有50个等分格线，因此微分套筒每转过一格，螺杆沿轴线方向运动0.01mm （0.5/50mm ）．

(2) 读数方法

螺旋测微计固定套管上沿轴向刻有一条细线，在其下方刻有15分格，每分格1mm ；在其上方，与下方“0”线错开0.5mm 处开始，每隔1mm 刻有一条线；这就使得主尺

5

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图1-5 螺旋测微计

的分度值为0.5mm ．在测量时，把物体放在测微螺杆和测砧的测量面之间，旋转棘轮使测量面与待测物体接触，当听到棘轮咔、咔的响声便可读数．先将主尺上没有被微分套管前段遮住的刻度读出，再读出固定套管横线所对准的微分套筒上可动刻度的读数，还要估读一位，即读到0.001mm ．把主尺上读出的数（如0.5mm ，1.0mm ，1.5mm 等）和从微分套筒读出的数（小于0.5mm ）相加，即是测量值．

使用螺旋测微计测量时，要注意防止读错主尺数（整圈数），如图1-6所示的三例，（a ）比（b ）多转一圈，读数相差0.5mm ，（a ）的读数为5.904mm ，（b ）的读数为5.404mm ．（c ）的微分套筒转的圈数是3而不是4，读数为1.758mm 而不是2.258mm ．

螺旋测微计尾端有一棘轮装置5，拧动棘轮可使测微螺杆移动，当测微螺杆与物体（或测砧）相接后的压力达到某一数值时，棘轮将滑动并有咔咔的响声，微分套管不再转动，测微螺杆也停止前进，这时就可读数．设置棘轮可保证每次的测量条件（对被测物的压力）一定，并能保护螺旋测微计的精密的螺纹．不使用棘轮而直接转动微分套筒去卡住物体时，由于对被测物的压力不稳定，而测不准．另外，如果不使用棘轮，微分套筒上的螺纹将发生变形和增加磨损，降低了仪器的准确度，这是使用螺旋测微计必须注意的问题．

不夹被测物而使测微螺杆与测砧相接时，微分套筒上的零线应当刚好和固定套管上的横线对齐．实际使用的螺旋测微计，由于调整得不充分或使用的不当，其初始状态和上述要求不符，即有一个不等于零的零点读数，并注意零点读数的符号不同．每次测量之后，要从测量值的平均值中减去零点读数．

4．测量显微镜

测量长度时，如果被测物体较小，常用光学仪器来进行测量，其中最常用的就是测量显微镜，它可用来测量刻线距离、刻线宽度、圆孔直径、圆孔间距离，还可检查表面质量等，用途较广．测量显微镜的外观如图1-7所示．

目镜1安插在棱镜座2的目镜套管内，棱镜座能够转动，物镜4直接接在镜筒3上，组合成显微镜．转动调焦手轮15能使显微镜上下升降进行调焦，立柱锁紧螺丝10可将

03540

453540

45020

25

300(a)

(b)

(c)

5.904mm

5.404mm 1.758mm 图1-6 螺旋测微计读数