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1、
實(shí)驗(yàn)一 基本測量
一、【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?
1、掌握測定規(guī)則物體密度的一種方法。
2、學(xué)習(xí)使用物理天平的方法。
3、進(jìn)一步熟悉游標(biāo)卡尺和螺旋測微計(jì)的使用。
4、學(xué)會(huì)誤差處理。
二、【實(shí)驗(yàn)儀器】
游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、物理天平、金屬圓柱體
三、【實(shí)驗(yàn)原理】
1、游標(biāo)卡尺
游標(biāo)卡尺是由毫米分度值的主尺和一段能滑動(dòng)的游標(biāo)副尺構(gòu)成,它能夠把mm位下一位的估讀數(shù)較準(zhǔn)確地讀出來,因而是比鋼尺更準(zhǔn)確的測量儀器。游標(biāo)卡尺可以用來測量長度、孔深及圓筒的內(nèi)徑、外徑等幾何量。
游標(biāo)卡尺的讀數(shù)原理如下:
游標(biāo)副尺上有n個(gè)分格,它和主尺上的(n-1)個(gè)分格的總長度相等,一般主尺上
2、每一分格的長度為1mm,設(shè)游標(biāo)上每一個(gè)分格的長度為x,則有nx=n-1,主尺上每一分格與游標(biāo)上每一分格的差值為1-x=1/m(mm),因而1/m(mm)是游標(biāo)卡尺的最小讀數(shù),即游標(biāo)卡尺的分度值。若游標(biāo)上有20個(gè)分格,則該游標(biāo)卡尺的分度值為1/20=0.05mm,這種游標(biāo)卡尺稱為20分游標(biāo)卡尺;若游標(biāo)上有50個(gè)分格,其分度值為1/50=0.02mm,稱這種游標(biāo)卡尺為50分游標(biāo)卡尺。
游標(biāo)卡尺的儀器誤差:一般取游標(biāo)卡尺的最小分度值為其儀器誤差。
游標(biāo)卡尺的讀數(shù):
從游標(biāo)卡尺的主尺上準(zhǔn)確讀出mm位,在副尺上讀出mm位的下一位,以50分游標(biāo)卡尺為例,若副尺上的第N格與主尺上的某一格對(duì)齊,
3、則副尺的讀數(shù)為0.02*N,主副尺讀數(shù)之和即是測量值。
使用游標(biāo)卡尺的注意事項(xiàng):
1、測量之前應(yīng)檢查游標(biāo)卡尺的零點(diǎn)讀數(shù),看主副尺的零刻度線是否對(duì)齊,若沒有對(duì)齊,須記下零點(diǎn)讀數(shù),以便對(duì)測量值進(jìn)行修正。
2、卡住被測物時(shí),松緊要適當(dāng),不要用力過大,注意保護(hù)游標(biāo)卡尺的刀口。
3、測量圓筒內(nèi)徑時(shí),要調(diào)整刀口位置,以便測出的是直徑而不是弦長。
2、螺旋測微計(jì)
螺旋測微計(jì)(又稱千分尺),它是依據(jù)螺旋放大的原理制成的,主要部分為一個(gè)螺距為0.5mm的微動(dòng)螺桿在固定螺母中旋轉(zhuǎn),當(dāng)微動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí),帶有刻度的螺帽也跟隨螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng),螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進(jìn)或后退一個(gè)螺距的距離。因此,沿軸線方
4、向的微小移動(dòng)距離,就能用旋轉(zhuǎn)螺帽上的讀數(shù)表示出來。螺旋測微器的精密螺紋的螺距是0.5mm,旋轉(zhuǎn)螺帽有50個(gè)等分刻度,因此旋轉(zhuǎn)螺帽每旋轉(zhuǎn)一小格,相當(dāng)于測微螺桿前進(jìn)或后退這0.5/50=0.01mm??梢?,轉(zhuǎn)動(dòng)螺帽的每一小格表示0.01mm,所以以螺旋測微器可準(zhǔn)確到0.01mm。由于還能再估讀一位,可讀到毫米的千分位。
零點(diǎn)修正:在用螺旋測微器測長時(shí),如遇上零點(diǎn)不準(zhǔn)的情況,需要進(jìn)行零點(diǎn)修正。 測量前要記下零點(diǎn)讀數(shù),做法和測量時(shí)一樣輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪,讓測桿與砧臺(tái)接觸,當(dāng)聽到一、二聲咔、咔聲即停,此時(shí)的讀數(shù)即為零點(diǎn)讀數(shù)。 若零點(diǎn)讀數(shù)記為l0,測量讀數(shù)為l測,則被測物的實(shí)際長度l實(shí)為:l實(shí) =l測 –l
