大学物理实验：长度测量

长度测量

长度是一个基本物理量，许多其他的物理量也常常化为长度量进行测量；如用温度计测量温度就是确定水银柱面在温度标尺上的位置；测量电流或电压就是确定指针在电流表或电压表标尺上的位置等。因此，长度测量是一切测量的基础。物理实验中常用的测量长度的仪器有：米尺、游标卡尺、螺旋测微器（千分尺）、读数显微镜等。通常用量程和分度值表征这些仪器的规格。量程表示仪器的测量范围；分度值表示仪器所能准确读到的最小数值。分度值的大小反映了仪器的精密程度。一般来说，分度值越小，仪器越精密。

【实验目的】

1. 掌握游标卡尺、螺旋测微器、读数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.

【实验仪器】

不锈钢直尺，游标卡尺，螺旋测微器，读数显微镜，铁环、细金属丝、钢珠

【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、读数显微镜

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】

1．用游标卡尺测量空心有底圆柱体的体积

（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）测量空心圆柱体的外径D、内径d、高度H和中心孔深度h（各6次）。注意：测量时，应该在圆柱体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）计算空心圆柱体的体积及不确定度，正确表示测量结果。

2．用螺旋测微计测量钢珠的体积

（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）测量钢珠的直径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）计算钢珠的体积及不确定度，正确表示测量结果。

3．用读数显微镜测量漆包线的直径

（1）将被测件放在工作台面上，用压片固定。调整目镜，使十字叉丝清晰。

（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，使十字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，使十字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。

【数据记录及处理】

1．用游标卡尺测量空心有底圆柱体的体积

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）计算空心圆柱体的体积：V=         

计算空心圆柱体的测量不确定度：u_v=     

测量结果：=     

2．用螺旋测微计测量钢珠的直径

（1）记录钢珠的直径

测量小钢球的直径数据：

                         表4-1-2螺旋测微计测量钢珠的直径

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.用读数显微镜测量钢丝的直径

表4-1-3读数显微镜测量钢丝的直径

【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？