长度的测量和基本数据处理
【实验目的】
1、理解游标卡尺、螺旋测微计和读数显微镜的原理,掌握它们的使用方法; 2、练习有效数字运算和误差处理的方法。
【实验仪器和用品】
游标卡尺(0—125mm,0.02mm)、螺旋测微计(0—25mm,0.01mm)、读数显微镜(JCD3,0.01mm)、空心圆管、小钢球等。
【实验原理】
1、游标卡尺的构造原理及读数方法
游标卡尺分主尺和游标(副尺)两部分。主尺上刻有标准刻度125mm。游标上均匀刻有50个分度,总长度为49mm,游标上50个分度比标准的50mm短1mm,1个分度比标准的1mm短
1
mm,即0.02mm,这0.02mm就是游标卡尺的最小分度值(即精度)。游标卡50
尺的卡口合并时,游标零线与主尺零线恰好对齐。卡口间放上被测物时,以游标零线为起点往前看,观察主尺上的读数是多少。假设读数是xmm多一点,这“多一点”肯定不足1mm,要从游标上读。此时,从游标上找出与主尺上某刻度最对齐的一条刻度线,设是第n条,则这“多一点”的长度应等于0.02nmm,被测物的总长度应为L=(x+0.02n)mm。用这种规格的游标卡尺测量物体的长度时,以“mm”为单位,小数点后必有两位,且末位数必为偶数。游标上每5小格标明为1大格,每小格读数作0.02mm,每大格就应读作0.10mm。从游标零线起往后,依次读作0.02mm,0.04mm,0.06mm,„„直至第5小格即第1大格读作0.10mm。
再往后,依次读作0.12mm,0.14mm,0.16mm,„„直至第2大格读作0.20mm。后面的读数依此类推。游标卡尺不需往下估读。如图1-5应读作61.36mm或6.136cm
2、螺旋测微器的构造原理及读数方法
0 图1-5
4
游标 主尺
螺旋测微计主要由弓形体、固定套筒和活动套筒(微分套筒)三部分构成。螺旋测微计的测微原理是机械放大法。固定套筒上有一条水平拱线叫读数基线。基线上边是毫米刻度线,下边是半毫米刻度线。螺旋测微计的螺距是0.5mm,活动套筒每转动一周,螺杆就前进或者后退0.5mm。活动套筒的边缘上均匀刻有50个分度,每转动一个分度,螺杆就前进或者后退
0.5
mm即0.01mm。这0.01mm就是螺旋测微计的最小分度值(即精度)。实际测量时,50
分度线不一定正好与读数基线对齐,因此还必须往下估读到0.001mm。可见,用螺旋测微
计测量物体的长度时,以“mm”为单位,小数点后必有三位。读数时,先从固定套筒上读出大于半毫米的大数部分,再从活动套筒的边缘上读出小于半毫米的部分,二者之和就是被测物体的总长度。这其中一定要注意观察半毫米刻度线是否露出来了。如图1-6(a)应读作5.272mm,图1-6(b)应读作5.772mm.
图1-6 (b) 图1-6(a)
使用螺旋测微计之前,必须先检查零点读数。先转动大棘轮使螺杆前进,当螺杆快要接
固定套筒 30 25
微分套筒
固定套筒 30 25
微分套筒
触测砧时就应转动后面的小棘轮,听到“嗒嗒”声立即停止。如果此时活动套筒上的零线正好对齐读数基线,零点读数就记作0.000mm,如果零线在读数基线以上,零点读数记作负,反之为正。每一次测量的直接读数减去零点读数才是真正的测量值,即测量值=直接读数-零点读数。例如零点读数是-0.002mm,直接读数是5.272mm,则测量值=5.272-(-0.002)=5.274(mm)。
3、读数显微镜的构造原理及读数方法
读数显微镜是将显微镜与螺旋测微计结合起来的长度精密测量仪器。其测微原理是光学放大法和机械放大法的综合。活动螺杆与显微镜筒通过螺旋相互啮合,转动活动螺杆右端的鼓轮,就可以使显微镜左右平移。测微螺旋的螺距为1mm,鼓轮边缘上均匀刻有100个分度,每转动一个分度镜筒就向左或向右平移0.01mm。所以读数显微镜的最小分度值也是0.01mm,读数时也要往下估读到0.001mm。具体测量步骤是:(1)调节目镜,看到清晰的十字叉丝,并将叉丝调正;(2)将被测物平放到载物台上,并在镜筒的正下方,使被测长度的方向与镜筒平移的方向平行,然后调节镜筒升降旋钮,使镜筒缓慢的上升或下降,进行调焦,直到看清物体的像,无视差;(3)转动鼓轮,平移镜筒,当叉丝的竖丝与物像的始端相切时,记下初读数X1,读数方法如图1-7(a)和1-7(b)所示。
继续沿同一方向平移镜筒,当竖丝与物像的末端相切时,记下末读数x2,则待测长度d=x2-x1;(4)读数时,从固定刻度上读出大于1mm部分,从鼓轮边缘上读出小于1mm的部分,二者之和就是X1或X2的值。
x1
x2
d=x2-x1
移动方向
图1-8
测量时应注意的问题是,两次读数时镜筒必须是向同一个方向平移,不得移过了头又移回来,这样会产生空程误差。如果不小心移过了头,必须多往回退一些距离,再重新沿原方向平移,对准被测点。
如果简单地概括读数显微镜的原理和使用方法,就是“综合放大,同向平移,求差”。 (注意:有关实验数据处理参考绪论课相关内容!!)