5、0 l0可正可負(fù)。如圖(a)微分筒的零線未到固定套管上的橫線,此時(shí)l0的讀數(shù)為 0.008mm,相當(dāng)于在測量前砧臺(tái)和測桿間已夾入了長 0.008mm 的 物體,故l測比l實(shí)大了0.008mm,這時(shí)l0為+0.008mm,應(yīng)取正值。反之如圖(b),則l0取負(fù)值。
3、物理天平
物理天平的主要參數(shù)有:
(1)最大稱量值:它是天平允許稱衡的最大質(zhì)量。
(2)分度值:是指天平的指針從標(biāo)尺的中間位置偏離一小格時(shí),天平上兩稱盤的質(zhì)量差。
(3)相對(duì)精度:天平的分度值與最大稱量值之比稱為相對(duì)精度。
物理天平的操作步驟如下:
(1)調(diào)整底座水平:旋轉(zhuǎn)天平的底腳螺絲,使底座水
6、平儀中氣泡處于中位置。
(2)調(diào)節(jié)零點(diǎn):調(diào)節(jié)橫梁兩端螺母,使得稱量前指針達(dá)到刻度零點(diǎn)位置。
(3)稱量:先制動(dòng)天平,將待測物體放在左盤,砝碼放在右盤,再稍微啟動(dòng)天平,觀察指針是否在中央,如不在中央,應(yīng)先制動(dòng)天平,反復(fù)調(diào)整砝碼和游標(biāo)碼,直至天平平衡為止。這時(shí)被稱物體的質(zhì)量就等于所放砝碼和移動(dòng)游碼所讀的總質(zhì)量。
使用天平的注意事項(xiàng):
(1)使用天平前,應(yīng)先了解天平的最大稱量值,常用物理天平的最大稱量值為500或1000g,負(fù)載量不得超過最大稱量值。
(2)為保護(hù)天平的刀口,在取放物體、砝碼、調(diào)節(jié)平衡時(shí),要制動(dòng)天平,只有在觀察天平是否平衡時(shí)才將天平啟動(dòng)。
(3)不要用手直接拿取砝碼,要用
7、鑷子夾取,以保護(hù)砝碼的準(zhǔn)確度。
測定固體物體(金屬圓柱體)的密度可先測量其體積V和質(zhì)量m,再根據(jù)算出其密度。
四、【實(shí)驗(yàn)步驟】
1.正確使用物理天平,稱出圓柱體的質(zhì)量
2.用游標(biāo)卡尺測量金屬圓柱體的高度h,在不同位置測量5次求出、、等。
3.用螺旋測微計(jì)測圓柱體外徑,在不同部位測量9次,求、、。
4.根據(jù)公式算出金屬的密度。
五、【注意事項(xiàng)】
1.游標(biāo)卡尺讀數(shù)時(shí)要正視尺面,避開陽光的側(cè)照,以減小誤差。
2.使用螺旋測微器前要檢查是否有零差;當(dāng)測微螺桿接近待測物時(shí),不要直接旋轉(zhuǎn)微分筒,而應(yīng)旋轉(zhuǎn)棘輪,以免壓力過大,損壞螺旋測微器。
3.使用物理天平時(shí),調(diào)節(jié)平衡螺母、加減砝碼、移
8、動(dòng)游碼時(shí)必須將橫梁放下進(jìn)行。
六、【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果】
數(shù)據(jù)表格:
上
中
下
高度
金屬圓柱體的質(zhì)量= kg
金屬圓柱體的密度
七、【練習(xí)與思考】
附注:測量與誤差
(1)測量
物理實(shí)驗(yàn)不僅要定性的觀察物理現(xiàn)象,更重要的是找出有關(guān)物理量之間的定量關(guān)系。因此就需要進(jìn)行定量的測量。測量就是借助儀器用某一
9、計(jì)量單位把待測量的大小表示出來。根據(jù)獲得測量結(jié)果方法的不同,測量可分為直接測量和間接測量:由儀器或量具可以直接讀出測量值的測量稱為直接測量。如用米尺測量長度,用天平稱質(zhì)量;另一類需依據(jù)待測量和某幾個(gè)直接測量值的函數(shù)關(guān)系通過數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得測量結(jié)果,這種測量稱為間接測量。如用伏安法測電阻,已知電阻兩端的電壓和流過電阻的電流,依據(jù)歐姆定律求出待測電阻的大小。
一個(gè)物理量能否直接測量不是絕對(duì)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,測量儀器的改進(jìn),很多原來只能間接測量的量,現(xiàn)在可以直接測量了。比如車速的測量,可以直接用測速儀進(jìn)行直接測量。物理量的測量,大多數(shù)是間接測量,但直接測量是一切測量的基礎(chǔ)。
一個(gè)被測物理量,除
