基础性实验 实验1物体密度的测量 帝度是物质的匝要属性之一，是表征物体成分或组织结构特征的物理量，工业上经常通 过测定物体的帝度来进行原料成分的分析、液体浓度的测定和材料纯度的鉴定。不同类型的 物质需要不同的密度测量方法，学习这些方法是·分重要的。 一、实验目的： 1.掌捏测定规则物体和个规则物体索度的方法： 2.罩握游表卡尺、螺岸测微器、物理天平的使用方法 3.学习个确定度的计算方法，正确地表示测量结果： 学习正确书写实验报告 二、实验仪器： 1.游表卡尺：(0-150mm.0.02mm) 2.螺旋测微器：(0-25mm.0.01mm) 3.物理天Ψ：(TW-02B型，200g.0.02g) 三、实验原理 内容一：测量细铜棒的密度 根据P= 4m (1) 可得p= (2) d21 只要测出圆杜体的质量m、外径d和高度，就可算出其密度。 内容二：用流体静力称衡法测不规则物体的帝度 待物 于液体的 根据阿基米德原理：F=P,g和物体在液体中所受的浮力：F=W-形=(m一m,)g 可得 D= (3) m是待测物体质量，m是待测物体在液体中的质量，本实验中液体用水，P。即水的帝度，不 同温度下水的密度见教材附录。 2.待测物体的密度小于液体的密度 将物体拴上 个重物，加上这个重物后，物体连同重物可以全部浸没在液体中，这时进 行称衡。根据阿基米德原理和物体在液体中所受的浮力关系可得被测物体的密度： (4) 图1用流体静力称衡法称密度小于水的物体
只有当浸入液体后物体的性质不会发生变化时，才小能用此法来测定它的密度。 四。实验步骤： 实验内这一：量细银挂的密度 1.熟悉游标卡尺和螺旋测微器正确燥作的使用方法，记下所用游标卡尺和蝶旋测微器 的量程， 分度值和仪器误差零点读数 2.用游标卡尺测细铜棒的长度在不同方位测量5次分别用游标卡尺和螺旋测微器测 细铜棒的直径5次，计算它们的平均值（注意零点修正）和个确定度写出测量结果表达 式并把结果记录表格内. 3.熟悉物理天平的使用的方法记下它的最大称量分度值和仪器误差.横梁平衡，正确操 作调节底座水半，正确燥作天半称出细铜棒的质量m并测5次，计算半均值和不确定 度，写出测量结果表达式 4.用下m=元所 4m 公式算出铜棒的平均密度 5.用不确定度的传递公式求出帝度的相对小确定度和绝对个确定度，与出最后的结果表 达式：p=p±△。=( )×103g/m3并记录到表格中 6.求出百分差：铜岸条斋度的参考值：Pm=8.426×10Kg/m 实验内容二：用流体静力称衡法测不规则物体的帝度 1。定外形不规则铁块的密度（大于水的案度）： (1)按照物理天平的使用方法，称出物体在空气中的质量m,标出单次测量的个确定 度，写出测最 (2)把盛有大半杯水的杯子放在天平左边的托盘上，然后将用细线挂在天平左边小钩 上的物体全部浸没在水中（注意不要让物体接触杯子边和底部，除去附着于物体表面的气 泡)，称出物体在水中的质量m1,标出单次测量的不确定度，写出测量结果。 (3)测出实验时的水温，由附录附表5中查出水在该温度下的密度P。 (1)山式(1-3)计算出p,同时用不确定度传递公式计算p的不确定度△。，最后写 出测量结果和相对不确定度，并和侠栓索度的参考值：P:=7.823×10Kg/m的数值比 较之，求出百分差 2.测定石蜡的密度〔小于水的密度) (1)同上测出石蜡在空气中的质量m (2)将石蜡拴上重物，测出石蜡仍在空气中，而重物浸没水中的质量m: (3)将石蜡和承物都浸没在水中，测出m (1)测出水温，由附录附表5中查出水在该温度下的密度P。 (5)式(1-4)计算。 分差： 索度的参考值：P=0.898x10'Kg/m 五、实验数据记录：（范例 铜岸条、侠栓、石蜡密度的理论参考值： Pm=8.426x10'Kg/m、Pu=7.823×10'Kg/m2、P5a=0.898×10'Kg/m
