基本力学测量仪器
最基本的力学量是长度、质量和时间。常用的仪器有游标卡尺、螺旋测微计、读数显微镜、天平、秒表和数字毫秒计等
1、基本的长度测量仪器
长度是最基本的物理量之一。测量长度的仪器不仅在生产过程和科学实验中被广泛使用，而且内于许多物理量的测量(如温度计、压力表以及各种电表的示值)最终都是转化为长度(刻度)而进行读数的，所以，有关长度的测量方法、原理和技术在物理量的测量中具有普遍的意义。
在SI制中，长度的基本单位是米，用符号“m”表示。l 983年lo月7日在巴黎召开的第17届国际计量大会通过f米的定义：1米的长度是光在真空中经1／299792458秒时间间隔内所传播的距离。
测量长度仪器的选取一般取决于测量的范围及测量精度。就测量范围来说小尺度的测量仪器有读数显微镜、干分尺、卡尺等，稍大尺度的有板尺、卷尺，再大的尺度使用的仪器有如工程上使用的远红外测距、卫星定位等。
物理实验中常用的长度测量仪器有米尺、游标卡尺、螺旋测微计(干分尺)、读数显微镜等。一般测长仪器上都有指示不同量值的刻度线，相邻两刻度线所代表的量值之差称为分度值。把仪器的最大测量范围称为量程。选用仪器时应注意仪器的量程和分度值。使用仪器时，首先要校准好仪器，以避免系统误差。测量时，除正确读出分度值的整数倍以外，还必须在一个分度内进行估读(如估读到1／10，1／5或1／2个分度)，应该强调的是必须估读到最小分度值的下一位。
几种常见的测长仪器：
(1)米尺。米尺的种类较多，有30cm、1m的钢直尺(也称钢板尺)，有1.5m、2m、3m的卷尺，还有木尺、塑料尺等，可根据测量范围进行选择。
(2)游标卡尺。
1)、功能。游标卡尺是一种比米尺精密的常用测长度或外径、内径、孔深等的仪器。
2)、主要技术指标。
①分度值：一般有0．1mm、0．05mm、0．02mm等规格(标在卡尺文尺上)。
①量程：不同长度的卡尺量程不同。
3)、游标原理。游标是附征主尺上的一个副尺，是为了帮助实验者比较难确地
对主尺最小刻度后面的读数进行估计而设计的。
以游标来提高测量精度的方法，不仅用在游标卡尺上，而且还广泛地用于其他仪器。尽管游标的长度不同，它上面的分度格数不一样，但基本原理与读数方法相同。
如图2．2—1所示，游标上n个分度格的长度与上尺上(n一1)个分度格的长度相等，若游标上最小分度值为b，主尺上最小分度值为a，则nb=(n-1)a，主尺上每一格与游标上一格之差为游标的精度值或游标杆尺的最小分度值。由上式可求出分度值为
例如，在如图2．2—1中，游标卡尺的最小分度值为 mm测量某物体的长度入时，游标零线指示出在主尺上得到被测量为l，再根据游标上第k条线与上尺分度的某条线对齐而求得其小数部分，即 (2.2—1)
4)、游标仟尺的构造及使用：游标卡尺的外形如图2．2—2所示，它由主尺、游标、尾尺、内量爪、外量爪、紧固螺钉等组成。游标紧贴着主尺滑动；外量爪用来测量物体的长度、外径；内量爪用来测量物体的内径，尾尺用来测量物体的槽或孔深；紧固螺钉在测量物体时用来固定游标，便于读数。
使用游标卡尺时，应左手章被测物体，右手持尺，用游标卡尺轻轻把物体卡住，然后用紧固螺钉紧固。
用游标杆尺测量长度时，可分两步进行：
①先读整数，读出游标上“o”线左边主尺的整数值l，然后读小数。若游标上第k条划线和主尺上的某条刻线对齐(有时游标上的所有刻线，可能都不与主尺上的某—条到度线严格对齐，此时就取与主尺刻度最接近对齐的那条刻度线作为游标读数值)，将k与分度值相，k=即小数部分。②根据L=，得出测量结果 3 正确的使用应不需要计算，而是直接把测量结果读出来。
图2．2—3是使用10分度游标卢尺测量的示意图。设待测物体的长度为L，如图中所示，毫米以上的整数部分l可以直接从主尺上读出(l＝9mm)，而游标尺上第8条刻度线正好与主尺的分度线对齐，所以小数部分应为 =8×0．1＝ 0．8mm，由此该物体的实际长度为