10、了用數(shù)值和單位來表征它外,還有一個(gè)很重要的表征它的參數(shù),這便是對(duì)測量結(jié)果可靠性的定量估計(jì)。這個(gè)重要參數(shù)卻往往容易為人們所忽視。設(shè)想如果得到一個(gè)測量結(jié)果的可靠性幾乎為零,那么這種測量結(jié)果還有什么價(jià)值呢?因此,從表征被測量這個(gè)意義上來說,對(duì)測量結(jié)果可靠性的定量估計(jì)與其數(shù)值和單位至少具有同等的重要意義,三者是缺一不可的。
(2)誤差
絕對(duì)誤差 在一定條件下,某一物理量所具有的客觀大小稱為真值。測量的目的就是力圖得到真值。但由于受測量方法、測量儀器、測量條件以及觀測者水平等多種因素的限制,測量結(jié)果與真值之間總有一定的差異,即總存在測量誤差。設(shè)測量值為N,相應(yīng)的真值為N0,測量值與真值之差ΔN
Δ
11、N=N-N0
稱為測量誤差,又稱為絕對(duì)誤差,簡稱誤差。
誤差存在于一切測量之中,測量與誤差形影不離,分析測量過程中產(chǎn)生的誤差,將影響降低到最低程度,并對(duì)測量結(jié)果中未能消除的誤差做出估計(jì),是實(shí)驗(yàn)測量中不可缺少的一項(xiàng)重要工作。
相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差與真值之比的百分?jǐn)?shù)叫做相對(duì)誤差。用E表示:
由于真值無法知道,所以計(jì)算相對(duì)誤差時(shí)常用N代替。在這種情況下,N可能是公認(rèn)值,或高一級(jí)精密儀器的測量值,或測量值的平均值。相對(duì)誤差用來表示測量的相對(duì)精確度,相對(duì)誤差用百分?jǐn)?shù)表示,保留兩位有效數(shù)字。
(3) 誤差的分類
根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因,誤差可分為三類:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。
1
12、. 系統(tǒng)誤差 是指在同一條件(指方法、儀器、環(huán)境、人員)下多次測量同一物理量時(shí),結(jié)果總是向一個(gè)方向偏離,其數(shù)值一定或按一定規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差的特征是具有一定的規(guī)律性。
系統(tǒng)誤差的來源具有以下幾個(gè)方面:
(1)儀器誤差 它是由于儀器本身的缺陷或沒有按規(guī)定條件使用儀器而造成的誤差。如螺旋測徑器的零點(diǎn)不準(zhǔn),天平不等臂等。
(2)理論誤差 它是由于測量所依據(jù)的理論公式本身的近似性,或?qū)嶒?yàn)條件不能達(dá)到理論公式所規(guī)定的要求,或測量方法不當(dāng)?shù)人鸬恼`差。如實(shí)驗(yàn)中忽略了摩擦、散熱、電表的內(nèi)阻、單擺的周期公式的成立條件等。
(3)個(gè)人誤差 它是由于觀測者本人生理或心理特點(diǎn)造成的誤差。如有人用秒表測時(shí)間
13、時(shí),總是使之過快。
(4)環(huán)境誤差 是外界環(huán)境性質(zhì)(如光照、溫度、濕度、電磁場等)的影響而差生的誤差。如環(huán)境溫度升高或降低,使測量值按一定規(guī)律變化。
產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因通常是可以被發(fā)現(xiàn)的,原則上可以通過修正、改進(jìn)加以排除或減小。分析、排除和修正系統(tǒng)誤差要求測量者有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這方面的知識(shí)和技能在我們以后的實(shí)驗(yàn)中會(huì)逐步地學(xué)習(xí),并要很好地掌握。
2. 隨機(jī)誤差 在相同測量條件下,多次測量同一物理量時(shí),誤差的絕對(duì)值符號(hào)的變化,時(shí)大時(shí)小、時(shí)正時(shí)負(fù),以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱為隨機(jī)誤差,有時(shí)也叫偶然誤差。
引起隨機(jī)誤差的原因也很多,與儀器精密度和觀察者感官靈敏度有關(guān)。如無規(guī)則的溫度變化,氣
14、壓的起伏,電磁場的干擾,電源電壓的波動(dòng)等,引起測量值的變化。這些因素不可控制又無法預(yù)測和消除。
當(dāng)測量次數(shù)很多時(shí),隨機(jī)誤差就顯示出明顯的規(guī)律性。實(shí)踐和理論都已證明,隨機(jī)誤差服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律(正態(tài)分布),其特點(diǎn)表現(xiàn)為:
