实验项目:     长度和质量的测量   

【实验题目】长度和质量的测量

【实验目的】

1. 掌握米尺、游标卡尺、螺旋测微计等几种常用测长仪器的读数原理和使用方法。

2. 学会物理天平的调节使用方法，掌握测质量的方法。

3. 学会直接测量和间接测量数据的处理，会对实验结果的不确定度进行估算和分析，能正确地表示测量结果。

【实验仪器】(应记录具体型号规格等，进实验室后按实填写)

直尺(50cm)、游标卡尺(0.02mm)、螺旋测微计(0～25mm,0.01mm),物理天平(TW-1B型，分度值0.1g，灵敏度1div/100mg),被测物体

【实验原理】(在理解基础上，简明扼要表述原理，主要公式、重要原理图等)

一、游标卡尺

主尺分度值：x=1mm,游标卡尺分度数：n（游标的n个小格宽度与主尺的n-1小格长度相等）,游标尺分度值： （50分度卡尺为0.98mm,20分度的为：0.95mm）,主尺分度值与游标尺分度值的差值为： ,即为游标卡尺的分度值。如50分度卡尺的分度值为：1/50=0.02mm,20分度的为：1/20=0.05mm。

读数原理：如图，整毫米数L₀由主尺读取，不足1格的小数部分 需根据游标尺与主尺对齐的刻线数k和卡尺的分度值x/n读取：

读数方法（分两步）：

(1)从游标零线位置读出主尺的读数.(2)根据游标尺上与主尺对齐的刻线k读出不足一分格的小数,二者相加即为测量值.即: ,对于50分度卡尺： ;对20分度： 。实际读数时采取直读法读数。

二、螺旋测微器

原理：测微螺杆的螺距为0.5mm，微分筒上的刻度通常为50分度。当微分筒转一周时，测微螺杆前进或后退0.5 ，而微分筒每转一格时，测微螺杆前进或后退0.5/50=0.01mm。可见该螺旋测微器的分度值为0.01 ，即千分之一厘米，故亦称千分尺。

读数方法：先读主尺的毫米数（注意0.5刻度是否露出），再看微分筒上与主尺读数准线对齐的刻线（估读一位）,乖以0.01mm, 最后二者相加。

三：物理天平

天平测质量依据的是杠杆平衡原理

分度值:指针产生1格偏转所需加的砝码质量，灵敏度是分度值的倒数，即 ，它表示天平两盘中负载相差一个单位质量时，指针偏转的分格数。如果天平不等臂，会产生系统误差，消除方法：复称法，先正常称1次，再将物放在右盘、左盘放砝码称1次(此时被测质量应为砝码质量减游码读数)，则被测物体质量的修正值为： 。

【实验内容与步骤】(实验内容及主要操作步骤)

1. 米尺测XX面积：分别测量长和宽各一次。

2. 游标卡尺测圆环体积：(1)记下游标卡尺的分度值和零点误差。(2)用游标卡尺测量圆环的外径 、内径 及圆环高度h各6次(在垂直交叉方向进行)。

3．千分尺测小钢球直径：（1）记下螺旋测微器的分度值，(2)测量其零点读数3次，求出平均值.(3)用千分尺测量小钢球不同部位的直径 ，测量6次(要在垂直交叉方向进行)。

4．物理天平使用（1）调底座水平；（2）调平衡；（3）称量；（4）天平复原。

【数据处理】  (实验数据见数据记录纸,不必在报告里再抄写一遍，要有主要的处理过程，要求用作图法处理的应附坐标纸作图或计算机打印的作图，处理的中间结果应多保留1-2位，以免产生截断误差，最终结果表示应符合有效数字规则和不确定度位数要求,计算中要特别注意单位的换算和书写)

1、由表1数据得

＝35.15×26.05＝915.66 (cm²)

∴ ，

2、由表2数据，D、d、h的计算结果如表5所示：

表5 空心圆柱体体积测量数据计算结果

其中

故：， ，

故：

∵

  =-961.33(mm²),    =668.19(mm²)

由不确定度传递公式得：

∴ ， =3.2%

3、由表3数据得：

9.483mm， =0.0904mm

， =0.09mm

∴ ，

4、由表4 数据得：

【实验结果与分析】

1、米尺测得**的面积为： ，相对不确定度：0.08%

2、游标卡尺测得圆环体积为：，相对不确定度：3.2%

3、千分尺测得圆球直径为：，相对不确定度：0.45%

   4、复称法测得圆柱体质量为：293.18g。

   测量结果是可信的。面积的相对不确定度非常小，并不能说明误差非常小，因只对长、宽的一个位置进行了一次测量。

   游标卡尺测量误差主要来自对与主尺对齐的游标格线判断不准；螺旋测微器的测量误差主要来自对格线是否露出的判断和零点读数及估读数；

从天平测量结果可以看出，复称法测出的两次质量很接近，说明天平的不等臂误差是很小的。

第二篇：大学物理实验：长度测量(陈涛)

实验一  长度测量

1.【实验目的】

1. 掌握游标卡尺、螺旋测微器、移测显微镜的测量原理和使用方法；

2. 学习正确读取和记录测量数据；

3. 掌握数据处理中有效数字的运算法则及表示测量结果的方法；

4.熟悉直接和间接测量中的不确定度的计算.

