实验1基本测量仪器的使用

实验1 基本测量仪器的使用

【实验目的】

1．熟悉米尺、游标卡尺、螺旋测微计、测量显微镜的构造、测量原理及使用方法，练习使用分析天平进行精密称衡；

2．学习有效数字和不确定度的计算，掌握误差理论与数据处理方法，熟悉精密称衡中的系统误差补正．

【实验仪器】

米尺、游标卡尺，螺旋测微计，测厚仪，分析天平，球体，圆柱等，金属块、玻璃块、有机被璃块等．

【实验原理】

一、 米尺

“米”是国际公认的标准长度单位，历史上由保存在巴黎国际标准度量衡局的米原器

二刻线间的长度决定。1983年第十七届国际计量大会通过的“米”的新定义为：1m是光在真空中于1/299792458s的时间内所传播的距离。

常用米尺（包括各种常用直尺）的分度值是1mm毫米,因此用米尺测量长度时可以读准到毫米级,估计到0.1毫米级(1/10毫米位)。

用米尺测量物体长度的要领是紧贴、对准、正视。米尺自身有一定的厚度，若不贴紧待测物，观测者从不同角度看去，将产生读数的差异，测量时应尽量减少视差。为避免端边磨损带来的误差，也可以不用零刻度线，而以某一刻度线（如1.00cm）作为测量起点，考虑到刻度的不均匀,可以不同刻度线为起点作多次测量而取其中平均值。

二、游标卡尺 （1）游标卡尺构造

游标卡尺的构造如图1-4所示，卡钳E和E?同刻有毫米的主尺A相连，游标框W上附有游标B以及卡钳F和F?，推动游标框W可使游标B连同卡钳F、F?沿主尺滑动．当两对钳口E与F，E?与F?紧靠时，游标的零点（即零刻度线）与主尺的零点相重合．用游标卡尺测定物体长度时，用卡钳EF或E?F?卡着被测物体，显然此时游标零点与主尺零点间距离恰好等于卡钳E、F间或卡钳E?、F?的距离，所以从游标零点在主尺上的位置，根据游标原理就可测出物体的长度（卡钳E?F?部分是用来测量物体的内部尺寸，如管的内径等）．图中螺钉C是用来固定油标框的，防止游标框在主尺上滑动以便于读数．

E?F?CHA0.02mm012345678910111213141516171801234567890BWEF

游标卡尺的零点校正：使用游标卡尺测量之前，应先把卡钳E、F合拢，检查游标的“0”线和主尺的“0”线是否重合，如不重合，应记下零点读数，此即为游标卡尺的零点误差，用它对测量结果加以校正．即待测量x?x??x0，x?为未作零点校正的测量值，x0为零点读数．x0可以正，也可以负．

（2）游标原理及读数方法

普通米尺最小刻度是1mm，因此使用米尺只能准确地测量到1mm，为更准确地测量长度，人们采用了游标装置．

游标尺有主尺（米尺）和副尺（标有N个刻度的游标）两部分构成．由于主尺上标出的相应长度与副尺上标出的相应刻度均相差一个小量?x，?x?1/N(mm)，常见的有三种，?x?1/10(mm)（如图1-2所示），?x?1/20(mm)，?x?1/50(mm)．当副尺上标有N个刻度时，游标上这N个刻度恰好能等分主尺上的1mm，使读数可精确到

图1-1 游标卡尺 1/N(mm)．可见，游标原理可用四个字来概括——等差细分．游标读数的方法也叫差

示法．

051005kk?110150510L0510图1-3 游标卡尺读数举例

例如：1/10(mm)游标（也叫十分游标）．游标上每个刻度与主尺相应刻度均差

图1-2 游标卡尺差示法

?x?1/10(mm)，当测量某物体长度时，先将被测物体一端和主尺的零刻线对齐，而另一端落在主尺的第k和k+1个刻度之间（k=6，k+1=7），则物体长度L?k??L，?L为

物体另一端距离第k个刻度的距离．由于游标刻度与主尺刻度存在差值?x，两排刻度经对比，必然可找到游标上某个刻度（设为第n个）与主尺上某刻度重合或最为接近，如图1-3中n=5处与主尺最为接近，即

?L?1?5?0.5 而 L?k??L?6?0.5?6.5(mm) 10一般而言，当游标上第n个刻度与主尺上某一刻度重合时，主尺第k个刻度与游标零刻线间距离为?L?n?x，待测物体长度由两部分读数构成：①游标零刻线指示部分，即主尺上第k个刻度所标示的长度，这部分可从主尺上读出，②游标刻线与主尺刻线重合部分所标示的长度，即?L?n?x，这部分可从游标上读出（目前使用的游标上的刻度不是n的值，而是n与?x相乘后的结果）．即

