物理实验设计与应用 （初中）.ppt

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1、物理实验设计与应用（初中）,朱炯明上海师范大学 数理信息学院,我们的实验室,物理实验设计与应用,二 长度测量三 密度的测定五 用单摆法测重力加速度,二长度测量,实验目的 实验原理 实验内容 思考题 附录,实验目的,本实验的长度测量所涉及到的测长量具和方法是日常生活、工作中最常用的，也是最基本的。同时也是现代高精度测量仪器的基本组元之一，是一切测量的基础。 通过本实验的学习，要掌握游标卡尺、千分尺和读数显微镜的构造特点、规格性能、读数原理、使用方法以及维护知识等，并注意在以后的实验中恰当地选择使用。,实验原理,1. 游标卡尺2. 螺旋测微计（千分尺）3. 读数显微镜,1. 游标卡尺,（1）游标卡

2、尺的结构（2）游标读数原理（3）游标卡尺的读数 读数 零点修正,游标卡尺的结构,游标是为了提高角度、长度微小量的测量精度而采用的一种读数装置。测量用的游标卡尺就是用游标原理制成的典型量具。游标卡尺的外形结构如图 2-1所示。游标量具是由主尺（固定不动）和沿主尺滑动的游标尺组成的。,游标卡尺的结构,(1) 深度尺 (2) 尺身 (3) 尺框 (4) 固定螺栓(5) 下量爪 (6) 游标 (7) 刀口型量爪,图 2-1,游标卡尺的结构,当拉动尺框(3)时，两个量爪做相对移动而分离，其距离大小的数值从游标(6)和尺身(2)上读出 下量爪(5)用于测量各种外尺寸 刀口型量爪(7)用于测量深度不深于12

3、 mm的孔的直径和各种内尺寸 深度尺(1)同定在尺框(3)的背面，能随着尺框在尺身(2)的导槽(在尺身背面)内滑动，用于测量各种深度尺寸，测量时，尺身(2)的端面A是测定定位基准,游标读数原理,游标量具的组成 主尺 （固定不动） 游标尺（沿主尺滑动） 游标分度值：主尺一格（两条相邻刻线间的距离）的宽度与游标尺一格的宽度之差 游标卡尺的主尺刻度为每格 l mm，游标分度值有 0.10 mm、0.05 mm、0.02 mm 三种,游标读数原理,十分游标： 把游标尺等分为十个分格 图 2-2 是它的读数原理示意图：游标上有10个分格，其总长正好等于主尺的 9个分格。主尺上一个分格是 1 mm，因此游

4、标上10个分格的总长等于 9 mm它一个分格长度是 0. 9 mm，与主尺一格的宽度之差（游标分度值）为 0. 10 mm。,图 2-2,游标读数原理,从图 2-2(a)中两尺（游标尺和主尺）的“0”线对齐开始向右移动游标尺 移动 0.1 mm，两尺的第一根线对齐，两根“0”线相距为 0.1 mm 移动 0.2 mm，第二根线对齐，“0”线相距 0.2 mm 移动 0.9 mm，第九根线对齐，“0”线相距 0.9 mm 该值就是游标 尺在该位置时 主尺的小数值,图 2-2,游标读数原理,利用游标原理可以准确地判断游标尺的“0”线与主尺上刻线间相互错开的距离，该距离的大小，就是主尺的小数值 当量

5、爪(5)之间夹一纸片时，游标尺上第二根线与主尺第二根线对齐，则纸片厚度为 0.2 mm 见图 2-2(b),图 2-2,游标卡尺的读数,整数值：游标尺的“0”线是读毫米的基准，主尺上挨近游标“0”线左边最近的那根刻线的数字就是主尺的毫米值 小数值：游标尺上哪一根线与主尺上的刻线对齐，将该线的序号乘游标分度值（也可在游标尺上直接读出） 测量值：将整数和小数相加 （见图 2-3）,游标卡尺的读数,读数时要注意 主尺上刻的数字是厘米数例如：主尺上刻度 13 是表示 13 cm，即 130 mm 游标尺上刻的数字是游标分度值例如：刻度 0.05 mm、0.02 mm 和 0.10 mm分别表示游标分度