5)注意事项。
①测量前应合拢量爪，检杏游标零线与主尺的零线是否重合，若不重合，则应记下零线读数，对测量结果需进行修正。
②应特别注意保护量爪不被磨损，不允许用游标卡尺测量粗糙的物体，更不允许被卡紧的物体在卡口内挪动。
(3)螺旋测微计(干分尺)。
1)功能：螺旋测微计是比游标卡尺更为精密的长度测量仪器，也称为干分尺，它是根据螺旋测微原理制成的。
2)主要技术指标。
①分度值：0．01mm。
②量程：视仪器而定。
3)构造及测微原理。如图2．2—5所示，螺旋测微计有一根装在固定套管螺母内的螺距为的测微螺杆与微分筒固定联结，固定套管与尺架固结，当微分简旋转(测微螺管也随之旋转)一周时，测微螺杆沿轴线方向移动一个螺距，在微分筒边上一周刻着n个等分格线，所以微分简转过1分格，螺杆在轴线方向运动 /n。常用的螺旋测微计，螺杆的螺距有o．5mm和1mm两种，相应的微分简圆周上刻着50个或100个等分格线，它转过1分格，螺杆在轴线方向均移动0.01mm.。
4)使用。用螺旋测微计测量物体的长度时，应先打开制动器，用左手握住弓架，用右手倒转棘轮，将待测物放入测砧与测微杆之间，然后再转动棘轮，当听到“喀喀……”的响声时(说明物体与测砧及测微螺杆已接触良好)，即停止转动。读数时、先从固定标尺上读出整数格，小于一格的读数由微分简圆边上的刻度读出，一般在微分筒上估谈到o．1格，如图2．2—6所示。
测量以前，先记录初读数。图2．2—7表示两个初读数的例子，要注意它们的符
号不同。
5)注意事项。
①测量时须使用棘轮作为保护装置。当测微螺杆即将接触到物体轮，当测微螺杆接触到被测物体时会发出喀喀声，此时应停止旋转；
②螺旋测微计使用完后应使测微螺杆与测砧之间留有一定的间隙胀时损坏测微螺杆上的螺纹。
(4)读数显微镜。
读数显微镜是精密测量长度的仪器，用它可以测量一些微小长度或无法接触测量的物体的长度，如毛细管的内径、狭缝宽度等。下面以JcD—x型显微镜为例详细介绍其性能。
1)主要技术指标。
①分度值：0．01mm。
②量程：50mm。
2)构造及使用。常见的立式读数显微镜极其结构如图2．2—8所示。显微镜的目镜(1)安插在目镜套简(3)的‘上端，其内装有“十”宁叉丝。目镜止动螺钉(2)可以固定目镜的位置。物镜(5)直接旋在镜筒(4)上，转动调焦手轮(17)可以使显微镜商上下摆动进行调焦。支架(13)紧固在立柱(12)的适当位置上。测量工作台(6)装配在底座(10)上，立柱可用旋钮(11)制紧，反光镜(9)在工作台下，可以转动，从而得到明亮的视场。
显微镜系统与套在测微螺杆上的螺母套管相连接，旋转测微鼓轮(15)，即可带
动显微镜筒在水平方向左右移动，移动的距离可以从标尺(16)和测微鼓轮周界的
刻度上读出。一A2的读数显微镜的螺距为1mm，测微鼓轮周界上刻有I oo分格，因
此显微镜的分度值为o．olmm，其读数方法与干分尺相同。
读数显微镜的光学系统如图2．2·9所水：
外界光线通过反光镜(9)垂直向上反射，与测量工作台上的被测物相遇，被照
亮的工件和背景由物镜放大后，再进入目镜成像在分
划板上(分划板上刻有“十”宁叉丝)，经过目镜而进入
观察者的眼中。
使用读数显微镜进行测量的步骤如下：
① 将待测物安放在工作台上，转动反光镜，以得到适
当亮度的现场。
② 调整日镜，看清叉丝。
③ 转动调焦手轮，使镜筒下降到接近物体的表面，然
后逐渐上升，至看清待测物体。
④眼睛向左右做微小移动，若像相对叉丝移动，
说明有视差，这时需要重新调节镜简和目镜，直到无
视差。
⑤转动测微鼓轮，使叉丝交点和被测物体上一点(或一条线)对准，记下读数继续转动鼓轮，使叉丝对准另一点，再记下读数，两次读数之差即所测两点间的距离。
