第2个回答 推荐于2017-11-25
基本物理量的测量与数据处理
实验目的
1. 掌握游标卡尺的测量原理和使用方法；
2. 掌握螺旋测微计的测量原理和使用方法；
3. 学会正确使用游标卡尺、螺旋测微计及移测显微镜测量长度；
4. 学会使用万用表
5. 掌握多次等精度测量误差的估算方法与有效数字的基本运算。
实验器材
游标卡尺，螺旋测微计，移测显微镜，待测物体（长方体、圆球、钢丝）
实验原理
一 游标卡尺
结构：游标卡尺是能够准确测量长度的装置。它由主尺（米尺）和游标尺（标有N个刻度的游标尺）两部分组成。游标与尺身之间有一弹簧片，利用弹簧片的弹力使游标与尺身压紧。游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。尺身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径(图1)。深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。主尺的分度值为1mm，与游标尺上分度值 mm相差一个小量Δx= mm。常见的三种卡尺分别为：Δx=0.1mm、Δx=0.05mm和Δx=0.02mm，分别称为十分游标，二十分游标和五十分游标(图2)。 以十分游标为例，游标尺的10个分度值（游标尺刻度总长）与主尺的(10—1)mm重合。故使用游标卡尺测长度时，读数可精确到0.1mm。同理可知，二十分游标读数可精确到0.05mm，五十分游标读数可精确到0.02mm。
图1 游标卡尺
图2 三种不同刻度的游标卡尺
读数方法：
以测量外径为例：先使游标尺量爪和主尺量爪接触，看游标尺的零刻度和主尺的零刻度是否对齐。若没有对齐，其读数称零点读数，应将其读出（方法见后）。将被测物夹持在游标尺量爪和主尺量爪之间，设游标尺的零刻度线落在主尺的第k和k+1个刻度之间，则在主尺上的读数为k mm。若游标上某个刻度（设为第n个）与主尺上某刻度重合或最为接近，则ΔL=nΔx。而物体长度L=k+ΔL。 如图3所示，Δx=0.05mm，k=6，n=13，所以读数L=6+0.05×13=6.65mm 。
若零点读数不为零，应从最终读数中减去。
图3 游标卡尺的读数
二 螺旋测微计
结构：螺旋测微计又称千分尺。是利用测微螺杆的外螺纹和套管的内螺纹紧密配合、将测微螺杆的角位移变为直线位移的原理，来实现长度测量的量具，如图4。测微螺杆的螺距为0.5mm，可转动的套管（叫微分筒）的圆周上均匀刻画50个分度，所以每旋转一个分度，螺杆移动0.5mm/50=0.01mm。也就是说螺旋测微计的精密度（分度值）为0.01mm。
图4 螺旋测微计
读数方法：固定套筒上有一轴向横刻线，它是微分筒上圆周分度的读数准线。轴向横向的一侧是分度值为1mm的分度刻线，另一侧是0.5mm的分度刻线，组成固定标尺，微分筒的棱边是固定标尺的读数准线。
（1） 先读固定标尺上的数值：以微分筒棱边为准线，读出整数毫米值，若已露出相邻的0.5mm刻线，应再加上0.5mm。
（2） 读微分筒上数值：它的分度值为0.01mm。以轴向横刻线为准线，读出微分筒上的数值（包括估读位）。
（3） 将两数相加即得被测物体的尺寸,如图5。
使用螺旋测微计时应注意：
（1）测量前后应进行零点修正，即要从测量读数中减去零点读数。零点读数时顺刻度序列记为正值，反之为负值。
（2）测量时，左手握住尺架上绝热部分，右手转动微分筒，当测微螺杆的测量端面快要与工件表面相接触时，再轻旋微调旋钮(也叫棘轮)至发出“咔咔”响声后，将锁紧装置推向左边，便可读数。
