物理实验方法

第四章预备实验实验1基本力学量的测量一、目的1．学会游标卡尺、螺旋测微计、物理天平及秒表的使用；2．学习有效数字和不确定度的处理方法。二、原理若细圆柱的直径为D、高为h、质量为m，由体积和密度公式4M兀D2h可求出圆柱体的密度。三、仪器与器材游标卡尺、螺旋测微计、物理天平、秒表、圆柱体、单摆、米尺。1．游标卡尺：游标卡尺由主尺和游标组成,其外形如图1-1所示。游标可在主尺上滑动,内量爪A，、和外量爪A、B分别用来测量物体的内径、外径，尾尺C用来测量深度，F为固定螺钉。游标卡尺按照游标上的分度数不同有不同型号，常见的有10分度、20分度、50分度游标卡尺。如，主尺上最小分度为1mm,其游标上的格数分别为10、20、50，则游标上的分度值（最小读数）分别为0.1mm、0.05mm、0.02mm。本实验中采用50分度的游标卡尺，下面以该型号卡尺为例说明游标卡尺的读数方法。测量时，根据游标上“0”线所对主尺的位置，如图1-2所示，可在主尺上读到毫米位的准确数；再找到游标上与主尺上的某刻线对齐的那条线，该线前面游标上的整数就是十分之毫米的数值，该线的尾数部分以小格数目X0.02得到百分之毫米的数值，三部分之和，就是要读取的数据。如在图1-2中读数为21mm+0.4mm+4X0.02mm=21.48mm。其他游标卡尺读数方法与此类同。

不同型号的游标卡尺仪器误差限也不同，50分度的游标卡尺仪器误差限为A仪=0.02mm。1JniihlH1JniihlHJllilJJJJ.图1-2游标卡尺读数示意图使用游标卡尺时，应注意将被测物轻轻卡住即可读数，切忌将被测物在卡口内拉动测完后，应将量爪保持一定缝隙,放回盒内。螺旋测微计（千分尺）图1-3 螺旋测微计螺旋测微计结构的主要部分是一个装在架子上的精密螺杆，如图1-3所示。它主要由一个精密的测微螺杆与螺母套管组成。测微螺杆在主尺A的内部，套筒D套在主尺A外与测微螺杆相连。D转一圈，测微螺杆转一周，前进或后退一个螺距（0.5mm）。套筒边缘d均匀刻有50分格，称为螺尺。螺尺每转过一个分格，螺杆前进或后退0.01mm，螺旋测微计的准确度为0.01mm。测量时可估测丄分度值，即丄mm。K是制动开关，101000可使螺杆制动。测量时，应轻轻转动轮旋柄e,推动螺旋杆前进，把待测物体刚好夹住。读数时，先由主尺上毫米刻度线读出毫米读数，若露出上面的半毫米刻度线，应增加0.5mm，剩余尾数由螺尺读出。如图1-4（a）、（b）所示，其读数分别是5.740mm、3.016mm。使用螺旋测微计时，应注意如下事项：1）零点校正。注意观察a、b端面吻合时，即两面刚好接触，套筒上的零线是否与主尺上的准线对齐，若没有对齐而显示某一数值，该数值称为零点读数（或零差）。顺刻图1-4螺旋测微计读数示意图度序列的修正值为正,逆刻度序列的修正值为负，如图1-5所示，测量结果应减去该修正值。若零点与准线对齐，修正值为零。(a)零差+0.022mm(a)零差+0.022mm图1-5螺旋测微计零差读数2） 使用螺旋测微计时，不得直接拧转螺尺套筒D,必须旋转顶端旋柄e,以免损坏精密螺纹。3） 读数时应注意螺尺套筒的前沿是否露出半毫米刻线，若露出半毫米刻线，应加上0.5mm。4） 仪器使用完毕，钳口端面a、b应留一空隙，以免热膨胀时a、b过分压紧而损坏螺纹与端面。物理天平物理天平的结构如图1-6所示。在横梁上装有三角刀口A、匚、F，中间刀口A置于支柱顶端的玛瑙刀垫上，作为横梁的支点。两边刀口各悬挂秤盘P1/P2，横梁下方固定一指针，当横梁摆动时，指针尖端就在支柱下方标尺前摆动，制动旋钮Q可以使横梁升起或降下，当横梁降下时，制动架就会把它托住，以免刀口磨损。横梁两端各有一个平衡螺母B.B，用于空载调节平衡。横梁上装有游码D,用于1g以下的秤量。本实验所用天平的器器误差限为A仪=0.05g。仪物理天平的规格由称量和感量（或灵敏度）表示。