設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案--測量頭發(fā)絲的直徑--甘國良

1、普通物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)題目:用千分尺測頭發(fā)的直徑班 級：物理學(xué)2011級（1）班學(xué)號：2011433132姓名：甘國良指導(dǎo)教師：粟 瓊凱里學(xué)院物理與電子工程學(xué)院2013年3月用千分尺測頭發(fā)的直徑序言在日常生活中，人們會經(jīng)常使用測量工具來測量物體的長度，從而對物體產(chǎn)生具體客觀的認(rèn)識。眾所周知，在生活中的諸多物體，人們不用多加思索就可以容易測量得知它們的具 體長度參數(shù)。身體發(fā)膚受之父母，可對頭發(fā)自己有了解幾何呢？直接測量微小物體的長度參 數(shù)以肉眼比較難得出較精確的數(shù)據(jù)，一般情況，微小長度的測量通常用將其放大的方式來進(jìn)行測量。而微小長度在科學(xué)研究、精密儀器等方面更是有著不可或缺的地位。在實(shí)驗(yàn)

2、儀器不是很充裕的初級中學(xué)任物理教師，該怎樣以更經(jīng)濟(jì)、更簡單、更可行的方式來讓學(xué)生了解微小物體長度的測量方法，以與自己切身相關(guān)的頭發(fā)為楔子， 從而引導(dǎo)、激發(fā)其他們的探索未知得欲望呢？好奇是一種動力，是一種向知識攀登、向未知探索的動力。 為人師表，我們有責(zé)任和義務(wù)去培養(yǎng)學(xué)生，使學(xué)生具有這種動力！ 一、實(shí)驗(yàn)原理用一根長長的頭發(fā)，緊密纏繞一個(gè)小的圓柱體門圈（n=30）.用測量工具測出n圈頭發(fā)的直徑D，則由d= D/n，可求得頭發(fā)d的直徑大小。、實(shí)驗(yàn)方法選擇 方法1 :用千分尺（螺旋測微器）來進(jìn)行測量定義：利用螺旋副原理對弧形尺架上兩測量面間分隔的距離，進(jìn) 行讀數(shù)的通用長度測量工具。外徑千分尺常簡稱為千

3、分尺，它是比游標(biāo)卡尺更精密的長度測量儀器，它的量程是0 25,25-50,50-75毫米，分度值是0. 01毫米。工作原理：根據(jù) 螺旋運(yùn)動原理，當(dāng)微分筒（又稱可動刻度筒）旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，測微螺桿前進(jìn)或后退一個(gè)螺距0. 5毫米。這樣，當(dāng)微分筒旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度后，它轉(zhuǎn)過了1/50周，這時(shí)螺桿沿軸線移動了 1/50X 0. 5毫米=0. 01毫米，因此，使用千分尺可以準(zhǔn)確讀出 0. 01毫米的數(shù)值。將頭發(fā)緊密纏繞在小圓柱后，用螺旋測微器來測量，依據(jù)千分尺的讀數(shù)原理可以得到n方法2：用游標(biāo)卡尺來進(jìn)行測量圈頭發(fā)的長度D,由d=D/n可得頭發(fā)的直徑d。精度是1mm除以游標(biāo)上的格數(shù) 則可知10格就是 精確到0.1m

4、m、20格就是精確到0.05mm、50格就是精確到0.02mm將頭發(fā)緊密纏繞在小圓柱后，用游標(biāo)卡尺測量物體外徑的卡口來測量，依據(jù)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)原理可以得到 n圈頭發(fā)的長度D,由d=D/n可得頭發(fā)的直徑d。方法3:劈尖干涉測頭發(fā)絲的直徑（利用等厚干涉原理）當(dāng)兩片很平的玻璃疊合在一起，并在其一端墊入細(xì)絲時(shí)，兩玻璃片之間就形成一 空氣薄層（空氣劈）。在單色光束垂直照射下，經(jīng)劈上、下表面反射后兩束反射 光是相干的，干涉條紋將是間隔相等且平行于二玻璃交線的明暗交替的條紋。顯然，劈尖薄膜上下兩表面反射的兩束光發(fā)生干涉的光程差為22占二在十一二（2攵 I I）-k=O,L2 22干涉條紋為暗紋與k級暗條紋對