6、值为 0.05 mm、0.02 mm和 0.10 mm,游标卡尺的读数,从图中看到 整数是 132 mm，因为主尺的第 132 根刻度线挨近游标尺的“0”线的左边 小数是 0.05 mm 9 = 0.45 mm，因为游标尺的第 9 根刻度线与主尺上的一根刻度线对齐 故两次读数之和 为 132.45 mm,游标卡尺的读数（零点修正）,零点修正 测量之前，检查游标尺和主尺在量爪(7)合拢时，零线是否重合如不重台，应记下零点读数加以修正例如，零点读数为 I0，测量读数值为 I1，则待测量 I = I1 - I0 （ I0 可正可负 ）,2. 螺旋测微计（千分尺）,千分尺的结构千分尺的读数原理,图 2

7、-4,千分尺,千分尺的结构,1. 测砧2. 测微螺杆3. 固定套筒4. 微分筒5. 测力装置6. 锁紧装置 7. 护板 8. 后盖,图 2-4,千分尺的结构,固定套筒上的标尺刻度在水平基线的上下 上面刻度线是 mm数，下面刻度线在上面二刻线之中，表示 0.5 mm 微分筒端部圆周上等分 50 个刻度 千分尺结构的主要部件是一个高精度螺旋丝杆，螺距是 0.5 mm。根据螺旋推进原理，微分筒转过一周，测微螺杆位移一个螺距距离 0.5 mm 微分筒转过一分度，相当于测微螺杆位移 0.5 mm50 = 0.01 mm,千分尺的读数原理,读千分尺和读游标尺一样，也分三步：读整数读小数求和,图 2-5,读

8、整数,微分筒的端面是读取整数的基准 微分筒端面左边固定套筒上露出的刻线的数字就是主尺的读数，即整数,图 2-5,读小数,固定套筒的基线是读取小数的基准 微分筒上是哪一条剡线与固定套筒的基线对齐 如果固定套简上的 0.5mm 刻线没有露出，则微分筒上与基线对齐的那条刻线的数字就是测得的小数 如果 0.5mm 刻线已露出，则微分筒上读得的数字再加上 0.5mm才是测得的小数（ 这点要特别注意） 如果微分筒上没有任何一条刻线与基线恰好对齐，则应该估读到小数点后第三位数,求和,将两个读数（整数和小数）相加，即为所求的测量结果图 2-5 给出了读数示例,图 2-5,3. 读数显微镜,读数显微镜的结构和测

9、量原理 读数显微镜的使用方法,读数显微镜的结构和测量原理,读数显微镜是用于精确测量微小长度的专用显微镜。它主要由用于测量的螺旋测微装置和用于观察的显微镜两部分组成。图 2-6 是实验室常用的读数显微镜之一。,读数显微镜的结构和测量原理,测微鼓轮A的周边上刻有100个分格，鼓轮旋转一周，显微镜简水平移动 1 mm，每转一分格，显微镜简将移动 0.01 mm，它的量程一般是 50 mm，水平移动的距离（毫米数）由水平标尺 F上读出，小于 l mm 的数，由测微鼓轮读出，两者之和就是此时读数显微镜的位置坐标值，图 2-6(b)是读数显微镜的螺旋测微装置，它包括标尺 F、读数准线 El 和 E2、测微

10、鼓轮A。,读数显微镜的使用方法,a) 调整目镜C，看清十字叉丝b) 将待测物安放在工作台上，转动反光镜H，以得到适当亮度的视场c) 旋动调焦手轮D，使镜筒B下降到接近物体的表面，然后逐渐上升，看清待测物d) 转动测微鼓轮A，使叉丝交点和被测物上的一点（或一条线）对准，记下读数，继续转动鼓轮，使叉丝交点对准另一点，再记下读数。两次读数之差即所测两点间的距离,读数显微镜的使用方法,测量时，显微镜筒的移动方向和被测两点间连线平行。为了防止螺距差，测量时应向同一方向转动鼓轮，若不小心超过了被测目标，就要退回，再重新测量,实验内容,1用钢板尺多次测量圆柱体的长度和直径，求出长度和直径的平均值2用游标卡尺

11、多次测量金属圆管的内、外直径和管的长度求出金属圆管的总表面面积3用千分尺多次测量金属小球和金属细丝的直径，要在不同方向上测小球的直径，在不同位置测细丝直径，分别求出金属小球和细丝的平均直径4用读数显微镜测量毛细管内径在垂直的两个方向上各测三次，给出平均内径,思考题,1. 利用细铁丝和米尺怎样测量开口比较小的瓶子？请写出实验方案2. 用棉线、米尺和手表怎样测量蚊香燃烧的速度？请写出实验方案,附录1 千分表,千分表是一种测量微小长度变化的量具，其外形及内部结构如图 2-7 和 2-8 所示。外套管(4)可用以固定千分表，测头(6)连接表盘中一0的指针(2)，当(4)被固定后，(6)每被压缩 1 m