称量是天平能称量的最大质量；感量是指天平的指针从刻度尺S上零点平衡位置转过最小分格时，天平两称盘上的质量差，灵敏度是感量的倒数。物理天平的操作步骤如下：（1）水平调节：使用天平时，先调节天平底座下两个螺丝乂、.，使水平仪中的气泡位于圆圈的中央位置。空载平衡调节：天平空载时，将游码D拨到左端，与0刻度线对齐。两称盘悬挂在刀口上。顺时针方向旋制动旋钮Q,使横梁升起，观察天平是否平衡。当指针在刻度尺S上左右对称均匀摆动时，便可认为天平达到了平衡。如果不平衡，反时针旋转制动悬钮Q,将横梁放下使天平制动，调节天平两端的平衡螺母B「B2,再将横梁升起判断是否平衡，直至达到空载平衡为止。(3)测量：把待测物体放于左盘中，右盘中放置砝码，轻轻右旋制动旋钮使天平启动，观察天平指针向哪边摆动；然后立即反旋制动旋钮，使天平制动，酌情增减砝码，再升起天平横梁，观察天平指针摆动情况。如此反复调节，直到天平指针能够左右对称摆动。然后调节游码，使天平达到平衡，此时右盘中砝码的质量加上游码的读数就是待测物体的质量。称量时选用砝码应由大到小，逐个试用，直到最后利用游码使天平平衡。使用天平的注意事项：天平的负载量不得超过其称量，以免损坏刀口和压弯衡梁。为了避免刀口受冲击而损坏，在取放物体、取放砝码、调节平衡螺母、调节游码以及不使用天平时，必须使天平横梁放下。只是在判断天平是否平衡时才将天平横梁升起。天平升起或降下时，旋转制动旋钮动作要轻。砝码不能用手拿取，必须用镊子夹取。从称盘中取下砝码后应立即放入砝码盒中的对应位置。测量时，待测物体及砝码都应放在称盘中间，同时使用几个砝码时，大砝码放在中间，小砝码放在周围，以免称盘摆动过大。测量完毕，将制动旋钮向左旋转，放下衡梁，并将称盘摘离刀口。4．电子秒表：电子秒表是较精密的电子计时仪器。其外型构造如图1-7所示，具有计时、秒表、计历等功能，可以显示时、分、秒、月、日、星期等。作秒表使用时最小显示单位为1/100s，即0.01s。S1按钮为计时“启动”“停止”按钮。若第一次按动S1为秒表开始计时、再一次按动S1，秒表停止计时，此时秒表屏上显示出两次按动之间的时间间隔。小数点前的读数为“分”，小数点后面的小字是“秒”最后两位小数字为1/10s和1/100s。左边的s2为复位按钮。读数完毕后，按下s2,屏幕清零，为下次测量作好准备。

在使用秒表时，按动S和S时不能用力过猛，12以免损坏表内的弹性触片。不能使秒表与液体接触，以免损坏内部电路。数字式电子秒表的仪器误差限A=0.01s。仪四、内容利用游标卡尺测量圆柱体的外径D和高度h,各测量5次。利用螺旋测微计测量圆柱体外径d,测量5次,并注意与游标卡尺测量结果的比较。利用物理天平测量圆柱体的质量M,测量1次,采用交换法再测一次。图1-7电子秒表计算圆柱体的密度。利用单摆等装置采用累积放大法测量单摆摆动50次的时间t重复5次。五、数据记录与处理用游标卡尺测量圆柱外径D及高h的表格与不确定度的计算。记录测量数据并填入表格，计算D和h不确定度。i(mm)D-D(mm)(D-D)2(mm2)h.(mm)h一h(mm)(h-h)2(mm2)2D二 mmS(D-D)2= mmh= mmS(h-h)2= mm2i用螺旋测微计测量圆柱外径的表格与不确定的计算。记录测量数据，并填入表格，计算其不确定度。

id(mm)id-d(mm)i(d—d)2(mm2)i12345d= mm工(d—d)2= mm2i用物理天平称量圆柱质量M（利用交换法测两次），记录测量数据及A仪计算M的平均值的不确定度。测量单摆周期。记录测量数据，并填入表格，计算其不确定度。it(s)i("一t)i（s）（t一t）2（S2）i12345t=s工(ti—t)2=S2六、思考题使用螺旋测微计没有进行零点校正，将对测量结果产生什么影响？物理天平的两臂如果不相等，砝码是标准的，应该怎样测量才能消除不等臂对测量结果的影响？在实验内容3和5中，误差主要来源于哪里？实验2基本电学量的测量一、 目的1．学习基本电学仪器的正确使用和直接测量量的数据处理方法；2．