大學物理實驗指導材料

1、長度測量本授課單元教學目標：1了解游標卡尺、螺旋測微器的構造，掌握它們的原理，正確讀數(shù)和使用方法。2學會直接測量、間接測量的誤差計算與數(shù)據(jù)處理。本授課單元教學重點和難點：1掌握游標卡尺、螺旋測微器的構造原理，讀數(shù)原理以及零點修正本授課單元教學過程設計：1引入本實驗2實驗原理（1）游標卡尺結構：游標卡尺主要由主尺和游標兩部分構成。游標尺主要由兩部分構成（如圖1-2），與卡口、相聯(lián)的主尺，主尺按米尺刻度；與卡口、，及尾尺相聯(lián)的游標尺，游標緊貼著主尺可滑動，尾尺用來測量槽的深度。它們測量的數(shù)值都是由游標的線與主尺線之間的距離表示出來為固定螺絲。 游標卡尺結構示意圖準確度： 設游標卡尺上的每一刻度長為

2、，主尺上每刻度長為，游標上有個分格，游標的總長與主尺上分格的總長相等，即： 主尺與游標上每個分格的差值為，稱為該游標尺的準確度。 讀數(shù)：對于一般的情形，若游標線在主尺上的位置讀出的整數(shù)位為，而付尺上的第根刻度線與主尺上的某一刻度線對齊，則待測物體的長度：點修正：我們在用游標尺測量之前必須檢查兩個線是否對齊，若由于某種原因兩個線沒有對齊，而又要用該游標尺測量時，那就必須對測量結果進行修正。這有兩種情況：A當卡口密合時，游標上的線在主尺上的線的右方，如圖14(a)，且游標的第根刻度線與主尺上的某一刻度線對齊，這種情況下說明了在游標尺未測量物體之前尺上已經(jīng)出現(xiàn)了的讀數(shù)了，這個讀數(shù)就是點修正值，所以在

3、以后沒測一次就應在讀數(shù)上減去點修正值，即測定植=讀數(shù)-修正值B當卡口密合時，游標上線在主尺線左方，如圖14(b)，且且游標的第根刻度線與主尺上的某一刻度線對齊，這種情況下說明了在游標尺未測量物體之前尺上已經(jīng)出現(xiàn)了的讀數(shù)了，這個讀數(shù)就是點修正值，所以在以后沒測一次就應在讀數(shù)上減去點修正值，即測定植=讀數(shù)-修正值圖 正修正值圖負修正值 （2）螺旋測微器構造：由精密的微動螺旋桿和一螺旋套組成。圖螺旋測微計構造圖1尺架2固定測砧3待測物體4測微螺旋桿5螺母套管6固定標尺7微分筒8棘輪9制動裝置準確度：螺旋桿可以在螺旋套內(nèi)旋轉，其螺距為，螺旋桿是和螺旋柄相連的，在柄上附有沿圓周的刻度，共有個分格，當螺旋

4、桿沿軸線方向前進，螺旋桿圓周刻度轉過個分格，即螺旋測微器的準確度為 讀數(shù)： 測量之前，應先把卡口閉合，檢查是否有修正。若不需，就可以開始測量了。測量時，將物體放在卡口之間。當螺旋桿離待測物理較遠時可用微分筒；當螺旋桿快接近待測物體時，要用后面的小棘輪，直到聽到“咔、咔”的聲音。然后觀察微分筒邊緣在固定標尺上的位置，整數(shù)部分由固定標尺上的刻度直接讀出，小于的部分，則由固定標尺橫線在微分筒上所在的位置上讀出。則待測物體的長度：其中為螺旋柄邊緣在固定標尺所處位置的整數(shù)部分，為固定標尺橫線在螺旋柄上所對應的位置，為螺旋測微器的準確度。圖螺旋測微器讀數(shù)示意圖 點修正：同理，在測量之前，一定要檢查是否有點

