千分尺的测量.docVIP

实验一 长度的测量—从千分尺到GPS 长度是最基本的物理量之一。长度的测量在科学实验、社会生产乃至日常生活中都有广泛应用。在实验中，许多其它物理量的测量，最终都转化为长度的测量(如水银温度计测温)，因此掌握长度测量的原理和方法，是进一步学习其它测量的基础。 长度测量常用量具有米尺、游标卡尺和螺旋测微计，测量微小长度或长度变化，还可用读数显微镜、百分表和光杠杆等装置。更精密的长度测量，则可采用光学干涉法等技术。较长的长度可采用GPS卫星测量。 一、实验目的 1.掌握游标与螺旋测微原理，学会正确使用游标卡尺及螺旋测微计； 2.了解GPS卫星测量技术,学会应用计算机软件测量地球上任意两地间的距离及晶体振荡器的频率； 3.掌握等精度测量误差的计算方法与有效数字的基本运算。 二、仪器与用具 游标卡尺、千分尺、待测物体(金属圆筒、金属块、钢球) ；GPS卫星长度、频率测量仪（附电源线、DBF串口线2、频率测量接插线）、GPS天线电缆、软件狗、实验用晶体振荡器3个、计算机 三、实验原理 1.用游标卡尺和千分尺测长度 用游标卡尺测量长度是利用主尺与游标上1个分格的长度差(游标精度)来使读数进一步精确的。 游标卡尺的读数＝游标“0”线左侧主尺上的整毫米数+游标上与主尺对得最齐的刻线示值(毫米以下数值)。 千分尺是利用螺纹测量轴和活动套筒(其端边有50个等分刻线)构成的机械放大装置，将微小线位移变成明显的角位移来精密测量长度的。 千分尺的读数＝活动套筒端边左侧主尺上的整毫米数+ +活动套筒上整格数×0.01+活动套筒上不足1格(毫米千分位)的估读值。 设测得金属圆筒的外径为,内径为，高为，则其体积为 (1.1) 若测得钢球直径为，则球的体积为 (1.2) 2.GPS测量技术 传统的长度测量工具如千分尺、游标卡尺、米尺、卷尺只能测量最多几十米的距离，对于较长的如两城市间的距离则无法用上述工具测量。采用GPS卫星测量的必威体育精装版的现代技术则可以轻松解决。 GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。GPS系统主要包括以下三大组成部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座部分由24颗GPS卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道平面内有4颗卫星。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的“今后GPS的应用，将只受人类想象力的制约”。 长度测量是利用GPS（全球定位系统）卫星提供的高精度定位信息，来获取地球上任意位置的大地坐标值，然后通过数学计算，得到椭球面上任意两点间的最短距离值，并在地球上显示出来。 频率测量是利用GPS卫星提供的高精度秒脉冲信号为基准，来测量晶体振荡器的频率值。频率测量的原理如下图： 图1-1 GPS频率测量的原理图 由GPS高精度时钟源产生的PPS（秒脉冲）信号作为时基分频系统的标准闸门时间信号。PPS信号精度达微秒级，通过它产生的闸门时间信号具有很高的精确度和稳定度。闸门时间信号经控制线路选择控制后，送到仪器的主闸门并控制主门的开启时间间隔。被测石英晶体振荡器的频率信号由仪器的频率输入端输入，经过波形放大整形电路后，在选定的闸门时间内通过频率计开启的主闸门，然后经计数器计数后在计算机上显示频率值和波形图。被测频率：F=N/T。式中，N为计数器的读数；T为闸门信号的宽度，即计数器的计数时间。计算机上相应的测频软件能提供良好的人机交互界面。本GPS卫星频率测量仪测频范围为10Hz—16MHz。每一秒钟更新一次频率测量值，并提供测量时间内频率测量的平均值。测量仪硬件部分带有石英晶体振荡器起振电路。测量时只需接入晶体振荡器的两个引脚即可。 四、实验内容 (一) 用游标卡尺和千分尺测长度 1．用游标卡尺测同一长度(金属块的长)，测五次，计算平均值及不确定度。 2．采用单次测量的方法，用游标卡尺测量金属圆筒的外径、内径和高，各测五次，计算体积及不确定度。 3．用千分尺在不同方向上测钢球直径，共测五次，计算钢球的体积和误差。 4.参考表格 表1、用游标卡尺测量同一长度