大学物理实验实验操作-实验原理等

1长度测量本授课单元教学目标：1．了解游标卡尺、螺旋测微器的构造，掌握它们的原理，正确读数和使用方法。2．学会直接测量、间接测量的误差计算与数据处理。本授课单元教学重点和难点：1．掌握游标卡尺、螺旋测微器的构造原理，读数原理以及零点修正本授课单元教学过程设计：1．引入本实验2．实验原理（1）游标卡尺①结构：游标卡尺主要由主尺和游标两部分构成。游标尺主要由两部分构成（如图1-2），与卡口A、A相联的主尺D，主尺按米尺刻度；与卡口B、B，及尾尺C相联的游标尺E，游标紧贴着主尺可滑动，尾尺C用来测量槽的深度。它们测量的数值都是由游标的0线与主尺0线之间的距离表示出来F为固定螺丝。②准确度：设游标卡尺上的每一刻度长为x，主尺上每刻度长为y，游标上有个分格m，游标的总长与主尺上分格的总长相等，即：ymmx)1(主尺与游标上每个分格的差值为myxyx，x称为该游标尺的准确度。③读数：对于一般的情形，若游标0线在主尺上的位置读出mm的整数位为K，而付尺上的第n根刻度线与主尺上的某一刻度线对齐，则待测物体的长度：)()(mmxnmmKL④0点修正：我们在用游标尺测量之前必须检查两个0线是否对齐，若由于某种原因两个0线没有对齐，而又要用该游标尺测量时，那就必须对测量结果进行修正。这有两种情况：A当卡口密合时，游标上的0线在主尺上的0线的右方，如图1－4(a)，且游标的第n根刻度线与主尺上的某一刻度线对齐，这种情况下说明了在游标尺未测量物体之前尺上已经出现了mmmn的读数了，这个读数就是0点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去0点修正值，即测定植=读数-修正值[mmmn]游标卡尺结构示意图2B当卡口密合时，游标上0线在主尺0线左方，如图1－4(b)，且且游标的第n根刻度线与主尺上的某一刻度线对齐，这种情况下说明了在游标尺未测量物体之前尺上已经出现了mmmn)1(的读数了，这个读数就是0点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去0点修正值，即测定植=读数-修正值[mmmn)1(]（2）螺旋测微器①构造：由精密的微动螺旋杆和一螺旋套组成。②准确度：螺旋杆可以在螺旋套内旋转，其螺距为mm5.0，螺旋杆是和螺旋柄相连的，在柄上附有沿圆周的刻度，共有50个分格，当螺旋杆沿轴线方向前进)01.0(505.0mmmm即，螺旋杆圆周刻度转过1个分格，即螺旋测微器的准确度x为mm01.0③读数：测量之前，应先把卡口闭合，检查是否有修正。若不需，就可以开始测量了。测量时，将物体放在卡口之间。当螺旋杆离待测物理较远时可用微分筒；当螺旋杆快接近待测物体时，要用后面的小棘轮，直到听到“咔、咔”的声音。然后观察微分筒边缘在固定标尺上的位置，mm5.0整数部分由固定标尺上的刻度直接读出，小于mm5.0的部分，则由固定标尺横线在微分筒上所在的位置上读出。则待测物体的长度：)()(mmxzmmKL其中K为螺旋柄边缘在固定标尺所处位置的mm5.0整数部分，z为固定标尺横线在螺旋柄上所对应的位置，x为螺旋测微器的准确度。图正修正值图负修正值1234567890454000-25mm0.01mm图螺旋测微计构造图1尺架2固定测砧3待测物体4测微螺旋杆5螺母套管6固定标尺7微分筒8棘轮9制动装置3mm183.4mm680.4mm982.1④0点修正：同理，在测量之前，一定要检查是否有0点修正值。在测砧与测杆之间未放物体（小球）时，轻轻转动棘轮，待听到发出“咔、咔”的声音时即停止转动。然后观察微分筒“0”线与固定标尺的横线是否对齐。若未对齐，则此时的读数为零读数。零读数有正、负，测量结果需予以修正。同样有2种情况，如图1-7所示。图修正值mmda021.0)(mmdb028.0)(A当卡口密合时，螺旋杆的边缘尚未到达固定标尺的0线而且固定标尺横线在螺旋柄上所对应的位置为z，这种情况下说明了在未测量物体之前尺上已经出现了[mmz01.0]的读数了，这个读数就是0点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去0点修正值，即测定植=读数-修正值[mmz01.0]B当卡口密合时，螺旋杆的边缘已超过固定标尺的0线而且固定标尺横线在螺旋柄上所对应的位置为z，这种情况下说明了在未测量物体之前尺上已经出现了[mmz01.0)50(]的读数了，这个读数就是0点修正值，所以在以后没测一次就应在读数上减去0点修正值，即测定植=读数-修正[mmz01.0)50(]（3）固体密度的测定①直接称衡法对于形状规则的物体，用游标卡尺或千分尺测量其线度，然后根据其体积公式计算它的体积；对于形状不规则、密度分布均匀的物体用量杯测它的体积，量杯读数时，应注意以液体中心面为读数基准，不能以液体与量杯接触交线为基准，同时眼睛位置应与液面相平。②液体静力称衡法用量杯直接称衡体积其测量的准确度低，利用阿基米德原理测量的准确度可以大大提高。阿基米德原理指出，物体在液体中减少的重量等于它所排开同体积液体的重量。为此，用物理天平测得物体在空气中的质量1M（不考虑空气的浮力）和浸在水中（全部浸没）的质量2M，则21MM就等于物体同体积的水的质量，若实验时，温度为t℃，该时水的密度为t，则物体的体积为tMMV21。tMMMVM2111（4）液体密度的测定①直接测量法：将密度计直接放在液体里面，观察液面在密度计所对应的刻线，所对应的刻线读数就是待测液体密度，直接读数即可测得液体密度。注意不同的液体要用不同的密度计。②称衡法（密度瓶法）：在一定温度的条件下，密度瓶的容积是一定的，设密度瓶容积为V，质量为1m，装满待测的液体后其质量为2m，则待测液体质量为：12mmm由此可得液体的密度为：图螺旋测微器读数示意图4VmmVm123．实验内容（1）用游标卡尺测量圆柱体的直径和高各5次；（2）用螺旋测微器测钢珠或钢线的直径10次；4．实验数据与数据处理（1）测圆柱体体积（误差计算）仪器名称：游标卡尺准确度：mm02.0n直径mmd高mmh读数0点修正值测定值dddii读数0点修正值测定值hhhii1122334455平均值绝对误差：1512nddddii相对误差：%100ddE结果表述：ddd绝对误差1512nhhhhii相对误差:%100hhE结果表述:hhh体积的测量结果：hdV24相对误差:%1002hhddVVE绝对误差:EVV结果表述:VVV2、测钢珠直径仪器名称：螺旋测微器（mm250）准确度：mm01.05n直径mmdn直径mmd读数0点修正值测定值dddii读数0点修正值测定值dddii16273849510平均值体积的测量结果：10101iidd绝对误差:11012ndddii相对误差:%100dE结果表述:mmdd5．思考题（1）游标卡尺的测量准确度为mm01.0，其主尺的最小分度的长度为mm5.0，试问游标的分度数（格数）为多少？以毫米作单位，游标的总长度可能取哪些值？（2）试述游标卡尺、螺旋测微器的零点修正值如何确定？测定值如何表示？（3）游标卡尺读数需要估读吗，为什么？（4）实验中所用的水是事先放置在容器里，还是从水龙头里当时放出来的好，为什么？（5）观察密度计刻度是否均匀，若不均匀，为什么？本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）（注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3.“重点”、“难点”、“教学手段与方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课，下同。）实验二单摆实验·【实验目的】1.用单摆测量当地的重力加速度。2.研究单摆振动的周期。6·【实验仪器】FD-DB-Ⅱ新型单摆实验仪·【仪器介绍】1.数字毫秒计停表计时是以摆轮的摆动周期为标准，数字毫秒计的计时是以石英晶片控制的振荡电路的频率为标准。常用的数字毫秒计的基准频率为100kHz，经分频后可得10kHz、1kHz、0.1kHz的时标信号，信号的时间间隔分别为0.1ms、1ms、10ms。数字毫秒计上时间选择档就是对这几种信号的选择。如选用1ms档，而在测量时间内有123个信号进入计数电路，则数字显示为123，即所测量的时间长度是123ms或0.123s。对数字毫秒计计时的控制有机控（机械控制，即用电键）和光控（光控制，即用光电门）两种。光电门是对数字毫秒计进行光控的部件，它由聚光灯和光电二极管组成（图1），当光电管被遮光时产生的电讯号输入毫秒计，控制其计时电路。控制信号又分为1S和2S两种，1S是测量遮光时间的长度，遮光开始的信号使计时电路的“门”打开，时标信号依次进入毫秒计的计数电路，遮光终了的信号使计时电路的“门”关闭，时标信号不能再进入计数电路，显示的数值即遮光时间的长度。使用2S时，是测量两次遮光之间的时间间隔，第一次开始遮光时，计时电路和“门”打开，第二次再遮光时，“门”才关闭，显示的数值就是两次遮光的时间间隔。一般测量多选用2S档。为了在一次测量之后，消去显示的数字，毫秒计上设有手动和自动置零机构，自动置零时还可调节以改变显示时间的长短。当测完一次之后来不及置零时，则最后显示的是两次被测时间的累计。图3是数字毫秒计面板的示意图，所用仪器的实际面板可参阅仪器说明书。7·【实验原理】（1）周长与摆长的关系：一根长为L不能伸缩的细线，上端固定，下端悬挂一质量为m的小球，设细线质量比小球质量小很多，可以将小球当作质点，将小球略微推动后，小球在重力作用下可在竖直平面内来回摆动，这种装置称为单摆，如图所示。单摆往返摆动一次所需要的时间称为单摆的周期，可以证明，当摆幅很小时，单摆周期T满足以下公式：gLT2（1）当然，这种理想的单摆实际上是不存在的，因为悬线是有质量的，实验中采用了半径为r的金属小球来代替质点。所以，只有当小球质量远大于悬线的质量，而它的半径双远小于悬线长度时才能将小球作为质点来处理，并可由（1）式进行计算。但此时必须将悬挂点与球心之间的距离作为摆长。如固定摆长L，测出相应的振动周期T，即可由（1）式求g。也可以逐次改变摆长L，测量各相应的周期T，再求出2T，最后在坐标纸上作出LT2图。如图是一条直线，说明2T与L成正8比关系。在直线上选到两点P1(L1,T12)和P2(L2,T22)，由两点式求得斜率122122LLTTk；再从gk24求得重力加速度，即：21221224TTLLg（2）·【实验内容与步骤】1)调节好各实验仪器。2)固定摆长，改变摆角求得g：摆线长度L1，摆球直径2L2分别为：L1=________________cm2L2=（2.0000.002）cm总的摆长为：L=L1+L2=____________cm表21L/mT/s第1次第2次第3次第4次第5次平均值T20.350.400.450.500.55由表1数据作T2-L图，并进行直线拟合,即得T2-L关系图，并求直线的斜率和g值。并用表1中的数据求g及其误差。·【思考问题】1．摆锤从平衡位置移开的距离为摆长的几分之一时，摆角约为5°？2．用长为1m的单摆测重力加速度，要求结果的相对误差不大于0.4%时,测量摆长和周期的绝对误差不应超过多大？若用精度0.1s的停表去测周期，应连续测多少个周期？在此测量中，如取5°而又忽略对T的影响时，能给重力加速度的测量造成多大的系9统误差？·【注意事项】1)小球必须在与支架平行的平面内摆动，不可做椭圆运动。检验办法是在集成霍耳开关的输出端，即V-和Vout间加一个发光二极管(5V)，检验发光二极管在小球经过平衡位置时是否闪亮，可知小球是否在一个平面内摆动。2)集成霍耳传感器与磁钢之间距离在1.0cm左右。若摆球摆动时传感器感应不到信号，将摆球上的磁钢换个面装上即可。请勿用力拉动霍耳传感器，以免损坏。3)由于本仪器