5、修正值。在測砧與測桿之間未放物體（小球）時，輕輕轉動棘輪，待聽到發(fā)出“咔、咔”的聲音時即停止轉動。然后觀察微分筒“”線與固定標尺的橫線是否對齊。若未對齊，則此時的讀數(shù)為零讀數(shù)。零讀數(shù)有正、負，測量結果需予以修正。同樣有種情況，如圖1-7所示。圖 修正值 A當卡口密合時，螺旋桿的邊緣尚未到達固定標尺的線而且固定標尺橫線在螺旋柄上所對應的位置為，這種情況下說明了在未測量物體之前尺上已經(jīng)出現(xiàn)了的讀數(shù)了，這個讀數(shù)就是點修正值，所以在以后沒測一次就應在讀數(shù)上減去點修正值，即測定植=讀數(shù)-修正值B當卡口密合時，螺旋桿的邊緣已超過固定標尺的線而且固定標尺橫線在螺旋柄上所對應的位置為，這種情況下說明了在未測量

6、物體之前尺上已經(jīng)出現(xiàn)了的讀數(shù)了，這個讀數(shù)就是點修正值，所以在以后沒測一次就應在讀數(shù)上減去點修正值，即測定植=讀數(shù)-修正（3）固體密度的測定直接稱衡法對于形狀規(guī)則的物體，用游標卡尺或千分尺測量其線度，然后根據(jù)其體積公式計算它的體積；對于形狀不規(guī)則、密度分布均勻的物體用量杯測它的體積，量杯讀數(shù)時，應注意以液體中心面為讀數(shù)基準，不能以液體與量杯接觸交線為基準，同時眼睛位置應與液面相平。液體靜力稱衡法用量杯直接稱衡體積其測量的準確度低，利用阿基米德原理測量的準確度可以大大提高。阿基米德原理指出，物體在液體中減少的重量等于它所排開同體積液體的重量。為此，用物理天平測得物體在空氣中的質量（不考慮空氣的浮力

7、）和浸在水中（全部浸沒）的質量，則就等于物體同體積的水的質量，若實驗時，溫度為，該時水的密度為，則物體的體積為。 （4）液體密度的測定 直接測量法：將密度計直接放在液體里面，觀察液面在密度計所對應的刻線，所對應的刻線讀數(shù)就是待測液體密度，直接讀數(shù)即可測得液體密度。注意不同的液體要用不同的密度計。稱衡法（密度瓶法）：在一定溫度的條件下，密度瓶的容積是一定的，設密度瓶容積為，質量為，裝滿待測的液體后其質量為，則待測液體質量為：由此可得液體的密度為： 3實驗內(nèi)容（1）用游標卡尺測量圓柱體的直徑和高各次；（2）用螺旋測微器測鋼珠或鋼線的直徑次；4實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理（1）測圓柱體體積（誤差計算）儀器名稱

8、：游標卡尺 準確度：直徑高讀數(shù)0點修正值測定值讀數(shù)0點修正值測定值1122334455平均值絕對誤差：相對誤差：結果表述：絕對誤差相對誤差: 結果表述:體積的測量結果：相對誤差:絕對誤差:結果表述:2、測鋼珠直徑儀器名稱：螺旋測微器（） 準確度：直徑直徑讀數(shù)0點修正值測定值讀數(shù)0點修正值測定值16273849510平均值體積的測量結果：絕對誤差: 相對誤差:結果表述:5思考題（1）游標卡尺的測量準確度為，其主尺的最小分度的長度為，試問游標的分度數(shù)（格數(shù)）為多少？以毫米作單位，游標的總長度可能取哪些值？（2）試述游標卡尺、螺旋測微器的零點修正值如何確定？測定值如何表示？（3）游標卡尺讀數(shù)需要估讀

9、嗎，為什么？（4）實驗中所用的水是事先放置在容器里，還是從水龍頭里當時放出來的好，為什么？（5）觀察密度計刻度是否均勻，若不均勻，為什么？本授課單元參考資料（含參考書、文獻等，必要時可列出）（注：1.每單元頁面大小可自行添減；2.一個授課單元為一個教案；3. “重點”、“難點”、“教學手段與方法”部分要盡量具體；4.授課類型指：理論課、討論課、實驗或實習課、練習或習題課，下同。） 實驗二 單擺實驗【實驗目的】1. 用單擺測量當?shù)氐闹亓铀俣取?. 研究單擺振動的周期?！緦嶒瀮x器】FD-DB-新型單擺實驗儀【儀器介紹】1. 數(shù)字毫秒計停表計時是以擺輪的擺動周期為標準，數(shù)字毫秒計的計時是以石英晶片

