物理实验长度测量

1、实验一长度的测量1 长度是最基本的物理量，是构成空间的最基本的要素，是一切生命和物质赖以存在的基础。世上任何物体都具有一定的几何形态，空间或几何量的测量对科学研究、工农业生产和日常生活需求都有巨大的影响。在SI制中，长度的基准是米。一旦定义了米的长度，其他长度单位就可用米来表示。 知识链接2 “米”制于1791年开创于法国，多年来，铂铱合金 米原器一直保留在巴黎附近。 随着科学技术的发展，对长度的测量和传递的精度要求越来越高。国际上对米的定义已有了三次大的改变。第一次是1889年国际计量大会一致通过，将经过巴黎子午线由北极到赤道距离的一千万分之一作为长度的单位国际标准米，并将这个标准具体化，制

2、作了标准米原器。第二次是在1960年第十一次国际计量大会决定以氪86桔红色光波，即氪86的核外电子从2P10。能级跃迁到5d5能级所对应辐射的波长的165076373倍作为一个标准米。第三次是1983年10月20日在巴黎举行的第十七届国际计量大会定义1米是光在真空中经过1299792458秒时间间隔所经过的长度。 3 所谓长度测量实际上是人们用“尺子”去度量空间。早期的量具和测量仪都是机械式的。随着人们视野的扩大，对长度测量精度要求的提高，陆续创造出各种测量长度的仪器，其放大倍数愈来愈大，测量范围愈来愈广。20世纪初，除用机械构造来增加放大倍数以外，利用光学放大原理设计的光学测量仪也逐步发展起

3、来，从读数显微镜、投影仪开始发展到光学计、测长仪、万能工具晃微镜以及各种干涉仪等。20世纪60年代以后由于传感器、激光和电子技术的发展，使长度测量仪器和测试技术突飞猛进。例如人造卫星激光测距仪（人造卫星激光雷达）量程可达108m以上，精确度可达1cm 。电子显微镜和扫描隧 道电子显微镜等的分辨率在10010-3nm，可测量原子、分子的几何尺寸。广义的长度测量，覆盖了整个物理学研究的尺度范围小到微观粒子，大到宇宙深处 (10-161026m)，跨越了从微观的粒子到现代天文学的整个研究领域。4 在实际生产和生活中，人们常根据不同的测量要求选择长度测量工具。例如用皮卷尺丈量房间长，用木折尺量木料，最

4、小刻度是厘米就可以了。锯割钢铁坯件，要用最小刻度为毫米的钢尺或钢卷尺。在机床上加工零件，使用读数值为005或002毫米的游标卡尺，或者用读数值为001毫米的螺旋测微器；更精密的测量要用塞规。测量物体的微小形变或位移要用光学测量仪器。测量远处的长度要用光学测距仪或更精密的激光测距仪。 5 本实验的长度测量所涉及到的测长量具和方法是日常生活、工作中最常用的，也是最基本的，同时也是现代高精度测量仪器的基本组元之一，是一切测量的基础。在本实验中，我们将学习游标卡尺和螺旋测微器原理；学会米尺、游标卡尺和螺旋测微器的正确使用和读数方法；根据误差要求合理选择仪器；多次等精度测量结果的误差估算。6实验目的1.

5、对长度的各个单位形成具体的观念。 2.知道怎样正确使用刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器进行长度的测量。知道测量的准确度是由测量工具的最小刻度决定的，知道如何正确记录测量的结果。 3.练习正确使用刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器测量长度。7仪器与器材最小刻度为毫米的钢直尺（或钢卷尺）游标卡尺螺旋测微器铁板条8实验仪器介绍9一、刻度尺刻度尺是一种最简单的测长仪器，一般分度值为1mm,标度单位为cm,读数时可以准确读到mm位，mm位以下的十分之一mm位是凭眼睛估读位。合格的钢尺，长度小于300mm的，全长允许的最大误差位为（正、负）0.1mm；300500mm的钢直尺，全长允许的最大误差位为（正、负）0.1

6、5mm；5001000mm的钢直尺，全长允许的最大误差位为（正、负）0.2mm。刻度尺的仪器误差一般为：0.5mm10使用注意事项：1.尽量使待测物贴近刻度尺的刻度线，读数时视线要垂直刻度尺。2.一般不要用刻度尺的端点作为测量的起点，因为端边易受磨损而给测量带来误差。这时可以在刻度尺上任选一刻度线作为测量的起点线。 3.刻度尺的刻度可能不够均匀，在测量时要选取不同起点进行多次测量，然后取平均值。114.要学会正确读数和记录的方法。当被测长度的一端和刻度尺零刻度线对齐，另一端位于两个最小刻度之间时，只能用眼睛估读，因而是不准确的，记录的数字要比刻度尺的最小刻度的示数多一位。 图101245667