12、m 时，(2)就转过一圈，表盘上等分100小格。,模拟试题,1. 已知游标卡尺的分度值为 0.02mm，主尺最小刻度为 0.5mm，则游标的格数为（） A. 10格B. 15格 C. 20格D. 25格2. 用分度值为 0.02mm 的游标卡尺测某物体的长度，正确的数据记录为（ ） A. 67.88mmB. 5.67mm C. 45.748mmD. 36.9mm,模拟试题,3. 螺旋测微计的初读数在测量时会造成（ ） A. 系统误差B. 偶然误差 C. 过失误差D. 以上三种都不正确4. 用螺旋测微计测一直径为1.5 mm左右的小钢球时，因忘记注意下面的半毫米刻度，其测量所得结果可能是 （ ）

13、 A. 2.062 mm B. 1.562 mm C. 1.062 mm D. 0.562 mm,模拟试题,5. 螺旋测微计初读数如图1（a）所示， 其值为mm，测量物体时，读数如图1（b）所示，其值为 mm，则待测物体的长度为mm。,物理实验设计与应用,二 长度测量三 密度的测定五 用单摆法测重力加速度,三 密度的测定,实验器材 实验原理 实验内容 思考题,实验器材,实验器材,演示,BACK,实验原理,(1) 卡尺法(2) 流体静力称衡法(3) 比重瓶法,(1) 卡尺法,一均匀的物体，若其质量为 m，体积为 V，则该物体的密度,(3-1)几何形状简单且规则的物体，可用分析天平准确的测定物体的

14、质量 m，用卡尺或千分尺等量具测定其体积 V，由式(3-1)式求出样品的密度，但此种方式往往既麻烦又不易测准。,(2) 流体静力称衡法,几何形状不规则的物体，其体积无法用量具测定。为了克服这一困难，可以利用 阿基米德原理 先测量物体在空气中的质量 m 再将该物体浸没在密度为0 的某液体中，物体所受的浮力等于所排开的液体的重量 m0 g ，即 F =0V0 g = m0 g (3-2)于是物体作用于天平秤盘的力为,m1 称为该物体浸在该液体中时的“质量”,(2) 流体静力称衡法,该物体在空气中的质量 m ，在液体中的“质量” m1 ，均可由分析天平精确测定。物体的密度可由下式确定：,(3-3)0

15、可由物理学常数表中查出，因此，求物体体积就转化为求 m 和 m1 的问题，而 m 和 m1 是能够准确测定的,(2) 流体静力称衡法,用流体静力称衡法测液体的密度 把该物体浸入另一待测液体中，秤衡的“质量”为 m，则该待测液体的密度,(3-4),Why?,(3) 比重瓶法,用比重瓶法能够准确地测定下列物体的密度 液体 不溶于液体介质的小块固体 粉末 颗粒状物质,(3) 比重瓶法,m0 空比重瓶质量 m1 比重瓶加待测固体的总质量 m2 比重瓶加待测固体和加满液体时的总质量 m3 比重瓶仅盛满液体时的质量 （ 液体密度 0 ）则 待测固体的密度,(3-5),Why?,(3) 比重瓶法,m0 空比

16、重瓶质量 m1 比重瓶加待测固体的总质量 m2 比重瓶加待测固体和加满液体时的总质量 m3 比重瓶仅盛满液体时的质量,待测固体的质量,等体积液体的质量减去待测固体的质量,液体密度 0 固体密度 ,实验内容,1测量某金属圆柱体的密度 (1) 用游标卡尺测量金属圆柱体的直径D和高度H，计算金属圆柱的体积，计算其密度 (2) 用流体静力称衡法测定金属圆柱体的密度，计算实验结果，并与卡尺法比较2用比重瓶法测定小块固体的密度，并计算实验结果,实验内容,3用流体静力称衡法测定液体(酒精或甘油)的密度，并计算实验结果 (选作)。4用流体静力称衡法测定不规则石蜡的密度，并计算实验结果。 请自己设计实验步骤并画

