常用力学和热学实验仪器及使用方法.docx

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常用力学和热学实验仪器及使用方法

常用力学和热学实验仪器及其使用方法

一、长度测量仪器

物理实验中的长度测量仪器常用的有米尺、游标卡尺和螺旋测微计。

这类仪器通常用量程和分度值表示其规格。

量程指测量范围，分度值是仪器所标示的最小划分单位。

分度值的大小反映了仪器的精密程度。

一般来说，分度值越小，仪器越精密。

对各种仪器进行读数的一般规则要求对小于分度值的数进行估读，读数的最后一位应是读数随机误差所在位。

读数过程中，要尽量避免视差，或设法减小视差。

1.游标卡尺

米尺的分度值为1mm，用它测量长度可读准到毫米位，毫米以下的位数为估读数。

游标卡尺实际上是在米尺上附加了一个能够滑动的有刻度的小尺即游标，利用它可以将米尺估读的那位数准确读出来，准确度比米尺提高了一位。

游标卡尺主要由两部分组成（见图2-1），即与量爪A、Aˊ相联的主尺D（主尺按米尺刻度）以及与量爪B、Bˊ及深度尺C相联的游标E（游标可紧贴主尺滑动）。

量爪A、B用来测量厚度与外径，量爪Aˊ、Bˊ用来测量内径，深度尺C用来测量槽、筒的深度，F为固定螺钉。

图2-1游标卡尺示意图

游标卡尺在构造上的主要特点是游标上n个分格的总长与主尺上（n－l）个分格的总长相等。

现以n=10的游标为例，说明游标卡尺的读数原理。

在10分格的游标中，10个游标分格的总长与主尺上9个最小分格的总长相等，即为9mm。

这样每个游标分格为0.9mm，均比主尺最小分格短0.lmm。

当游标对着主尺上某一位置时（见图2-2），毫米以上的数可以从主尺上读出（在图2-2中，由主尺上可读出21mm），毫米以下一位可由游标读出。

在图2-2中，游标上第6条刻度线与主尺上的刻度线对得最齐，表示读数为6个主尺最小分格总长与6个游标分格总长之差，即为6-（6×0.9）=0.6mm。

所以，图2-2所示读数应为21.6mm，“6”这一位是由游标读出的，这就是10分格游标尺的读数方法。

图2-2游标卡尺原理图

为了使读数更精确，游标分格有10分格、20分格、50分格等几种，它们的原理与读数方法都是一样的。

其读数方法可统一归纳为以下公式：

（2-1）

其中，

为待测物长度读数，

为游标零刻度线所对应的主尺刻度读数，K为码标上与主尺刻度线对得最齐的那条刻度线，

为游标最小分格的长度单位，即游标尺的分度值，其值

（

为主尺的最小刻度单位，P为游标的分格数），一般在游标卡尺上标有此值。

举例：

一个20分格的游标卡尺，其读数如图2-3所示。

游标零刻度线对于主尺刻度为37mm，游标上的第10条刻度线（游标刻度表示是50）与主尺刻度线对得最齐。

所以该读数为：

mm图2-3游标卡尺的读数

游标卡尺是常用的精密量具，使用时应注意推游标时不要用力过大，测量中不能弄伤刀口和钳口，用完后应立即放入盒内，不能随便放于桌面和潮湿处。

在使用游标卡尺时，可一手拿物体，另一手持尺，如图2-4所示。

要特别注意不能把被夹紧的物体在量爪刀D内挪动，避免磨损，更不能用来测量粗糙物体。

图2-4使用游标卡尺的正确姿势

2.螺旋测微计（千分尺）

螺旋测微计是比游标卡尺更精密的长度测量仪器，它的读数可估读到0.001mm，故又称千分尺。

螺旋测微计的结构如图2-5所示。

图2-5螺旋测微计示意图

A－测微螺杆；B－螺母套管；C－微分筒；D－固定套管；

