千分尺的测量.doc

实验一 长度的测量从千分尺到GPS 长度是最基本的物理量之一。长度的测量在科学实验、社会生产乃至日常生活中都有广泛应用。在实验中，许多其它物理量的测量，最终都转化为长度的测量(如水银温度计测温)，因此掌握长度测量的原理和方法，是进一步学习其它测量的基础。 长度测量常用量具有米尺、游标卡尺和螺旋测微计，测量微小长度或长度变化，还可用读数显微镜、百分表和光杠杆等装置。更精密的长度测量，则可采用光学干涉法等技术。较长的长度可采用GPS卫星测量。 一、实验目的 1.掌握游标与螺旋测微原理，学会正确使用游标卡尺及螺旋测微计；2.了解GPS卫星测量技术,学会应用计算机软件测量地球上任意两地间的距离及晶体振荡器的频率；3.掌握等精度测量误差的计算方法与有效数字的基本运算。 二、仪器与用具 游标卡尺、千分尺、待测物体(金属圆筒、金属块、钢球) ；GPS卫星长度、频率测量仪（附电源线、DBF串口线2、频率测量接插线）、GPS天线电缆、软件狗、实验用晶体振荡器3个、计算机三、实验原理 1.用游标卡尺和千分尺测长度 用游标卡尺测量长度是利用主尺与游标上1个分格的长度差(游标精度)来使读数进一步精确的。 游标卡尺的读数游标“0”线左侧主尺上的整毫米数+游标上与主尺对得最齐的刻线示值(毫米以下数值)。千分尺是利用螺纹测量轴和活动套筒(其端边有50个等分刻线)构成的机械放大装置，将微小线位移变成明显的角位移来精密测量长度的。 千分尺的读数活动套筒端边左侧主尺上的整毫米数+ +活动套筒上整格数0.01+活动套筒上不足1格(毫米千分位)的估读值。设测得金属圆筒的外径为,内径为，高为，则其体积为 (1.1) 若测得钢球直径为，则球的体积为 (1.2) 2.GPS测量技术传统的长度测量工具如千分尺、游标卡尺、米尺、卷尺只能测量最多几十米的距离，对于较长的如两城市间的距离则无法用上述工具测量。采用GPS卫星测量的最新的现代技术则可以轻松解决。GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。GPS系统主要包括以下三大组成部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座部分由24颗GPS卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道平面内有4颗卫星。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的“今后GPS的应用，将只受人类想象力的制约”。长度测量是利用GPS（全球定位系统）卫星提供的高精度定位信息，来获取地球上任意位置的大地坐标值，然后通过数学计算，得到椭球面上任意两点间的最短距离值，并在地球上显示出来。频率测量是利用GPS卫星提供的高精度秒脉冲信号为基准，来测量晶体振荡器的频率值。频率测量的原理如下图：放大整形形主闸门计数显示控制电路PPS信号时基分频系统被测频率输入图1-1 GPS频率测量的原理图由GPS高精度时钟源产生的PPS（秒脉冲）信号作为时基分频系统的标准闸门时间信号。PPS信号精度达微秒级，通过它产生的闸门时间信号具有很高的精确度和稳定度。闸门时间信号经控制线路选择控制后，送到仪器的主闸门并控制主门的开启时间间隔。被测石英晶体振荡器的频率信号由仪器的频率输入端输入，经过波形放大整形电路后，在选定的闸门时间内通过频率计开启的主闸门，然后经计数器计数后在计算机上显示频率值和波形图。被测频率：F=N/T。式中，N为计数器的读数；T为闸门信号的宽度，即计数器的计数时间。计算机上相应的测频软件能提供良好的人机交互界面。本GPS卫星频率测量仪测频范围为10Hz16MHz。每一秒钟更新一次频率测量值，并提供测量时间内频率测量的平均值。测量仪硬件部分带有石英晶体振荡器起振电路。测量时只需接入晶体振荡器的两个引脚即可。