7、8678ABCD12二、游标卡尺 游标卡尺是由毫米分度值的主尺和一段能滑动的游标副尺构成，它能够把mm位下一位的读数较准确地读出来,因而是比钢尺更准确的测量仪器。游标卡尺可以用来测量长度、孔深及圆筒的内径、外径等几何量。13游标卡尺结构图图2-1 游标卡尺14 游标卡尺主要由两部分构成，如图2-1所示：与量爪A、A相连的主尺D(主尺按米尺刻度)；与量爪B、B及深度尺C相连的游标E。游标可贴着主尺滑动。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。它们的读数值，都是由游标的0线与主尺的0线之间的距离表示出来的。F为固定螺钉。151读数原理： 游标副尺上有n个分格

8、，它和主尺上的（n-1）个分格的总长度相等，一般主尺上每一分格的长度为1mm,设游标上每一个分格的长度为x,则有nx=n-1,主尺上每一分格与游标上每一分格的差值为1-x=1/n(mm)，因而1/n(mm)是游标卡尺的最小读数，即游标卡尺的分度值。若游标上有20个分格，则该游标卡尺的分度值为1/20=0.05mm,这种游标卡尺称为20分游标卡尺；若游标上有50个分格，其分度值为1/50=0.02mm，称这种游标卡尺为50分游标卡尺。游标卡尺的仪器误差： 一般取游标卡尺的最小分度 值为其仪器误差。162读数方法： 从游标卡尺的主尺上准确读出mm位，在副尺上读出小于mm位的尾数，以20分游标卡尺为

9、例，游标卡尺脚卡着待测物后，从游标零刻线以左主尺上读出测量长度的整mm数L。，若副尺上的第N格与主尺上的某一格对齐， 则副尺的读数取为L，其值为0.05*N。主副尺读数之和即是测量值。 L = L0 + L （2-1）17图2-2 游标卡尺读数原理图2-2是使用20分游标卡尺测量一个待测件示意图，副尺上的第9格与主尺上的某一格对齐,则测得的长度是132.45mm。183注意事项： （1）测量之前应检查游标卡尺的初读数，看主副尺的零刻度线是否对齐，若没有对齐，须记下初读数，以便对测量值进行修正。两量爪并拢时，若游标的“0”线在主尺“0”线的右方，即待测物长度为零时，而卡尺读数不为零，此时的初读数

10、记为正值；两量爪并拢时，若游标的“0”线在主尺“0”线的左方，即待测物长度不为零时，而卡尺读数为零，此时的初读数记为负值，且在游标上读数时应从右端读起。 修正值=测量值-零点读数19（2）卡住被测物时，松紧要适当，不要用力过大，注意保护游标卡尺的刀口。（3）测量圆筒内径时，要调整刀口位置，以便测出的是直径而不是弦长。 （4）游标卡尺上所标度的读数单位为mm。记录测量结果时，注意使用不同单位所对应的数值小数点后数值的位数。被测物的长度等于主尺刻度加副尺刻度。20三、螺旋测微计图3-1 螺旋测微器 螺旋测微器（又称千分尺），外形与结构如图3-1所示。21 螺母套管B、固定套管D和测砧E都固定在尺架

11、G上。D上刻有主尺，主尺上有一条横线(称为读数准线)，横线上方刻有表示毫米数的刻线，横线下方刻有表示半毫米的刻线。测微螺杆A和微分筒C、棘轮旋柄 K连在一起。微分筒的刻度通常一圈为50分度，也有25分度和100分度的，它是依据螺旋放大的原理制成的。22现以50分度为例：它主要部分为一个螺距为0.5mm 的微动螺杆在固定螺母中旋转，当微动螺杆旋转时，带有刻度的螺帽也跟随螺杆一起转动一周，螺杆便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离，沿轴线方向的微小移动距离，就能用旋转螺帽上的读数表示出来。螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.5 mm，旋转螺帽有50个等分刻度，因此旋转螺帽每旋转一小格，相当于测微螺