L?k??L

1/20(mm)的游标也叫“二十分游标”，游标上有20个刻度，如图1-4（a）所示，

游标上每个刻度与主尺的1mm刻度相差1/20(mm)．游标上的刻度值0，25，50，75，0就是?L的数值．

1/50(mm)的游标如图1-4（b）所示，其具体含义仿前述讨论，可以自行总结．

游标卡尺的示值误差取游标的分度值。如1/50(mm)的游标，?m?0.02mm。

0123cm02550750游标 主尺 （a）

012345cm01234567890游标 主尺

（b）

图1-4 二十分、五十分游标

三、螺旋测微计（又称千分尺）

(1) 螺旋测微原理

螺旋测微计是比游标卡尺更精密的量具，实验室中常用它来测量金属丝的直径或金属薄片的厚度等，其最小刻度为1/100(mm)外形如图1-5所示，1—测砧；2—测微螺杆；3—制动栓；4—固定刻度；5—棘轮转柄；6—微分套筒；7—可动刻度；8—尺架．

螺旋测微计主要部分是内部有一很精密的丝杠和螺母（图中未画出），常见的螺旋测微计如图1-5所示，其量程为15mm，分度值为0.01mm．螺旋测微计的测微螺杆2的螺距0.5mm，螺杆后端与微分套筒6、棘轮5相连接．当微分套筒旋转（测微螺杆也随之转动）一周，测微螺杆沿轴线方向运动一个螺距（0.5mm）．微分套筒前沿上一周刻有50个等分格线，因此微分套筒每转过一格，螺杆沿轴线方向运动0.01mm（0.5/50mm）．

123478图1-5 螺旋测微计

(2) 读数方法

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螺旋测微计固定套管上沿轴向刻有一条细线，在其下方刻有15分格，每分格1mm；在其上方，与下方“0”线错开0.5mm处开始，每隔1mm刻有一条线；这就使得主尺的分度值为0.5mm．在测量时，把物体放在测微螺杆和测砧的测量面之间，旋转棘轮使测量面与待测物体接触，当听到棘轮咔、咔的响声便可读数．先将主尺上没有被微分套管前段遮住的刻度读出，再读出固定套管横线所对准的微分套筒上可动刻度的读数，还要估读一位，即读到0.001mm．把主尺上读出的数（如0.5mm，1.0mm，1.5mm等）和从微分套筒读出的数（小于0.5mm）相加，即是测量值．

使用螺旋测微计测量时，要注意防止读错主尺数（整圈数），如图1-6所示的三例，（a）比（b）多转一圈，读数相差0.5mm，（a）的读数为5.904mm，（b）的读数为5.404mm．（c）的微分套筒转的圈数是3而不是4，读数为1.758mm而不是2.258mm．

4540454030250350350205.904mm

(a)

5.404mm (b)

图1-6 螺旋测微计读数

1.758mm (c)

螺旋测微计尾端有一棘轮装置5，拧动棘轮可使测微螺杆移动，当测微螺杆与物体（或测砧）相接后的压力达到某一数值时，棘轮将滑动并有咔咔的响声，微分套管不再转动，测微螺杆也停止前进，这时就可读数．设置棘轮可保证每次的测量条件（对被测物的压力）一定，并能保护螺旋测微计的精密的螺纹．不使用棘轮而直接转动微分套筒去卡住物体时，由于对被测物的压力不稳定，而测不准．另外，如果不使用棘轮，微分

套筒上的螺纹将发生变形和增加磨损，降低了仪器的准确度，这是使用螺旋测微计必须注意的问题．

不夹被测物而使测微螺杆与测砧相接时，微分套筒上的零线应当刚好和固定套管上的横线对齐．实际使用的螺旋测微计，由于调整得不充分或使用的不当，其初始状态和上述要求不符，即有一个不等于零的零点读数，并注意零点读数的符号不同．每次测量之后，要从测量值的平均值中减去零点读数． 四、CH-B型测厚仪

（1）、构造

它是由测头，捏手，座架和百分表构成，如图1-7所示，其中测头可上.下移动，该仪器有测量快速、直感、轻便等特点。它的最大的量程为10mm，分度值为0.01mm 。

（2）、测量方法

A、测试前先转动百分表的外壳，把长指针调到零位.并经试行发动捏手，试几次，回零后方可进行测试。

B、测量时手持捏手挤升测头，将被测物置于工作台测量头正下方，轻放捏手，测厚仪中百分表显示的读数，即被测物的厚度。为使测试效果准确， 同一被测物体要在不同位置测量几次取其平均值。