E－测砧；F－锁紧装置；G－尺架；K－棘轮旋柄。

螺旋测微计最显著的特点是当微分筒C旋转一周时，它就会在固定套筒D的主尺上移动一个螺距（即主尺上的一个单位长度）。

对于一般的螺旋测微计,其主尺最小刻度为0.5mm（即一个螺距），其微分筒上有50个分格，当微分筒转过一个分格时，它就在主尺长移动的距离

（mm）。

测量物体长度时，先将测微螺杆A退开，把待测物放在测量面A、E之间，转动测力装置K，使测杆和测砧的测量面刚好与物体接触，这时就可从固定套筒D的主尺上读出读数的整数部分，再从微分筒上读出其小数部分，两部分相加即为所测长度。

图2-6为一读数实例。

图2-6螺旋测微计读数实例

（a）主尺读数5.5mm，微分筒读数0.150mm，总读数5.650mm；

（b）主尺读数5.0mm，微分筒读数0.150mm，总读数5.150mm。

螺旋测微计是精密仪器，使用时应注意以下几个方面：

（1）测量前应检查零点读数。

零点读数是当测量面A与E刚好接触时，主尺与微分筒上的读数。

如果零点读数不是零，就应将其数值记下，以便测量时对读数进行修正，如图2-7所示。

（2）测量面A、E和被测物体之间的接触压力应较小。

因此，旋转微分简时必须利用测力装置。

测力装置是靠摩擦带动微分筒的，当测杆接触物体时，它会自动打滑，发出“喀、喀”的声响。

（3）测量完毕后，应在测量面A与E之间留出间隙，以免因为热膨胀而使螺纹受到损坏。

图2-7螺旋测微计读数的校正

（a）读数应加上0.035mm；（b）读数应减去0.030mm.

二、质量测量仪器

物理实验中，常用天平来称量物体的质量。

天平是一种等臂杠杆装置，按其称量的精确度分等级，精确度低的称为物理天平，精确度高的称为分析天平。

天平的规格主要由感量和最大称量表示。

感量是指天平平衡时使指针产生可察看偏转所需的最小质量，天平用克／格表示感量。

感量越小，天平的灵敏度越高，感量的倒数为天平的灵敏度。

最大称量是指天平允许称衡的最大质量。

物理实验室常用的物理天平最大称量是为500g，感量为20mg。

物理天平的构造如图2-8所示。

在横梁BB´的中点和两端共有三个刀口．中间刀口a安置在支柱H顶端的刀垫上，作为横梁的支点。

在两端的刀口b和b´上悬挂两个秤盘P和P´。

在横梁上附有可移动的游码D。

游码在横梁上向右移动一个分度，就相当于在右盘中加20mg的砝码。

横梁下部装有读数指针，立柱H上装有标尺S。

根据指针在刻度标牌上的示数来判断天平是否平衡。

在底板左面装有托架Q。

物理天平操作步骤如下：

（1）检查天平是否水平。

可通过观察天平

底座上水准器内的气泡是否在中间位置或垂直

锤是否正对铅垂准钉来判断。

若不水平，则可

调节脚底螺钉F和F´使其水平。

图2-8物理天平结构示意图

（2）调整零点。

在横梁两侧刀口上挂上称

盘，将游码D放在零位置，止动旋钮K向右旋动，支起横梁，用平衡螺母E、E´调整零点。

（3）称量。

把止动旋钮向左旋动放下横梁，将被称物体放在左盘，法码放在右盘，升起横梁（向右旋动止动旋钮）便可进行称量。

（4）结束。

称量完毕后将止动旋钮向左旋转放下横梁，取出秤物和砝码，把秤盘移离横梁刀口。

使用天平时必须注意以下几个方面：

天平负载量不得超过其最大称量；取放物体和砝码、移动游码或调节平衡螺母及不使用天平时都应将天平横梁放下（止动），以免损坏刀口；加减砝码必须使用镊子，严禁用手；高温物体、液体、带腐蚀性的化学药品不得直接放于托盘内称衡。

