力热实验基本资料.doc

二、力学热学试验基础知识１　长度测量器具　　长度测量是最基本的测量，除用图形和数字显示的仪器外，大多数测量仪器都要转化为长度（包括弧长）显示因而能正确测量长度，快捷准确地读各种分度尺是实验工作的最基本技能之一　　实验中常用的长度测量器具有米尺（钢直尺、钢卷尺）、游标卡尺、螺旋测微器、移测显微镜和测微目镜等　　１）米尺　　在准确度要求不高的场合，可以使用木制或塑料米尺实验室中一般使用比较准确的钢直尺和钢卷尺它们的分度值为１ｍｍ，测量时常可估读到０.１ｍｍ为了避免米尺端面磨损引起的零位误差，一般不使用米尺的端面作为测量起点，而是选择米尺上的某一刻度作为起点，测量时应把米尺的刻度面与待测物体贴紧（处在同一平面内），以尽量减小读数视差引起的测量误差　　根据国标ＧＢ９０５６—８８规定，钢直尺的示值误差限Δ＝（０.０５＋０.０１５Ｌ）ｍｍ式中：Ｌ是以ｍ为单位的长度值，当长度不是ｍ的整数倍时，取最接近的较大整数倍　　例如，所测长度为３０.２ｍｍ，取Ｌ＝１，Δ＝０.０６５ｍｍ；所测长度为１９８.７ｃｍ时，取Ｌ＝２，则Δ＝０.０８ｍｍ　　使用钢卷尺测量时，其示值误差限可按国标ＧＢ１０６３３—８９的规定计算。

自零点端起到任意线纹的示值误差限为Ⅰ级Δ＝（０.１＋０.１Ｌ）ｍｍⅡ级Δ＝（０.３＋０.２Ｌ）ｍｍ式中：Ｌ是以ｍ为单位的长度值，当长度不是ｍ的整数倍时，取接近的较大的整数倍　　例如，使用Ⅰ级钢卷尺测量长度为７８６.３ｍｍ时，计算Δ的公式中取Ｌ＝１，即Δ＝０.２ｍｍ　　实际上，在使用钢直尺和钢卷尺测量长度（或距离）时，常常由于尺的纹线与被测长度的起点和终点对准（瞄准）条件不好，尺与被测长度倾斜以及视差等原因而引起的测量不确定度要比尺本身示值误差限引入的不确定度更大些因而常需要根据实际情况合理估计测量结果的不确定度　　２）游标卡尺　　为了克服使用钢直尺测量时与工件比齐和小数位估读的困难，人们设计了游标卡尺，其结构如图２．２—１所示主尺仍是钢制毫米分度尺，主尺顶头连有量爪Ａ和Ｅ，在主尺上套一可滑动的游标附尺，其上附有量爪Ｂ和Ｆ，游标附尺背面还连有一测杆Ｃ沿主尺推动游标附尺时，量爪Ａ、Ｂ张开，量爪Ｅ、Ｆ错开，测杆Ｃ从尺端探出同样的距离，因而利用游标卡尺可方便地测量内外圆直径和孔槽的深度图２．２—１　游标卡尺　　游标卡尺最主要的特点是在游标附尺上刻有游标分度，用来准确地读出毫米以下的小数测量值常用的游标卡尺有１０分度、２０分度和５０分度３种，对应的分度值为０.１ｍｍ、０.０５ｍｍ和０.０２ｍｍ。

　　（１）游标读数原理下面以分度值为０.０５ｍｍ的游标卡尺为例，具体说明游标的分度方法和读数原理当使游标卡尺的量爪Ａ、Ｂ并合时，游标上的０刻线正对主尺上的０刻线（见图２．２—２）游标上有２０个分度，总长为３９ｍｍ这样，游标上每个分度的长度为１.９５ｍｍ，它比主尺上二个分度差０.０５ｍｍ当游标附尺向右移０.０５ｍｍ，则游标上第一条分度线就与主尺２ｍｍ刻度线对齐，这时量爪Ａ、Ｂ张开０.０５ｍｍ；游标向右移０.１０ｍｍ，游标第二分度线就与主尺４ｍｍ刻度线对齐，量爪Ａ、Ｂ张开０.１０ｍｍ，依次类推所以游标附尺在１ｍｍ内向右移动的距离，可由游标中哪一条分度线与主尺某刻线对齐来决定，看是第几条分度线与主尺刻线对得最齐，游标附尺向右移动的距离就是几个０.０５ｍｍ图２．２—３是图２．２—１中游标位置的放大图，待测物体长度的毫米以上的整数部分看游标“０”刻线指示主尺上的整刻度值，图中所示为１４ｍｍ，毫米以下的小数部分通过观察游标附尺的２０条分度线来决定，图示为第９条分度线与主尺刻度线对得最齐，因而游标附尺的“０”刻线比主尺１４ｍｍ刻线还错过０.４５ｍｍ，即物体的长度为１４.４５ｍｍ图２．２—２　游标总长图２．２—３　游标卡尺的读数　　除了游标卡尺外，许多测量仪器也常使用游标读数装置，有直尺游标，还有用在弧尺上的角游标，因而有必要进一步说明游标分度的一般原理。