12、杆前进或后退0.5/50=0.01 mm。可见，转动螺帽的每一小格表示0.01mm，所以螺旋测微器可准确到0.01mm。由于还能再估读一位，可读到毫米的千分位。23螺旋测微器的读数图 图3-2螺旋测微器的读数图测量时应注意螺杆主尺上的读数是否超过0.5mm， 图3-2中c应读作5.155mm，图d的读数为5.655mm。螺旋测微器的仪器误差为：0.004mm24注意事项： （1）记录初读数，并对测量数据作零点修正。螺旋测微器的零点可以调整，各种螺旋测微器的零点调整方法不同，可见仪器说明书。测物螺杆和测砧并拢时，若微分筒的“0”线在固定标尺的“0”线的下方，即待测物长度为零时，而螺旋测微器读数不

13、为零，此时的初读数记为正值；测物螺杆和测砧并拢时，若微分筒的“0”线在固定标尺 “0”线的上方，即待测物长度不为时，而螺旋测微器读数为零，此时的初读数记为负值，且在微分筒上读数时应从“0”线开始向下读起。修正值=测量值-零点读数25如图3-3所示： 图3-3 初读数示例 26（2）记录初读数及将待测物体加紧测量时，应轻轻转动棘轮旋柄推进螺杆，不要直接旋转螺旋柄，以免加得太紧，影响测量结果及损坏仪器。转动小棘轮时，只要听到发出喀喀的声音，就不要再推进螺杆，即可读数。 （3）因为微动螺杆的螺距为0.5mm，固定标尺上标度数值单位为1mm，为清楚起见，固定标尺下别还有一行半刻线。测量时应注意螺杆主尺

14、上的读数是否超过0.5mm。 27方法与步骤 281用刻度尺粗测铁板条量的长、宽、厚，并记录测量结果。根据测量结果要求按照误差分配的等分原则,确定测量长、宽、厚应该选择的仪器。方法：如292对比刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器，指出其最小刻度或测量能达到的准确度。确定长、宽、厚所选用的测量仪器。 结论：长度测量的准确度由测量工具的最小刻度决定，应根据测量的准确度要求，选用适当的测量工具或其他测量方法。303观察刻度尺的零点、量程、最小刻度、仪器误差及零点读数，并填入表格。314用刻度尺测待测物长度、游标卡尺测待测物宽度和螺旋测微器测待测物厚度，各取不同位置测6次，记录测量读数填入表中，计算各量的平

15、均值和修正值，计算各次测量的偏差。计算各测量量的标准偏差、A类不确定度、B类不确定度及总不确定度。计算铁板条的体积、相对不确定度、绝对不确定度，正确表示测量量体积的测量结果。测量结果的不确定度是否满足小于0.6%的要求？如不满足，分析其原因。32读数时应读到仪器误差所在位33数据处理：先求长度a （将测量数据代入各公式中算出结果）1.求测量数据的平均测量值2.计算标准差判断有无应当剔除的异常数据，如有,剔除后重新计算3.计算平均值的标准差4.标准偏差乘以置信度系数t得到A类不确定度345.根据仪器允差确定B类不确定度6.合成不确定度7.表示测量结果按同样方法将宽度 b、厚度 d 的结果求出宽度

16、b：厚度d：(P=(0.68)35求测量结果体积V (将各直接测量量带入各公式中算出结果）1、求测量值体积V2、求体积的相对不确定度3、求体积的绝对不确定度4、写出正确的测量结果(P=(0.68)36正确测量结果的有效位数应为: 绝对不确定度取12位有效数，其余只进不舍。测量值的有效数的末位应与绝对不确定度的末位对齐，其余按四舍六入五凑偶原则进行舍入。 相对不确定度一般取两位有效数。 37小结： （1）对于每一种物理实验仪器，我们要想正确地使用它，首先要搞清楚他的原理和结构，然后掌握它正确使用方法，另外还要密切注意它的使用注意事项。只有掌握了它的结构、原理、使用方法和注意事项，才能在具体的实践

17、过程中灵活地运用它。 38（2）钢直尺（或钢卷尺）、游标卡尺、螺旋测微器都属于有刻度的测量仪器。有刻度仪器的一般使用方法为：一看、二测、三读、四记。一看，是测量时的第一步。就是要看仪器的“0”点，最小分度值和量程，这一步对不同的测量仪器侧重点有所不同。二测，是测量时的第二步。就是在明确仪器的“0”点、最小分度值和量程之后的实际测量过程。三读，是测量的第三步。读数时视线和刻度面垂直，对可估读的仪器，要估读到最小分度的下一位。四记，是测量的最后一步。就是要使用科学计数法并注意有效数字的位数。这个通用的使用方法，还可推广到物理天平，多用电表等多种有刻度仪器的使用。 39（3）游标卡尺的读数原理在实践中有广泛的应