图5 千分尺的读数
三 移测显微镜
移测显微镜是利用螺旋测微器控制镜筒（或工作台）移动的一种测量显微镜。显微镜是由物镜、叉丝和目镜组成的光学显微系统。位于物镜焦点前的物体经物镜成放大倒立实像于目镜焦点附近并与叉丝的刻线在同一平面上。目镜的作用如同放大镜，人眼通过它观察放大后的虚像。
图6所示为镜筒移动式移测显微镜，可分为测量架和底座两大部分。在测量架上装有显微镜筒和螺旋测微装置。显微镜的目镜用锁紧圈和锁紧螺钉固紧于镜筒内。物镜用螺纹与镜筒连接。整体的镜筒可用调焦手轮对观测物调焦。旋转测微鼓轮，镜筒能够沿导轨横向移动，测微鼓轮每旋转一周，显微镜筒移动1mm，镜筒的移动量从附在导轨上的50mm刻度尺上读出整毫米数，小数部分从测微鼓轮上读。测微鼓轮圆周均分为100个刻度，所以测微鼓轮每转一格，显微镜移动0.01mm。测量架的横杆插入立柱的十字孔中，立柱可在底座内转动和升降，用旋手固紧。
使用前先调整目镜，对叉丝聚焦清晰后，再转动调焦手轮，同时从目镜中观察，使被观测物成像清晰，无视差。为了测量准确，必须使待测长度与显微镜筒移动方向平行。
图6 移测显微镜
测量时，先转动鼓轮手柄，让叉丝从某一侧运动到被测起点，记录数据后，沿原方向转动鼓轮手柄，使叉丝对准被测终点，再记录此时的读数，两次读数之差即是被测两点的间距。
只所以要这样做，是为了消除回程误差。因为当显微镜从不同方向对准同一点时，读数并不相同。所以，在测量过程中，显微镜应朝同一个方向移动，不能在中途返回。
移测显微镜在使用时，有一个问题非常棘手，这就是鼓轮上的读数与刻度尺上的读数不同步的问题。它不能象螺旋测微计的零点读数那样可以进行调整，只有在使用时通过修正读数来解决。
四 万用表
万用表的使用的注意事项
（1）在使用万用表之前，应先进行“机械调零”，即在没有被测电量时 ，使万用表指针指在零电压或零电流的位置上。
（2）在使用万用表过程中，不能用手去接触表笔的金属部分 ，这样一方面可以保证测量的准确，另一方面也可以保证人身安全。
（3）在测量某一电量时，不能在测量的同时换档，尤其是在测量高电压或大电流时 ，更应注意。否则，会使万用表毁坏。如需换挡，应先断开表笔，换挡后再去测量。
（4）万用表在使用时，必须水平放置，以免造成误差。同时， 还要注意到避免外界磁场对万用表的影响。
（5）万用表使用完毕，应将转换开关置于交流电压的最大挡。如果长期不使用 ，还应将万用表内部的电池取出来，以免电池腐蚀表内其它器件。
欧姆挡的使用
一、选择合适的倍率。在欧姆表测量电阻时，应选适当的倍率，使指针指示在中值附近。最好不使用刻度左边三分之一的部分，这部分刻度密集很差。
二、使用前要调零。
三、不能带电测量。
四、被测电阻不能有并联支路。
五、测量晶体管、电解电容等有极性元件的等效电阻时，必须注意两支笔的极性。
六、用万用表不同倍率的欧姆挡测量非线性元件的等效电阻时，测出电阻值是不相同的。这是由于各挡位的中值电阻和满度电流各不相同所造成的，机械表中，一般倍率越小，测出的阻值越小。
万用表测直流时
一、进行机械调零。
二、选择合适的量程档位。
三、使用万用表电流挡测量电流时，应将万用表串联在被测电路中，因为只有串连接才能使流过电流表的电流与被测支路电流相同 。测量时，应断开被测支路 ，将万用表红、黑表笔串接在被断开的两点之间。特别应注意电流表不能并联接在被测电路中 ，这样做是很危险的，极易使万表烧毁。
四、注意被测电量极性。
五、正确使用刻度和读数。