10、控制的振蕩電路的頻率為標準。常用的數(shù)字毫秒計的基準頻率為100kHz，經(jīng)分頻后可得10kHz、1kHz、0.1kHz的時標信號，信號的時間間隔分別為0.1ms、1ms、10ms。數(shù)字毫秒計上時間選擇檔就是對這幾種信號的選擇。如選用1ms檔，而在測量時間內(nèi)有123個信號進入計數(shù)電路，則數(shù)字顯示為123，即所測量的時間長度是123ms或0.123s。對數(shù)字毫秒計計時的控制有機控（機械控制，即用電鍵）和光控（光控制，即用光電門）兩種。光電門是對數(shù)字毫秒計進行光控的部件，它由聚光燈和光電二極管組成（圖1），當光電管被遮光時產(chǎn)生的電訊號輸入毫秒計，控制其計時電路?？刂菩盘栍址譃楹蛢煞N，是測量遮光時間的長

11、度，遮光開始的信號使計時電路的“門”打開，時標信號依次進入毫秒計的計數(shù)電路，遮光終了的信號使計時電路的“門”關閉，時標信號不能再進入計數(shù)電路，顯示的數(shù)值即遮光時間的長度。使用時，是測量兩次遮光之間的時間間隔，第一次開始遮光時，計時電路和“門”打開，第二次再遮光時，“門”才關閉，顯示的數(shù)值就是兩次遮光的時間間隔。一般測量多選用檔。為了在一次測量之后，消去顯示的數(shù)字，毫秒計上設有手動和自動置零機構，自動置零時還可調(diào)節(jié)以改變顯示時間的長短。當測完一次之后來不及置零時，則最后顯示的是兩次被測時間的累計。圖3是數(shù)字毫秒計面板的示意圖，所用儀器的實際面板可參閱儀器說明書?！緦嶒炘怼浚?）周長與擺長的關系

12、：一根長為不能伸縮的細線，上端固定，下端懸掛一質量為的小球，設細線質量比小球質量小很多，可以將小球當作質點，將小球略微推動后，小球在重力作用下可在豎直平面內(nèi)來回擺動，這種裝置稱為單擺，如圖所示。單擺往返擺動一次所需要的時間稱為單擺的周期，可以證明，當擺幅很小時，單擺周期滿足以下公式： （1）當然，這種理想的單擺實際上是不存在的，因為懸線是有質量的，實驗中采用了半徑為r的金屬小球來代替質點。所以，只有當小球質量遠大于懸線的質量，而它的半徑雙遠小于懸線長度時才能將小球作為質點來處理，并可由（1）式進行計算。但此時必須將懸掛點與球心之間的距離作為擺長。如固定擺長L，測出相應的振動周期T，即可由（1）

13、式求g。也可以逐次改變擺長L，測量各相應的周期T，再求出，最后在坐標紙上作出圖。如圖是一條直線，說明與L成正比關系。在直線上選到兩點P1(L1,T12)和P2(L2,T22)，由兩點式求得斜率；再從求得重力加速度，即： （2）【實驗內(nèi)容與步驟】1) 調(diào)節(jié)好各實驗儀器。2) 固定擺長，改變擺角求得g：擺線長度L1，擺球直徑2L2分別為：L1=_ cm 2 L2=（2.0000.002）cm總的擺長為： 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數(shù)據(jù)作T2-L圖，并進行直線擬合,即得T2-L關系圖，并求直線