掌握限流和分压线路原理及接线方法；3．了解电学实验的基本操作规程。二、原理若加在电阻R两端的电压为U,通过电阻的电流为I,根据欧姆定律，则有由欧姆定律可求出电阻。三、 电学实验操作规程由于电学仪器易于损坏和出现故障,为了保证实验的顺利进行,电学实验应遵循如下操作规程：准备过程：在连线前,首先要清楚线路原理、仪器规格型号,选好电表量程,搞清正负极性,熟悉仪器操作方法和注意事项；注意仪器的摆放,做到便于连线、利于操作、易于观察、保证安全。另外,应将电源与接线用的开关断开并将滑动变阻器调至安全状态。连线过程：连线时,应从电源一极开始（便于分清正负极）,最后接电源的另一极。对复杂电路,要接好一个回路再接另一个回路,按顺序逐个连接。连接时要注意电路中的等势点,不宜在一个接线柱上接太多的导线,连线应整齐,接头要旋紧。检查过程：线路接完后,必须经过检查无误后才允许通电。注意检查连线是否正确、电表极性与量程是否正确、可变电阻的位置是否正确。自己检查后,再经教师检查允许后才可通电操作。通电实验过程：在实验过程中,要注意电源与用电器的最大允许使用电流（或功率）,通过用电器的电流不能超过额定值。如遇到过热、冒烟、起火等现象时,应立即切断电源,报告教师处理。若要暂停实验或改接线路,必须先断开电源开关。拆线过程：实验完毕,经教师检查实验数据签字后方可拆线,要按与接线相反的顺序拆除线路,最后归整仪器,摆放整齐。四、 仪器与器材直流稳压电源、电流表、电压表、万用表、电阻箱、滑动变阻器、电阻等直流稳压电源：直流稳压电源是将交流电压转变为直流电压并经稳压后的电源。如实验室里常用的JWY-30型直流稳压电源，可同时输出两路0-30V连续可调的直流电压，其允许输出的最大电流为1A或3A。使用稳压电源时，应注意防止过流供电和输出短路。输出电流一旦超过最大电流，电源自行断开。这时须将电源开关置于“关”，然后检查线路，排除故障，再将开关置于“开”，使电源重新供电。电流表：

直流电流表是由电流计和一低电阻并联而成。电流计是利用通电线圈在磁场中受到力偶作用而产生偏转的原理制成的。它有两个指标——灵敏度和量程。电流计有一调零螺口，其目的是在不通电指针不在零位置时，可通过调节该螺口使指针指零。在电流计并联电阻后，由于并联的电阻值远小于电流计的内阻，线路中电流的大部分从该电阻流过，这就起到了扩大电流表量程的作用，如图2-1所示。其中R和R分别是电流计内阻gs和所并联的电阻，由于R的大小不同，电流表具有不同的量程，从而成为不同规格的电S图2-1电流表线路流表，如微安表（“A）、毫安表（mA）、安培表（A）。若要使电流表的量程扩大n倍，则需并联阻值为R二丄R的电阻。sn—1g电流表在使用中常有两种用法，即电流表的内接法与外接法。当待测电阻阻值远大于电流表内阻时采用内接法，当电流表的内阻远大于待测电阻和电压表的内阻时采用外接法。线路如图2-2所示。图2-2电流表两种接法线路图——图2-2电流表两种接法线路图——[*_/（b）外接法线路图2-3图2-3电压表线路图电压表：在电流计上串联一个阻值大的电阻就构成了电压表，如图2-3所示。其中R是所串m联的电阻。串联大电阻的目的是使电压表线路的电压大部分降落在R上，起到了分压作m用。根据所串联电阻的阻值不同，可构成不同规格的电压表，如毫伏表（mV）、伏特表（V）、千伏表（kV）等。若使电压表的量程扩大n倍，需在电流计上串联阻值为R…=（n—1）R的电阻。