六、当选取用直流电流的2.5a挡时，万用表红表笔应插在2.5a测量插孔内 ，量程开关可以置于直流电流挡的任意量程上。
七、如果被测的直流电流大于2.5a，则可将2.5a挡扩展为5a挡 。方法很简单，使用者可以在“2.5a”插孔和黑表笔插孔之间接入一支0.24欧姆的电阻 ，这样该挡位就变成了5a电流挡了。接入的0.24a电阻应选取用2w以上的线绕电阻，如果功率太小会使之烧毁。
实验内容
1. 用游标卡尺测量长方体的长、宽、高，并求其体积。
在测量时应按长、宽、高的顺序依次测量，应取物体的不同部分进行测量。
2. 用螺旋测微计测量圆球的直径，并求其体积。
应做交叉测量，即在同一截面上，在相互垂直的方向上进行测量。
3. 用移测显微镜测量钢丝的直径。
调整移测显微镜底座里面的平面镜，使从目镜中观察到的视场明亮。
转动显微镜的接目镜，直到能够看清里面的叉丝。
观察纵方向的叉丝是否与刻度尺垂直，若不垂直，可旋松目镜锁紧圈上的锁紧螺钉，进行调整。
转动调焦手轮，同时从目镜中观察，使被测钢丝成像清晰，无视差。调节钢丝在玻璃板上的取向，使纵叉丝与钢丝表面平行。
转动鼓轮手柄，让叉丝从钢丝的左侧运动到钢丝的左边缘，记录显微镜的位置为左读数。注意鼓轮读数与主尺上小数部分的大小关系，确定读数是大于还是小于主尺读数。
沿原方向转动鼓轮手柄，使叉丝对准钢丝右边缘，再记录此时的读数。注意仍然用前面的读数规则。
改变钢丝的位置，重复测量三次。
4. 使用万用表测电阻和二极管
数据表格
1. 用游标卡尺测量长方体的长、宽、高
游标尺的分度值： mm 游标尺的零点读数： mm
表一 长方体尺寸
次数
长a/mm
宽b/mm
高c/mm
1
2
3
平均
2. 用螺旋测微计测量圆球的直径
螺旋测微计的分度值： mm 旋测微计的零点读数 mm
表二 钢球直径
次数
1
2
3
4
5
6
平均
读数d/mm
3. 用移测显微镜测量钢丝的直径
移测显微镜的分度值： mm
次数
1
2
3
左读数/mm
右读数/mm
直径/mm
实验数据处理
1. 用游标卡尺测量长方体的长、宽、高
长度a：
，可比读数多保留一位，精确至0.001mm。
，可保留两位有效数字。
按中华人民共和国计量检定规程，游标卡尺的允许误差等于分度值，所以 。
，可保留两位有效数字。
而
对b和c可进行同样的运算。
长方体体积V的计算：
最佳值为 ，可暂时多保留几位有效数字。
不确定度由相对不确定度的计算公式
得
，只保留一位有效数字。
根据 所在的位数，按照末位对齐的原则，对 进行取舍。
结果表示为：
2. 用螺旋测微计测量圆球体积
方法同上。按中华人民共和国计量检定规程，对螺旋测微计，允许误差为0.04 mm。由
知， 仅是直径 的函数。计算时， 的位数应与 的有效数字相等或多一位。且
思考题
1. 用“10分游标卡尺”和“50分游标卡尺”测同一物体的直径，测得的有效数字位数是否相同，为什么？如果用“50分游标卡尺”和“螺旋测微计”测同一金属丝的直径，测得的有效数字位数是否相同，为什么？
2. 如果要测定一长方体铝块的体积，铝块长约为30cm，宽约为5cm，厚约为0.1cm，问各应选哪种仪器进行测量，才能使其体积的测量结果有四位有效数字？
3. 下面这些游标卡尺（仅画出读数部分）的分度值是多少？它们的读数又是多少？（每一张图的上一支尺用来确定分度值，下一支尺用来读数，主尺上一分格长1mm）。
0
1
0 5 10
(a)
6
7
0 5
(b)
0
1 2
0 5 10
(c)
8 9 10
0 10 20
(d)本回答被网友采纳