三、计时仪器

计时仪器是力学实验中常用的一类时间测量仪器，常用的计时仪器有机械秒表、电子秒表和数字毫秒计等等。

1．机械秒表

机械秒表简称秒表，它分为单针和双针两种。

单针式秒表只能测量一个过程所经历的时段，双针式秒表能分别测量两个同时开始不同时结束的过程所经历的时间。

图2-9所示的秒表是一种单针式秒表。

秒表由频率较低的机械振荡系统，锚式擒纵调速器，操纵秒针起动、制动和指针回零的控制机构（包括按钮），发条以及齿轮等机械零件组成。

秒表有各种规格。

一般的秒表有两个针，长针

为秒针，每转一圈是30s（也有60s、l0s和3s）；短图2-9机械秒表示意图

针为分针，每转一圈是15min或30min（即测量范

围为0~15min或0~30min）。

表面上的数字分别表示s和min的数值。

使用机械秒表测量所产生的误差可分为两种情况。

（1）短时间的测量（几十秒内），其误差主要是按表和读数的误差；

（2）长时间的测量（1min以上），其误差主要是秒表走动快慢与标准时间之差。

对不同的秒表，这种误差有所不同。

因此，在进行长时间测量前，应先用标准钟对使用的秒表进行校准。

机械秒表的一般使用方法如下：

（1）使用秒表前，先检查发条的松紧程度，若发条已经松弛，应旋动秒表上端的按钮，上紧发条，但不宜过紧。

（2）测量时按下按钮，指针开始运动；再按按钮，指针停止运动；再按一次按钮，指针便会回到零点位置。

使用秒表时应注意轻拿轻放，尽量避免振动与摇晃。

当指针不指零时，应记下零读数，计时完毕后，再对读数进行修正。

2.电子秒表

电子秒表是一种较先进的电子计时器，目前国产的电子秒表一般都是利用石英振荡器的振荡频率作为时间基准，采用6位液晶数字显示时间。

电子秒表的使用功能比机械秒表要多，

它不仅能显示分、秒，还能显示时、日、月及星期，并且有1／l00s的功能。

一般的电子秒表连续累计时间为59min59.99s，可读到1／l00s，平均日差±0.5s。

电子秒表配有三个按钮，如图2-10所示。

在图2-10中，

为秒表按钮，

为功能变换按钮，

为调整按钮，基本显示的计时状态为“时”、“分”、“秒”。

电子秒表的基本使用方法如下：

（1）在计时器显示的情况下，将按钮

按住2s，即可出现秒表功能，如图2-10（a）所示。

按一下按钮

开始自动计秒，再按一下

按钮，停止计秒，显示出所计数据，如图2-10（b）所示。

按住

两秒，则自动复零，即恢复到图2-10（a）所示状态。

（2）若要纪录甲、乙两物体同时出发，但不同时到达终点的运动，可采用双计时功能方式。

即首先按住

两秒钟，秒表出现如图2-10（a）所示的状态。

然后按一下

，秒表开始自动计秒。

待甲物体到达终点时再按一下

，则显示甲物体的计秒数停止，此时液晶屏上的冒号仍在闪动，内部电路仍在继续为乙物体累积计秒。

把甲物体的时间记录下后，再按一下

，显示出乙物体的累积计数。

待乙物体到达终点时，再按一下

，冒号不闪动，显示出乙物体的时间。

这时若要再次测量就按住

两秒，秒表出现2-10（a）所示的状态。

若需要恢复正常计时显示，可按一下

，秒表就进入正常计时显示状态，在图2-9（c）中显示出9h17min18s。

（3）若需要进行时刻的校正与调整，可先持续按往

，待显示时、分、秒的计秒数字闪动时，松开

，然后间断地按