　　如果用ａ表示主尺的分度值，用ｎ表示游标的分度数，当ｎ个游标分度的总长与主尺上（νｎ－１）个分度值相等时，则每个游标分度的分度值式中：ν称为游标系数，一般取１或２前述０.０５ｍｍ分度的游标卡尺就是ν＝２的例子ν取为２的目的是为了把游标刻线间距放大一些以便于读数　　游标卡尺的分度值定义为ν倍主尺分度值（νａ）与游标分度值（ｂ）之差，即可见游标卡尺的分度值只与游标的分度数ｎ和主尺分度值a有关　　（２）游标量具的读数方法使用带有游标装置的量具时，必须首先弄清游标装置的分度值a/n读数时以游标的零刻线为基线，先读出游标零刻线前主尺上整刻度值l0，然后再仔细观察哪一条游标刻度线与主尺刻线对得最齐，若确定为第ｋ条，则测量的结果便是　　（３）游标卡尺的示值误差限在正确使用游标卡尺测量时，如果被测对象稳定，测量不确定度主要取决于游标卡尺的示值误差限　　符合国标ＧＢ１２１４—８５规定的游标卡尺，其示值误差限列于表２．２—１表２．２—１　游标卡尺的示值误差限　　３）螺旋测微器（千分尺）　　螺旋测微器是又一种常用的精密测长量具这种量具的种类很多，按用途分为外径千分尺、内径千分尺、深度千分尺等此外在不少测量仪器中也利用这种螺旋测微装置作为仪器的读数机构，如移测显微镜、测微目镜等。

　　下面以外径千分尺（见图２．２—４）为例介绍这类螺旋测微装置的工作原理和读数方法图２．２—４　螺旋测微器（千分尺）　　图中测量砧Ａ通过弓形架Ｃ与刻有主尺分度的套筒Ｅ相连Ｅ称为固定套筒，筒内固定有精密螺母附尺刻在套筒Ｆ的圆周上，称为微分筒Ｆ内装有与测量杆Ｂ相连的精密螺杆，转动套筒Ｆ，通过内部螺旋副，使Ｆ可相对于Ｅ旋进旋出，套筒Ｆ的端边沿着主尺刻度移动，并使测杆Ｂ一起移动　　测量砧Ａ与测量杆Ｂ离开的距离可从固定套筒Ｅ和微分筒Ｆ所组成的读数机构中得到测量读数在固定套筒Ｅ上刻有一条纵刻线作为微分筒的基准线，纵刻线的上、下方各刻有ｍｍ分度线，上、下刻线错开０.５ｍｍ测微螺杆的螺距为０.５ｍｍ，微分筒圆周上刻有５０个分度线，这样当微分筒旋转一周时，测微螺杆就移动０.５ｍｍ，微分筒旋转一个分度时，测微螺杆就移动０.０１ｍｍ所以，螺旋测微器的分度值为０.０１ｍｍ，并可估读到０.００１ｍｍ　　使用螺旋测微器时应注意如下事项　　（１）测量前先检查零点读数当使量杆Ｂ和量砧Ａ并合时，微分筒的边缘对到主尺的“０”刻度线且微分筒圆周上的“０”线也正好对准基准线，如图２．２—５（ａ），则零点读数为０.０００ｍｍ如果未对准则应记下零点读数。

顺刻度方向读出的零点读数记为正值，逆刻度方向读出的零点读数记为负值测量值为测量读数值减去零点读数值　　（２）螺旋测微器主尺分度值为０.５ｍｍ所以在读数时要特别注意半毫米刻度线是否露出来图２．２—５（ｂ），读数是５.３８６ｍｍ，而（ｃ）的读数应该是５.８８６ｍｍ图２．２—５　螺旋测微器的读数　　（３）不论是读取零点读数或夹持物体测量时，都不准直接旋转微分筒，必须利用尾钮Ｇ带动微分筒旋转，尾纽Ｇ中的棘轮装置可以保证夹紧力不会过大否则不仅测量不准，还会夹坏待测物或损坏螺旋测微器的精密螺旋　　（４）螺旋测微器用毕后，在测量杆Ｂ和测量砧Ａ之间要留有一定的间隙，以免测量杆受热膨胀，而损坏螺旋测微器实验室通常使用量程为０～２５ｍｍ的一级螺旋测微器，分度值为０.０１ｍｍ，示值误差限为０.００４ｍｍ２　计时器　　时间概念一般有两个含义：①指时间间隔；②指某一时刻所谓时间间隔是指两个先后发生的事件之间延续的时间长短；所谓时刻是指连续流逝的时间长河中的某一瞬时　　为了计量时间，可以选定某一周期性重复的运动过程作为参考标准，把其他物质的运动过程与这个选定的标准进行比较，判定各个事件发生的先后顺序及运动过程的快慢程度。