固体密度测量 仪器参数及系统误差记求 仪器名称 最大量程 分度值 仪器误差 仪器零点读数 游标卡尺(X10m) 150 0.02 0.02 0.00 螺旋测微器(×10m) 0.01 0.005 0.002 物理天平(×10Kg) 200 0.02 0.020 0.00 测量数据记录 物 平均悠止正不确结果百分 物理显 3 4 体 后位 定度 表示 d (×10'm h 细 (×10m m 流体静力称衡法度测量数据记 待测物体材料 铁块 石蜡块 待测物体在空气中的质量m(×10Kg) 待测物体在水中的质量1(×10Kg) 待测物体在空中拴上重物在水中的质量m(×10Kg) 物体和重物全浸入水中的质量m(×10Kg) 水温t(C) 水在t(C)时的密度p。(X10kg/m 待测物体的案度(×10⑧/ 用对不确定度 百分差 六、实验数据处理： d= 万= (d,-dy △牌=VS湖+△= +0.0052= n-1 Ae -Sig+Ai
A-VSstAu- Paho ÷快 △R=E雨×p En-Pa-Pas= P细多 合4 Pem-mA △做=E铁×P铁= E=PP P P”A △p4时=E8×P5= Frn-Pun -= P蜡场 七、结果讨论及误差分析： 1.铜帝度的百分差为负的0.12%，测量值比参考值偏小，但偏小较小。其误差产生的主要 原因：山于铜棒不是绝对圆杜体，所以圆杜直径的测量值存在着系统误差，另外茧然采用了 多次测显，但随机误差只能减小，不能消除。 2.铁斋度的百分差为负的0.72%，测量值比参考值偏小，但偏小较小。其误差产生的主要 原因：实验方法采用流体静力称衡法来测物体的密度，拴铁块的线用棉线，存在一定的系统 误差，而月放入水中在铁块周围存在少量的气泡，使侠块质量在水中的视值偏小，产生了系 统误差，测量值偏小
3.石蜡帝度的百分差在22%，误差较大。其误差产生的主要原因：实验方法采用流体 静力称衡法来测物体的密度，拴铁块和石蜡的线用棉线，存在一定的系统误差，而且放入水 中在石蜡和重物周围存在少量的气泡，使石蜡和重物在水中的视值偏小，另外被测石蜡是用 蜡烛，含有杂质，测量值偏大。 相关资料：相关仪器介绍 (一)天￥ 1.物理天平使用介绍 物理天平的构造如图4所示，在横梁上装有三角刀口A、下、下2，中间刀口A置于支 柱顶端的玛瑙刀口垫上，作为横梁的支点。两边刀口各有种盘P1、P,横梁上升或下降， 当横梁下降时，制动架就会把它托住，以免刀口磨 损。横梁两端各有一平衡蝶母B、B2,用于空载调 F,B 节半衡。横梁上装有游动砝码D,用于1g以下的称 最。 物理天平的规格山最大称量值和感量（或灵敏 度)来表示。最大称量值是天平允许称量的最大质 血§ 量。感量就是天平的指针从标肿上零点平衡位置转 过一格，天平两盘上的质量差，灵敏度是感量的倒 图2理大平 数，感量越小灵敏度就越高。物理天平的操作步骤： (1)水半调节：使用天平时，首先调节天平底 生下两个螺钉L1、L2,使水准仪中的气泡位于圆圈线的中央位置： (2)零点调节：天平空载时，将游动砝码拨到左端点，与0刻度线对齐。两端科盘法 挂在刀口上顺时针方向旋转制动旋钮0，启动天平，观察天平是杏半衡。当指针在刻度尺S 上来回摆动，左右摆幅近似相等，使可认为天半达到了平衡。如果不半衡，反时针方向旋转 制动旋缸Q,使天平制动，调节横梁两端的平衡媒母B,B2,再用前面的方法判断天平是 香处于平衡状态，直企达到空载半衡为止： (3)称量：把待测物体放在左盘中，右砝码盘中放胥砝码，经轻右旋制动旋钮使天平 启动，观察天平向哪边倾斜，立即反向旋转制动旋缸，使天平制动，酌情增减砝码，再启动， 观察天平倾斜情况。此反复调整，直到天平能够左右对称摆动。然后调节游动砝码，使天 平达到平衡，此时游动砝码的质量就是待测物体的质量。称量时选择砝码应山大到小，逐个 试用，直到最后利用游动砝码使天平平衡 (4)物理天平维护方法 1)天半的负载量不得超过其最大称量值，以免损坏刀口或横梁： 2)为了避免刀口受冲击而损坏，在取放物体、取放砝码、调节平衡螺母以及不使用天 平时，都必须使天平制动。只有在判断天平是古平衡时才将天平启动。天平启动或制动时， 旋转制动旋钮动作要轻： 3)砝码不能用手直接取拿，只能用镊子间接扶取。从秤盘上取下后应立即放入砝码盒