【实验内容与要求】
1、用读数显微镜测量给定刻线的宽度,重复测量6次。 2、用螺旋测微计测量小钢球的直径,沿不同径向测6次。 (注意:使用前应记录螺旋测微计的零点读数)
3、用游标卡尺测量空心圆管的外径、内径和高,重复测量6次。 4、计算给定刻线的宽度和不确定度。 5、计算钢球的体积和不确定度。 6、计算空心圆管的体积和不确定度。
【实验注意事项】
1、注意保护游标卡尺的卡口不被磨损,轻轻卡住即可读数,不能将被测物在卡口内移动,不能跌。
2、使用螺旋测微计时,当螺杆与被测物相距较近时就要转动尾部的小棘轮,听到“嗒嗒”声应立即停止。实验结束时,螺杆和测砧之间应留有小缝隙,不能拧死,以防热膨胀压坏精密螺丝。
3、使用读数显微镜时,同一组读数应为沿同一方向平移读得的结果,否则会产生空程误差。镜头不能用手触摸。调焦时上、下移动筒一定缓慢,千万不能压坏物镜或被测物。
【数据记录与处理】(注意:数据处理时要求书写出中间计算步骤!!)
表一 给定刻线宽度的测量 读数显微镜的仪器误差∆=0.005mm
=(D1+D2+D3+D4+D5+D6)mm
6UA=S()=
mm
UB=
mm U(D)=mm
D=±U(D)±(注意:不确定度即U(D)保留一位有效数字且采取进位制.最佳估计值即D小数点后保留的位数与U(D)一致,有效数字舍入规则"四舍六入五凑偶"!!)
表二 钢球体积的测量 仪器误差△=0.004mm 零点读数D0=mm
(测量值D=直接读数-零点读数)
=(D1+D2+D3+D4+D5+D6)mm
6U(=S()=AD)
= mm
UB=
mm U(D)=mm
11
V=πD3⇒=π3cm3
66∆V=
dV11
∆D=πD2∆D⇒U(V)=π2U(D)cm3 dD22
V=±U(V)±cm3
(注意:不确定度即U(V)保留一位有效数字且采取进位制.最佳估计值即V小数点后保留的位数与U(V)一致,有效数字舍入规则"四舍六入五凑偶"!!)
表三 圆管体积的测量 游标卡尺的仪器误差△=0.02mm
V=
4
(D2-d2)h⇒=
4
(2-2)cm3
外径D(mm)的不确定度计算:
1
=(D1+D2+D3+D4+D5+D6)mm
6UA=S()=
mm
UB=
mm U(D)=mm
内径d(mm)的不确定度计算:
1
d=(d1+d2+d3+d4+d5+d6)mm
6UA=S(d)=
mm
UB=
mm
U(d)=mm
高度h(mm)的不确定度计算:
1
h=(h1+h2+h3+h4+h5+h6)mm
6UA=S(h)=
mm
UB=
mm
U(h)=mm
∆V=
∂V∂V∂Vπππ
∆D+∆d+∆h=Dh⋅∆D+(-dh)⋅∆d+(D2-d2)⋅∆h ∂D∂d∂h224
根据不确定度的传递公式,圆管体积的不确定度计算:
U(V)=
=
= ________cm3 3
结果V=±U(V)=_____±______ cm
(注意:不确定度即U(V)保留一位有效数字且采取进位制.最佳估计值即V小数点后保留位数与U(V)一致,有效数字舍入规则"四舍六入五凑偶"!!)
【实验步骤】
(实验操作完成后,简述本次实验步骤,在实验报告续写!!) 【实验误差分析和总结】
(就本次实验的误差和在实验操作过程遇到的问题,进行分析总结.实验操作完成后,在实验报告续写!!) 【思考题】
1、10分度和20分度的游标卡尺,最小分度值分别是多大?读数的末位有什么样的特点?
2、比较一下游标卡尺和螺旋测微计,二者的读数方法有什么不同?