① 單峰性 絕對(duì)值小的誤差出現(xiàn)的概率比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的概率大;
② 對(duì)稱性 絕對(duì)值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同;
③ 有界性 絕對(duì)值很大的誤差出現(xiàn)的概率趨于零;
④ 抵償性 誤差的算術(shù)平均值隨著測量次數(shù)的增加而趨于零。
因此,增加測量次數(shù)可以減小隨機(jī)誤差,但不能完全消除。
3. 粗大誤差 由于測量者過失,如實(shí)驗(yàn)方法不合理,用錯(cuò)儀器,操作不當(dāng),讀錯(cuò)數(shù)值或記錯(cuò)數(shù)
15、據(jù)等引起的誤差,是一種人為的過失誤差,不屬于測量誤差,只要測量者采用嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度,過失誤差是可以避免的。在數(shù)據(jù)處理中要把含有粗大誤差的異常數(shù)據(jù)加以剔除。剔除的準(zhǔn)則一般為3σ準(zhǔn)則或肖維勒準(zhǔn)則。
(4) 測量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度
測量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度都是評(píng)價(jià)測量結(jié)果的術(shù)語,但目前使用時(shí)其涵義并不盡一致,以下介紹較為普遍采用的說法。
精密度表示的是在同樣測量條件下,對(duì)同一物理量進(jìn)行多次測量,所得結(jié)果彼此間相互接近的程度,即測量結(jié)果的重復(fù)性、測量數(shù)據(jù)的彌散程度,因而測量精密度是測量偶然誤差的反映。測量精密度高,偶然誤差小,但系統(tǒng)誤差的大小不明確。
準(zhǔn)確度表示的是測量結(jié)果與真值接近
16、的程度,因而它是系統(tǒng)誤差的反映。測量準(zhǔn)確度高,則測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值偏離真值較小,測量的系統(tǒng)誤差小,但數(shù)據(jù)較分散,偶然誤差的大小不確定。
精確度表示的則是對(duì)測量的偶然誤差及系統(tǒng)誤差的綜合評(píng)定。精確度高,測量數(shù)據(jù)較集中在真值附近,測量的偶然誤差及系統(tǒng)誤差都比較小。
(5)隨機(jī)誤差的估計(jì)
對(duì)某一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí),其測量結(jié)果服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,也就是正態(tài)分布(或高斯分布)。我們用描述高斯分布的兩個(gè)參量(x和σ)來估計(jì)隨機(jī)誤差。設(shè)在一組測量值中,n 次測量的值分別為:
1.算術(shù)平均值
根據(jù)最小二乘法原理證明,多次測量的算術(shù)平均值
17、 (1—1)
是待測量真值的最佳估計(jì)值。稱為近似真實(shí)值,以后我們將用來表示多次測量的近似真實(shí)值。
2.標(biāo)準(zhǔn)偏差
根據(jù)隨機(jī)誤差的高斯理論可以證明,在有限次測量情況下,單次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:
(貝塞爾公式) (1—2)
通常稱為偏差,或殘差。表示測量列的標(biāo)準(zhǔn)偏差,它表征對(duì)同一被測量在同一條件下作n次(在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,通常?。┯邢逌y量時(shí),其結(jié)果的分散程度。其相應(yīng)的置信概率接近于58.3%。其意義是n次測量中任一次測量值的誤差(或偏差)落在()區(qū)間的可能性約為68.3%,也就是真值落在()范圍的概率為68.3%。標(biāo)準(zhǔn)偏差小表示測量值密集,即測量的精密度高;標(biāo)準(zhǔn)偏差大表示測量值分散,即測量的精密度低。
3. 算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差
當(dāng)測量次數(shù)n有限,其算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為
(1—3)
其意義是測量平均值的隨機(jī)誤差在之間的概率為68.3%?;蛘哒f,待測量的真值在范圍內(nèi)的概率為68.3%。因此反映了平均值接近真值的程度。