中： 4)天半的各部分以及砝码都要防锈、防腐蚀，高温物体以及有腐蚀性的化学药品不得 直接放在盘内称量： 5)称量完毕将制动旋钮左旋转，放下横梁，保护刀口。 2.分析天半使用介绍 图3分析天平 分析天半是比台秒史为精确的称量仪器，可精确称量至0.0001g(即0.1mg)以上。分 析天平类型多种多样，但其原理与使用方法基本相同。 原理：机械天半根据杠杆原理，当天平达半衡时，物体的质量即等于砝码的质量。电 子分析天半多采用电磁半衡方式，因称出的是重量，需要校准来消除重力加速度的影响。 注意事项： (1)动作要缓而轻：升降旋椒缓慢打开月开全最大位置，慢慢转动码，防止圈码脱 落或错位。 (2)称量物不能直接放在称量盘内，根据称量物的不同性质，可放在纸片、表面皿或 称量瓶内。不能称超过天平最大载重量的物体。 (3)同一称量过程中不能史换天半，以免产生相对误差 3.电子分析天平使用方法： 1)检查并调整天平企水平位置
图4电了分析大平 2)事先检查电源电压是否匹配（必要时配臀稳压器），按仪器要求通电预热全所需时间。 3)预热足够时间后打开天平开关，天平则自动进行灵敏度及零点调节。待稳定标志显 示后，可进行正式称量。 4)称量时将洁净称量瓶或称量纸置于称盘上，关上侧门，轻按一下去皮键，天平将自 动校对零点，然后渐入待称物质，直到所需承量为止。 5)被称物质的量是显示屏左下角出现“一”标志时，显示屏所显示的实际数值。 6)称量结束应及时除去称量瓶（纸），关上侧门，切断电源，并做好使用情况登记。 4.机械分析天半使用方法 1)慢慢旋动升降板纽，开启天平，观察指针的摆动范围，如指针摆动偏向一边，可调 节天平梁上零点调节螺丝 2)将要称量的物质从左门放入左盘中央，按先在托盘天平上称得的初称质量用镊子夹 取适当砝码从右门放入右盘中火，用左手慢慢半升升降钮（因天半两边质量相差太大时 全升升降枢钮可能会引起吊耳脱洛。损坏刀刃)，视指针偏离情况山大到小添减砝码。待克 组砝码试好后，再加游码调节。在加游码调节天半半衡过程中，右门必须关闭，这时可以将 升降板钮全部升起，待指针摆动停止后，要使标牌上所指刻度在零点或附近。 称量方法： 1)直接称量洗：所称同体试样果没有吸湿性并在空气中是稳定的，可用直接称量法 先在天平上准确称出洁净容器的质量，然后用药匙取适量的试样加入容器中，称出它的总质 量。这两次质量的数值相减，就得出试样的质量。 2)减量法：在分析天平上称量一般都用减量法。先称出试样和称量瓶的精确质量，然 后将称量瓶中的试样倒一部分在待盛药品的容器中，到估计量和所求量相接近。倒好药品后 盖上称量瓶，放在天半上再精确称出它的质量。两次质量的差数就是试样的质量。如果一次 倒入容器的药品太多，必须弁去重称，切勿放回称量瓶。如果倒入的试样不够可再加一次。 但次数宜少。 3)指定法：对于性质比较稳定的试样，有时为了便于计算，则可称取指定质量的样品 用指定法称量时，在天平盘的两边各放一块表面皿（它们的质量尽量接近），调节天平的平 衡点在中间刻度左右，然后在左边天半盘内加上固定质量的砝码，在右边天平盘内加上试样 (这样取放试样比较方便)，直全天半的半衡点达到原来的数值，这时，试样的质量即为指 定的质量
4)使用分析天半时除应遵循托盘天平有关操作规则外，还应注意：添加砝码、取放称 样或其它原因接触天平时应先把天平梁托住，古则易使刀口损坏，这是使用天平规则中最重 要的一条。每次称量时，应将天平门关好。加砝码后开启天平时，指针摆幅应控制在2~ 格之。被称样品视其性质放在洁净干燥的称量瓶或表面中称量，称量瓶不得用手全，要 用滤纸条夹取。称量结束，要检查天平梁是杏托好，砝码是香齐全，有无药品撒落到天平内， 天半门是杏关紧，布罩是否罩好。天半使用一段时期后，要送计量部门进行检定和调修。天 平的全面清洁工作每年应进行两次。 (一).蝶旋测微器 1用途和构造 螺旋测微器（又叫千分尺）是比游标卡尺史精案的测量长度的工具。可用来测量精密零件 尺，、金屈丝的直径和薄片的厚度：也可固定在妇远销、显微镜、干涉仪等仪器上，用来测 量微小长度或角度。