2.【实验仪器】

米尺，游标卡尺，螺旋测微计，移侧显微镜，被测物（滚球，圆管，毛细管）

3.【实验原理】

一、  游标卡尺

用普通的米尺或直尺测量长度，只能准确地读到毫米位。毫米以下的1位要凭视力估计，实验中要使读数准确到0.1mm或更小时，一般采用游标卡尺和螺旋测微计。

1．游标卡尺的结构

游标卡尺又叫游标尺或卡尺，它是为了使米尺测量的更准确一些，在米尺上附加了一段能够滑动的有刻度的小尺，叫做游标。利用它可将米尺估读的那位数值准确地读出来。因此，它是一种常用的比米尺精密的测长仪器。利用游标卡尺可以用来测量物体的长度、孔深及内外直径等。

游标卡尺的外形如图4-1-1所示。它主要由两部分构成：与量爪AA’相连的主尺D；与量爪BB’及深度尺C相连的游标E。游标E可紧贴着主尺D滑动。量爪A、B用来测量厚度和外径，量爪A’、B’用来测量内径，深度尺C用来测量槽的深度，他们的读数值都是由游标的0线于主尺的0线之间的距离表示出来。

2．游标卡尺的测量原理

游标卡尺在构造上的主要特点是：游标刻度尺上m个分格的总长度和主刻度尺上的(m－1)个分格的总长度相等。设主刻度尺上每个等分格的长度为y，游标刻度尺上每个等分格的长度为x，则有

                        mx＝（m－1）y　              (4-1-1)

主刻度尺与游标刻度尺每个分格的差值是

式中，为游标卡尺所能准确读到的最小数值，即分度值（或称游标精度）。若把游标等分为10个分格（即m=10），这种游标卡尺叫做“十分游标”。“十分游标”的=1/10mm。这是由主刻度尺的刻度值于游标刻度值之差给出的，因此不是估读的，它是游标卡尺所能准确读到的最小数值，即游标卡尺的分度值。若m=20，则游标卡尺的最小分度为1/20mm=0.05mm，称为20分度游标卡尺；还有常用的50分度的游标卡尺，其分度值为1/50mm=0.02mm。

3．游标卡尺的读数

游标卡尺的读数表示的是主刻度尺的0线与游标刻度尺的0线之间的距离。读数可分为两部分：首先。从主刻度尺上与游标刻度上0线对齐的位置读出整数部分L₁(整毫米位)；然后，根据游标刻度尺上与主刻度尺对齐的刻度线读出不足毫米分格的小数部分L₂，则两者相加就是测量值，即L= L₁+ L₂。下面介绍实验室常用的10分度的游标卡尺的读数方法。

如图4-1-2所示，第一步从主刻度尺上可读出的准确数是30mm，即L₁=30，第二步找到游标上的第7根刻线（不含0刻线）与主刻度尺上的某一刻度线对齐，则位数为L₂=70.1mm=0.7mm，所以图4-1-2所示的游标卡尺的读数为L= L₁+ L₂=30.7mm。
    同理，图4-1-3所示，五十分游标的读数方法是，第一步从主刻度尺上可

读出的准确数是3mm，即L₁=3，第二步找到游标上的第22根刻线（不含0刻线）与主刻度尺上的某一刻度线对齐，则该位数为L₂=220.02mm=0.44mm，所以图4-1-3所示的游标卡尺的读数为L= L₁+ L₂=3.44mm。

4．游标卡尺的使用与注意事项

游标卡尺使用前，应该先将游标卡尺的卡口合拢，检查游标尺的0线和主刻度尺的0线是否对齐。若对不齐说明卡口有零误差，应记下零点读数，用以修正测量值；使用游标卡尺时，推动游标刻度尺的过程中，不要用力过猛，卡住被测物体时松紧应适当，更不能卡住物体后再移动物体，以防卡口受损；用完后两卡口要留有间隙，然后将游标卡尺放入包装盒内，不能随便放在桌上，更不能放在潮湿的地方。

二、螺旋测微计（千分尺）

螺旋测微计是比游标卡尺更为精密的测量长度的仪器，其量程比游标卡尺小，为25mm，分度值也比游标卡尺小，通常为0.01mm。螺旋测微计常用来测量准确度要求较高的物体的长度。