，直到显示出所需要调整的正确秒数时为止。

如还需校正分，可按一下

，此时，显示分的数字闪动，再间断地按

，直到显示出所需的正确分数时为止。

时、日、月及星期的调整方法同上。

图2-10电子秒表及其调节示意图

3.数字毫秒计

数字毫秒计是用数码管显示时间数字的一种精确计时仪器，这种仪器的显著特点是能够测量很短的时间。

一般的数字毫秒计可以测量的最小时间间隔为0.1ms，最大量程为99．999s。

虽然数字毫秒计的种类很多，但工作原理基本相同。

它是利用石英晶体振荡器所产生的10kHz的电脉冲（即每秒内准确产生一万个脉冲，每个脉冲相隔的时间为0.1ms）在开始计数和停止计数的时间间隔内推动计数器计数，1个脉冲计一个数字。

通过计数器所计的数字可以知道从“计”到“停”这段时间的长短，并用数码管直接显示出来。

现以HMJ型数字毫秒计为例，简要说明其使用方法。

图2-11HMJ型数字毫秒计面板图

HMJ型数字毫秒计的面板如图2-11所示。

“机控”和“光控”为两种控制计时的方式。

用“机控”时，将拨动开关打到“机控”位置，并将双线插头插入“机控”插座内，这时就可以用机械接触开关的通断来控制计时的“计”和“停”。

用“光控”时，把拨动开关拨到“光控”位置，将四芯插头插入“光控”插座，将三色四线插头插入光电门插座，把光电门灯泡电源线插入后面板的灯泡电源插孔内，就可以利用光的被遮与否来控制毫秒计的计时动作。

“光控”又分为

和

档，若要求光源被遮住，即光敏二极管不受光照时开始计时，再受光照时停止计时（所计时间为连续遮光时间），可选用

档；若要求光敏二极管第一次遮光时开始计时，第二次遮光时停止计时（所计时间为两次遮光时间间隔），可选用

档。

HMJ型毫秒计有三个时间信号档，可以由计时间隔的长短，根据所需的有效数字的位数加以选择。

0.1ms档显示计时读数在0～0.9999s之间，lms档显示计时读数在0～9.999s之间，10ms档显示计时读数在0～99.99s之间。

数字毫秒计设有消“零”装置，方法有“手动”和“自动”两种。

当消零选择开关拨到“手动”位置时，用手按一下“手动复位”按钮，显示的数字即可消掉；当拨到“自动”位置时，显示的数字在经过一定时间后可自动消除。

保留显示数字时间的长短可用“复位延迟”旋钮加以控制。

读数的大小为显示数字与选择档位级别二者的乘积。

例如，若数码管显示的数字为4017，选择开关在0.1ms档，则计时为

4017×0.1=401.7ms=0.4017s

四、常用温度测量仪器

表示物体热状态程度的物理量称为温度，摄氏温度

（℃）与热力学温度

（K）的关系为

（2-2）

测量温度的仪器有许多种，如液体温度计、气体温度计、电阻温度计、热电偶、光测温度计等等，物理实验室常用的测温仪器主要为玻璃水银温度计和热电偶。

1.水银温度计

以水银、酒精或其他有机液体作测温工作物质的玻璃柱状温度计统称为玻璃液体温度计，这种温度计是利用测温物质的热胀冷缩性质来测量温度的。

测温液体封装在玻璃柱的一端成球泡形，上接一个内径均匀的毛细玻璃管。

液体受热后，毛细管中的液柱升高，从管壁的标度可读出相应的温度值。

由于水银具有不润湿玻璃、随温度上升均匀膨胀以及1个标准大气压下（101kPa）可在－38.87℃（水银凝固点）～356.58C（水银沸点）较广的温度范围内保持液态等诸多优点，因此，较精密的玻璃液体温度计均为水银温度计。