C、测厚仪中百分表表面大圆圈是把1mm划为100等分， 每一格为1/100mm=0.01mm，小圆圈是 把10mm划为10等分则每一格为10/10mm=1mm，它的读数是小指针所指的刻度加上大圆圈上指针的示数.如图1-8所示，读数:

L=(1?2+0.01?15.0)mm=(2+0.150)mm=2.150mm

图1-7 CH-B型测厚仪

图1-8 读数方法示

意

体 积：

V?V2?V1?11??22L???12L? (mm3) 441/2??u(?2)?2?u(?1)?2?u(L)?2?V的相对误差: Er＝??2???100%＝ ???2???????2???1??L???体积综合误差： u(V)?V?Er?

测量结果:

V＝V?u(V)? ? (mm3)

仪

4、用螺旋测微计测量钢球的体积.(螺旋测微计的示值误差Δ螺旋测微计的零差L0＝ (mm) 次数 项目 直径D(mm) 1 2 3 4 5 6 7 ＝0.004mm)

8 9 10 平均值 D 平均的实验标准差： S(D)? mm 仪器误差： 综合误差： 体 积：

σ仪=?仪/3= mm u(D)?σ仪2?S(D)2＝ mm

31V??D＝ mm3

6u(D)?100%? Er=3D3

体积V的误差： u(V)＝V?Er? mm

u(V)体积V的相对误差： E(V)＝×100%＝

V3

测量结果： V＝ V?u(V)? ? (mm)

5、用测厚仪测量钢板的厚度。(测厚仪的示值误差Δ 次数 1 2 3 4 5 6 项目 厚度L1（mm） 厚度L2（mm） 仪 ＝0.005mm) 8 9 10 平均值X 7 仿照上面的方法，分别写出L1 L2的平均的实验标准差，综合误差及测量结果。

6、按照分析天平的数据表格测量数据，并计算结果。

【注意事项】

1．使用游标卡尺时

(1) 被测物体的长度应和游标卡尺相平行．

(2) 不要夹物过紧，使卡钳钳口能和被测物体表面接触即可．

(3) 保护钳口，免受不必要的弯曲和磨损，致使游标卡尺失去应有精度． (4) 测量前，先把卡钳E，F靠紧，此时如果游标零点不和主尺零点重合，在测量中需要消除这个系统误差，如游标零点在右边，其读数为a，则测量长度值为L时，实际长度为L-a，a称零点误差（如游标零点在主尺零点的左边，应如何校准，自行考虑）．

2．使用测微计时

(1) 用测微计测量长度产生误差的主要原因是由螺旋将待测物体压紧程度不同所引起的．为消除这一缺点，测微计备有特殊装置棘轮5，当测微螺杆2将接近待测物体时，旋转棘轮5使测微螺杆2前进、直至有咔、咔响声时，即停止旋转，便可读数，从而避免测砧1、测微螺杆2将待测物体压得过紧或过松之弊，测微计上装置3是止动器，锁紧止动器3，能阻止螺旋进退．

(2) 测微计使用时，亦需求零点校正量（如何校准，可自行考虑）．

(3) 测微计的螺旋十分精细，因此旋动时要轻，不要急．另外用毕后，测砧1、测微螺杆2间要留有间隙，以免热胀冷缩而损坏螺旋．

【思考题】

1．简述游标卡尺的构造及游标原理．准确度为1/20mm的游标卡尺如何读数？

2．游标卡尺、螺旋测微计如何进行零点校准？

3.今分别用常见的十分、二十分和五十分游标卡尺对某一长度进行一次性测量，读数均为3.50mm，每次测量的误差是否一样?各为多少?相对误差又各为多少?

4、如果有一个千分尺，其微动螺杆的螺距是0.5mm，微分筒圆周上每圈等分刻100格，这个千分尺的测量准确度是多少?如果是每圈50格，要达到同样准确度,螺距应为多少?

5．测定分析天平灵敏度时，可增加或减少1mg，试问什么情况下应增加1mg，什么情况下应减少1mg？

6．测量时若不关柜门，对测量结果有何影响？增加砝码时若不止动天平将会造成什么后果？

7．既然测定负载灵敏度后可以求出x－x0相应的质量Δm，为什么称量时还要求停止点要尽可能靠近中线？

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