浅谈规范操作 避免实验误差

窦建宇

杨氏模量是用来描述固态物质弹性性质的一个物理量，与物质的几何形状和具体尺寸没有关系，在其他条件都相同的情况下，杨氏模量越大的物质越不容易发生形变.它是反映材料弹性性质的参量之一，也是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一.

测定金属丝的杨氏模量的器材主要有测定仪一套（包括金属丝的杨氏模量测定仪、光杠杆、砝码、镜尺组等）、米尺、游标卡尺、螺旋测微器（千分尺）等.

2 主要实验步骤

2.1 杨氏模量仪的调整

（1）通过调节支架底座螺丝，使底座处于水平状态（观察底座上的水准仪）.

（2）将光杠杆放在平台上，两前足放在平台前面的横槽内，后足放在活动金属丝夹具上，但不可与金属丝相碰.调整平台的上下位置，使光杠杆前后足位于同一水平面上.

2.2 光杠杆及望远镜尺组的调节

（1）外观对准.将望远镜尺放在离光杠杆镜面约1.5 m～2.0 m处，并使二者在同一高度，调整光杠杆镜面与平台面垂直，望远镜成水平，标尺与望远镜光轴垂直.

（2）镜外找像.从望远镜上方沿镜筒方向观察光杠杆镜面，应看到镜面中有标尺的像.若没有标尺的像，可左右移动望远镜尺组或微调光杠杆镜面的垂直程度，直到能观察到标尺像为止.只有这时来自标尺的入射光才能经平面镜反射到望远镜内.

（3）镜内找像.先调望远镜目镜，看清叉丝后，再慢慢调节物镜，直到看清标尺的像.

（4）细调.观察到标尺像后，再仔细地调节目镜和物镜，既能看清叉丝又能看清标尺像，且没有视差.

2.3 测量

（1）记录望远镜中尺像的初读数及每次增重后的读数.

（2）依次减少砝码，并记录每次相应的读数，用逐差法计算望远镜中尺像读数的平均改变量及其不确定度.

（3）用钢卷尺测量光杠杆镜面到标尺的距离D和金属丝的长度L.

（4）用钢板尺测出光杠杆后足到两前足连线的垂直距离b.

（5）选择金属丝的不同位置，多次测量金属丝的直径d，求其平均值.

（四）计算金属丝的杨氏模量及其不确定度，表示出测量结果.

3 实验中误差产生的原因

在实验过程中，实验取得的测量数据与实验要求的测量值范围相差很多.究其原因，是实验过程中的误差造成的，根据性质可将其分为两类：系统误差和随机误差.

（1）实验过程中，杨氏模量测量仪一般没有调节成标准状态的功能，因此，测量时测量仪很大程度上是处于非标准状态.在这样的情况下进行实验，就会存在着系统误差.

（2）在杨氏模量测量时，金属丝在未加砝码时常处于弯曲状态，如果此时直接加一个砝码记一个读数那就会造成测量的系统误差，错将金属丝弯曲部分当作加砝码后产生的形变读数.

（3）误差也会取决于金属丝的微小变化量和金属丝的直径，由于平台上的圆柱形卡头上下伸缩，存在系统信息误差，用望远镜读取微小变化量时存在随机误差.

（4）测量金属丝直径时，由于存在椭圆形，故测出的直径存在系统误差和随机误差.

（5）实验测数据时，由于金属丝没有绝对静止，读数时存在随机误差.

（6）米尺使用时如果没有拉直，也会造成一定的误差.

4 为避免实验误差应采取的措施

（1）由于标尺基本是平行固定在立柱上，只要底座放置在水平桌面上，标尺就基本铅直，而望远镜和光杠杆平面镜却是都要手动进行调节的，常处于倾斜较大的非标准状态，而实验人员常常对测量仪处于非标准状态下的误差没有足够的认识.所以实验前要对测量仪的状态进行确认调整.同时调节望远镜时，要仔细调节目镜，消除视差.

（2）整个测量过程中的动作要轻，保持整个测量装置稳定.光杠杆和望远镜尺组一经调好，在实验中不得再移动，否则测量数据无效，应重新测量.

（3）为避免金属丝弯曲造成实验测量结果误差，可以在所有读数读取之前，先在托盘上加一到两个砝码，将金属丝拉直后，再逐渐加砝码正式开始读数.

（4）每一次加减砝码的间隔时间尽量保持相等.取放砝码时一定要轻拿轻放，动作平稳，不要使砝码托摆动，否则将会导 致光杠杆后足尖发生移动.每次增减砝码后，要等金属丝完全不晃动时才能读数.

（5）实验时所加砝码是有缺口的，在逐次加砝码时要求砝码口要互相相对放置，如果放置时缺口始终面朝一个方向，就会造成砝码倒塌，测量失败.

（6）测相关信息量时，应根据精度要求选用相应的量具.用千分尺测d时，应先检查零点读数，并记录零点误差.考虑到金属丝的不均匀性，应在不同位置用螺旋测微器测量其直径d.

（7）不要用手触摸仪器的光学表面，擦拭时要用镜头纸.

综上所述，只要针对可能造成实验误差的原因，进行实验时加以关注和改进，科学、规范操作，就可以减小甚至避免在实验过程中产生的误差，提高实验测量的精确度.