5、應(yīng)的薄膜厚度為：2兩相鄰暗條紋所對應(yīng)的空氣膜厚度差為:如果有兩玻璃板交線處到細(xì)絲處的劈尖面上共有 N調(diào)干涉條紋，則細(xì)絲的直徑d 為；由于N數(shù)目很大，實(shí)驗(yàn)測量不方便，可先測出單位長度的條紋數(shù)N，再測出兩玻璃交線處至細(xì)絲的距離L,貝UN = N、I.DNLtX/2）已知入射光波長入，測出No和L,就可計(jì)算出細(xì)絲（或薄片）的直徑 D。方法4:用楊氏雙縫干涉測頭發(fā)絲的直徑利用傳統(tǒng)雙縫干涉：納光燈 +凸透鏡+單縫+雙縫 的原理，用激光器替代鈉燈做光源，加一 個(gè)小焦距透鏡使其發(fā)散， 再加一個(gè)大焦距透鏡使其匯聚， 得到一束大面積平行光， 直接照射 雙縫，就可以得到清晰的干涉像。要測頭發(fā)直徑，就不放雙縫，直接

6、把頭發(fā)放入光路，在后 面得到頭發(fā)的衍射像，包括中心的泊松亮斑，測出頭發(fā)與屏的距離 D，測出衍射像的兩個(gè)一 級明紋的距離L，頭發(fā)直徑d等于D乘以入除以L，即d=D L。方法5:用讀數(shù)顯微鏡測頭發(fā)絲的直徑讀數(shù)顯微鏡是光學(xué)精密機(jī)械儀器中的一種讀數(shù)裝置，測量范圍：0-6mm測量精度：0.01mm，儀器放大倍數(shù)是 20，是用來測量微小距離或微小距離變化的，能將頭發(fā)絲進(jìn)行放大后再讀 數(shù)。首先，將讀數(shù)顯微鏡適當(dāng)安裝， 對準(zhǔn)頭發(fā)絲；調(diào)節(jié)顯微鏡的目鏡，以清楚地看到叉絲（或 標(biāo)尺）；調(diào)節(jié)顯微鏡的聚集情況或移動整個(gè)儀器，使頭發(fā)絲成像清楚，并消除視差，即眼睛 上下移動時(shí)，看到叉絲與頭發(fā)絲成的像之間無相對移動；先讓叉絲

7、對準(zhǔn)頭發(fā)絲上一點(diǎn)（或一條線）A，記下讀數(shù)；轉(zhuǎn)動絲桿，對準(zhǔn)另一點(diǎn)B，再記下讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即AB之間的距離就是頭發(fā)絲的直徑。但在操作中要注意兩次讀數(shù)時(shí)絲桿必須只向一個(gè)方向移動，以避免螺距差。三、測量方法選擇經(jīng)濟(jì)較落后的中學(xué)，實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)儀器并不是很充足。比較以上5種方法，方法3和方法4都要用到光學(xué)平臺，而那時(shí)自己任教的中學(xué)，由于經(jīng)費(fèi)的緊張或不 足，實(shí)驗(yàn)里配不起這樣的儀器，從而不能完成實(shí)驗(yàn)。方法5要用到讀數(shù)顯微鏡，雖然這個(gè)儀器沒有光學(xué)平臺貴重，能配備的數(shù)量非常有限，但是面對一個(gè)班級的 學(xué)生，要進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)還是顯得不太切合實(shí)際。為了能讓每一個(gè)同學(xué)都能到實(shí)驗(yàn)室 里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能選擇最經(jīng)濟(jì)、相對符合實(shí)

8、驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)儀器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此 唯有選擇方法1或方法2。而頭發(fā)絲是很細(xì)小的物體，為了相對減少實(shí)驗(yàn)測量的 誤差，可采用放縮法。四、儀器的選擇由于頭發(fā)是非常細(xì)小的物體，一般的測量工具無法對其進(jìn)行測量或者會造成比較 大的誤差，所以此試驗(yàn)中只用普通物理實(shí)驗(yàn)室測量精度最高的測量工具來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在方法1中的測量工具的精度（千分尺為 0.01mm）比在方法2的（游標(biāo)卡 尺為0.02mm）高，作出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際，因此，選擇千分尺測量頭發(fā)的 直徑do五、測量條件1. 頭發(fā)繞小圓柱體一定要緊密，且不可重疊；2. 繞的過程中不能使用很大的力，防止頭發(fā)變形；3. 小圓柱一定要保證是圓的。六、實(shí)驗(yàn)程序1. 選出千分尺和小圓柱體2. 取成年女性的長頭發(fā)（可提前自備）3將頭發(fā)緊密繞小圓柱體n圈（n取30、50或100,具體視頭發(fā)長度而定）4用千分尺測量n圈頭發(fā)的長度D，重復(fù)10次5. 計(jì)算頭發(fā)的直徑d和偏差6. 重新繞頭發(fā)、或換一根頭發(fā)重復(fù)