用它测长度可以准确到0.01mm,测量范围为几个厘米。 螺旋测微器的构造如图5所示.螺旋测微器的小砧的固定刻度固定在框架上、旋钮、微 调旋钮和可动刻度、测微蝶杆连在一起，通过精密蝶纹套在周定刻度上 图5螺旋测微器 2原理和使用 螺旋测微器是依据螺旋放大的原理制成的，即螺杆在螺母中旋转一周，螺杆便沿着旋转 轴线方向前进或后退一个蝶距的距离。因此，沿轴线方向移动的微小距离，就能用圆周上的 读数表示出来。可动刻度有50个等分刻度的，也有25分度和100分度的.现以可动刻度有 50个等分刻度的为例，其精密蝶纹的螺电是0.5m,可动刻度旋转一周，测微爆杆可前进 或后退0.5mm,因此旋转每个小分度，相当于测微蝶杆前进或后退这0.5/50-0.01mm。可见， 可动刻度每一小分度表示0.01mm,所以螺旋测微器可准确到0.01mm。山于还能再估读 位，可读到毫米的千分位，故又名千分尺。 实验室常用千分尺的示值误差为0.004mm 3.测量和读数方法 测量时，当小砧和测微螺杆并拢时，可动刻度的零点若恰好与固定刻度的零点玉合，旋 出测微螺杆，并使小砧和测微螺杆的面下好接触待测长度的两端，那么测微蝶杆向右移动的 距离就是所测的长度这个距离的整毫米数山固定刻度上读出，小数部分则山可动刻度读出
25 图6螺旋测微器读数方法 读数时，依照读数准线读取数值。先从固定刻度上读取0.5m以上的部分，在从可动 刻度上读取余下尾数部分（估计到最小分度的|分之一，即1/1000mm),然后两者相加. 例图6(a)中读数为L1=1.5mm+0.283m=1.783mm: 图6(b)中读数为L2-1.5mn+0.280mm=l.780nmm 4意事项 1)在读数时，要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是杏已经露出 2)读数时，千分位有一位估读数字，不能随便扔掉，即使固定刻度的零点正好与可动刻 度的某一刻度线对齐，千分位上也应读取为0”. 3)当小砧和测微蝶杆并找时，可动刻度的零点与周定刻度的零点不相重合，将出现零误 差，应加以修正，即在最后测长度的读数上去掉零误差的数值。 4)测量完毕，应使小砧和测微螺杆间出一点空隙，以免因热膨胀而损坏媒纹。并放入 盒内，防止受潮。 （三)千分尺 1.种类 游标卡尺一般有10分度、20分度和50分度三种 分度值分别为0.1mm、0.05mm和0.02mm。 2 0 0 1 2 34 0510- 05101520 0.1mm 01234567890 0.05mm● 0.02mm 测量值=主尺整毫米数+游标N线×精度值。) 图7 2.读法
3 11mm 第七条对齐 测量值：11mm+7×0.1mm=11.7mm 图8 实验2拉伸法测量钢的杨氏模量 任何物体在外力作用下都会发生形变，当形变不超过某一限度时，撒走外力之后，形变 能随之消失，这种形变称为弹性形变。如果外力较大，当它的作用停止时，所引起的形变并 不元全消失，而有剩余形变，称为塑性形变，发生弹性形变时，物体内部产生恢复原状的内 应力。弹性模量是反映材料形变与内应力关系的物理量，是工程技术中常用的参数之一。 一、实验目的 1.学习拉伸法测量杨氏模量方法 2.掌握用光杠杆测微小长度变化的原理和方法，掌挥蝶旋测微器的使用。 3.学会用逐差法处理数据。 4.学习不确定度分析的应用 二、实验原理 1.杨氏模量的测量公式 设金属丝的原长L,横截面积为S,沿长度方向施力下后，其长度改变AL,则金属丝 单位面积上受到的垂直作用力FS称为正应力，金属丝的相对仲长量△LL称为线应变。实 验结果指出，在弹性范围内，山胡克定律可知物体的正应力与线应变成正比，即 (1) 比例系数Y即为杨氏弹性模量。它表征材料本身的性质，Y越大的材料，要使它发生 一定的相对形变所需要的单位横截面积上的作用力也越大。 将I)式变形，并将S= 4代入，即行 Y=AFL d26立 (2) 可见，只要测出式(2)中右边各量，就可计算出杨氏弹性模量。式中L(金属丝原长)可山