四、实验内容(一) 用游标卡尺和千分尺测长度1用游标卡尺测同一长度(金属块的长)，测五次，计算平均值及不确定度。 2采用单次测量的方法，用游标卡尺测量金属圆筒的外径、内径和高，各测五次，计算体积及不确定度。 3用千分尺在不同方向上测钢球直径，共测五次，计算钢球的体积和误差。4.参考表格 表1、用游标卡尺测量同一长度 单位：测量次数n12345平均值金属的长度(cm)误差（cm）金属长度表2、用游标卡尺测金属圆筒的体积 游标卡尺分度值 单位： 测量项目测量值12345平均值表3、用千分尺测钢球体积 千分尺 零点误差 单位： 次数12345平均直径读数测量值误差（二）长度和频率的GPS测量1.安装测量仪配套的长度、频率测量软件。 2.将软件狗接到计算机主板的打印口上。 3.接好GPS天线；测量仪与计算机用DBF串口线（随测量仪附带）连接；接通电源线。 4.打开测量仪前面板电源开关，红色电源指示灯亮。几分钟后，前面板上锁定蓝色指示灯闪烁，表示GPS信号已经锁定。此时，可以在计算机上运行AutoDist V1.0长度测量软件进行长度测量或运行AutoFreq V1.0频率测量软件进行频率的测量。5.长度测量：双击电脑桌面上的“长度测量”图标，运行AutoDist V1.0软件。1) 在操作控制区内选择“真实地球”、“海洋陆地”、“夜晚”时，图形显示区将分别显示以上三种地球形状。2）数据采集：按下数据采集中的“测站信息设置”按钮，设置测站的基本信息，其它为缺省项；接着按下“数据采集按钮”，将开始接收GPS数据，并将保存在测站信息设置对话框中所设置的文件中，自动生成数据文件；然后停止采集，更改测站信息，继续采集；（数据状态显示栏中有效数据格式为：时间（六位），A（有效），北纬（如30o34.6420分），东经（如114o21.6374分）。3）分别用计算区内的三种计算方式计算地球上任意两点的距离： 方法一：按下计算中的计算距离按钮。将会显示计算距离对话框，通过选取两个不同测站的数据文件来计算这两个测站之间距离值。数据文件必须是本程序自动采集数据所形成的。计算所得到的距离值将显示在信息栏的距离值中。方法二：按下计算中的两点距离计算按钮。将会显示另一个计算距离对话框，通过手工输入两个不同测站的经度、纬度坐标值来计算这两个测站之间的距离值。结果也将显示在信息栏的距离值中。方法三：选中计算中的屏幕测距框后，在图形显示区的地球上用鼠标左键选择两个不同的点。然后按下鼠标右键，将计算这两点间的距离，结果将显示在信息栏的距离值中，并在图形显示区的地球上显示这两个点之间的距离，并以红、蓝两种颜色交替显示。 4) 按下退出按钮用来退出程序。5）分析测量结果。6.频率测量：1）接好仪器与计算机之间的通讯线和被测晶体振荡器。2）双击桌面上“频率测量”，打开AutoFreq V1.0开始频率测量。3）按下操作控制区中的“开始测量”按钮，测量时间可根据需要随意调整，测量波形可选择方波、三角波或正弦波。4）点击操作控制区的保存测量数据按钮，将测量值以文本的形式保存下来。分析测量结果。7.注意：测长度与测频率要分开进行。测长度时DBF串口线一头接计算机主板上的COM1口，另一头接测量仪后面板上标有测长的RS-232接口。测频率时DBF串口线一头接计算机主板上的COM1口，另一头接测量仪后面板上标有测频的RS-232接口。五、注意事项：1.凡用测微螺旋的仪器，在两次读数时丝杆必须只向一个方向移动，以避免螺距差。2.千分尺读数应注意，在很接近某整数时（或已接近）应看前面的半毫米线是否露出。3. GPS系统采集的数据需经“数据转换文件”转换后才能让我们辨认。六、思考与问答： 1用游标卡尺和千分尺测量读数时，可能出现哪些错误? 2为了测定一块长约为100,宽B约为10,厚约为2的薄全属片的体积，要求单次测量相对误差小于，应如何选择适当的测量仪器? 3使用螺旋测微器夹紧待测物体时，为什么要轻轻转动小棘轮，而不允许直接拧螺旋柄？ 4.游标卡尺测量长度如何读数？游标本身有无估读数？实验二 固体和液体密度的测量 质量也是基本物理量之一物体单位体积的质量称为物体的密度，它是物质的基本属性之一密度一般是间接测量的，可以通过物体的引力质量和体积来测定 一、实验目的1. 熟练掌握物理天平的调节和使用方法；2. 掌握测定固体和液体密度的两种方法流体静力称衡法和比重瓶法；3. 掌握多次等精度测量误差的计算方法与有效数字的基本运算。 二、仪器与用具 物理天平、比重瓶、小烧杯、待测固体和液体、蒸馏水、温度计和细线 三、实验原理 对于形状规则、密度均匀的物体，可用天平称衡其质量，用游标卡尺直接测量其外形尺寸，由定义式 (2.1)去求得其密度。 对于一般的固体和液体，可用下列方法来间接测量其体积，从而求出密度。（一）流体静力称衡法 1流体静力称衡法测固体密度。 若忽略物体在空气中所受到的浮力，根据阿基米德原理，浸没在液体中的物体受到的浮力等于物体排开液体的重量，同时这浮力又等于物体在空气中的重量与物体浸没在液体中的视重之差，因此 所测固体体积 (2.2)所测固体密度 (2.3)上式中和是物体分别在空气中和浸没在液体中称衡时相应的天平砝码质量，为液体的密度本实验的液体用蒸馏水，测出水的温度，就可从常数表中查出蒸馏水的密度 2.用流体静力称衡法测液体的密度对一密度较大的固体，设测出其在空气中、浸没在蒸馏水中和待测液体中时的天平砝码质量分别为、和，实验温度下蒸馏水的密度为，则固体的体积为浸没在待测液体中的固体所受浮力等于固体所排开同体积的待测液体的重量，也等于固体在空气中重量和在待测液中视重之差，故得 待测液体的密度 (2.4)因此，用流体静力称衡法测密度，归结为测质量。 （二）比重瓶法 比重瓶是一种在一定温度下保持一定容积的玻璃容器。如图2-1所示，磨口瓶塞中有一毛细管，使用时，插紧瓶塞，多余的液体从毛细管中溢出，以保持比重瓶容积固定。 比重瓶的容积=瓶中容积+塞中毛细管容积 1用比重瓶法测液体密度设空比重瓶的质量为，盛满密度为的液体时，总质量为；盛满与待测液体同温度的蒸馏水时，总质量为，则比重瓶在该温度时的体积为 为蒸馏水密度待测液体的密度为 (2.5)2 用比重瓶法测小颗粒固体密度 若盛满蒸馏水的比重瓶总质量为，将总质量为的小颗粒固体放入比重瓶后，瓶加水加小颗粒固体的总质量为，则待测物排开水的质量为，若实验温度下蒸馏水的密度为，则待测物的体积(即待测物排开水的体积)为 小颗粒固体密度为 (2.6)因此，用比重瓶法测密度也归结为测质量。 四、实验内容 1学习调整和使用物理天平 仔细阅读质量测量仪器中的物理天平一节，掌握物理天平的构造和使用注意事项。天平的正确使用可以归结为十二个字：调水平，调零点，轻操作，常制动。 2测量外形规整物体的密度 （1） 用游标卡尺测量物体的外形尺寸并计算出其体积。（2） 将物体放在物理天平上测量其质量。（3） 根据(2.1)式计算物体的密度，并计算误差。 3用流体静力称衡法测量固体的密度 （1） 用细尼龙线将金属块吊在天平左侧挂钩上，测得其质量。（2） 如图2-2,将物体浸入盛有蒸馏水的烧杯中，测出天平平衡时的砝码质量。 （3） 测出水温(若水已放置较长时间，可取环境温度)，从附表中查出蒸馏水的密度。（4） 根据(2.3)式计算物体的密度，并计算误差。 4、用比重瓶法测量液体的密度 （1） 用天平称得烘干比重瓶的质量。 （2） 用移液管将被测液体注入比重瓶中，擦干瓶外液体后，称得总质量。 （3）将被测液体倒回原瓶中，用蒸馏水冲洗比重瓶几次后再注入与待测液体同温度的蒸馏水，擦干瓶外后，测得总质量。 （4）根据(2.6)式计算被测液体的密度。 5.用流体静力称衡法测量液体密度；用比重瓶法测量小颗粒固体密度。6. 参考表格用流体静力称衡法测量固体和液体密度参考表格测量内容测量次数平均值12345待测固体在空气中的质量待测固体在水中的质量密度较大的物体在空气中的质量密度较大的物体在水中的质量密度较大的物体在待测液体中的质量用比重瓶法测量液体和固体