图2-4万用表面板图图2-4万用表面板图万用表是多用途的仪表，在国家标准中称为复用表，如图2-4所示为指针式万用表。它是电流表、电压表、欧姆表等的合成，用一转向开关可转到所需的线路上。目前常见的是数字式万用表，它是用液晶显示测量值，在线路中又加上了整流装置，以便用来测量交流电流和交流电压。刻度盘上标有“Q”的非等分刻线是测量电阻的刻度；标有“一”或“DC”的刻线是测直流电流、直流电压的刻度；标有“〜”或“AC”的刻线是测量交流电流和交流电压的刻度。万用表有两个常用旋钮，一个是用来选择类别和量程，另一个是用来调节电阻档的零点。在测量电阻部分一般有若干档,使用时应根据被测电阻的大小，选择适当的量程。使用万用表时应注意：(1)黑表笔和红表笔分别为万用表各档的公共负极和正极，档次的选择与交直流的区别。不可误用直流档测交流量或用电流档测电压以及用电阻档测电流和电压，以免烧坏万用表。(3)在测量过程中不能转换档次，以免接触点产生电弧而氧化变质。(4)测量完毕，应将旋钮置于空档或交流电压的最高档。万用表的仪器误差限视它作为仪表的类别而定，如作为电流表，其与电流表的误差示限相同；若作为电压表，其示限误差与电压表的相同。电流表、电压表、万用表的仪器示限误差为△r=A・N%,其中，A是所用仪表的量程，N是仪仪m m表的等级。电阻箱：电阻箱是实验室常见的具有较高精度的仪器。一般可用做调配分流、分压电阻及附加电阻的替代元件。电阻箱是由若干已知电阻线圈按一定形式组合而成的，它相当于一个数值可变的标准电阻。ZX21型电阻箱的外型如图2-5所示，内部结构如图2-6所示，将箭头所指的6个旋钮上的数字分别乘以相应的倍率(X0.1、X1、X10、…、X10000)再相加就是总阻值，其最大阻值为99999.9Q。这种电阻箱有四个接线柱，分别表示为“* 、0.9Q、9.9Q、99999.9Q”，当使用电阻小于0.9Q时，接“*”和“0.9Q”两端，当使用电阻在0.9--9.9Q或9.9--99999.9Q时，分别接“*”和“9.9Q”两端及“*”和图2-5电阻箱板面图“99999.9Q”图2-5电阻箱板面图06'0005X99999.90O咛5-o—6X1000006'0005X99999.90O咛5-o—6X10000X100X10图2-6电阻箱线路图使用电阻箱时应注意：(1)通过的电流强度不能超过各档电阻所允许的额定电流值。ZX21型电阻箱的额定功率是0.25W,由公式I=}W/R可算出各档的额定电流。使用同一电阻档的电阻时，额定电流是相同的。若将电阻箱几个档联用，额定电流按照电阻值最大的一档计算。(2)在实验过程中需改变电阻值时，例如要将1000Q电阻调到900Q时，应先将100档旋钮旋到900，然后把1000档旋钮旋到“0”位置，这个过程不能倒颠，以防止电阻太小而损坏仪器。电阻箱的仪器误差示限与其准确度等级有关。对于不同型号的电阻箱，按误差大小，其准确度a可分：0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级五个级别。其计算公式为△R=a%・R+系数％・m。式中R为电阻箱示值，m为不为零的十进旋钮数目，系数随准确度定，当a为0.02、0.05、0.1、0.2、0.5时，对应的系数为0.1、0.1、0.2、0.5、1。6．滑动变阻器：滑动变阻器是将电阻丝绕在长直陶瓷管上，电阻丝的两端用接线柱A、B接出，如图2-7(a)所示。在陶瓷管上端有一平行铜杆，铜杆安有可动电刷D，D与陶瓷管上的电阻丝保持良好的接触，铜杆的端部用一接线柱C接出，滑动变阻器在电路中的代表符号如图2-7(b)所示。显然，AC与BC之间的电阻值随电刷的位置不同而变化。滑动变阻器在电路中主要用来控制电路中的电流和电压，它在线路中有限流和分压两种基本用法,如图2-8所示。图2-8(a)中滑动变阻器在电路中起到限流作用，通过改变电阻值，控制电路中的电流；在图2-8(b)的电路中起分压作用，通过改变电阻值，来改变电源加在外电路上的电压，从而起到了分压作用。(a)滑动变阻器 ((a)滑动变阻器 (b)变阻器在线路中的符号滑动变阻器图2-7I—&丄I—&丄(a)限流接法(b)分压接法图2-8滑动变阻器在电路中的两种接法滑动变阻器的参数主要有两个：①全电阻阻值，②额定电流。该参数都标在铭牌上,使用时要选用合适的规格。五、内容1．用分压线路测量电路电阻值。按照图2-8(b)所示将分压线路与待测电路电阻连好，调整滑动变阻器使其阻值