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Sandbox Physics

IN01 · 读出一小段长度

游标卡尺与螺旋测微器

为什么刻度更细,并不自动意味着测得更准? 细刻度能分清更小的变化,零点偏了,每次读数却会一起偏。测量前要合拢量面检查零点,读刻度时正对着看,再反复接触测量;同样的偏差不会因为多量几次就消失。

推量爪、转微分筒,找出对齐的刻线,再检查零点。量圆柱、薄片或孔径,用反复读数分清分辨率和准确度。

交互模型游标卡尺与螺旋测微器

已存模拟测量

读刻度、修零点、再量一次

示值12.35 mm12.35\,\mathrm{mm}
零点修正后12.35 mm12.35\,\mathrm{mm}
同组平均值12.35 mm12.35\,\mathrm{mm}
标准不确定度12.35 mm12.35\,\mathrm{mm}

原始分度与当次冻结的零点修正
序号主尺副尺格数零点修正值
标定、不确定度与模型

重复读数估计随机散布,另合并分辨率下限与所存零点不确定度。斜视、标定后零点改变,仍可能让均值整体偏移;这里的不确定度不会自动包住这些偏差。

uc=s2n+d212+u02u_c=\sqrt{\frac{s^2}{n}+\frac{d^2}{12}+u_0^2}

刚性样品与平行量面固定在二十摄氏度。不含接触形变、回程间隙、热膨胀、量爪厚度及未对准误差。内孔用理想薄量面;外径测微器只能量外尺寸。这些合成记录不构成仪器认证。

揭示合成样品的参考长度12.35 mm12.35\,\mathrm{mm}

参考长度与测量记录分开;计算均值和不确定度时不使用它。

物理教程

从一条对齐的刻线读出零头

背景直尺能告诉你已经过了几毫米。旁边再放一把刻度稍短的尺,就能读出还多了多少。

为什么值得理解一次长度测量要先贴住样品,再读刻度,还得知道零点在哪里。这三个环节出错,留下的痕迹各不相同。

先抓重点

核心问题
为什么刻度更细,并不自动意味着测得更准?
一句话直觉
分辨率告诉你能分清多小的变化,标定告诉你刻度从哪里起算。

核心数学模型

每一格都差一点点

20dv=19dm,dm−dv=0.05 mm20d_v=19d_m,\qquad d_m-d_v=0.05\,\mathrm{mm}

主尺一格是一毫米。游标用二十格占十九毫米,每格短二十分之一毫米。沿着刻线往后数,这一点差距就一格一格地累加。

转动一圈,推进半毫米

Lindicated=0.5N+0.01j(mm)L_{\rm indicated}=0.5N+0.01j\quad(\mathrm{mm})

先数套筒露出的半毫米格数,再读微分筒的零头。微分筒一圈五十格,每格推进百分之一毫米。套筒的半毫米线不能漏读。

减去空量面的示值

L=Lindicated−z0L=L_{\rm indicated}-z_0

空量面合拢时,真实间距为零。当时读到多少,就把多少存为零点。卡尺与测微器各用自己的标定。

把几种不确定度合在一起

uc=s2n+d212+u02u_c=\sqrt{\frac{s^2}{n}+\frac{d^2}{12}+u_0^2}

重复散布 s 与次数 n 给出随机项;最小分度 d 留下保守的舍入下限,零点也有不确定度。没有校正的视差、标定后才改变的零偏,仍会让结果整体偏移。

常见难点

每次都一样,也可能每次都偏

容易误解五次读数完全相同,就说明长度没有误差。

正确理解五次测量共用同一个零点和视线方向。散布可以为零,均值仍可能偏;最小分度留下的不确定度也没有消失。

动手实验

  1. 01

    找一条对齐的线

    选“量圆柱”,切到“刻度特写”。把量爪拉开一点,再贴回样品。

    你会看到: 主尺先给整数毫米,绿色游标线给出零头。量面没有接触时,不能保存测量。
  2. 02

    给零点重新定位

    展开“仪器误差与种子”,加大零点偏移,记一次读数。再点“合拢检查零点”,重新放回圆柱,量第二次。

    你会看到: 旧读数沿用旧标定,新读数减去新测的零点。只增加重复次数,消不掉这种整组偏移。
  3. 03

    从里面量孔

    选“量内孔”,把亮色量爪向外推,直到碰到内壁。

    你会看到: 内量爪向外张开,碰壁后停下;外尺寸测量则在量爪合拢时接触。
  4. 04

    把眼睛移到正前方

    选“斜着看刻度”,在“刻度特写”和“视差侧视”间切换。最后把视线偏角调回零。

    你会看到: 真实间距没变,两层刻度却会错开。同一个角度反复读,视差也会一直留下。

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  1. 文章游标怎样读出毫米的零头
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