力学测量和热学测量中国科学技术大学轩植华.ppt
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1、力学测量和热学测量 中国科学技术大学 轩植华,物理学是研究物质运动、物质结构和性质的科学,是最重要和最基本的自然科学。 研究的主要途径就是实验,实验的主要 手段是测量。所谓测量,就是将待测物的某特性与被选作标准的某物的某个特性做比较。,伽利略开创了物理学,是力学测量的集大成者,1,用一个V型木槽和木球做斜面运动 实验,用水桶漏水量计量时间,测量加速度并推算重力加速度。 2,用外推法和逻辑法得到惯性定律。 3,注意到单摆的等时性。 4,改进望远镜并观察月亮。 5,发明和改进秤(杠杆法)。,细观察,巧实验,勤思考, 善推理,精演算,傅科在教堂中发现悬吊的灯摆动的面并非严格的平面,这个面缓慢但不断地
2、旋转,灯绳长短不同,旋转周期不同;纬度不同,周期也不同,在北极旋转周期为24小时。 望远镜是荷兰的一个眼镜店学徒先发现,伽利略解释并改进。,一 力学测量,确定物体的位置、长度、速度、加速度、运动轨迹等属于运动学测量; 而了解物体运动与质量和力关系,属于动力学范畴; 描述硬度、黏性、杨氏模量、表面张力系数等物质特性,属物性研究。,这些测量又与质量、时间等物理量密切相关。 用仪器测量力学量的量限向两端延伸: 质量跨15个量级; 力值跨16个量级; 压强跨14个量级。,测量方式由静态测量到动态测量,在变化过程中实时测量,广泛使用各种传感器。 在我们的实验课程中也学习传感器测量较小的物理量。,而对于天
3、体位置、距离以及运动 的测量,则根据它们的运动规律 以及光谱进行间接测量。 对物质微观粒子力学性质的测 量,要用到光学、电磁学、原 子以及核物理等手段进行间接 测量。,力学测量中涉及到杠杆原理(如天平实验) 阿基米德定律(流体静力秤测量密度) 胡克定律(弹簧测量液体表面张力),光线反射和折射定律(光杠杆测量 杨氏模量) 干涉或衍射(牛顿环测量透镜曲率半径, 测量细丝或狭缝宽度) 多普勒效应(测量速度和加速度) 压电效应(应用传感器制作电子秤)等。,要确定速度等力学量,还必须测量时间。 从古代的日晷、沙漏, 到以摆动的等时性为基础的机械式钟表, 到晶体震荡为基础的石英钟, 一直到原子钟,时间测量
4、的精度大大提 高了。,在我们的物理实验课中,涉及速度、 加速度的有气垫导轨、单摆或物理摆、 多普勒效应等实验,测量声速的实验; 还有测量密度、杨氏模量、粘滞性、 表面张力等涉及物质性质的实验; 应用传感器测量质量、微小形变等。,光速已经是长度单位米的定义,原始的米原器长度受温度影响,不易复制 1960年定义米的长度为氪-86的2p10和5ds 能级之间跃迁的辐射在真空中波长的 1 650 763.73倍。 现在定义米的长度为光在真空中 (1/299 792 458)秒时间间隔内所经路径 的长度。,强度调制光的干涉法测量光速,将发光二极管的红光的强度调制为50MHz的微波信号; 然后用分束镜将光
5、分为两束,一束光的强度调制信号输入双踪示波器的X端,另一束出射到空气中并经过可移动反射镜反射回仪器内,将它的强度调制信号输入到示波器的Y端。,两个互相垂直的同频率振动合成为李萨如图(一般为椭圆、圆或直线); 通过初始条件旋纽,使李萨如图形为一直线; 改变反射镜位置,李萨如图形将逐渐成椭圆,其椭圆度和方位角也不断变化;,当图形再次成为直线(从一三象限变为二四象限),光线在仪器外移动了调制信号的半个波长,即反射镜移动了四分之一波长。测量移动的距离; 波长与频率的乘积为光速。 此法可得到四位有效数字。,用电阻应变片制作电子秤,传感器的性质和应用,金属箔电阻应变片贴牢在悬臂梁上下表面,悬臂梁远端加砝码
6、使它弯曲,上表面受到拉伸,下表面受到压缩。 所以上表面电阻阻值变大,下表面电阻阻值变小。,1 敏感栅 2 引线 3 粘结剂 4 盖层 5 基底,分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥(所谓单臂、半桥或全桥),以电压表为平衡检测器。 未加砝码时,调节电桥平衡,输出电压为零。随着负载增加,电桥不平衡性加大,电压表读数越大。,未加砝码时,调节电桥平衡,输出电压为零。随着负载增加,电桥不平衡性加大,电压表读数越大。做M-U图,是线性关系。 测量未知质量,从非平衡电压值得到质量。 大质量测量常常采用这类传感器。,二 热学测量,18世纪末到19世纪的一百年左 右,以蒸汽机的发明和使用为 标志的
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