17、出标准的数据表格。,思考题,1. 怎样测定比重瓶体积？2. 用天平、量筒和水完成下列实验课题：（1）测量牛奶的密度；（2）鉴别看上去像是纯金的戒指；（3）测定一捆铜导线的长度；（4）鉴别铜球是空心的还是实心的；（5）用天平称出一堆大头针的数目。 你认为能够完成的实验是 A（1）（2） B（1）（2）（4） C（1）（2）（4）（5） D（1）（2）（3）（4）（5）,模拟试题,1. 用静力学称衡法测某固体密度的实验中，当称量它浸入流体中的质量时，若被测物紧靠盛液杯或与杯底接触，实验结果将 （） A. 偏大B. 不变 C. 偏小D. 随时间变化,C,模拟试题,2. 用比重瓶法测量酒精密度所得数据

18、如下：空比重瓶的质量 m1 = 26.15 g，盛满酒精后的质量 m2 = 66.12 g，比重瓶装满水后的质量 m3 = 76.45 g，则测得酒精密度 为（ ）g /cm3 A. 0.8 B. 0.79 C. 0.794 D. 0.7940,物理实验设计与应用,二 长度测量三 密度的测定五 用单摆法测重力加速度,单摆的等时性原理,伽利略在比萨大教堂内观察一个圣灯的缓慢摆动时，用他的脉搏跳动作为计时器计算圣灯摆动的时间。他发现连续摆动的圣灯，每次摆动的时间间隔是相等的，与圣灯摆动的振幅无关，井用实验证实了观察的结果，这就是单摆的等时性原理。,重力加速度,应用单摆来测量重力加速度简单方便，因为

19、单摆的振动周期取决于振动系统本身的性质即取决于重力加速度 g 和 摆长 L 反过来，只需要量出摆长，并测定摆动的平均周期，就可算出重力加速度 g 的值 地球上各个地区重力加速度 g 的数值，是随该地区的地理纬度和相对于海平面的高度的不同而稍有差异 （最大的是南北两极的 g 值与最小的赤道附近的 g 值相差仅约 1300 ）,五 用单摆法测重力加速度,实验目的 实验器材 实验原理 思考题,图41,实验目的,1验证单摆振动周期的平方与摆长成正比2用单摆装置测量，用图解法处理数据，求出本地区重力加速度 g 的值3学习使用秒表,实验器材,单摆是由轻质细线和悬在线下端体积很小的重球构成。在摆长远大于球的

20、直径，摆球质量远大于线的质量的条件下，将悬挂的摆球自平衡位置拉至一边 ( 很小距离，摆角小于 5 )，然后释放摆球即在平衡位置左右往返作周期性摆动，如图 5 - 1 所示。,实验器材,实验器材,单摆演示,实验原理,摆球所受回复力是重力 P 的切向分力，沿切线方向指向平衡位置。当摆角很小时 ( 5 )，圆弧可近似地看成直线。设摆长为 L，小球位移为 s ，质量为 m ，则,由 Ft = ma ，可知,实验原理,单摆在摆角很小时的运动，近似地认为是简谐振动，式中负号表示 Ft 与位移 s 方向相反比较筒谐振动公式可得,于是单摆运动的周期为 （5 - 2）则重力加速度 g 为,实验原理,一般做单摆实

21、验时采用某一个固定摆长 L，多次测量周期 T ，取平均，代人（5 - 2）式，即可求得当地的重力加速度 g 若测出不同摆长 L 下的周期 Ti ，作 T 2i Li 关系曲线，所得结果为一直线，这就证明了它的周期随摆长的变化满足关系式（5 - 2），由直线的斜率可求出当地的重力加速度 g 从理论上讲，式（5 - 2）所表示的直线应通过坐标原点，实际所得直线若不通过原点，说明它有系统误差存在,实验原理,思考题,1. 请设计利用电磁打点计时器测量重力加速度 g 的实验。（要求写出测量方法和计算公式）2. 为了测定当地重力加速度，请同学根据下面提供的实验仪器，设计出测量重力加速度 g 的方案。（若考虑小车与斜面的摩擦系数，要求写出测量 g 的方法和公式）实验仪器：斜面、光电门、数字毫秒计、游标卡尺、档光板、小车等。,1. 验证 的正确性，在摆幅很小时测得不 同摆长 Li 对应的周期 Ti ，作 T2 L 图，下列结果验证了单摆周期公式的是（ ） A. T2 L 图是一条斜率为 的直线 B. T2 L 是一条过原点的任一直线 C. T2 L 图是一条截距为零，斜率 为的直线 D. 以上三种情况均可以,模拟试题,C,