14、的斜率和值。并用表1中的數(shù)據(jù)求及其誤差?！舅伎紗栴}】1 擺錘從平衡位置移開的距離為擺長的幾分之一時，擺角約為5？2 用長為1m的單擺測重力加速度，要求結果的相對誤差不大于0.4%時,測量擺長和周期的絕對誤差不應超過多大？若用精度0.1s的停表去測周期，應連續(xù)測多少個周期？在此測量中，如取5而又忽略對的影響時，能給重力加速度的測量造成多大的系統(tǒng)誤差？磁鋼【注意事項】1) 小球必須在與支架平行的平面內(nèi)擺動，不可做橢圓運動。檢驗辦法是在集成霍耳開關的輸出端，即V-和Vout間 加一個發(fā)光二極管(5V)，檢驗發(fā)光二極管在小球經(jīng)過平衡位置時是否閃亮，可知小球是否在一個平面內(nèi)擺動。2) 集成霍耳傳感器與磁

15、鋼之間距離在1.0cm左右。若擺球擺動時傳感器感應不到信號，將擺球上的磁鋼換個面裝上即可。請勿用力拉動霍耳傳感器，以免損壞。3)由于本儀器采用微處理器對外部事件進行計數(shù)，有可能受到外部干擾信號的影響使微處理器處于非正常狀態(tài)，如出現(xiàn)此情況按復位鍵即可。靜電場的描繪【實驗目的】1、圓柱形電容器中等勢線分布的模擬測繪。2、兩根無限長平行直導線周圍等勢線分布的模擬測繪。3、測量內(nèi)電極直徑，安置模擬模型?！緦嶒瀮x器及設備】EQC3型靜電場描跡儀、導電紙、靜電場電源、復寫紙、自備坐標紙兩張(16開)等。【實驗原理】一般情況下，帶電體的形狀比較復雜，很難用理論方法進行計算。用實驗手段直接研究或測繪靜電場通常

16、也很困難。因為儀表（或起探測頭）放入靜電場，總要被測場原有分布狀態(tài)發(fā)生畸形。所以，人們常用“模擬法”間接測繪靜電場的分布。模擬法是用一種易于實現(xiàn)、便于測量的物理狀態(tài)或過程的研究去代替另一種不易實現(xiàn)、不便測量的狀態(tài)或過程的研究。電場強度E是一個矢量。因此，先確定電位情況。我們可以先測得等位面，再根據(jù)電力線與等位面處處正交的特點，作出電力線，則整個電場的分布就可以用幾何圖形清楚地表示出來。有了電位U值的分布，由E=-U便可求出E的大小和方向。整個電場就確定了。如果兩種場遵守的物理規(guī)律形式上相似,就可以用便于測量的場代替不易測量的場。這種實驗方法叫做模擬法.用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場是研究靜電場的一種最

17、簡便的方法.靜電場和恒流場都遵守拉普拉斯方程.例如這兩種場都可以引入電位U,都遵守高斯定理.如果恒流場的電極與靜電場中的帶電導體形狀、位置及電位都相同,這兩種場在空間的分布就完全相同.二共軸無限長均勻帶電圓柱體間的靜電場：帶電體激發(fā)的電場，分布在三維空間，但無限長均勻帶電柱體的電場分布往往具有柱對稱性，其電力線總是在垂直于帶電柱體表面的平面內(nèi)。因此模擬用的電流場只須在一個平面內(nèi)，即導電質只要充滿這一平面就行了。下面給出這種電場的理論計算公式，以便將實驗結果和理論值進行比較。如圖3-1-1所示,電源電壓為U,小圓半徑為a，電位為U，大圓半徑為b，電位為U，在電場中距軸心為r處的電位為U，則U=U

18、- （3-1-1）根據(jù)高斯定理，無限長圓柱的場強為 E=(當art,所以式 (2-6-3) 可近似寫成 = (2-6-4) 測量線脹系數(shù)的主要問題，是怎樣測準溫度變化引起長度的微小變化。本實驗是利用FELEA線膨脹系數(shù)測定儀測量微小長度的變化?！緦嶒灢襟E】1. 實驗開始前，先詳細閱讀FELEA線膨脹系數(shù)測定儀說明書。2. 接通電加熱器與溫控儀輸入輸出接口和溫度傳感器的航空插頭。3. 用米尺測量金屬棒長，旋松千分表固定架螺栓，轉動固定架至使被測樣品(8400mm金屬棒)能插入紫銅管內(nèi)，再插入低導熱體(不銹鋼)用力壓緊后轉動固定架，在安裝千分表架時注意被測物體與千分表測量頭保持在同一直線。4. 安

19、裝千分表在固定架上，并且扭緊螺栓，不使千分表轉 動，再向前移動固定架，使千分表讀數(shù)值在0.20.4mm處，固定架給予固定。然后稍用力壓一下千分表滑絡端，使它能與絕熱體有良好地接觸，再轉動千分表圓盤讀數(shù)為零。5. 接通溫控儀的電源設定需加熱的值 一般可分別增加溫度為20、30、40、50，按確定鍵開始加熱。6. 當顯示值上升到大于設定值，電腦自動控制到設定值，正常情況下在0.30左右波動一、二次，同學可以記錄和，并通過公式=計算線膨脹系數(shù)并考查其線性情況。7. 換不同的金屬棒樣品，分別測量并計算各自的線膨脹系數(shù)，與理論參考值比較，考查誤差情況?！緮?shù)據(jù)記錄】參考表格：表（1） 金屬線脹系數(shù)的測量金

20、屬棒=_【數(shù)據(jù)處理】FD-LEA 線膨脹系數(shù)測定儀一、 概 述FD-LEA線膨脹系數(shù)測定儀是對固體線膨脹系數(shù)的一種直讀式測定儀，在大專院校的普通物理實驗教學中對物質的熱脹冷縮的特性可做出定量考查，并可對金屬的線膨脹系數(shù)做精確測量計算。物質在一定溫度范圍內(nèi)，原長為的物體受熱后伸長量與其溫度的增加量近似成正比，與原長也成正比，即：=。式中為固體的線膨脹系數(shù)。實驗證明：不同材料的線膨脹系數(shù)是不同的。同學可對已配備的實驗鐵棒、銅棒、鋁棒進行測量并計算其線膨脹系數(shù)。該儀器的恒溫控制由高精度數(shù)字溫度傳感器與單片電腦設定，讀數(shù)精度為0.1，可加熱溫度控制范圍為室溫-80。二、用途1、測量鐵、銅、鋁棒的線膨脹

21、系數(shù)。2、測量其它固體物質的線膨脹系數(shù)(要求加工成8400mm的圓棒)。3、分析影響測量精度的諸因素。4、觀察某些合金材料在金相組織發(fā)生變化溫度附近，出現(xiàn)線膨脹量的突變現(xiàn)象。5、掌握使用千分表和溫度控制儀的操作方法。三、技術指標1、溫度讀數(shù)精度：0.1 。2、溫度控制精度：0.1/Min。3、溫度控制范圍：室溫80。4、伸長量測量精度：0.001mm，最大測量范圍為01mm。5、溫控儀使用環(huán)境和外型尺寸：1)輸入電源：220V10% 50Hz60Hz2)濕 度：85%3)溫 度：0404)外型尺寸：315250140(mm)5)儀器重量：約3kg6、電加熱恒溫箱外型尺寸：56012020 (m

22、m)四、電加熱箱的結構和使用要求1、結構如圖(1)： (圖1)1、托架 2、隔熱盤A 3、隔熱頂尖 4、導熱襯托A 5、加熱器 6、導熱均勻管7、導向塊 8、被測材料 9、隔熱罩 10、溫度傳感器 11、導熱襯托B 12、隔熱棒13、隔熱盤B 14、固定架 15、千分表 16、支撐螺釘 17、堅固螺釘2、使用要求1)被測物體控制于8400mm尺寸；2)整體要求平穩(wěn)，因伸長量極小，故儀器不應有振動；3)千分表安裝須適當固定 (以表頭無轉動為準)且與被測物體有良好的接觸(讀數(shù)在0.20.3mm處較為適宜，然后再轉動表殼校零)；4)被測物體與千分表探頭需保持在同一直線。五、恒溫控制儀使用說明1、面板