水银温度计的规格有标准水银温度计、实验玻璃水银温度计和普通玻璃水银温度计三种。

标准水银温度计主要用于校正各类温度计，其又分为一等和二等标准水银温度计。

前者总测温范围为–30~300℃，其分度值为0.05℃，仪器误差为0.01℃，每套由9支或13支测温范围不同的温度计组成，用于校正二等标准水银温度计；后者总的测温范围也为－30～300C，分度值为0.1℃或0.2℃，用于校正各种常用玻璃液体温度计。

实验玻璃温度计主要用于实验室和工业中的温度测量，总测量范围为–30～250℃，由6支不同测温范围的温度计组成，分度值为0.1℃或0.2℃，仪器误差为0.05℃。

普通玻璃水银温度计的测温范围分为0～60℃、0～100℃、0～150℃、0~300℃等几种，分度值为l℃或2℃。

2.热电偶

（1）热电偶的测温原理

热电偶亦称温差电偶，它由两种不同成分的

金属丝

、

构成，其端点紧密接触，如图2-12

所示。

当两个接点处于不同的温度

和

时，在回

路中会产生温差电动势。

温差电动势的大小只与组

成热电偶的两根金属丝的材料、热端温度

和冷端

温度

三个因素有关，而与热电偶的大小、长短及图2-12热电偶示意图

金属丝的直径等无关。

当组成热电偶的材料确定后，温差电动势只决定于温差

。

一般而言，温差电动势

与温差

的关系为：

（2-3）

其第一级近似为

（2-4）

式中c称温差系数（或热电偶常量），其物理意义为单位温差时的电动势，其大小由组成热电偶的材料决定。

可以证明，在

、

两种金属之间插入第三种金属C时，若它与

、

的两个连接点处于同一温度

（如图2-13所示），则该闭合回路的温差电动势与前述只有

、

两种金属组成回路时的数值完全相同。

所以，把

、

两根不同材料的金属丝（如一个为铂，另一个为铂—铑合金）的一端焊接在一起，构成热电偶的热端（工作端），将另两端各与铜引线（即第三种金属C）焊接在一起，构成两个同温度

的冷端（自由端），铜引线又与测量电动势的仪器（如电位差计）相接，这样就组成了一个热电偶温度计，如图2-14所示。

测温时使热电偶的冷端温度

保持恒定（如冰点），将热端置于待测温度处即可测出相应的温差电动势。

再根据事先校正好的曲线或数据表格可求出温度

。

这种热电偶的优点是热容量小、测温范围广、灵敏度高，若配以精密的电位差计则测量准确度更高。

图2-13三种金属构成的热电偶图2-14热电偶温度计（Ⅰ）

对于铜—康铜、铜—考铜一类的热电偶，由于其中的一根金属丝和引线一样也是铜，因此，在整个电路中实际上只有两个接点，如图2-15所示。

在使用热电偶测温时若要求不高，为方便起见也可采用如图2-16所示的接线法，

取室温。

此种方法比较简单，但由于室温并不十分稳定，而且连接电位差计的两接头处的温度也可能有微小差别，所以准确度相对较差。

图2-15热电偶温度计（Ⅱ）图2-16热电偶温度计（Ⅲ）

2．热电偶的校准

在实际测温中，式（2-3）所表示的电动势与温差的关系较为粗糙。

较为准确的方法是先用实验确定出

与（

）关系曲线，然后根据热电偶与未知温度接触时产生的

值，从曲线上查出相应的未知温度。

对于标准的热电偶，其校准曲线（或校准数据）在手册上可以查出，不必自己校准。

如果使用的热电偶并非标准热电偶，则校准工作必不可少。

校准的方法有两种，一种是固定法，即利用适当的纯物质，在一定的气压下把它们的熔点或沸点作为已知温度，测出

与（

）的关系曲线；另一种是比较法，即利用一个标准热电偶与未知热电偶测量同一温度，由标准热电偶的数据校准未知热电偶。

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