力学热学实验中的基本测量仪器

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

（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个分格的总长与主尺上(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个分格与游标上1个分格的差值是

a

-=

ka b

n

这里a/n就是游标卡尺的最小分度值。

AA合拢时，游标的零刻线与主尺的零刻线刚以10分度的游标卡尺为例。当它的量爪'

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：根据副尺零线以右与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条线与主尺某刻线对齐，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

（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与物体接触，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与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，则微分筒上与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