　　所选定的周期性运动过程应具备运动周期稳定、易于观测和复现的特点实验室常用的计时器有停表、数字计时器、数字频率计、示波器以及火花计时器、频闪仪等　　１）机械停表　　机械停表是由频率较低的游丝摆轮振动系统通过发条和锚式擒纵机构补充能量，以齿轮系统带动指针显示分秒，并设有专门的启动停止机构一般停表的表盘最小分度为０.１ｓ或０.２ｓ，测量范围是０～１５ｍｉｎ或０～３０ｍｉｎ有的停表还有暂停按钮，可以用来进行累积计时　　使用停表进行计时测量所产生的误差应分两种情况考虑　　（１）短时间测量（几十秒以内），其误差主要来源于启动、制动停表时的操作误差其值约为０.２ｓ，有时还会更大些　　（２）长时间测量，测量误差除了掐表操作误差外，还有停表的仪器误差实验前可以用高精度计时仪器，如数字毫秒计等对停表进行校准　　由于停表的机械很精细，结构也很脆弱，因此使用时要求十分细心，以保持它的精度，延长使用寿命　　２）电子停表电子停表的机芯由电子元件组成，利用石英振荡频率（３２７６８Ｈｚ）作为时间基准，采用六位液晶数字显示器显示时间，它兼有连续计时（怀表）和测量时间间隔（停表）的功能连续计时能显示出月、日、星期、时、分、秒。

做停表用时有１／１００ｓ计时的单针停表和双针停表功能３　质量测量仪器　　质量是描述物体本身固有性质的物理量这种性质可以从两个不同的角度来阐明从物体惯性角度来说明质量，称为惯性质量；从两物体存在相互吸引力的角度来说明质量，则称为引力质量实验证明物体的惯性质量和引力质量的量值相等　　测量物体的质量也有基于“惯性”和基于“引力”两种不同的方法从惯性角度，物体的质量是作用在该物体上的力与物体在此力作用下所获得的加速度的比率将一个已知的力作用在一个物体上，测出该物体的加速度，就可以求出物体的质量，这种方法常用在不能用天平称衡的领域，如天体和微观粒子的质量从引力角度，就是通常所使用的利用等臂天平将一物体与另一质量已知的物体相比较，它能精确测定两物体质量相等而这所谓质量已知的物体就是通过严密的量值传递系统而与质量计量基准相联系的质量标准，即砝码　　１）质量的计量基准　　质量在国际单位制（ＳＩ）中的单位为ｋｇ，用以体现这一单位量值的实物就是质量计量基准质量计量基准是一个用９０％铂和１０％铱的铂铱合金制成的圆柱体，它的直径和高都是３９ｍｍ这个质量计量基准称为国际千克原器，保存在法国巴黎的国际计量局国际千克原器是目前国际单位制（ＳＩ）的７个基本单位中，惟一的一个仍然使用的人为实物基准。

　　我国质量计量基准是国家千克原器ＮＯ．６０，它是１９６５年从英国引进并经过国际计量局（ＢＩＰＭ）检定的，其标称质量为１ｋｇ，检定的质量值mNO.60＝１ｋｇ＋０.２７１ｍｇ±０.００８ｍｇ这个国家千克原器保存在中国计量科学院质量称重实验室　　２）天平和砝码　　天平按其称衡精确程度分为物理天平和分析天平两类分析天平又分为摆动式、空气阻尼式和光电读数式等图２．２—６为物理天平，图２．２—７为摆动式分析天平　　Ⅰ）天平的结构　　天平是一种等臂杠杆装置，其结构如图２．２—６和图２．２—７所示天平的横梁上有３个刀口，两侧刀口向上，用以承挂左右秤盘，而中间刀口则搁置在立柱上部的刀承平面上横梁中间装有一根指针当横梁摆动时，通过指针尖端在立柱下部的标尺上所指示的读数，可以指示左右秤盘上待测物体的质量和砝码质量间的平衡状态为了保护天平的刀口，在立柱内装有制动器，旋转立柱下部的制动钮，可使刀承平面上下升降天平在不使用时或在称衡过程中添加砝码时，应处于制动状态这时刀承面降下，使横梁放置在立柱两旁的支架上，以保护刀口只有在称衡过程中考察天平是否平衡时才支起横梁横梁两端有调节空载平衡用的配重螺母，横梁上有放置旋码的分度标尺。

天平立柱固定在稳固的底盘上，并。