1．螺旋测微计的结构及机械放大原理

实验室常用的螺旋测微计的结构如图4-1-4所示，螺旋测微计的尺架成弓形，一端装有测砧2，测砧很硬，以保持基面不受磨损。测微螺杆3（露出的部分无螺纹，螺纹在固定套管内）和微分筒6、棘轮7（测力装置）相连。当微分筒相对于固定套管转过一周时，测微螺杆前进或后退一个螺距，测微螺杆端面和测砧之间的距离也改变一个螺距长。实验室常用的螺旋测微计的螺距为0.5mm，眼微分筒周界刻有50等分格，固定套管上刻有毫米刻度线。因此，当微分筒转过1分格时，测微螺杆沿轴线前进或后退0.5/50=0.01mm，该值就是这种螺旋测微计的分度值。在读数时可估计到最小分度的1/10，即0.001mm，这就是螺旋测微计的机械放大原理，故螺旋测微计又称为千分尺。

2．螺旋测微计的读数

读数可分两步：首先，观察固定标尺读数准线（即微分筒前沿）所在的位置，可以从固定标尺上读出整数部分，每格0.5mm，即可读到半毫米；其次，以固定标尺的刻度线为读数准线，读出0.5mm以下的数值，估计读数到最小分度的1/10 ，然后两者相加。

如图4-1-5（a）所示，整数部分是5.5mm（因固定标尺的读数准线已经超过了0.5mm刻度线，所以是5.5mm），副刻度尺上的圆周刻度是15的刻线正好与读数准线对齐，即0.150mm，所以，其读数值为5.5+0.150=5.650 mm。同理，图4-1-5（b）的读数为5.150mm。

3．螺旋测微计的使用与注意事项

用螺旋测微计测量物体的长度时，将待测物放在测砧和测微螺杆之间后，不得直接拧转微分筒，而应先轻轻转动棘轮，使测微螺杆前进，当它们以一定的力使待测物夹紧时，测力装置中的棘轮即发出“喀、喀”的响声。这样操作，不至于把待测物夹的过紧或过松，影响测量结果，也不含压坏测微螺杆的螺纹。螺旋测微计能否保持测量结果的准确，关键是能否保护好测微螺杆的螺纹。

在使用螺旋测微计测量物体长度前必须读取初读数，即转动棘轮，当测微螺杆和测砧刚好接触时，记录固定套管上的准线在微分筒上的示值，即为初读数，考虑初读数后，测量结果应是：测量值=读数值-初读数。在记录时还应该注意初读数的正、负值。

螺旋测微计使用完毕，应将测微螺杆退回几转，使测微螺杆与测砧之间留有空隙，以免在受热膨胀时两者过分压紧而损坏测微螺杆。

三、移测显微镜

螺旋测微计虽能估读到千分之一毫米，但对于有些测量工作却很难或根本无法胜任，如刻线宽度、纤维粗细、光学系统的成像宽度等。然而，读数显微镜却能很好地胜任这些物理量的测量工作。

1．读数显微镜的结构

读数显微镜的结构如图4-1-6所示，从构造上可分为机械部分和光学部分。光学部分由显微镜及反光镜组成，显微镜又由物镜和目镜组成。目镜筒中装有十字叉丝。显微镜的作用是放大所测量的物体，反光镜的作用是给测量物提供合适的照明。机械部分由相互垂直的两个螺旋测微计、可旋转的载物台、调焦手轮、底座、支柱等组成。旋转两个螺旋测微计，可使载物台分别沿两互相垂直的方向移动。

2．读数显微镜的工作原理

读数显微镜的测微螺距为1mm（即标尺分度），测微鼓轮的周边上刻有100个分格，每格为0.01mm。鼓轮旋转一周，显微镜筒水平移动1mm，当测微鼓轮每旋转过一分格，显微镜筒将沿标尺移动0.01mm。0.01mm即为读数显微镜的最小分度。水平移动的距离（毫米数）由水平标尺上读出，小于1mm的数，由测微鼓轮读出，两者之和就是此时读数显微镜的位置坐标值。

3．读数显微镜的测量与读数

调节目镜进行视场调整，使显微镜十字线最清晰。具体做法是：旋转目镜使十字叉丝清晰；转动调焦手轮，从目镜中观测使被测工件成像清晰；旋转目镜筒使十字叉丝与载物台移动方向一致（具体调节方法见下图）；可调整被测工件，使其被测工件的一个横截面和显微镜移动方向平行；测量时，转动读数鼓轮或轻轻移动待测物使十字叉丝中一条线与待测物一边相切（见图4-1-7），从标尺和鼓轮上读出位置坐标x，然后转动读数鼓轮，使叉丝线与待测物另一边相切，读出位置坐标x’,则待测物长度L=|x- x^’|

 

