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一、实验目的

       1．掌握力学方面基本量的测量方法 

       2．练习不确定度的运用与有效数字的记录与运算． 

二、实验仪器

       游标卡尺、螺旋测微器、物理天平、金属圆环、圆柱等．

三、实验原理

1．游标卡尺

       普通米尺最小刻度是1.0mm，因此使用普通米尺只能准确地测量到1.0mm。为了提高测量长度的精确度，解决毫米以下准确读数问题，便产生了游标卡尺．

       游标卡尺是由一根主尺(米尺)和一个可以沿主尺上自由滑动的游标(副尺)组成，主尺的最小刻度为1.0mm，而副尺的最小刻度值则因各尺的规格不同而不同．现以一种最简单的游标卡尺为例来了解游标卡尺的读数原理. 如图1-1所示，主尺上每一小格 长为1.0mm，游标上10个小格的总长是9.0mm，即每小格是0.9mm，主尺和副尺上每一小格之差为Δ=1.0-0.9=0.1mm，此值“Δ”称为该游标卡尺的游标常数。

       当用游标卡尺测量某一物体长度时,游标卡尺的主尺、副尺的零刻线拉开距离为L，读数方法是：先以副尺的零刻线为准,读出此时零刻线前的主尺上的长度值，精确到毫米。如果此时游标尺上的第K条线和主尺上任意一条线对齐,用K乘以游标常数Δ即得副尺的读数。主尺测得值加上副尺测得值即为物体的长度L，即L= 主尺读数＋K×Δ，如图1-2中K=4，游标卡尺的读数为 L=6.0+4×0.1=6.4mm

       以上是最简单的一种游标卡尺，它可以准确读到0.1mm．比这种游标卡尺精度高的有Δ=0.05mm等规格，通常使用最多的是Δ=0.02mm的游标卡尺.它的副尺共有50个格与主尺的49mm相对应，其副尺的每格值为0.98mm．这是精度最高的游标卡尺. 使用这种游标卡尺读数时需要注意，该尺游标上刻有0、1、2、3、…、9不是K值，该值为Δ×K后的0.1、0.2、…、0.9mm，可将这部分直接加到读数中去，便于读数．游标卡尺的构造如图1-3．其中卡钳B、刀口B' 和尾尺C 随游标沿主尺上滑动，测量长度时将物体放在钳口A、B内；测量物体内部尺寸时，用刀口A' 、B' ；测量物体的深度时，用尾尺C．测量结果由主尺、副尺上配合读值．螺丝F 是读数时用来固定游标的．

       使用游标尺应注意：

       （1）测量读数以副尺零刻线所对应读数为准 ，不能以游标的边缘为准．

       （2）物体必须夹（顶）在AB、A'B' 的刀口上，不能夹（挂）在两刀口的根部．

       2．螺旋测微计（千分尺）

       螺旋测微计是根据螺旋推进的原理设计的，螺旋测微计可以进一步提高测量值的精度．

       螺旋测微计主要由精密的丝杆和螺母组成，它的螺距为0.500mm，当套筒沿丝杆旋转一周，内丝杆沿轴线前进（或后退）0.500mm，在套筒的边缘有沿圆周等分刻度，一共刻有50个分格．因此，套筒每旋转一个小格，丝杆沿轴线前进（或后退）0.500/50=0.01（mm），称为微分套筒．

       在固定套管D上刻有毫米分度的标尺称为主尺．读数时，由主尺D和微分套筒上的刻度值配合读出顶柱前进（或后退）的距离．在测量物体时，将物体夹在顶柱AB间，轻轻旋转套筒E、棘轮F，使A、B同待测物体接触，物体的长度就可以在主尺上读出毫米及0.500毫米数，从刻度C上读出小于0.500毫米的小数部分（准确地读到百分之一毫米，估计到千分之一毫米）． 

       如图1-5（a）读数为5.000＋0.150=5.150mm．

       使用螺旋测微计应注意以下几点：

       （1）当套筒边缘正好接触到主尺的刻线时(该刻线是毫米刻度或0.500mm刻度),要注意副尺上零刻线位置,分析读数是大于还是小于主尺上刻度线读数值，如果读错将使读数值差0.500mm。如图1-5(b)该读数为5.950mm，而不能读成6.450mm。

       （2）螺旋测微计对待测物体压紧程度不同，将使测量值不准确，有损于测微计的精度，为消除这一点，螺旋测微计备有特殊装置即棘齿轮片．当顶柱A接近（尚未接触）待测物体时，不要再旋转套筒E，应旋转棘轮F使A继续前进，直至发出卡卡响声时，即停止转动，并记下读数．这样就可以避免因压紧程度不同而使测量值不准确．螺旋测微计上的装置G是制动器，读数时可将G拨下以防止螺旋进退，而在测量过程中G必须打开，否则在G处于制动状态时，硬拧套筒极易损坏螺线．

       （3）测量前，检查零点读数，旋转F将A、B靠紧后，检查主、副尺零线是否对齐，如不对齐将此读数值记下来，并标明为正值还是负值，在数据处理时，对测量结果进行修正．

       3．物理天平

       物理天平是物理实验中常用的基本仪器之一，它是支点在中央的等臂杠杆，其结构如图1-6所示，主要构件为底座、立柱和横梁．底座可通过底脚螺钉调节水平，当底座上的水准器的气泡在圆圈中央位置即可．

       立柱内附有升降杆，通过制动旋钮可使升降杆上的横梁上升或下降．立柱下端附有标尺．

       横梁支持在中刀托上，它是由玛瑙做成的槽形刀垫．而中刀托固定在升降杆上端．横梁中间与两边镶有钢性刀，其刀刃即为天平的支点．横梁两端有平衡螺母．

       横梁上端有游码装置．在游码尺上移动游码，可得2.00g的称量范围．

       立杆左边的托盘可以托住不被称量的物体如烧杯等．

       天平还附有砝码盒，内装有砝码，计1000g．

       天平的特征由下列两个参量表示

       （1）感量：指天平指针偏转一分度时，两盘所需质量的差值．感量愈小，天平的灵敏度愈高．

       （2）称量：是允许称量的最大值．下图物理天平称量为1000g；感量是50mg．

       使用天平要注意：

       （1）使用前要调平底座以保证立柱铅直．

       （2）要调准零点，方法是先将游码移到游码尺的零刻线上，升起横梁．要是指针不在标尺刻度中点（指“10”位置）上，可调节横杆两端的平衡螺母．

       （3）被称物体放在左盘，砝码放在右盘．加减砝码一定要用镊子，严禁用手拿．

       （4）取放物体和砝码、移动游码或调节天平时，必须将横梁放下，以免横梁扭转后掉下摔弯．

四、实验内容及步骤

       测量金属圆柱体和金属环的密度．

       1．用游标卡尺分别测出圆柱不同位置的长、圆环不同位置的内径、外径，各测5次．

       2．用螺旋测微计测出圆柱不同位置的直径，圆环不同位置的厚度，各测5次．

       3．用物理天平称量各件的质量，每件各测一次．

       测量数据记录到（165页）附表1中。参考附录1（140页）的示范报告进行数据处理。              

        数据处理

       1. 圆柱体密度

       2. 圆环密度

五、思  考  题

       本次实验在测量圆环、圆柱各量时，分别用两种尺测有什么好处？

六、物理实验示范报告