长度的测量和基本数据处理
【实验目的】
1、理解游标卡尺、螺旋测微计和读数显微镜的原理,掌握它们的使用方法; 2、练习有效数字运算和误差处理的方法。
【实验仪器和用品】
游标卡尺(0—125mm,0.02mm)、螺旋测微计(0—25mm,0.01mm)、读数显微镜(JCD3,0.01mm)、空心圆管、小钢球等。
【实验原理】
1、游标卡尺的构造原理及读数方法
游标卡尺分主尺和游标(副尺)两部分。主尺上刻有标准刻度125mm。游标上均匀刻有50个分度,总长度为49mm,游标上50个分度比标准的50mm短1mm,1个分度比标准的1mm短
1
mm,即0.02mm,这0.02mm就是游标卡尺的最小分度值(即精度)。游标卡50
尺的卡口合并时,游标零线与主尺零线恰好对齐。卡口间放上被测物时,以游标零线为起点往前看,观察主尺上的读数是多少。假设读数是xmm多一点,这“多一点”肯定不足1mm,要从游标上读。此时,从游标上找出与主尺上某刻度最对齐的一条刻度线,设是第n条,则这“多一点”的长度应等于0.02nmm,被测物的总长度应为L=(x+0.02n)mm。用这种规格的游标卡尺测量物体的长度时,以“mm”为单位,小数点后必有两位,且末位数必为偶数。游标上每5小格标明为1大格,每小格读数作0.02mm,每大格就应读作0.10mm。从游标零线起往后,依次读作0.02mm,0.04mm,0.06mm,„„直至第5小格即第1大格读作0.10mm。
再往后,依次读作0.12mm,0.14mm,0.16mm,„„直至第2大格读作0.20mm。后面的读数依此类推。游标卡尺不需往下估读。如图1-5应读作61.36mm或6.136cm
2、螺旋测微器的构造原理及读数方法
0 图1-5
4
游标 主尺
螺旋测微计主要由弓形体、固定套筒和活动套筒(微分套筒)三部分构成。螺旋测微计的测微原理是机械放大法。固定套筒上有一条水平拱线叫读数基线。基线上边是毫米刻度线,下边是半毫米刻度线。螺旋测微计的螺距是0.5mm,活动套筒每转动一周,螺杆就前进或者后退0.5mm。活动套筒的边缘上均匀刻有50个分度,每转动一个分度,螺杆就前进或者后退
0.5
mm即0.01mm。这0.01mm就是螺旋测微计的最小分度值(即精度)。实际测量时,50
分度线不一定正好与读数基线对齐,因此还必须往下估读到0.001mm。可见,用螺旋测微
计测量物体的长度时,以“mm”为单位,小数点后必有三位。读数时,先从固定套筒上读出大于半毫米的大数部分,再从活动套筒的边缘上读出小于半毫米的部分,二者之和就是被测物体的总长度。这其中一定要注意观察半毫米刻度线是否露出来了。如图1-6(a)应读作5.272mm,图1-6(b)应读作5.772mm.
图1-6 (b) 图1-6(a)
使用螺旋测微计之前,必须先检查零点读数。先转动大棘轮使螺杆前进,当螺杆快要接
固定套筒 30 25
微分套筒
固定套筒 30 25
微分套筒
触测砧时就应转动后面的小棘轮,听到“嗒嗒”声立即停止。如果此时活动套筒上的零线正好对齐读数基线,零点读数就记作0.000mm,如果零线在读数基线以上,零点读数记作负,反之为正。每一次测量的直接读数减去零点读数才是真正的测量值,即测量值=直接读数-零点读数。例如零点读数是-0.002mm,直接读数是5.272mm,则测量值=5.272-(-0.002)=5.274(mm)。
3、读数显微镜的构造原理及读数方法
读数显微镜是将显微镜与螺旋测微计结合起来的长度精密测量仪器。其测微原理是光学放大法和机械放大法的综合。活动螺杆与显微镜筒通过螺旋相互啮合,转动活动螺杆右端的鼓轮,就可以使显微镜左右平移。测微螺旋的螺距为1mm,鼓轮边缘上均匀刻有100个分度,每转动一个分度镜筒就向左或向右平移0.01mm。所以读数显微镜的最小分度值也是0.01mm,读数时也要往下估读到0.001mm。具体测量步骤是:(1)调节目镜,看到清晰的十字叉丝,并将叉丝调正;(2)将被测物平放到载物台上,并在镜筒的正下方,使被测长度的方向与镜筒平移的方向平行,然后调节镜筒升降旋钮,使镜筒缓慢的上升或下降,进行调焦,直到看清物体的像,无视差;(3)转动鼓轮,平移镜筒,当叉丝的竖丝与物像的始端相切时,记下初读数X1,读数方法如图1-7(a)和1-7(b)所示。
继续沿同一方向平移镜筒,当竖丝与物像的末端相切时,记下末读数x2,则待测长度d=x2-x1;(4)读数时,从固定刻度上读出大于1mm部分,从鼓轮边缘上读出小于1mm的部分,二者之和就是X1或X2的值。
x1
x2
d=x2-x1
移动方向
图1-8
测量时应注意的问题是,两次读数时镜筒必须是向同一个方向平移,不得移过了头又移回来,这样会产生空程误差。如果不小心移过了头,必须多往回退一些距离,再重新沿原方向平移,对准被测点。
如果简单地概括读数显微镜的原理和使用方法,就是“综合放大,同向平移,求差”。 (注意:有关实验数据处理参考绪论课相关内容!!)
