特殊物理实验仪器的排列读数法

姜黎霞

【摘 要】在物理实验中有一些特殊的仪器，它们的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成的，但其外观和结构又与游标卡尺或螺旋测微计有很大的区别，使得实验者在读数据时感到困难，排列读数法可以使实验者快速、准确地读出数据，具有较强的实用性。

【关键词】特殊仪器；读数装置；排列读数法

The Reading Data in Sequence Method of Special Physics Experimental Equipment

JIANG Li-xia

（Basic Department，Beijing Union University，Beijing 100101，China）

【Abstract】The reading devices of some special physics experimental equipment are designed based on the measuring principles of vernier calipers or micrometers.However，experimenters would feel confused about data reading when they operate these special equipment which have different appearance and structures from vernier calipers and micrometers.The reading data in sequence method proposed in this paper would help experimenters read date quickly and accurately.It has strong availability and effectiveness.

【Key words】Special physics experimental equipment；Reading devices；Reading data in sequence method

在物理实验中有一些特殊的仪器，它们的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成的，但其外观和结构又与游标卡尺或螺旋测微器有很大的區别，使得实验者在读数据时感到困难，而造成这种困难的原因在于实验者所掌握的游标卡尺和螺旋测微器的传统读数方法所致。

游标卡尺和螺旋测微器的结构和测量原理在中学物理实验课和大学物理实验课中都是必修内容，因此实验者对游标卡尺和螺旋测微器的结构和测量原理非常熟悉，特别是对两种尺的传统读数方法印象深刻。游标卡尺由主尺和游标尺组成，游标尺是副尺。游标卡尺的读数方法是：主尺是以游标尺的零刻度线为标线读数，游标尺上哪个刻度线与主尺的刻度线对齐，就读该刻度线对应格数，但要注意该读数不需要估读，因为判断游标尺上哪个刻度线与主尺的刻度线对齐时是目测，已经含有存疑。将游标尺读出的格数乘以精确度，再与主尺读数加起来，就得到一个完整的读数。螺旋测微器的主尺是固定套管，副尺是活动套管，以活动套管的前沿为读数标线，读出主尺读数，再以固定套管上的横线为读数标线，读出活动套管上的刻度数，再乘以分度值，即为副尺读数，同时注意两点：1）副尺需要估读；2）主尺露出半刻度时，要将半刻度值加到副尺读数上。将主尺和副尺的数加起来，就得到一个完整的读数。对于学习者来说，将主尺读数和副尺读数按照具体尺子的精确度或分度值计算得出一个完整的读数是可以的，但是对于一个使用者来说，这种传统的计算读数法无疑是不实用的，试想这个使用者要测量几十组或上百组数据，如果用这种计算读数方法，既慢又容易出错，自然会感到读数困难，那么有没有简单易行的读数方法呢？实际上游标卡尺的游标尺上的刻度标数已经是按实际的精确度设置，螺旋测微器的活动套管上的刻度标数也已经是按实际的分度值设置，两种尺的主尺读数和副尺读数实际上只存在数量级关系，一个完整读数的组成实际上是“主尺读数+小数点+副尺读数”这样一个排列规律，本文将按照这个规律读数的方法称为“排列读数法”。例如：游标卡尺的主尺读数为21，游标尺上44刻度线与主尺的刻度线对齐，但注意该读数不需要估读，因为该刻度线与主尺的刻度线对齐是目测，已经含有存疑，按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列，就得到完整读数为22.44mm。再例如：螺旋测微器的主尺读数为5，并且露出半刻度，副尺读数为150，该读数尾数为估读值，主尺露出半刻度，则在副尺读数的首位加5，然后按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列，就得到完整读数为5.650mm。

用“排列读数法”读取游标卡尺和螺旋测微器上的示数简单易行，使用者可以用这种方法快速、准确地读取数据。物理实验中有一些特殊仪器的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成的，在使用这些仪器的时候，“排列读数法”的实用性就更加明显。

在物理实验中，读数装置是根据螺旋测微器的结构和测量原理而制成，但其外观结构又与螺旋测微器有较大区别的常用仪器是迈克尔逊干涉仪和读数显微镜。迈克尔逊干涉仪是美国科学家迈克尔逊于1881年设计的一种典型的干涉仪，它是利用分振幅法产生相干光束以实现干涉的一种精密光学仪器，可精密地测量长度及其微小变化，其测量结果的精确度可与光的波长相比拟。迈克尔逊干涉仪设计精巧、结构简单、光路直观、测量精度高，在现代科技中应用广泛，例如用它可以测定薄膜厚度、气体折射率，检验棱镜和透镜质量，研究温度、压力对光传播的影响等，它的基本结构是近代许多干涉仪的基础[1]。迈克尔逊干涉仪的读数装置包括主尺和副尺两部分，它的主尺是装在导轨侧面的标尺，有独立的读数标线，副尺分两部分，一部分是粗调鼓轮刻度盘，有独立的读数标线，另一部分是微调鼓轮刻度盘，有独立的读数标线。轨道滑块上的反光镜在某一位置时的位置读数由这三部分尺的读数组成，根据“排列读数法”，该位置读数的排列方式是“主尺读数+小数点+粗调鼓轮刻度盘读数+微调鼓轮刻度盘读数”，由于微调鼓轮刻度盘读数排在最后一部分，因此只有微调鼓轮刻度盘读数时需要估读，主尺和粗调鼓轮刻度盘读数时不需要估读。例如：当轨道滑块上的反光镜移动到某一位置时，主尺读数为44，粗调鼓轮刻度盘读数为68，微调鼓轮刻度盘读数为092，则该位置读数为44.68092mm 。读数显微镜是由显微镜和测微螺旋装置两部分组成。显微镜的作用是将被测物体放大并瞄准，测微螺旋的作用是测读任意两点的距离。读数显微镜的特点是既能达到较高的测量精度（由螺旋测微的精度决定），又有较宽的测量范围（由显微镜筒的移动范围决定），并能实现无接触测量[2]。读数显微镜的读数装置装在垂直于镜筒的平台上，主尺为平台上的标尺，有独立的读数标线，副尺是测微鼓轮刻度盘，也有独立的读数标线。当测微鼓轮转动到某一位置时，该位置读数的排列方式是“主尺读数+小数点+测微鼓轮读数”，注意测微鼓轮读数时需要估读。例如：当测微鼓轮转动到某一位置时，主尺读数为26，测微鼓轮读数为906，则该位置读数为26.906mm。