4．读数显微镜使用注意事项

（1）在松开每个锁紧螺丝时，必须用手托住相应部分，以免其坠落和受冲击；

（2）注意防止回程误差，由于螺丝和螺母不可能完全密合，螺旋转动方向改变时它的接触状态也改变，两次读数将不同，由此产生的误差叫回程误差。为防止此误差，测量时应向同一方向转动，使十字线和目标对准，若移动十字线超过了目标，就要多退回一些，重新再向同一方向转动。

【实验内容及步骤】

4.【实验步骤及内容】

1．用游标卡尺测量圆管的体积

（1）练习正确使用游标卡尺。首先将游标卡尺的下量爪完全合拢，记录游标卡尺的初读数。然后移动游标，练习正确读数。

（2）测量圆管的外径D、内径d、高度H和中心孔深度h（各6次）。注意：测量时，应该在圆管周围的不同位置上测量高度和中心孔深度；沿轴线的不同位置上测量内径和外径，且每两次测量都应在互相垂直的位置上进行。

（3）计算各测量量的平均值。修正由于游标卡尺初读数引入的系统误差，得到各测量量的测量结果。

（4）计算圆管的体积及不确定度，正确表示测量结果。

2．用螺旋测微计测量滚珠的体积

（1）练习正确使用螺旋测微计。首先记录初读数。然后移动测微螺杆，练习正确读数。

（2）测量滚珠的直径d（在不同位置上测6次）。

（3）计算各测量量的平均值。修正由于初读数引入的系统误差，得到d的测量结果。

（4）计算滚珠的体积及不确定度，正确表示测量结果。

3．用读数显微镜测量毛细管的直径

（1）将被测件放在工作台面上，用压片固定。调整目镜，使叉丝清晰。

（2）调节目镜进行视度调整，使分划板清晰；转动调焦手轮，从目镜中观察，使被测件成象清晰；调整被测件，使其被测部分的横面和显微镜移动方向平行。

（3）转动测微鼓轮，使分划板的纵丝对准被测件的起点，记下此值（在标尺上读取整数，在测微鼓轮上读取小数，此二数之和即是此点的读数）x，沿同方向转动测微鼓轮，使分划板的纵丝恰好停止于被测件的终点，记下此值x’，则所测之长度计算可得L=|x- x^’|。注意在一次测量过程中，测微鼓轮应沿一个方向旋转，中途不得反转，以免引起回程差。

5.【数据记录及处理】(数据记录表格以下页补充表格为主)

1．用游标卡尺测量圆管的体积

表4-1-1游标卡尺测量

游标分度数：n =                                    最小分度值：δ=                     

（1）将测量数据填入表4-1-1中，并计算各测量值的平均值和误差。

零点读数D₀=         mm

游标卡尺的仪器误差ΔN_仪=         mm

（2）测量值的修正

      mm，       mm

      mm，       mm

（3）测量结果

      mm，        ％

      mm，        ％

      mm，        ％

      mm，        ％

（3）计算圆管的体积：V=         

计算圆管的测量不确定度：u_v=     

测量结果：=     

2．用螺旋测微计测量滚珠的直径

（1）记录滚珠的直径

测量滚珠的直径数据：

                         表4-1-2螺旋测微计测量滚珠的直径

螺旋测微器零差        

直径D'的A类不确定度：

       mm

直径D'的B类不确定度：

螺旋测微计的误差为0.005mm，即

      mm

结果的标准式表示：      mm

（2）球体体积及其不确定度的计算：

        mm³

       mm³

       mm³

3.用读数显微镜测量毛细管的直径

表4-1-3读数显微镜测量毛细管的直径

6.【思考题】

1．何谓仪器的分度数值？米尺、50分度游标卡尺和螺旋测微器的分度数值各为多少？如果用它们测量一个物体约7cm的长度，问每个待测量能读得几位有效数字？

2．游标刻度尺上30个分格与主刻度尺29个分格等长，问这种游标尺的分度数值为多少？

3．使用螺旋测微器时，为什么不可直接转动套筒？棘轮是做什么用的？

4．怎样判断螺旋测微器的零点读数的符号？

5．测量小球直径，是测同一部位好些还是侧不同部位好些？为什么？

6．何谓回程误差？怎样防止回程误差？

7. 使用游标卡尺时应注意哪些问题？为什么？

8. 使用螺旋测微计时应注意哪些问题？为什么？

9. 使用读数显微镜时应注意哪些问题？为什么？

主要实验步骤及注意事项参考本实验书籍

实验一　　长度测量实验数据记录

1.用螺旋测微计测钢球的直径.( 螺旋测微计最小分度值为0.01mm) 零点读数:

2.用游标卡尺测圆筒管的体积(游标卡尺最小分度值为0.02mm)

                          零点读数:

其中,为圆管的外,内直经,为管长,为管的深度.

3.用移测显微镜测光珊的宽度(移测显微镜最小分度值为0.01mm)    零点读数: