《大学物理实验》第四部分 物理实验中的基本测量方法仪器简介

PAGEPAGE83第３章基本测量方法和常用仪器3.1物理实验中的基本测量方法物理实验方法是以一定的物理现象、物理规律和物理学原理为依据，确立合适的物理模型，研究各物理量之间关系的科学实验方法。现代的物理实验离不开定量的测量和计算。所以，实验方法包含测量方法和数据处理方法两个方面，它们既有区别又有联系。本节主要介绍基本测量方法。物理测量是泛指以物理理论为依据，以实验装置和实验技术为手段进行测量的过程，内容非常广泛。它包括对运动力学量、分子力学量、热学量、电学量和光学量的测量等等。测量的方法和分类的方法也很多，如以内容来分，可分为电量测量和非电量测量；按测量性质来分，可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据测量过程中被测量是否随时间变化来分，可分为静态测量和动态测量；根据是否通过对基本量的测量得到测量数据来分，可分为绝对测量和相对测量；若从特定的测量方法来细分，就有诸如干涉法、衍射法、偏振法、电桥法、冲击法、冷却法、霍尔效应法、核磁共振法等等。本节主要介绍的测量方法是进行物理实验的思想方法，而不是指非常具体的测量过程与方式。学习并掌握好这些基本的实验思想方法，能帮助我们进行实验方案的选择、实验测试的进行，有助于学习、工作与科学研究的开展和科学能力的提高。3.1.1比较法3.1.1.1直接比较法图3-1-2电图3-1-2电位图3-1-1惠斯登电桥3.1.1.2补偿平衡比较法平衡测量、补偿测量或示零测量是物理实验与科学研究中常用的测量方法。例如：用等臂天平称物体的质量是一种平衡测量。又如图3-1-1所示的惠斯登电桥测量电阻，从原理上讲，也是一种平衡测量，因为只有当电桥平衡时（电流计示零）才能得出(3-1-1)从而计算出。图3-1-2所示的是电位差计测电池电动势的基本电路，则是补偿测量的一个典型例子。合上电键，调节，使电阻丝上通有特定电流，然后合上电键，在上滑动触头，使电流计示零，则待测电动势被电势差所补偿，这时(3-1-2)图3-1-1以上两例均在电流计的指针示零时获得测量结果，所以又可称为示零测量。经过补偿达到平衡的比较实验方法的最大优点是平衡时，电表（平衡臂）示零，对被测物理量的影响最小，故大大提高了测量的精确度。图3-1-1图3-1-3图3-1-3比较法测电表内阻的电路图我国古代少年曹冲用船称象是一例典型的替代比较法。在现代测量技术中，当某些物理量无法直接比较时，往往利用物理量之间的函数关系制成相应的仪表、仪器进行比较测量，例如糖量计、比重计、密度计等。图3-1-3所示是用替代比较法测电表内阻的电路图。将置于1处，合上，调节使安培表指针指在较大示值处（同时注意表头指针不能超过量程），然后断开（为了保护安培表），将置于2处，再合上，调节原先处在最低阻值上的，使安培表指示值不变，此时，代替了表头内阻，若为电阻箱，则可直接读得。在进行替代比较法测量时，要特别注意“不同时”的替代比较，在异时比较时必须是以实验条件的稳定性为基础。3.1.2放大法将被测物理量按照一定规律加以放大后进行测量的方法，称为放大法。这种方法对于微小物理量或对物理量的微小变化量的测量是十分有效的。例如，用秒表测单摆的周期，手按秒表起、止“反应时”给测量带来的不确定度0.2s，若周期2s，则10％，测量的相对不确定度很大。如果用秒表连续测量100个周期，时间为200s，而反应时的不确定度仍为0.2s，此时0.1％，提高了测量的准确度。这种在不改变待测物理量性质的条件下，将待测量延展若干倍，以增加待测量有效数字的位数，减小其测量相对不确定度的方法是放大法的一种特例，这种方法也叫测量宽度延展法。放大法按性质可分为两大类：=1\*GB2⑴直接放大。借助于光学实验中的放大镜（例如测微目镜）、显微镜、望远镜等将被测量本身加以放大而实现测量的，属于直接放大测量。=2\*GB2⑵间接放大。将所要观测的对象通过某种原理和关系变换成另一个扩大了的现象进行测量的，属于间接放大测量。比如光杠杆放大法就是一种间接放大。放大法提高了实验的可观察性和测量的准确度，是一种十分有用的实验方法，对微小量的观测具有重要意义。放大法按放大原理可分为：机械放大法、积累（或累计）放大法、光学放大法、电子学放大法等。3.1.2.1机械放大法测量微小长度与角度时，为了提高测量读数的精度，常将其最小刻度用游标、螺距的方式进行机械放大。图3-1-4中螺旋测微计主刻度上最小标度0.5mm以下读数，可通过转动微分套筒放大读出，精度达到0.01mm（原理与读数方法详见下节3.2.1图3-1-4图3-1-4螺旋测微计主刻度图3-1-5干涉条纹间距图3-1-6微小张角我们要测量如图3-1-5所示的干涉条纹间距的数量级为，为了减小测量的相对误差，一般不是一个间隔一个间隔地去测量，而是测量若干个条纹的总间距。例如0.040mm,所用量具误差为0.00图3-(3-1-3)即为10％。若采用放大法测量个条纹的总间距，则4.000cm,(3-1-4)图3-1-7平行平面镜装置即图3-1-7平行平面镜装置3.1.2.3光学放大法光学放大法有两种，一种是被测物通过光学仪器形成放大的像，以便观察判别。例如：常用的测微目镜、读数显微镜。另一种是通过测量放大的物理量来获得本身较小的物理量。例如：我们要测如图3-1-6所示的对的微小张角，可利用三角函数关系，,测出和即可求得。但、也是微小量，若放大为测量相应的或，则在使用同样量具的情况下，相对误差可大为减小，越长相对误差越小。因此，常常利用光学平面镜多次反射来衍射光程。例如：测量激光束的发散角，常用如图3-1-7所示的平行平面镜装置，使发散角较小的激光束在两镜间多次反射后射出，再测量其光斑大小。又如：测量长度微小变化和测量角度微小变化的光杠杆镜尺法，也是一种常用的光学放大法。（详见4.）3.1.2.4电子学放大法图3-1-8共发射极三极管放大电路图图3-1-8共发射极三极管放大电路图3-1-9三极管原理图交流电压由基极和发射极之间输入时，在输出端就可获得放大一定倍数的交流电压。其基本原理是利用半导体结特性实现基极对集电极电流的控制作用。图3-1-9中的三极管，是由两个结构成，、间的发射结所加的是正向偏置电压，使发射区的多数载流子——电子加速进入基区；间的集电结加的是反向偏转电压，它阻止集电区电子向基区扩散，但对基区内的电子则是一个加速电压，发射区发射的电子（少数部分）不断地与基区空穴“复合”，形成基极电流，大多数电子经两次加速向集电区扩散，形成集电极电流，基极电流的微小变化将引起集电极电流很大的变化，从而实现放大作用。3.1.3转换法转换法就是将某些因条件所限不能直接测量的物理量或为提高某些待测物理量的测量准确度，而将其转换成另一种形式的物理量的实验方法。它是利用物理量之间的各种效应和函数关系利用变换原理进行测量的。由于物理量之间存在多种效应，所以有各种不同的转换测量法，这正是物理实验最富有启发性和开创性的一面。随着科学技术的发展，物理实验方法渗透到各学科领域，实验物理学也不断地向高精度、宽量程、快速测量、遥感测量和自动化测量的方向发展，这一切都与转换测量紧密相关。转换法大致可分为参量换测法和能量换测法两大类。3.1.3.1参量换测法利用各种参量在一定实验条件下的相互关系而实现待测量转换的测量方法称为参量换测法。物理实验中的间接测量都属于参量换测法测量。例如：测量某非规则形状物体的密度，可将参量先利用阿基米德定律转换为：(为物重，为物体全浸入密度为的液体中的示重），则(3-1-5)（、分别表示被测物体在空气中和全浸没在液体中时物理天平的示值）。3.1.3.2能量换测法能量换测法是利用传感器将一种类型的物理量转换成另一种类型的易于测量的物理量的测量方法。下面是几种比较典型的能量换测法。1.热电换测。这是一种将热学量转换成电学量的测量方法。例如：利用温差电动势原理，将温度的测量转换成热电偶的温差电动势的测量，或利用电阻随温度变化的规律将测温转换成对电阻的测量。2.压电换测。这是一种压力和电势间的变换，话筒和扬声器就是大家所熟悉的换能器。话筒把声波的压力变换为相应的电压变化，而扬声器则进行相反的转换，即把变化的电信号转换成声波。3.光电换测。这是一种将光通量变换为电量的换能器，其变换的原理是光电效应。转换元件有光电管、光电倍增管、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。各种光电转换器件在测量和控制系统中已获得相当广泛的应用，近年来又用于光通讯系统和计算机的光电输入设备（光纤）等等。4.磁电换测。这是利用半导体霍尔效应进行磁学量与电学量的转换测量。设计或采用某种转换测量方法应注意下列原则：=1\*GB2⑴、首先要确定变换原理和正确的参量关系式；=2\*GB2⑵、变换器（传感器）要有足够的输出量和稳定性，便于放大或传输；=3\*GB2⑶、考虑在变换过程中是否还伴随其他效应，若有，则必须采取补偿或消除措施；=4\*GB2⑷、要考虑变换系统和测量过程的可行性和积极效益。3.1.4模拟法在科学实验和工程技术中，常会遇到一些由于各种原因而难以直接进行测量和研究的问题。例如：许多复杂电极间的静电场分布；飞机在空中高速飞行时的动力学特性；对大型工程及设计方案的考核与测试（水利工程、电力工程、机场工程等等）；为解决此类问题，人们以相似理论为依据模仿实际情况，研制成一个类同于研究对象的物理现象或过程的模型，通过对模型的测试实现对研究对象进行研究和测量，这种方法称为“模拟法”。模拟实验的方法按其性质可分为以下几种类型：1.几何模拟：将所研究对象的实物按几何尺寸放大或缩小的模型实验；2.动力学相似模拟：在物理性质上取得相同效果的实物模型实验；3.替代或类比模拟：利用物理量之间物理性质或规律的相似性或等同性进行的模拟实验；4.计算机模拟：用计算机模拟演示研究对象的物理现象或过程；5.电路上的模拟试验：将一些非电学量的变化用电路系统的电学参量进行模拟。例如力——电模拟，声——电模拟等。以上所述的四种基本测量方法，在物理实验中都得到广泛的应用。实际上，在物理实验中，还有许多种测量方法,如:交换法、线性外推极限法、对称测量法、干涉法等等，各种方法往往是相互渗透、联系综合使用的，无法截然分开，同学们在进行实验时，应认真思考，仔细分析，并不断总结，以逐步积累丰富的实验知识和经验。3.2物理实验常用仪器3.2.1长度的测量仪器3.2.11.用米尺测量长度时，一般先使米尺的零线与被测物体的一端对齐，那么跟被测物体另一端相合的刻度即为该物体的长度。由于有些米尺的两端常被磨损，所以测量时，一般可从刻度线以外的某一整刻度线量起，测得终点的刻度减去起点的刻度即为待测物体的长度。2.普通米尺的最小刻度是1毫米，测量时应估读到0.1毫米。3.为避免米尺刻度的不均匀性，测量时应选取不同的起点进行多次测量，然后取平均值。4.为避免读数时的误差，应将米尺贴近待测物，使刻度与被测物垂直。3.2.1.2游标卡尺游标卡尺又叫卡尺或游标尺。它可以用来测量物体的长、宽、高、深和圆环的内、外径，测量的准确度至少可达0.1毫米。它的游标原理在很多仪器上得到应用1.构造游标卡尺的构造和组成部件如图3-2-1所示，它主要由主尺（最小刻度为毫米），以及套在主尺上的可滑动的游标（付尺）组成。测量内径用钳口、，测量外径用、，为探尺可测孔的深度。图3-2-1游标卡尺当主尺与游标的零刻线对齐时，、两对钳口恰相吻合，探尺与主尺末端相平。若将待测物（图3-2-1中用圆圈表示者）夹于之间，则此时物体的长度等于主尺的零刻度线与游标的零刻度线之间的距离。旋转游标上方的螺丝可以用来把游标夹紧在主尺上，便于量具移离被测物后进行读数。图3-2-1游标卡尺2.原理如果用表示主尺上最小分度的长度，用表示游标的分度数，并且取个游标分度与主尺个最小分度的总长相等，即：,则每一个游标分度的长度(3-2-1)这样，主尺最小分度与游标分度的长度差值为(3-2-2)这个差数刚好就是游标分度数除主尺的最小分度的长度。在测量时，如果游标的条刻线与主尺上的刻线对齐，那么游标零线与主尺上左边的相邻刻线的距离就是(3-2-3)根据上面的关系，对于任何一种游标，只要弄清了它的分度数与主尺最小分度的长度，就可以直接利用它来读数。图3-2-2图3-2-2游标卡尺读数游标卡尺有10分度的、20分度的、30分度的、50分度的等等，它们的原理和读数方法都是一样的。在游标卡尺上读数，利用游标至少可以直接读出毫米以下一位小数而不必估计。在10分度的游标中，10个游标分度的总长刚好与主尺上9个最小分度的总长相等，即等于9毫米。这样每个游标分度之长是0.9毫米，每个游标分度比主尺上的最小分度短0.1毫米。当游标对在主尺上某一位置时（如图3-2-2），毫米以下的整数部分y可以从主尺上直接读出。在图3-2-2中y=21mm。读毫米以下小数部分时应细心寻找游标上哪一根线与主尺上的刻度线对得最齐。例如，在图3-2-2中是第6根线对得最齐。从图上可以看出，要读的就是6个主尺分度与6个游标分度之差。因为6个主尺分度之长是6毫米，6个游标分度之长是6×0.9毫米，故因此图中所示读数为：游标卡尺测量长度的普遍表达式为(3-2-4)式中：是游标的“0”线所在处主尺上刻度的整毫米数，是游标的第条线与主尺的某一条线重合，是最小分度值。4.游标卡尺使用注意事项⑴、使用前应首先看清该尺的游标准确度。⑵、测量时切勿用力过猛，以免损伤钳口或使物体变形。用完后应放回盒内，不允许放在潮湿的地方。长期不用，应该用脱水黄油封存。⑶、零点不准是用久的游标卡尺常有的，这种尺如果还要继续使用，则在读数前应先确定零点修正值。修正值可正可负：如果钳合时，游标0刻线在主尺0刻线的左方，说明在0时，尺上已有示数存在，为修正值，修正值应加到读数上去。相反的情况，修正值则应从读数中减去。3.2.1.3螺旋测微计螺旋测微计也称螺纹千分尺。它是比游标卡尺更精确的仪器，在实验室中常用它来测量小球的直径、金属丝的直径和薄板的厚度等，它的准确度一般为0.01。1.构造如图3-2-3，在螺旋测微计上有一弓形尺架“1”，在它的两端安装了测砧和测微螺杆。螺旋测微计的主要部分是测微螺旋，它由一根精密的测微螺杆“5”和螺母套管“10”（其螺距是0.5毫米）组成，测微螺杆“5”的后端还带一个具有50分度的微分筒“8”（付尺）。固定的套管“7”上标有毫米分度的主尺，圆管内壁有阴螺纹，测微螺杆“5”上有阳螺纹，付尺套在主尺上，他们通过测微螺杆尾部的精密螺旋相联系，在靠近尾部有一个棘轮“9”，是一个测力装置。2.原理图3-2-4螺旋测微计读数图3-2-3螺旋测微计1—尺架；２—测砧测量面Ａ；３—待测物体；４—螺杆测量面Ｂ；５—测微螺杆；６—锁紧装置；７—固定套管；８—微分筒；９—测力装置；１０—螺母套管。当微分筒“8”图3-2-4螺旋测微计读数图3-2-3螺旋测微计1—尺架；２—测砧测量面Ａ；３—待测物体；４—螺杆测量面Ｂ；５—测微螺杆；６—锁紧装置；７—固定套管；８—微分筒；９—测力装置；１０—螺母套管。3.测量与读数测量物体尺寸时，应先将测微螺杆“5”退开，把待测物体“3”放在测量面之间然后轻轻转动测力装置“9”，使测杆和测砧的测量面刚好与物体接触，这时在固定套管“7”的标尺（主尺）上和微分筒锥面上的读数就是待测物体的长度。读数时，应从主尺上读整数部分（读到半毫米），从微分筒上读小数部分（估计到最小分度的十分之一，即千分之一毫米），然后两者相加。例如图3-2-4（b）中的读数是5.381mm；图3-2-4（c）中的读数是5.881mm4.注意事项=1\*GB2⑴零点改正值。当螺旋测微计的测量面密合，也就是测量距离为零时，微分筒的零线往往不与主尺的横线重合，而是有一定的读数，该读数即为零点读数。当微分筒零线在主尺横线下方时，改正值为正，当付尺零线在主尺横线上方时，改正值为负。螺旋测微计的零点校正经常采用的方法是通过调整测微丝杆上的限位螺母，再旋进鼓轮，观察零点，反复多次，务必细心、耐心。⑵细调必须用测力装置“9”。当分别与待测物接触时，受到一定阻力，“9”就会自动打滑，发出咔咔声，此声表示测砧与待测物的接触“紧”“松”适当，此时可以读数了。严禁用旋转“8”使测砧测量面直接或间接接触，否则会使测微螺杆的精密螺纹受到严重损伤，以致量具报废，或使待测物受压力过大而变形，影响测量的准确性。⑶使用完毕，应使测量面留有1mm以上的间隙，以免热膨胀时损坏测微螺杆。长期不用，应该用脱水黄油封存。3.2.1.4读数显微镜读数显微镜是一种光学测量仪器，具有准确度高、结构简单、操作方便、应用广泛以及可进行非接触测量等优点，可用来测量长度（测量孔间距、线间距、刻线宽度和狭缝宽度等）,测量角度（可测角度的读数显微镜，其载物台是一带有刻度的转盘）,检查工件质量（检查工件表面的光洁度，检查印刷照相制版的质量等），在光学实验中还可用来确定实像位置和测定实像的大小，确定虚像的位置和虚像的大小。1.结构读数显微镜由一只显微镜和移动测量装置组成，如图3-2-5所示。显微镜装在一个较精密的移动装置上，使之能够在垂直光轴的一定方向移动，移动的距离可以从读数装置读出。显微镜由目镜、分划板和短焦距物镜组成。目镜可相对于分划板上下移动，以适应不同视力的观察者看清分划板的准丝。镜筒可上下移动改变物镜与待测物的距离，使被观察目标在分划板上成像清晰。分划板刻有十字叉丝，作为读数准线。图3-2-图3-2-6图3-2-51.微分鼓轮；2.标尺；3.物镜；4.平面镜；5.调平面镜手轮；6.载物台；7.弹簧压片8.调焦手轮；9.目镜。2.原理读数显微镜成像光路原理如图3-2-6所示。待测物体经物镜成一个放大实像于分划板上，通过目镜能看到和分划板准丝的放大虚像。由于采用了螺旋测微机构，显微镜移动距离可以从标尺和测微鼓轮上读出，标尺刻度长0～50mm，格值1mm。测微旋钮的螺距为1mm，微分鼓轮圆周分成100个分格，每转一分格，显微镜移动0.01mm。读数显微镜主要技术规格如表3-2-1：表3-2-1JCD2－A/JCD3型读数显微镜光学性能物镜放大倍数3×测量范围50mm工作距离54.06mm目镜放大倍数10×最小读数值0.01mm视场直径4.8mm显微镜放大倍数30×仪器公差0.02mm3.测量与读数⑴、调节目镜视度。调节目镜筒，看清叉丝。⑵、将被测工件放在载物台上，用弹簧片压住。⑶、调焦。转动调焦手轮，由下至上移动显微镜筒，改变物镜到被测工件的距离，看清工件像，并消除视差。⑷、转动微分鼓轮，横向移动显微镜，使叉丝的焦点和被测量的目标对准。⑸、读数。从标尺上读出毫米以上整数部分，从鼓轮读出毫米以下的读数部分，再估读到毫米的千分位，然后再转动微分鼓轮移动显微镜，使叉丝交点和工件的另一目标对准然后读数，两次读数之差即为被测工件两点间的距离。4.注意事项⑴测量时应使十字叉丝的水平线保持与标尺平行，十字叉丝的垂直线作为读数准线；可借助于水平准丝放置被测长度与标尺平行，为此需调节分划板十字准线的水平线与标尺平行。调节方法如下：由于十字叉丝中心交点的运动轨迹总是平行于标尺的，所以需要在载物台上平行于标尺置一直线参照物（如整齐的纸边、尺刃、狭缝边等）。从显微镜中观察，调节参照物使准线交点落在参照直线上。转动鼓轮移动显微镜筒，检查准线交点的运动是否始终沿着参照直线，若有差异，则应微小转动参照物，反复检查调整直到准线交点始终沿着参照直线移动，旋松锁定目镜的螺钉，转动目镜，使分划板准线的横线与参照直线重合，最后再锁定目镜。⑵、调焦时，显微镜只能自下向上移动，以防止物镜或待测物损坏。⑶、为了消除螺距误差（即空程差），采用单方向移动显微镜测微鼓轮进行测量。全部测量过程中，叉丝只能从一个方向移向目标，不要中途反向。这是因为显微镜的移动是靠测微螺杆的推动，螺纹之间有间隙，反向移动过程中，虽然鼓轮读数发生了变化，但由于螺纹间隙存在，显微镜尚未移动，由此产生的读数错误就是螺距差。3.2.1.5测微目镜1.结构测微目镜主要由复合目镜、螺杆、读数鼓轮、活动分划板等组成，如图3-2-7所示。图3-2-7图3-2-71.复合目镜；2.活动分划板；3..测微螺杆；4.读数鼓轮；5.固定分划板；6.固定螺丝；7.镜筒锁紧螺丝；8.望远镜物镜筒。测微目镜是利用螺旋测微原理测量成像于其分划板上的像的大小的仪器。旋转鼓轮，通过传动丝杆可推动活动分划板左右移动。活动分划板上刻有双线和叉丝，其移动方向垂直于目镜的光轴，固定分划板上刻有毫米标度线。测微器鼓轮刻有100分格，每转一圈，活动分格移动1毫米。其读数方法与螺旋测微计相似，双线或者叉丝交点位置的毫米数由固定分划板上读出，毫米以下的读数由测微器鼓轮上读出，最小分度值为0.01mm。3.测量与读数⑴、目镜可在架上前后调节，改变目镜和叉丝的距离以适应不同使用者眼睛的差异，调节时要使叉丝和固定分划板的毫米标度线均在目镜视野中最清楚。⑵、被测量的像应在叉丝平面上。判断方法是：移动眼睛，看叉丝和物像有无相对移动，即消除视差。⑶、测量时转动鼓轮推动活动分划板，使叉丝的交点或双线依次与被测像两端重合，得到首尾两个读数，其差值即为被测像尺寸。4.使用及注意事项测量时应注意使鼓轮沿一个方向移动，中途不能反转，以避免空程差。移动活动分划板的同时，一定要注意观察叉丝位置，不能使它移出毫米标度线的范围之外。3.2.2质量的测量仪器3.2.2.1物理天平的结构及其主要参数1.结构图3-2-8物理天平物理天平是物理实验中常用的一般准确度的天平，它是利用杠杆原理称衡质量的仪器。其构造如图图3-2-8物理天平天平的底座后面有一只脚，前面有两只调节螺丝。支柱垂直地固定在底座上，支柱正面下方装有一刻度牌，支柱内有一升降杆，杆顶是一块有凹槽的玛瑙板，杆底有升降手轮。横梁的正中下沿连着一根长指针，指针上固定有感量砣，梁中心嵌有钢制中央刀刃，当它搁在玛瑙板上时形成杠杆的支点，横梁的两臂对称，其两端各装有刃口向上的刀刃一只，以托承秤盘钩（钩上有一玛瑙板，用以套在刀刃上），秤盘钩下各悬挂一秤盘。横梁的上述三个刀刃位于同一平面内，以形成等臂直杠杆。2.主要参数物理天平的主要参数有：⑴、最大称量最大称量是指天平允许称量的最大质量。有500克、1000克、5000克等。⑵、感量（分度值）感量就是天平的指针从标度口上零点平衡位置转过一个最小分格时，天平两称盘上的质量差，又称为分度值。灵敏度是感量的倒数，感量越小，天平的灵敏度越高。常见天平感量有50mg、100mg等。物理天平仪器误差通常取感量的一半。3.2.2.2物理天平的调节当顺时针旋转手轮时，带动升降杆上升，横梁的中央刀刃搁在玛瑙板上，横梁两端的刀刃也承担起秤盘的重量，天平就灵敏地摆动起来，这叫作起动。反之，当逆时针转动手轮时，横梁下降，并落在直立柱上方的止动架上，这称为制动。为了保持称量前天平的平衡状态，天平上装有两个调节装置。支柱的垂直调节和两臂的平衡调节。前者靠调节螺丝及垂线准星；后者靠横梁两端的平衡螺母，在起动状态中观察中央指针是否在0刻度线左右对称摆动。物理天平的调节步骤是：1.首先调节支柱铅直。2.其次把游码拨到零刻度，使横梁处于起动状态，观察中央指针的摆动情况，然后使天平处于制动状态，微调平衡螺母，再起动观察，再制动微调，如此反复多次，直至平衡。3.一般左盘放被测物，右盘放砝码，二者都应放在盘正中央。4.用镊子从大至小逐个更换砝码以逐渐逼近所测物的质量。更换砝码时须使天平处于制动状态，取回的砝码应放回砝码盒内原位置。5.最后，利用横梁上的游码，直至取得平衡。游码读数应估读一位。砝码的总和加上游码所指数值之和即为被测物的质量。3.2.2.3物理天平的使用注意事项1.使用前应从铭牌上了解该天平的性能。在测量中，根据天平的感量可以帮助我们迅速地找到应增加的砝码数。如已知某天平的感量为100毫克／格，在称量时，如果指针停在零线右方2格处，这说明右盘轻，可以估计应再增加200毫克左右。2.保护好刀刃和砝码。为此，起落动作要慢，用后必须使天平处于制动状态，砝码不可遗失，不能用手拿，以防锈蚀。图3-2-9图3-2-9SJ9-1型多功能电子秒表4.酸、碱、油脂或其他化学药物不能直接放在秤盘上。3.2.3时间的测量仪器3.2.3.1秒表秒表是测量时间用的计量器具。分机械式和电子式秒表两种。数字式电子秒表具有准确度高、功能多、功耗低，结构简单和维修方便等优点。SJ9-1型多功能电子秒表如图3-2-9所示。1.秒表能显示时、分、秒、1/100秒，它由8位数字组成。计数时，秒表指示符号闪烁；计时停止，它也停止闪烁，并呈显示状态。分标（′）和秒标（″）在计数时呈显示状态，而在分段计时时则闪烁。秒表各按钮的作用见图3-2-9和表3-2-2。2.秒表的用途⑴、基本秒表显示：当S3在秒表状态时，应先使它复零，按S1开始计数，再按S4即复零。⑵、累计及时：按一下S1秒表计数开始，再按一下S1秒表计数停止。若再按一下S1则累加计数，如此可以重复断续累加。⑶、取样：按一下S1秒表计数开始，再按一下S4，液晶显示器上的数字立刻停止，并出现“SPLIT”记号，而秒表指示符号仍在闪动，分标（′）和秒标（″）都同样闪烁。这时数字即为取样计时，要取消这个取样“SPLIT”，再按一下S4即可。⑷分段计时：第一次按下S1，秒表开始计秒。当第一次按下S4时，表面上出现“SPLIT”，并显示一个数，而秒表内部继续在计数，秒表指示符号分标和秒标都同时闪烁。当第二次按下S1时，秒表停止计数，秒表指示符号分标和秒标都停止闪烁。记下表面的数据后，再按一下S4出现第二次计时的数据，再按一下S4秒表则复零。表3-2-2秒表各按钮的作用按纽按纽按纽按纽启动／停止响闹指示开关音响开关调整调整位置调整位置分段计时／复零12小时和24小时选择3.使用注意事项⑴、数字秒表使用温度范围为10℃～40⑵、使用时避免震动、暴晒，避免浸水。⑶、使用及保存时应避免与腐蚀性物质接触。3.2.3.2JSJ-3A多功能数字毫秒计1.原理JSJ-3A多功能数字毫秒计是用石英晶体振荡分频作时基脉冲，电脉冲频率稳定在10KHz，即每秒钟内准确产生一万个脉冲，用这些脉冲在开始计数和停止计数的时间间隔内去推动计数器计数。一个脉冲一个数，任何两个相邻脉冲的时间间隔为万分之一秒，即0.1ms。故通过计数器所记的数字，就可以测出从“计”到“停”这段时间的长短，并有数码显示装置直接显示。2.使用方法控制计数器“计”、“停”的办法有“机控”和“光控”两类。“机控”用机械接触开关的通断来控制；“光控”是通过光电信号来控制，分S1、S2两档：置于“S1”档时，毫秒计显示出两只光敏管中的任意一只光照被档的时间；置于“S2”档时，遮挡一下一只光敏管，计数器开始计数，再遮挡一下任一只光敏管，计数器就停止计数，毫秒计显示两次遮挡光敏管的时间间隔。用“光控”时，仪器设有“手动复位”和“自动复位”。手动复位需按面板上的复位按钮，数码管显示的数字全部恢复为零。自动复位是指数字显示一段时间后就自行消失，恢复为零，调节“复位延时”旋钮可改变显示时间的长短。仪器上还有时基信号选择开关，根据测量需要选择0.1ms、1ms、10ms。如果数码管显示数字为4211，那么，在“0.1ms”一档时，便读作421.1毫秒，即0.4211秒；在“1ms”档时，便读作4211毫秒，即4.211秒；在“10ms”档时，便读作42110毫秒，即42.11秒。3.注意事项：⑴、爱护仪器，不要随意拨弄旋钮，不随意拔下导线插头。⑵、认清仪器面板上按钮、旋钮、开关和插孔的用途。⑶、打开仪器电源开关，数码管应全部点亮。当开关置于“光控”和S2档时，用纸片遮挡任一只光敏管，计数器不断计数，再遮挡一下，计数器停止计数。按下复位按钮，显示数字恢复为零，表示仪器工作正常。3.2.3.3计时、计数、测速仪1.仪器特点本仪器以单片微机为核心，配有合理的控制程序，具有计时、加速度、碰撞、重力加速度、周期、计数、信号源功能。它能与气垫导轨、自由落体仪等多种仪器配合使用。2.面板各部分的作用MUJ-5B计时、计数、测速仪面板图如图3-2-10所示。图3-2-10MUJ-5B计时、计数、测速仪面板图功能键：如按下功能键前，光电门遮过光，则清“0”，功能复位。若光电门没遮过光图3-2-10MUJ-5B计时、计数、测速仪面板图取数键：在计时1（S1）、计时2（S2）、周期（T）功能时，仪器可自动存入前20个测量值，按下取数键，可显示存入的值。当显“E×”，提示将显示存入的第×值。在显示存入值过程中，按下功能键，会清除已存入的数值。转换键：在计时、加速度、碰撞功能时，按下转换键小于1s，测量值在时间或速度之间转换。按下转换键大于1s可重新选择您所用的挡光片宽度1.0cm、3.0cm、5.0cm电磁铁开关键：按动此间可改变电磁铁的吸合（键上方发光管亮）、放开（键上方发光管暗）。3.仪器使用与操作当使用的挡光片与您用转换键设定的挡光片宽度应一致。（仅显示时间时可忽略此项）=1\*GB2⑴、计时1（S1）:测量对任一光电门的挡光时间，可连续测量。自动存入前20个数据，按下取数键可查看。=2\*GB2⑵、计时2（S2）:测量光电门两次挡光的间隔时间，可连续测量。自动存入前20个数据，按下取数键可查看。=3\*GB2⑶、加速度（a）:测量带凹形挡光片的滑行器，通过两个光电门的速度及通过两光电门这段路程的时间，可接如2～4个光电门,显示器依次显示所需数据。=4\*GB2⑷、碰撞（Pzh）：等质量、不等质量碰撞。在P1、P2口各接一只光电门，两只滑行器上装好相同宽度的凹形挡光片和碰撞弹簧，让滑行器从气轨两端向中间运动，各自通过一个光电门后相撞，碰撞完毕，可以自动显示数据。=5\*GB2⑸重力加速度（g）：将电磁铁插入P1光电门插口，两个光电门插入P2光电门插口，电磁铁开关键上方发光管亮时，吸上小钢球；按电磁铁开关键，小钢球下落（同步计时），到小钢球前沿遮住光电门（记录时间）。按功能键或按电磁铁开关键，仪器可自动清“0”，电磁铁吸合。重力加速度的测量方法，还可用计时2（S2）功能测量。=6\*GB2⑹、周期（T）：测量单摆振子或弹簧振子1～9999周期的时间。可选用以下二种方法。不设定周期数：在周期显示为0时，每完成一个周期，显示周期数会加1。按下转换键即停止测量。显示最后一个周期数约1秒后，显示累计时间值。按取数键，可提取单个周期的时间值。设定周期数：按下转换键不放，确认到您所需周期数时放开此键即可。（只能设定100以内的周期数。）每完成一个周期，显示周期数会自动减1，当最后一次遮光完成，显示累计时间值。按取数键可显示本次实验（最多前20个周期）每个周期的测量值，如显示E2（表示第二个周期），×××××（第二个周期的时间）……。待运动平稳后，按功能键，即可重新开始测量。=7\*GB2⑺计数（J）：测量光电门的遮光次数。=8\*GB2⑻信号源（XH）：将信号源输出插头，插入信号源输出插口，可在插头上测量本机输出时间间隔为0.1ms、1ms、10ms、100ms、1000ms的电信号，按转换键可改变电信号的频率。如果测试信号误差较大，请检查本仪器地线与测试仪器地线是否相连接。4.仪器的自检、调整和维护本机具有自检功能。按住取数键不放，再开启电源开关，数码管显示“２２２２２”、“５５５５５”发光二极管全亮，显示20.47ms。说明仪器程序，光电门输入工作正常。若整机无计时功能，请检查光电门是否正常。5.注意事项=1\*GB2⑴、测量时间小于1ms或大于99.999s,按转换键想转换为速度时，只显示0.0.0.0.,表示超范围测量。=2\*GB2⑵、当做完实验后，请关闭仪器电源开关。=3\*GB2⑶、请避免使仪器接近太阳光，因为这将影响仪器的性能。3.2.4温度的测量仪器3.2.4.1常用温度计简介1.液体温度计液体温度计的构造如图3-2-11所示，一玻璃管下端接一球泡，球泡中盛液体（工作物质如水银、乙醇等）。玻璃管中央连接球泡的是一内径均匀的毛细管。液体受热后，在毛细管中升高。其升高与降低的距离与冷热程度成正比，则从管壁的标度就可以读出相应的温度值。2.半导体温度计半导体热敏电阻，当其温度升高，阻值则下降。如果已知它的阻值随温度变化的曲线，以后只要测出它的阻值，便可查出相应的温度。半导体温度计是将半导体热敏电阻连接在一惠斯登电桥线路中，采用非平衡法测量温度。图3-2-12是半导体温度计原理图，是热敏电阻（感温元件）。是电表，温度值是用电流的大小来反映。3.热电偶温度计热电偶温度计又称温差电偶温度计。热电偶是由两种不同材料的金属丝所组成，如图3-2-13所示。如果两种不同材料的接触点处温度不同，则在A、B两点间会产生温差电动势，它的大小与组成热电偶的两种材料性质和两接触点之间的温度差（）有关。由于热电偶具有结构简单、体积小、热容量小、测量温度范围宽等特点，它广泛用于温度精密测量、高温测量和自动控制电路中。图3-2-13中粗、细线分别代表两种不同的金属材料。由两种材料a、b组成的热电偶，当两节点分别放在温度为和处时，如果温差电动势和温度差之间的关系已知，且已知一个接点处温度的数值，即在测量出温度差后就能确定另一个节点的数值。通常选用冰、水混合物作为参考点（00C），另一点放在待测温度处。在一般情况下采用价格低廉、温差电动势较大的铜－康铜等材料。温差电动势用电位差计或数字毫伏表测量。温差电动势和温度差的对应关系表在有关手册中图3-2-11液体温度计图3-2-12图3-2-11液体温度计图3-2-12半导体温度计原理电路图图3-2-13热电偶温度计3.2.5电流、电压和电阻的测量仪器3.2.5.1电流的测量仪器1.常用电流表简介⑴、磁电系直流电流表。它是由一只磁电式表头和测量线路组成的。该类仪器准确度较高、灵敏度高、功耗小、刻度均匀、但过载能力较差。工作原理详见4.12一节。⑵、电磁系电流表。它是由一只电磁式表头和测量线路组成的。电磁系电流表可直接测量大电流，过载能力强，结构简单，交、直流两用，但刻度不均匀、功耗较大、灵敏度较低，可测10-2A～102A⑶、电动系电流表。它是由一只电动式表头和测量线路组成的。电动系电流表准确度高，可用于交、直流测量，灵敏度高，但刻度不均匀，过载能力差，易受外磁场干扰，量限为10-1A～1A，准确度可达2.指针式检流计指针式检流计是磁电式电表的一种，它主要作为零电流指示器。指针式检流计的主要特征是指针零点在刻度的中央，便于检测出不同方向的直流电流。⑴、检流计的外形见图3-2-14（a），在无电流流入时，其指针位于中央位置（指针指零）。当电流从“＋”接线柱流入，指针向“＋”方偏转（说明“＋”接线柱电位比“－”接线柱高）；当电流从“－”接线柱流入时，指针向“－”方偏转（说明“－”接线柱电位比“＋”接线柱高）。(a)检流计外形(a)检流计外形(b)检流计的保护电路图3-2-14图3-2-15光标检流计的测量机构1.活动线圈；2.悬丝；3.反射镜。图3-2-16AC15光标检流计结构示意图1.玻璃标尺；2.反射镜；3.小灯泡；4.透镜；5.光阑；6.透镜；7.反射镜；8.活动线圈；9.反射镜；10.悬丝。⑵、为了保护电表，以免超载损坏，在电表内部配置有保护装置。图3-2-14（a）中的“1”，“2”和“G”三个按钮，就是这种保护装置，其电路如图3-2-14（b）所示。图中检流计为44C2型，量程为-50～0～+50μA，电流常数为2μA/小格，内阻1.8KΩ，保护电阻98KΩ,8.2KΩ。根据计算可知，当输入端的电压5V时，接通开关1，确保检流计不超载；当5V时，接通开关2，检流计不会超载。由此得到指针式检流计使用规则：使用时先按按钮“1”，在指针无显著偏转的情况下，再按按图3-2-15光标检流计的测量机构1.活动线圈；2.悬丝；3.反射镜。图3-2-16AC15光标检流计结构示意图1.玻璃标尺；2.反射镜；3.小灯泡；4.透镜；5.光阑；6.透镜；7.反射镜；8.活动线圈；9.反射镜；10.悬丝。３.直流辐射式检流计⑴、概述直流辐射式检流计是一种测量微弱电流（10-8A～10-11图3-2-15为光标检流计的测量机构示意图。图3-2-16为光标检流计的结构示意图，为了提高其灵敏度，应用光杠杆放大原理，让光标经过多次反射后再在标度尺上指示被测值。这样经过多次反射的检流计称为“直流辐射式检流计”。AC15型直流辐射式检流计测量机构的基本工作原理是：活动线圈放置在软铁所制成的铁心及永久磁铁中间，当有电流经过导电游丝、拉丝和线圈时，通电线圈与永久磁铁磁场间相互作用，使检流计活动部分产生转矩而转动，其偏转的角度与通过线圈的电流值、拉丝及导电游丝的反作用力矩有关。检流计磁系统是由永久磁铁、磁轭、铁心所组成。在检流计活动部分上装有一面小平面镜，一面球面反射镜及一面反射镜进行反射，所以使得有可能在一个体积较小的外壳内制成高灵敏度而又便携的检流计。检流计照明系统有变压器，电压标志片电源开关等，可直接应用电压6.3V的螺口灯泡，当“220V”电源插口接上220V电压时，电源开关置于“6V”处，电源接通。它固定的方法是通过球形的灯座被夹紧在照明器的外壳的圆筒内，所以照明灯能在很广的范围内转动以便对光。检流计装有零点调节器及标盘活动调零器。零点调节器为零点粗调，标盘活动调零器为零点细调。此调整器能保证检流计在水平位置向任何方向倾斜5度时，能将指示器调整在标度尺零位上。检流计有一个用来接屏蔽的接线柱，能很有效地消除寄生电动势和漏电对测量结果的影响。检流计配有分流器，测量时应从检流计最低灵敏度开始，如偏转不大，则可逐步地转到高灵敏度测量。0.01档为最低灵敏度档。⑵、技术性能AC15型直流检流计共有六种不同性能的系列产品，它的主要技术数据列于表3-2-3⑶、使用方法及注意事项①按照表3-2-3②在测量中如需要屏蔽时，可用绝缘物（有机玻璃、硬橡胶板）将检流计垫起，并将检流计外壳上专用的屏蔽端钮接以屏蔽。③当检流计指示器摇晃不停时，可用短路电键使检流计受到阻尼，在改变电路时也必须使检流计处于短路状态，在使用结束和移动时，均应将检流计处于短路状态。（分流器开关应放短路档）。④在接通电源时，应使电源开关所指示的位置与所使用的点源电压值一致。（特别注意不要将220V电源插入6V插座内）。⑤如使用检流计的地方有轻微振动时，可把检流计放在海面橡皮衬垫的厚铁板上进行工作。⑥如发现标尺上找不到光点影象时，可将检流计轻微摆动，如有光点影象扫掠，则可调节零点调节器，将光点调至标度尺上，如无光点影象扫掠，则可检查灯泡是否烧坏。表3-2-3AC15型直参数测量电位检流计型号AC15/1AC15/2AC15/3AC15/4AC15/5AC15/6“－”-1“－”-2不大于内阻欧姆1.5K500100503050500外临界电阻欧姆100K10K1K5004050010K分度值安/分度3×10-101.5×10-93×10-95×10-91×10-85×10-91.5×10-9临界阻尼时间秒4⑦每个检流计已经经过对光调整好，更换灯泡以后还需进行对光。⑧实验应遵循条件：一是周围空气温度为+20℃±5℃即相对湿度小于80﹪；二是除地磁场外实际上不应有磁铁性物质及外磁场；三是周围环境不应有振动。4．AC5型直流检流计⑴概述AC5型检流计供各种直流电桥、电位差及其它仪器作零位指示之用。它主要有接线柱端钮与外电路连接，有“粗”、“细”按钮供接通检流计用，“短路”旋钮可以调整电气零位，背面有电池盒，供装9V6F22型叠层电池，电源开关供电池通断用。“接地”装置是检流计在使用过程中由于较大静电影响而不能正常工作时，用于接地以消除影响。⑵技术性能该检流计为满足不同平衡电路之要求制成下列各种型式，其主要技术参数如下表3-2-4所示，表中“量程”一栏是锁定“粗”按钮时的参数，如果按下“细”⑶、使用方法及注意事项=1\*GB3①使用时，先在电池盒中装入电池，将检流计与外电路连接，打开电源开关，用“调零”旋钮将指针调到零位，然后按下“粗”按钮，检流计即被接入电路进行“粗”测量，然后按下“细”按钮进行测量，“细”按钮为电流实际值，如需长时间将检流计接入电路，可将按钮转一角度，使其锁住即可。=2\*GB3②该检流计在周围温度5℃—35℃，相对温度≤80%环境下使用。=3\*GB3③使用时，如需要检流计短路，可按下“短路”按钮。=4\*GB3④检流计使用完毕后，应放松按钮，关掉电源。如长时间不使用，应取出电池。=5\*GB3⑤检流计应保管在周围空气温度10℃—35℃，相对湿度在80%以下的仓库中，空气中不应有可致腐蚀性的有害杂质。表3-2-4参数型号量程（μA）电阻（≦Ω）电流分度值（≦A/div）阻尼时间（≤S）AC5—1±300101.2×10－３2.5AC5—2±100504×10－６AC5—3±301001.2×10－６AC5—4±105004×10－７AC5—5±310001.2×10－７AC5—6±150004×10－８AC5—7±0.1120004×10－９5.冲击电流计⑴、概述冲击电流计是一种测量短时间内电量流过电路的仪器。使用时将它串联到待测电路中。冲击电流计的线圈是一个横向尺寸大于纵向尺寸的矩形框。这种线圈有较大的转动惯量和较大的自由转动周期。如果线圈中通以电流，则它所受到的磁力矩：（3-2-5)式中为线圈所在处的磁感应强度，、分别为线圈的匝数和面积，a、b分别为线圈的宽和长。若有一个持续时间的瞬时电流流过线圈，线圈将受到冲量矩的作用，即有（3-2-6)式中是在时间内流过冲击电流计的电量。按照角动量原理，线圈受冲量矩作用后角动量将发生变化，且有等式式中为线圈的转动惯量，分别为冲量矩作用前、后线圈的转动角速度。因为测量前已将线圈调节到平衡状态，即（这是使用冲击电流计的前提条件），故有(3-2-7)获得了转动角速度的线圈具有转动动能，并使线圈转动一个角度（是偏转的最大角度）。在线圈转动时，其动能逐渐变为悬丝的扭转位能。如果忽略空气的摩擦阻力和线圈回路在磁极间转动时受到的电磁阻尼作用，则机械能守恒定律成立，即(3-2-8)式中为悬丝的扭转弹性系数。由(3-2-7)和(3-2-8)图3-2-17冲击电流计的镜尺读数系统(3-2-图3-2-17冲击电流计的镜尺读数系统为了确定上式的偏转角度，通常用图3-2-17所示的装置。调节反射镜，使望远镜内“十”字叉丝正对标尺的零线。当反射镜转过小角度后，望远镜内“十”叉丝正对标尺上另一刻度线，该刻度线与零刻度线在标尺上的距离为。按照光的反射定律，。设反射镜与标尺的距离为（要求），则所以将值代入式(3-2-9)，得(3-2-10)由式（3-2-10）可知，冲击电流计的第一次最大偏转与通过它的总电量成正比，式中(3-2-11)称为冲击电流计在开路状态下的冲击常数，单位是C/mm。=2\*GB2⑵、使用方法及注意事项=1\*GB3①冲击电流计测量瞬时电量的误差随电量通过的时间的延长而增大。观测值总是稍小于实际的电量数值。为了减小误差，要求至少应小于T/10，最好是小于T/30（是冲击电流计自由振动周期，一般在10～18秒以上）。=2\*GB3②推导式(3-2-10)时，没有考虑与冲击电流计串联的回路特性。实际上冲击电流计往往在闭合状态下使用，因而需引入新的常数K′。K’称为冲击电流计在闭合状态下的冲击常数（或称为磁通冲击常数），它与闭合回路的总电阻R有关。每次使用冲击电流计时都应由实验确定该测量条件下的常数K′。=3\*GB3③冲击电流计的悬丝容易损坏。在调节零位时只能轻轻地将悬丝上部的调节端转一个很小的角度。如果通过的电流较大，可在测量回路中串接电阻或在冲击电流计上并联分流电阻，以使偏转值在标尺的1/3～3/4范围内。同时注意选择串、并联电阻的阻值，使冲击电流计在临界阻尼状态下工作。=4\*GB3④为使每次测读后线圈易于回到平衡位置，以便进行下一次测读，必须在冲击电流计两端并联一个阻尼开关。当转动的线圈通过平衡位置时，按下阻尼开关可使线圈停止。使用完毕应将冲击电流计两端短路。3.2.5.2电压的测量仪器1.常用电压表简介⑴、磁电系直流电压表。它是由一只磁电式表头和测量线路组成的。它准确度较高、灵敏度高、功耗小、刻度均匀、但过载能力较差，内阻约为（101～104）Ω／V，量限一般小于103V，准确度为1.5级～0.05级。工作原理详见4.12一节。⑵、电磁系电压表。它是由一只电磁式表头和测量线路组成的。它结构简单，过载能力强，既可测直流又可测交流电压，刻度不均匀，内阻约为（101～103）Ω／V，测量范围1V～103V,准确度一般为5.0级～0.5级。⑶、电动系电压表。它是由一只电动式表头和测量线路组成的。它准确度较高，既可测直流又可测交流电压，常有防外磁场干扰的机构，过载能力较差，刻度不均匀，内阻一般小于磁电系仪表，准确度可达0.5级以上。图3-2-18图3-2-18晶体管毫伏表面板图3-2-19⑴、简述晶体管毫伏表是一种用来测量电路中正弦交流电压有效值的电子仪表。它与一般的交流电压表或万用表的交流电压档相比，具有频率范围宽、输入阻抗高、电压测量范围广和灵敏度高等特点，因而特别适用于电子电路，如对一般放大器和电子设备进行测量。由于毫伏表前置机采用射极跟随电路，从而能获得高输入阻抗和宽的频率测量范围；衰减器和分压器用来满足宽量限的电压测量范围；从分压器取得很小的电压经多级交流放大器进行放大，提高了仪表的灵敏度，使其能测量毫伏级的电压，放大后的交流电压送至桥式全波整流器，整流后的直流电压通过磁电式测量机构指示出来。面板上的刻度是已被换算成为正弦交流电压有效值，可直接进行读数。该表还兼有测量电平的功能。图3-2-18是DA-16型晶体管毫伏表的面板图，原理方框图如图3-2-19所示。⑵、使用方法及注意事项①接通电源，等电表指示针摆动数次后，校正调零，到0位后即可进行测量。②输入端短路时，指针稍有噪声偏转（指无输入时的指针偏转）。由于毫伏表过载能力较弱，一般若不知被测电压大小，应把测量档先放在3V以上档位，然后再旋到能精确测量的量程处。③仪表暂时不用时，应把量程旋到较大档处，以免输入开路时电表指针偏转过大。④所测交流电压中的直流分量不得大于300V。⑤如果用毫伏表测量市电，应注意机壳是否带电，要防止发生触电。⑥由于本仪表灵敏度高，接地点必须良好，且应正确选择接地点，否则测试效果不好。在测量毫伏级低电压时，应将量程开关先置于3V以上档位，再接入被测电路。接入电路时，应注意表的接地端点应与被测电路和其他公用仪器“共地”，先连接地线，再接另一根测量线，然后再将转换开关转回到3V以上高电压档级进行测量。测毕，仍先将转换开关转回到3V以上高电压档级，然后再依次取出测量线和地线。这些措施都是为了防止干扰电压引入输入端，影响测量的准确性以及打坏指针。⑦如用外接12V直流电源时，则将仪器面板上旋钮开关扳向“直流”，将外接直流电源线插入仪表右侧“DC12V”插孔。⑧面板上电压的标度尺共有0～10和0～3两条，使用不同的量程时，应在相应的标度尺上读数，并乘以合适的倍率。3.电位差计补偿法是电磁测量的又一种基本方法。电位差计就是利用补偿原理来精确测量电动势或电位差的仪器。它分为线式电位差计和箱式电位差计两类，型号很多。线式电位差计结构简单、直观性强，便于学习和掌握；而箱式电位差计是测量电位差的专用仪器，它使用方便、测量准确、稳定性好。电位差计不仅可以精确测量电动势或电位差，与标准电阻配合还可以精确测量电流和电阻，有些电器仪表厂则用它来确定产品的准确度和定标。电位差计的具体内容详见4.11。3.2.5.3电阻的测量仪器1.常用电阻器介绍图3-2-20图3-2-20滑线变组器图3-2-21滑线变阻器的符号滑线变阻器如图3-2-20所示。其结构是：均匀电阻丝密绕在瓷管上，绕线的两端与接线柱连接，在绕线的上方有一条形金属杆固定在支架上，杆上装有滑键，上的弹簧片与电阻丝有良好接触，当移动滑键时，与电阻丝的接触点也随之改变。滑线变阻器用图3-2-21的符号表示。滑线变阻器的主要规格指标是电阻值和额定电流。实验时要根据滑线变阻器在电路中的作用及外接负载情况，选用合适的阻值和额定电流的变阻器。滑线变阻器在电路中常作为串联可变电阻，起控制电路电流大小的作用，成为限流电阻或限流器，如图3-2-22（a）。滑线变阻器的另一作用是并联于电路中，组成分压电路，起调节输出电压作用。此种分压电路也叫分压器,如图3-2-22（b）。⑵、旋转式电阻箱图3-2-23旋转式电阻箱图3-2-22滑线变阻器图3-2-23旋转式电阻箱图3-2-22滑线变阻器常用(a)限流电路(b)分压电路R＝0×10000＋0×1000＋4×100＋5×10＋6×1＋7×0.1＝456.7Ω当只需要使用0.1～0.9或0.1～9.9Ω范围时，则应接在与或与两个结线柱上，以避免其余转盘弹簧接触点的接触电阻。因为电阻箱示数小时，接触电阻会引起较大的相对误差。在使用电阻箱时，应将两个旋钮转动几次，以免内部有接触不良现象发生。要防止流过电阻箱的电流超过最大一档电阻的额定电流，电阻箱每档电阻容许通过的电流见表3-2-5表3-2-5旋钮倍率×0.1×1×10×100×1000×10000额定电流（A）1.50.50.150.050.0150.005按规定，电阻箱使用和放置场所的温度应为+10℃～40℃，相对湿度在80按国家技术规程规定，电阻箱的铭牌或外壳上应标明十进盘电阻标称值和准确度等级。例如ZX21型电阻箱，调节范围是9×(0.1＋1＋10＋100＋1000＋10000)Ω，准确度按各盘依次分别为5％，0.5％，0.2％，0.1％，0.1％和0.1％。另外，它的零值电阻R0＝（20±5）mΩ。⑶标准电阻器图3-2-24图3-2-24标准电阻结构1.黄铜支架2.电阻线圈；3.铜接线柱；4.测温孔；5.电位端；6.电流端。图3-2-25标准电阻接线柱示意图①分类按阻值大小分：低阻：10-4Ω～10-2Ω；中阻：101Ω～105Ω；高阻：106Ω～108Ω。②结构标准电阻器的结构如图3-2-24所示，电阻线圈绕在黄铜骨架上，线圈首尾端通过铜接线柱引出。面板上的插孔是供测温用的测温孔。高阻值的标准电阻为消除漏电流的影响，采取屏蔽措施，具有三个接线柱，如图3-2-25（a）所示。低阻值的标准电阻为减少接线电阻和接触电阻的影响，具有四个接线柱，其中两个较粗的端钮称为电流端钮，两个较细的端钮称为电压端钮，如图3-2-25（b）所示。③使用与维护在规定的技术条件下使用与保护，不允许过载；要求环境温度变化小，无腐蚀性气体，无强光直接照射；轻拿轻放，避免碰撞和剧烈振动；当偏离20℃使用时，按下式计算℃下的电阻值。(3-2-12)式(3-2-12)中，由生产厂家给定。2.电阻的测量仪器⑴、万用表详见3.2.5.4。⑵、电桥电桥是测量电阻常用的仪器。由于它测量准确，方法巧妙，使用方便，所以得到广泛应用。电桥电路不仅可以使用直流电源，而且可以使用交流电源，故有直流电桥和交流电桥之分。直流电桥主要用于电阻测量，它有单电桥和双电桥两种。前者称为惠斯登电桥，用于（1～106）Ω范围的中值电阻测量；后者常称为开尔文电桥，用于（10-3～1）Ω范围的低值电阻测量。交流电桥除了测量电阻之外，还可以测量电容、电感等电学量。通过传感器，利用电桥电路还可以测量一些非电量，例如温度、湿度、应变等，在非电量电测方法中有着广泛应用。电桥原理详见4.10。3.2.5.4万用表图3-2-26图3-2-26MF-64型多用表我们知道，一个磁电式电表经过适当的改装可以构成电压表和电流表。在测量要求不高的场合，我们经常使用一种多功能的电表，简称为万用表。在使用时只需拨动电表旋钮到所需的部位，便能方便地测量电压、电流和电阻等，而且量程宽广。万用表的型号很多，但基本原理是相同的。下面以MF-64型万用表为例，说明它的基本原理。MF-64型万用表的直流电压量程有5档，直流电流量程有8档，交流电流量程有6档，电阻量程有5档，还能测量音频电平、晶体三极管的某些参数等（见图3-2-26）万用表实际上由灵敏度较高的磁电式电流表（俗称表头）配上一个专门为扩展电表用途而设计的电路所组成。这种电路一般由多档式转换开关、电阻和电池组成。其设计原理与改装电表类同。图3-2-27直流电图3-2-27直流电流测量电路图3-2-28直流电压测量电路电流的测量与改装电表原理相同，采用并联分流电阻的方法，如图3-2-27所示。⑵、直流电压测量直流电压测量电路如图3-2-28所示。测量电流时所用的分流电阻R1、R2、R3和R4仍然保留，并且将电流表的量程设计为Ig（MF-64型万用表Ig为50A）。电阻R5～R9降压电阻的数值根据电流表的量程和电压表量程来确定。例如某万用表的电流表量程，“内阻”Rg=2.2KΩ，能用来测量电压的范围只有此时电压表的总内阻为20KΩ。它的物理意义是：用此表测量直流电压时，每伏需要降压电阻20KΩ，即20KΩ/V。这个数值称为直流电压灵敏度。它的倒数就是电流灵敏度，即从直流电压灵敏度能方便地将电压表各档量程的降压电阻计算出来。例如量程为2.0V时，量程为10V时，所以，直流电压灵敏度愈高，测量直流电压时流过电压表的电流愈小，也就是对被测电路的影响愈小，因而，测量结果愈准确。⑶、交流电压的测量图3-2-29图3-2-29正弦交流电压图3-2-30二极管符号图3-2-29是一种常用的交流电压，它的大小和方向是随时间按正弦规律变化的，其大小用有效值来表示。有效值系指此交流电压和一直流电压分别在两个电阻相同的电热器上，若相同的时间内，这两个电热器产生的热量相等，则这一直流电压的数值就用来表示这个交流电压的有效值。有效值等于峰值（最大值）的倍，即用磁电式电表测量交流电压必须经过整流，把交流电变成直流电。万用表中一般常用晶体二极管作为整流元件。二极管的符号如图3-2-30所示。二极管具有单向导电性，当极电位比极高，称为加正向电压，这时二极管的电阻很小，约为10～102Ω（称为正向电阻），电路导通。反之，当极电位比极低，称为加反向电压，这时二极管电阻很大，约为104～106Ω（称为反向电阻），电路几乎不通。可见，晶体二极管可近似看成一个自动开关，加正向电压时，自动合上；加反向电压时，自动断开。因此若在二极管两端加上一交流电压，则只有正向电流从→的箭头所指的方向通过。万用表中用的整流电流电路如图3-2-31所示，它用了两只二极管和。与电表串联，然后再与并联。若、两端加一交流电压，在正半周的时间里，点电位高于点，通、不通，电流经通过电表；在负半周，点电位比点低，不通，而通，这是反向电流从中通过，而不通过电表。于是，电表只有一个方向的电流通过，即交变的电流变成了定向脉动的直流电流通过电表。上述的整流电路称为半波整流电路。对于正弦交流电压，则有效值为的交流电压经过半波整流后得到平均直流电压为：式中为比例常数。如把二极管看成理想的自动开关，则＝0.45。实际上，二极管正向电阻不为零，反向电阻也不是无穷大，因而总是小于0.45。由此可见，交流电压经半波整流后得出的直流电压，虽然其数值和有效值不等，但两者大小成正比，因此，测量出就可以知道交流电压有效值的大小。⑷、电阻的测量图3-2-32是万用表测量电阻的原理图。其中虚线框内部分为欧姆表，a和b为两接线插口（表笔插孔）。测量时将待测电阻接在a和b之间。在欧姆表中，为电源（干电池）。为电表（内阻为，灵敏度为），为限流电阻。由欧姆定律可知回路中的电流由下式决定：图3-2-31万用表整流电流电路图3-2-32万用表测量电阻原理图图3-2-31万用表整流电流电路图3-2-32万用表测量电阻原理图可以看出，对于给定的欧姆表（即，、给定),与之间有一一对应的关系。这样，在电表刻度上标出相应的值即成一欧姆表。由式（3-2-13）可知，当=0时，回路中的电流最大，为/(+)。在欧姆表中设法改变电表的满度电流使其等于最大电流，即（3-2-14）习惯上用表示+，称之为欧姆表的中值电阻，即这样，式（3-2-13）和（3-2-14（3-2-15）和（3-2-16）图3-2-33DT－830型数字万用表面板图由式（3-2-16）可以看出：欧姆表的刻度是非线性（不均匀）的，正中那个刻度值记为，这是因为=时，指针偏转为满度的一半，即当＜＜时，指针偏转接近满度，随的变化不明显，因而测量误差很大；当＞＞时，指针偏转接近0，因而测量误差也很大。所以在实用上通常只用欧姆表中间的一段来测量，例如0.25～5这段范围。实际上欧姆表都有几个量程，每个量程的都不同，但每个量程的可用范围都是0.25～5。如MF64“×10”档=250Ω，则测量范围为50Ω～1.3kΩ；“×1K”档=25kΩ，则测量范围为5Ω～1.3×102kΩ。图3-2-33DT－830型数字万用表面板前面已经指出，欧姆表的刻度是按电池电压的标称值＝1.5V确定的。但实际上电池端电压不可能总是正好等于1.5V，，所以在欧姆计中还装有（欧姆零点）调节旋钮，以保证刻度正确。调节方法是：将表笔a和b短路（相接），调节“0Ω”旋钮使偏转满度，即指针指0Ω。每次改变量程后都应重新调节欧姆零点。=5\*GB2⑸、万用表操作规程图3-2-34DT-830型数字万用表原理方框图=1\*GB3①准备：认清所用万用表的面板刻度。根据待测量的种类（交流或直流；电压、电流或电阻）及大小，将选择开关拨至合适位置。如MF64有功能选择开关和量程选择开关，使用时先要按待测量的种类拨动功能开关，然后按待测量的大小拨动量程选择开关（不知待测量大小时，一般应选择最大量程先行试测）。多用表面板上的红色“＋”插口应插入红表笔，“*”插口应插入黑表笔。图3-2-34=2\*GB3②测量：在使用伏特表或安培表时应注意：（a）安培表是测量电流的，必须将万用表的两个表笔串接在电路中。伏特表是测量电压的，应将万用表的两个表笔搭在待测对象的两端（并联）（b）表笔的正负不要接反，红笔接电位高的一端。（c）执表笔时，手不能接触任何金属部分。（d）测试时应采用跃接法，即在用表笔接处测量点的同时，注意电表指针偏转情况，并随时准备在出现不正常现象时，使表笔离开测量点。在使用欧姆表时应注意：（a）每次换档后都要调节欧姆零点。（b）不得测带电的电阻。（c）测试时，不得双手同时接触两个表笔笔尖，测高阻时尤其注意。（d）用万用表判断二极管的极性时应特别注意“＋”表棒（红色）实际上代表电池负极，而黑色表棒（“*”插口）与电池正极相连，这可以从测量电阻的原理图中看出。=3\*GB3③结束：使用完毕，务必将万用表的功能选择开关拨离欧姆档，并拨到空档（OFF）或最大交流电压量程处，以确保安全。2.DT-830型数字万用表⑴、简述数字万用表使用十分广泛，它具有精度高、输入阻抗高、显示直观、过载能力强、功能全等优点。目前已有DT－830普通型、DT－860、DT－870自换程和DT-930\DT-940全保护功能等产品。下面以DT-830为例作一简单介绍。DT－830型数字万用表面板如图3-2-33所示，其原理方框图如图3-2-34所示。虚线框内表示直流数字电压表（DVM），它由阻容滤波器、A／D转换器、LCD液晶显示器组成。在数字电压表的基础上再增加交流-直流（AC-DC）、电流-电压（A-V）、电阻-电压（Ω-V）转换器，就构成了数字万用表。⑵、基本技术性能①显示位数：4位数字，最高位只能显示1或不显示数字，算半位，所以称位。最大显示数为1999或―1999。②调零和极性：具有自动调零和显示正、负极性的功能。③超量程显示：超过量程时显示“1”或“―1”。④采样时间：0.4s。⑤电源：9V叠层电池供电。⑥整机功耗：20mW。⑶、使用方法及注意事项①测试输入插座：黑色测试棒插在“COM(-)”的插座里不动。红色测试棒有以下两种插法：（a）在测电阻值和电压时，将红色测试棒插在“V·Ω”的插孔里。（b）在测量小于200mA的电流时，将红色测试棒插在“mA”的插孔里。当测量大于200mA的电流时，将红色测试棒插在“10A”插孔里。②根据被测量的性质和大小，将面板上的转换开关旋到适当的档位。并将测试棒插在适当的插座里。③将电源开关置于“ON”位置，即可用测试棒直接测量。④测毕，将电源开关置于”OFF“位置。⑤当显示器显示“”符号时，表示电池电压低于9V，需更换电池后再使用。⑥测三极管hFE时，需注意三极管的类型（NPN或PNP）和表面插孔E、B、C所对应的管子管脚。⑦检查二极管时，若显示“000”表示管子短路；显示“1”表示管子极性接反或管子内部已开路。⑧检查线路通断，若电路通（电阻＜20Ω）电子蜂鸣器发出声响。3.3实验室常用电源、光源、信号源3.3.1常用电源3.3.1.1直流稳压电源1.简述晶体管直流稳压电源是提供直流电压的电源设备，当电网电压或负载在一定范围内变化时，能使输出电压稳定不变。在使用时近似可以看作为一个理想的