23、操作簡圖如下圖(2)圖 (2)1)當面板電源接通數(shù)字顯示為FdHc表示本公司符號產(chǎn)品即自動轉向A.表示當時傳感器溫度，b= =.=表示等待設定溫度。2)按升溫鍵，數(shù)字即由零逐漸增大至用戶所需的設定值，最高可選80。3)如果數(shù)字顯示值高于用戶所需要的溫度值，可按降溫鍵，直至用戶所需要的設定值。4)當數(shù)字設定值達到用戶所需的值時，即可按確定鍵，開始對樣品加熱，同時指示燈亮，發(fā)光頻閃與加熱速率成正比。5)確定鍵的另一用途可作選擇鍵，可選擇觀察當時的溫度值和先前設定值。6)用戶如果需要改變設定值可按復位鍵，重新設置。六、系數(shù)測試方法1、接通電加熱器與溫控儀輸入輸出接口和溫度傳感器的航空插頭。2、旋松千

24、分表固定架螺栓，轉動固定架至使被測樣品(8400mm金屬棒)能插入紫銅管內(nèi)，再插入低導熱體(不銹鋼)用力壓緊后轉動固定架，在安裝千分表架時注意被測物體與千分表測量頭保持在同一直線。3、安裝千分表在固定架上，并且扭緊螺栓，不使千分表轉 動，再向前移動固定架，使千分表讀數(shù)值在0.20.4mm處，固定架給予固定。然后稍用力壓一下千分表滑絡端，使它能與絕熱體有良好地接觸，再轉動千分表圓盤讀數(shù)為零。4、接通溫控儀的電源設定需加熱的值 一般可分別增加溫度為20、30、40、50，按確定鍵開始加熱。5、當顯示值上升到大于設定值，電腦自動控制到設定值，正常情況下在0.30左右波動一、二次，同學可以記錄和，并通

25、過公式=計算線膨脹系數(shù)并考查其線性情況。6、換不同的金屬棒樣品，分別測量并計算各自的線膨脹系數(shù)，與理論參考值比較，考查誤差情況?？諝獗葻崛荼葴y定實驗【實驗目的】 用絕熱膨脹法測定空氣的比熱容比。 觀察熱力學過程中狀態(tài)變化及基本物理規(guī)律。 學習氣體壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器的原理及使用方法?！緦嶒瀮x器】 貯氣瓶，溫度計，空氣比熱容比測定儀?！緦嶒炘砼c實驗步驟】氣體由于受熱過程不同，有不同的比熱容。對應于氣體受熱的等容及等壓過程，氣體的比熱容有定容比熱容和定壓比熱容。定容比熱容是將氣體在保持體積不變的情況下加熱，當其溫度升高時所需的熱量；而定壓比熱容則是將氣體在保持壓強不變的情況下加熱，當

26、其溫度升高時所需的熱量。顯然，后者由于要對外作功而大于前者，即。氣體的比熱容比定義為定壓比熱容和定容比熱容之比數(shù)字電壓表1-進氣活塞；2-放氣活塞；3-AD590；4-氣體壓力傳感器；5-704膠粘劑圖4-4-1 實驗裝置簡圖 (4-4-1) 是一個重要的物理量，經(jīng)常出現(xiàn)在熱力學方程中。 我們以貯氣瓶內(nèi)空氣作為研究的熱學系統(tǒng)，試進行如下實驗過程：(1) 首先打開放氣活塞2，貯氣瓶與大氣相通，再關閉放氣活塞2，瓶內(nèi)充滿與周圍空氣同溫同壓的氣體。(2) 打開進氣活塞1，用充氣球向瓶內(nèi)打氣，充入一定量的氣體，然后關閉進氣活塞1。此時瓶內(nèi)空氣被壓縮，壓強增大，溫度升高。等待內(nèi)部氣體溫度穩(wěn)定，即達到與周圍溫度(室溫)平衡，此時的氣體處于狀態(tài)。(3) 迅速打開放氣活塞2，使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，當瓶內(nèi)氣體壓強降到時，立即關閉放氣活塞2，將有體積為的氣體噴瀉出貯氣瓶。