【实验内容与要求】
1、用读数显微镜测量给定刻线的宽度,重复测量6次。 2、用螺旋测微计测量小钢球的直径,沿不同径向测6次。 (注意:使用前应记录螺旋测微计的零点读数)
3、用游标卡尺测量空心圆管的外径、内径和高,重复测量6次。 4、计算给定刻线的宽度和不确定度。 5、计算钢球的体积和不确定度。 6、计算空心圆管的体积和不确定度。
【实验注意事项】
1、注意保护游标卡尺的卡口不被磨损,轻轻卡住即可读数,不能将被测物在卡口内移动,不能跌。
2、使用螺旋测微计时,当螺杆与被测物相距较近时就要转动尾部的小棘轮,听到“嗒嗒”声应立即停止。实验结束时,螺杆和测砧之间应留有小缝隙,不能拧死,以防热膨胀压坏精密螺丝。
3、使用读数显微镜时,同一组读数应为沿同一方向平移读得的结果,否则会产生空程误差。镜头不能用手触摸。调焦时上、下移动筒一定缓慢,千万不能压坏物镜或被测物。
【数据记录与处理】(注意:数据处理时要求书写出中间计算步骤!!)
表一 给定刻线宽度的测量 读数显微镜的仪器误差∆=0.005mm
=(D1+D2+D3+D4+D5+D6)mm
6UA=S()=
mm
UB=
mm U(D)=mm
D=±U(D)±(注意:不确定度即U(D)保留一位有效数字且采取进位制.最佳估计值即D小数点后保留的位数与U(D)一致,有效数字舍入规则"四舍六入五凑偶"!!)
表二 钢球体积的测量 仪器误差△=0.004mm 零点读数D0=mm
(测量值D=直接读数-零点读数)
=(D1+D2+D3+D4+D5+D6)mm
6U(=S()=AD)
= mm
UB=
mm U(D)=mm
11
V=πD3⇒=π3cm3
66∆V=
dV11
∆D=πD2∆D⇒U(V)=π2U(D)cm3 dD22
V=±U(V)±cm3
(注意:不确定度即U(V)保留一位有效数字且采取进位制.最佳估计值即V小数点后保留的位数与U(V)一致,有效数字舍入规则"四舍六入五凑偶"!!)
表三 圆管体积的测量 游标卡尺的仪器误差△=0.02mm
V=
4
(D2-d2)h⇒=
4
(2-2)cm3
外径D(mm)的不确定度计算:
1
=(D1+D2+D3+D4+D5+D6)mm
6UA=S()=
mm
UB=
mm U(D)=mm
内径d(mm)的不确定度计算:
1
d=(d1+d2+d3+d4+d5+d6)mm
6UA=S(d)=
mm
UB=
mm
U(d)=mm
高度h(mm)的不确定度计算:
1
h=(h1+h2+h3+h4+h5+h6)mm
6UA=S(h)=
mm
UB=
mm
U(h)=mm
∆V=
∂V∂V∂Vπππ
∆D+∆d+∆h=Dh⋅∆D+(-dh)⋅∆d+(D2-d2)⋅∆h ∂D∂d∂h224
根据不确定度的传递公式,圆管体积的不确定度计算:
U(V)=
=
= ________cm3 3
结果V=±U(V)=_____±______ cm
(注意:不确定度即U(V)保留一位有效数字且采取进位制.最佳估计值即V小数点后保留位数与U(V)一致,有效数字舍入规则"四舍六入五凑偶"!!)
【实验步骤】
(实验操作完成后,简述本次实验步骤,在实验报告续写!!) 【实验误差分析和总结】
(就本次实验的误差和在实验操作过程遇到的问题,进行分析总结.实验操作完成后,在实验报告续写!!) 【思考题】
1、10分度和20分度的游标卡尺,最小分度值分别是多大?读数的末位有什么样的特点?
2、比较一下游标卡尺和螺旋测微计,二者的读数方法有什么不同?