3)注意半项。
①调焦时，只能从下向上调节镜简，不允许从上向下调节，以防物镜和待测物相碰。
②测量时使镜筒的移动方向和被测两点间的联线平行。
③测量时注意消除空程差。若分别从两个方向移动显微镜套筒，测量同一点的两次读数可能不同，这是由于镜筒移动的丝杆和螺母的螺纹不能完全接触，套筒移动方向改变时，它们的接触状态也发生改变，由此产生的测量误差称为空程差。为了防止、消除空程差，在测量某一长度时应向同一方向转动鼓轮，使叉丝和测点对准，当测点(通过移动镜筒)超过了叉丝时，就要多退回一些，重新沿原方向转动鼓轮去对准叉丝
2 基本的质量测量仪器
质量是基本物理量之一，单位为千克，用符号kg表示。1889年在巴黎召开的第一届国际计量大会上规定千克为质量的单位，质量单位的国际标准是一个直径和高度都为39mm的铂铱合金圆柱体，称为国际干克原器，它保存在巴黎国际权度局。
常用的质量测量仪器有物理天平和分析天平。
(1)物理天平。
1)主要技术指标。
①称量(最大载荷)：称量是指天平允许称衡的最大质量。实验室常用的物理
天平有：TW—02、TW—05型，分度佰分别为20mg、50mg，称量分别为200g、500g。
②感量：感量是在天平平衡时，为使天平指针从标度尺上的平衡位置偏转一
个分度，在一个盘中所添加的最小质量。感量用符号k表示，其单位为”mg/分格。
③灵敏度：感量k的倒数称为灵敏度，用符号S表示，即署S＝1/k，其单位为分格/mg。
④精度：天平的精度(相对精度)是指天平的分度值与称量的比值，常用的
TW—02、TW—05型天平精度为。
⑤误差限：请阅读附录Ⅱ。
2)构造。物理天平如图2．2—10所示，其主要部分是横梁，横梁上有一个玛瑙
垫和三个钢制的刀口，中间刀口向下，可由立柱上的刀承支起，两侧刀口上挂有吊
耳，每个吊耳内有一个玛瑙垫，吊耳下边悬挂秤盘，三个刀口在同一水平面上，且间
距相等，即横梁是等臂杠杆；在支柱下方，有一个制动旋纽，用以升降横梁，当顺时
针旋转制动旋纽时，立柱中上升的支求将横梁从制动架上托起，横梁即可灵活地摆
动，进行称衡；当逆时针转动制动旋钮，横梁下降，由制动架托住，中间刀口和刀承
分离，两侧刀口也由于称盘落在底座上而减去负荷，保护刀口不受损伤，横梁下有
一根读数指针，立柱的下端有读数标尺，用来观察和确定横梁的平衡状态，当横梁
平衡时，指针应在标尺的中央刻线上；天平底板下有两个水平调节螺丝，用于使立
柱
三、基本的时间测量仪器
时间是基本物理量之一，在SI中，其单位为秒，符号为s。1967年10月在第13
届国际计量大会上给秒作如出下定义：秒是与铯—133原子基态的两个超精细能级
间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。
物理实验中常用的时间测量仪器有秒表(也称停表)和数字毫秒计。
(1)电子秒表。电子秒表是数字显示秒表，它是一种较精密的计时器。电子秒
表的机芯全部采用电子元件组成，利用石英振荡器震荡频率作为时间基准，一般采
用六位液晶显示器，具有精度高、显示清楚、使用方便、功能较多等优点。有的表还
装有太阳能电池，可延长表内电池的使用寿命。
1)功能。一般电子秒表具有基本秒表显示、累加计时、取样和计时等功能。
2)主要技术指标。最小测量单位为0．01s，最长可测到59min59．99s。
3)电子秒表的按钮。电子秒表一般配有三个按钮，控制着不同的显示状态。如
图2．2—11所示，其作用为：
Sl按钮：起动／停止、调整、计时／计历；
S2按钮：暂停／回零、调整位置、分段计时
S3：按钮：状态选择。
4)使用方法。在计时显示的情况下，按一下
S3，即可呈现秒表功能，数字显示全为零。
按—下S1，即可开始自动计时，当再次按一下
Sl时，停止计时，如图2．2—11所示，液晶显示的时
间为9．70s，即为测量的时间。
若要恢复正常计时显示，再按一下S3即可。
(2)机械秒表。
1)功能。一般用于数分钟以内的计时。
2)主要技术指标。
①分度值：一般有0．1s和0．2s两种。
②误差限：请阅读附录Ⅱ。
3)构造及使用：机械秒表外形如图2．2-12所示，表盘上有一个长的秒针和一
个短的分针。秒表上端有可旋转的端钮，用来上紧发条和控制秒表的走动及停止。
使月前先上紧发条，测量时用于握住秒表，当拇指第一次按下端钮时，指针开始走
动，第二次按下端钮时，指针停止走动，再按
一次时，指针回到零点。有的秒表带有专门
的回零按钮，还有的秒表在表的端钮上装有
累计按钮，按钮向上推时，秒表即停止走动，
向下准时，秒表继续走动，这样可以连续累
计记时。出于秒针是跳跃式运动的，所以最
小分度以下估计值是没有意义的。
如果秒友不准，会给测量带来系统误
差，这时可用数字毫秒计作为标准计时器来
进行校准。例如，秒表读数为x，数字毫秒计
读数为y，校准系数即为c＝y／x。当实验测
得的秒表读数为t'时，真正的时间应为t＝
ct'。
4)注意事项。
①使用前先上好发条，不宜过紧，以免损坏发条。
②检查零点是否正确，若秒表不指零，应记下初数，在测量后进行校正。
②按端钮时不要用力过猛，不要摔碰秒表，以免损坏机件。
①秒表不准在强电磁场环境中使用。
⑤实验结束时，应让表继续走动，使发条放松。
(3)MUJ—H型电脑通用计数器。
1)概述。MUJ—Ⅱ型电脑通用计数器是以MCS—5l单片机为核心的智能化数
字测量仪表，它具有测频、测周期、计时、测转速、计数等功能。因2．2—13是其前面
板图，图2．2—14是其后面板图，该机采用了薄膜面板和触模开关，可使用触摸开关
进行人机对话、预置光电门个数和被测周期数、选择显示方式等，还具有暂停功能，
按下暂停键，一切测量都停止，显示停在暂停前的测量结果上，该机所有功能键上
都设有指示灯，指示当前执行的功能，本机还设有发声电路，当触摸功能键时，如果
触摸有效，则发出短促的声响，在计量溢出时会发声提示。
2)技术指标。
①显示器件：6传LED数码管
②最大显示数：一1。
⑧主振频率6MHz。
①测频范围：10H2—10MHz。
⑤适应波形：正弦波、方波、三角波、调幅波(包括峰谷仅应满足灵敏度)
⑧频标选择：10μs、100μs、1μs、0．1μs。
⑦周期测量范围：50μs一30min。
⑧光电门数：两路输入2—4个(使用相关附件可扩大到8个)
⑧直流输出：6v，1A。
3)使用方法：该计数器各键功能见表2．2—1。百接按任意键为
再按功能键为二态。
] 该机功能较多，这里仅介绍加速度测量的操作方法。
① 两个光电门分别接在后面板光电门输入Pl及P2口上(见图2．2—14)。
②按
键，每按一次，显示器的小数点就变化一次，根据需要选择单
位及小数点位置。
②按
键，再按键，再按 键，显小管上显示出—2即可开始做实验
。
④位安装好挡光板的滑动器依次通过气轨上的光电门，计数器循环显示挡光
片通过第一、第二光电门的时间
及两光电门之间的时间t12。
⑤按 键清零。
1. 水平螺钉；2．底板；3．托架；4支架；5．吊耳；6.游码；7.横梁；8．平衡调节螺母；9.读数指针；10.感量调节器；11.中柱；l2.盘梁；13.秤盘；14．水准器；15.制动旋钮；16.读数标尺. 图2-2-10
每架天平部配有一套砝码，在砝码上标出了它们的质量，横梁上有游码标尺，
用以放置游码，游码尺共分10大格，每大格中又分成5小格，或2小格。当游码从
左向右每移动一小格时，相当于在天平右盘增加了0.02g或0.05g的砝码。
3)硅码的精度等级及使用方法。硅码具有确定的质量和一定的形状，一般与
天平结合起来测量其他物质的质量。砝码上标明的质量，称为砝码的标称值，又叫