在物理实验中，读数装置是根据游标卡尺的结构和测量原理而制成，但其外观结构又与游标卡尺有较大区别的常用仪器是分光计和声速测定实验仪。分光计又称光学测角仪，是一种能精确测量光线偏转角度的仪器，被广泛应用于光学实验当中。该装置比较精密，结构复杂，其基本光学结构是许多光学仪器例如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、单色仪等的基础，它的调整思想、方法和技巧在光学实验中具有一定的代表性，因而学会分光计的调整和使用有助于掌握更复杂的光学仪器[3]。分光计的读数装置包括主尺和副尺两部分，它的主尺是分为360o的刻度圆盘，最小刻度为0.5o，即30′，小于半度则需用副尺游标读数。为了消除刻度圆盘的偏心差，游标盘上在同一直径的两端设有两个游标。每个游标上有30个刻度线，总长与刻度圆盘上29个刻度线等长，因此最小刻度为1′。在实际测量前，先将游标盘旋转到两个游标的连线与平行光管垂直的方位，用游标盘固定螺钉将游标盘固定，再将望远镜旋转到与平行光管共线，然后将望远镜与刻度圆盘用专用固定螺钉固定在一起。在实际测量时，当与刻度圆盘固定在一起的望远镜转到某一位置时，其位置读数有两组，分别在两个游标处读（下转第143页）（上接第134页）出。根据排列读数法，每一组位置读数的排列方式是“刻度圆盘读数+度+游标读数+分”，读数时还需要注意两点：1）如果游标零刻度线已越过刻度圆盘上的半刻度线，读数0.5o需化为30′加在游标读数上；2）游标读数不需要估读，因为判断游标上某刻度线与刻度圆盘刻度线对齐时是目测，已经含有存疑。例如：当与刻度圆盘固定在一起的望远镜转到某一位置时，游标Ⅰ处刻度圆盘读数为212，且游标零刻度线已越过刻度圆盘上的半刻度线，游标读数为09，则游标Ⅰ处位置读数为212o39′，游标Ⅱ处刻度圆盘读数为32，且游标零刻度线已越过刻度圆盘上的半刻度线，游标读数为13，则游标Ⅱ处位置读数为32o43′。注意：由于游标Ⅰ和游标Ⅱ分别位于游标盘上同一直径的两端，因此游标Ⅰ处和游标Ⅱ处的位置读数应相差180o左右。当与刻度圆盘固定在一起的望远镜转到另一位置时，按同样方法读出游标Ⅰ处和游标Ⅱ处的位置读数，然后求出望远镜两个位置相对应的游标Ⅰ处位置读数差值φⅠ以及游标Ⅱ处位置读数差值φⅡ，再求φⅠ以及φⅡ的平均值，即为望远镜转过的角度。声速测定实验仪主要由超声实验装置、声速测定仪信号源及双踪示波器组成，可用于共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速[4]。声速测定实验仪的读数装置在测试架上，整个横梁为主尺，游标与超声接收换能器（动子）连接在一起，当超声接收换能器（动子）通过螺杆联动手轮在测试架上移动时，通过游标可读出任意位置的位置读数，若记下初始位置的读数值，再记下实验操作需要移动到的位置的读数值，两值之差即为超声接收换能器（动子）从初始位置到该位置移动的距离，该读数装置的读数方法与游标卡尺的读数方法完全相同，按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列即可。例如：主尺读数为71，游标尺上90刻度线与主尺的刻度线对齐，但注意该读数不需要估读，因为该刻度线与主尺的刻度线对齐是目测，已经含有存疑，按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列，就得到该位置读数为71.90。若已测得初始位置读数为62.60，则超声接收换能器（动子）从初始位置到该位置移动的距离为9.3mm。

不仅仅是物理实验中有一些特殊的仪器，它们的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成，在科学类和工程类科研精密仪器中，也有许多仪器的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成，而且但其外观和结构也与游标卡尺或螺旋测微计有很大的区别，并且需要读出大量的数据，如果在读数据时采用排列读数法，便可以使实验者快速、准确地读出数据，排列读数法的实用性、高效性就更能得到体现。

【参考文献】

[1]胡其图.物理实验教程[M].北京：气象出版社，1999：188-189.

[2]李学慧，赵佳明，刘军.新编物理实验[M].大连：大连理工大学出版社，1999：47-48.

[3]刘伟，邱晓明.大学物理实验教程[M].大连：大连理工大学出版社，2000：123-125.

[4]高兴茹，倪苏敏，张义民.大学物理实验讲义[M].北京：中国科学技术出版社，2004：120-122.

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