大学物理实验电子书(二)

2 物理实验的基本仪器

在物理实验中无论是观察现象，还是进行测量都要使用相关仪器。大学物理实验中各类实验所用仪器不尽相同。例如，力学实验常用游标尺和千分尺，热学实验中常用温度计，电磁学实验则要使用各种电表；而另一方面，各类实验中使用的仪器也相互渗透和关联，例如，应用游标尺和千分尺原理制成的读数装置也常出现于光学实验的仪器中，而大量的电子仪器和光学仪器也愈来愈多地应用于力学实验。所以，在本章中我们将集中介绍一些最基本的物理实验仪器，其他一些专门化的仪器将在有关实验中进行介绍。

2.1 力学实验常用基本仪器

长度、质量、时间是物理学中的三个基本力学量，因而常用来测量这三个量的仪器就是力学实验乃至整个物理实验中的基本仪器。

2.1.1 长度测量仪器

最普通的长度测量器具是米尺，但由于米尺的分度值为l mm 常常不能满足测量的需要，为提高测量的精度，人们设计了各种能较精确测量长度的仪器，如游标尺和螺旋测微计就是最常见的两种。

1）游标尺

游标尺主要由主尺和游标两部分组成，如图2—1所示。主尺D 按米尺刻度，量爪A 、 A '固定在主尺上。游标E 可沿主尺滑动，量爪B 、B '及深度尺C 固定在游标上。A 、B 用来测量物体的厚度和外径，A B ''、用来测量物体的内径，C 尺用来测量槽的深度。由主尺零线和游标零线之间的距离，可以确定上述被测量的读数值。

图2－1

游标尺的主尺和普通米尺一样，刻有毫米分格，而游标的刻度则有各种不同的分格。设游标上n 分格的总长，与主尺上1n -个分格（每个分格长度为l ）的总长L 相等，则游标上每个分格的长度/l L n '=，主尺与游标每分格的差值为l l δ'=-,δ就是该游标尺的分度值。例如对于图2—2所示的二十分游标，20n =，游标上20个分格的长度等于主尺上l9 mm ，

图2－2

游标上每个分格0.95m m l '=，主尺上每分格l 与游标上每分格l '的差值为0．05 mm ，则该游标的分度值为0.05δ=mm 。

测量时，游标的零线一般不会与主尺上的某刻度线重合。对图2～2所示情形，游标零线超过主尺的20 mm 刻线，游标的第三刻线与主尺的23 mm 刻线重合，则主尺的20 mm 刻线与游标零线之间的距离为3－3×0.95=0.15，所以物体的长度为20.15mm 。可见，若游标零刻线左侧主尺读数为Y ，游标上的第K 条刻线与主尺上某刻度线重合，则游标尺读数为

L Y K δ=+

为便于读数，对二十分游标，在游标上刻有0、25、50、75、1等数字，可直接读出。图2－3所示的是另一种二十分游标，图中读数为1.60 mm 。

使用游标尺时应注意：

（1）测量前先检查游标卡尺是否有零值误差（即主尺与游标的零刻度线是否对齐），如有则应记下此值，用以修正测量值。

图2－3

（2）测量时量爪要卡正

物体、松紧要适当，需要将

被测物体取下读数时，要旋

紧固定螺丝F 。

（3）游标卡尺的读数也

会产生误差，由于在判断游

标上哪一条线与主尺上的某

一条刻度线相对说来对得最

齐的时候，最多只可能有正

负一条线之差，所以取游标

尺的最小分度值δ作为仪器

的最大示值误差。

A 一支架；

B 一测微螺杆；

C 一棘轮旋柄；

D 一微分筒；

E 一固定套管；

F 一测砧；

G 一待测物；

H 一锁紧装置 图2－4

2）螺旋测微计（千分尺）

螺旋测微计的构造如图2－4所示，A 为U 型支架，一端是固定端F （称砧台），另一端联系可旋转的螺杆B 。螺距是0.5 mm ，因此当螺杆旋转一周时，它沿轴方向移动0.5 mm ，E 是固定套管，上面刻有刻度，每一小格表示0.5 mm ，我们称之为主尺；D 为微分套筒，和螺杆B 相连，其上一周刻着50个等分的小格，我们称之为副尺。显然副尺一周和0.5 mm 相当。由于D 每转一周，B 就向F 靠拢0.5 mm ；因此D 转过一格，B 就向F 靠拢0.01 mm ，这样螺旋测微计的最小刻度为而1

100mm ，这就是螺旋测微计的分度值，根据读数原则，还可以估读一位数字，这就是说可以估读到1

1000mm ，所以螺旋测微计又称为千分尺。

我们在测量时，首先使B 适当离开F ，然后夹人待测物，读数时，先读出主尺上的刻度为x 毫米，然后再读出副尺上的刻度为n （估计到一格的l ／10），则物体长度L 为

()m m 100n

L x =+

如图2－5（a ）所示，其读数为3.475 mm ，最后一位5是估计数字。

使用螺旋测微计时应注意下列几点：

（1）首先看螺旋测微计当F B 、的端面接触时，初读数是否为“0”。不为零应调“0”，否则应在测得物体长度读数后，减去或加上这一差数（零点误差），才是物体长度。

（2）被测物体与F B 、接触的松紧程度，大大影响测量结果。为此测量时应将物体靠于 F ，当转动到物体将与B 接触时，应慢慢转动棘轮柄C ，在听到“轧轧”声后，就停止转动。这样可保证被测物体与F B 、按接触松紧程度有一定的标准，从而减小测量误差，同时也避免螺纹受力过大而损伤。在检查螺旋测微计零点时，亦是如此。

图2－5

（3）因为当D 旋转一周时，B 只移动0.5 mm ，所以读它时必须注意E 上的0.5mm 划线，以免少读0.5 mm （例如把3.978 mm 读成3.478 mm ，见图2－5（b ）。

（4）螺旋测微计使用完毕后，F B 、之间留少量空隙，以免膨胀时，接触过紧而损坏螺纹。

2.1.2 质量称衡计——物理天平

物体的质量常用天平称衡。天平根据其精度级别的高低分为物理天平和分析天平。分析天平精度级别较高常用于化学分析，物理实验通常使用的是物理天平。天平的规格除了等级以外，主要还有称量和感量（或灵敏度）。