硅码的名义值。
为了使用方便，砝码都配套成组，结合的原则是在满足使用要求的前提下，用
最少量的砝码能够组成所需要的任何质量。使用最广的组合方式是按5、2、2、1组
合，如一组硅码为，500g、200g、100g、50g、20g、20g、10g、5g、2g、2g、1g。
根据《GB4167—841—5等硅码》规定，砝码的精度分为五等，各等砝码的允许
误差请参看附录Ⅱ之一。
砝码的使用规则：
①必须保持砝码清洁，不受腐蚀。
②取、放砝码时只准用镊子，不允许用手直接(触摸)取放砝码。
③测量结束后，应检查砝码盒，不得丢失砝码、镊子。
4)天平的使用。
①调节步骤。
a．调水平：转动底脚螺丝，使水准器中的气泡处于正中心,或使铅锤和底座上的锤尖对准，使天平的立柱铅直。
b．调零点：在天平空载的情况下(注意横梁上的游码应移到零位处)，转动制动旋钮，将横梁升起来，使其自由摆动，当指针摆动相对于标尺中线左右幅度相等
时天平平衡；若偏在某一边时，旋转制动旋钮使横梁降下，调节横梁两端的平衡螺丝．直至升起横梁时指针左右摆幅相等为止。
②称衡方法。
a．一般称衡：制动横梁，把待测物放在左盘中央(或技在盘框上方的钩子上)，
然后根据对待测量的初步估计，从大到小，依次将砝码故人右盘，每次都稍稍升起
横梁(不得完全升起)，注意指针的偏转情况，以判断砝码量应增减多少，逐步调整
砝码，直到最后利用游码使天平平衡为至止。此时左盘中待测物体的质量等于右盘
中的砝码质量再加上游码的等效质量。
如果需要进行精度高的称衡，就应采取一些持殊的称衡方法。
b．复称法：将待测物体在同一架天平上称两次，一次把待测物体放在左盘中称量，另一次放在右盘中称量，若两次称衡所得质量值分别为ml、m2，待测物体的质量为m，则根据杠杆原理有
式中，L1。.L2岛为天平的左右力臂，由此可得
实际上ml和m2相差很小，由近似计算可得到
所以物体质量可以认为是复称法称得的两次质量示值的算术平均值。这种方法可以消除天平不等臂的影响，常在校准砝码时使用。
c．配称法：将待测物体置于右盘，在左盘放上一些碎小物作为配重使天平平衡，然后用砝码代替被测物，重新使天平平衡，则砝码的总质量就等于被测物的质
量。这种方法该体性消除了横梁两臂不等或横梁变形而产生的影响。
5)注意事项。
① 在进行天平调整和增减砝码等功作时，都必须光将天平制动，绝不允许在摆动中进行操作。
②天平使用和保存时均应放在温度、湿度正常的室内及稳定的水泥台、桌上或柜子中，远离门窗、热源、震源和化学腐蚀气、液体等。
③清除灰尘的方法：欲清除天平沾上的灰尘应用毛刷清扫或用干燥洁净的鹿皮擦试；刀刃、刀承用绸布蘸少量无水酒精或乙醚擦试干净，清洁过程中零件不得互换。
④天平垂直轴、制动轴等活动处应保持润滑状态，可定期滴入少量钟表油进行润滑。
(2)分析天平。
1)主要技术指标。各种技术指标与物理天平类似，只是具体数值不同。
2)构造及使用。分析天平的构造原理相物理天平相同，所不同的是它具有更高的灵敏度，被安放任玻璃柜中。为了适应分析天平的高灵敏度要求，它的各部分都加工得比较精细，特别是它的刀口和刀承都是用玛瑙或红玉石精密磨制的，刀口耐磨性高，能保持比较锐利的刀刃，但比较脆，受到冲击时容易产生裂纹或缺损，因此，使用时更应注意操作规程。分析天平是放在一个能让大量光线通过的玻璃柜中，可使天平避免灰尘、空气流动和偶然冲击的影响。用分析天平称衡时，10mg以下的小砝码可用游码代替，游码用细金属丝做成弯钩状，跨经在游码标尺上，游码标尺的中间刻度为零，两端各有10个大刻度，每
个大刻度表示1mg。例如，将游码放置在游码标尺右边"5"处，相当于在右盘上加5mg砝码，游码标尺上每一大格又分为10小格或5小格，最小分度值为0.1mg或0.2mg,游码的安放和取下是利用游码滑杆一端的小钩，不必打开柜门。