淺談規范操作 避免實驗誤差

竇建宇

楊氏模量是用來描述固態物質彈性性質的一個物理量，與物質的幾何形狀和具體尺寸沒有關系，在其他條件都相同的情況下，楊氏模量越大的物質越不容易發生形變.它是反映材料彈性性質的參量之一，也是設計各種工程結構時選用材料的主要依據之一.

測定金屬絲的楊氏模量的器材主要有測定儀一套（包括金屬絲的楊氏模量測定儀、光杠桿、砝碼、鏡尺組等）、米尺、游標卡尺、螺旋測微器（千分尺）等.

2 主要實驗步驟

2.1 楊氏模量儀的調整

（1）通過調節支架底座螺絲，使底座處于水平狀態（觀察底座上的水準儀）.

（2）將光杠桿放在平臺上，兩前足放在平臺前面的橫槽內，后足放在活動金屬絲夾具上，但不可與金屬絲相碰.調整平臺的上下位置，使光杠桿前后足位于同一水平面上.

2.2 光杠桿及望遠鏡尺組的調節

（1）外觀對準.將望遠鏡尺放在離光杠桿鏡面約1.5 m～2.0 m處，并使二者在同一高度，調整光杠桿鏡面與平臺面垂直，望遠鏡成水平，標尺與望遠鏡光軸垂直.

（2）鏡外找像.從望遠鏡上方沿鏡筒方向觀察光杠桿鏡面，應看到鏡面中有標尺的像.若沒有標尺的像，可左右移動望遠鏡尺組或微調光杠桿鏡面的垂直程度，直到能觀察到標尺像為止.只有這時來自標尺的入射光才能經平面鏡反射到望遠鏡內.

（3）鏡內找像.先調望遠鏡目鏡，看清叉絲后，再慢慢調節物鏡，直到看清標尺的像.

（4）細調.觀察到標尺像后，再仔細地調節目鏡和物鏡，既能看清叉絲又能看清標尺像，且沒有視差.

2.3 測量

（1）記錄望遠鏡中尺像的初讀數及每次增重后的讀數.

（2）依次減少砝碼，并記錄每次相應的讀數，用逐差法計算望遠鏡中尺像讀數的平均改變量及其不確定度.

（3）用鋼卷尺測量光杠桿鏡面到標尺的距離D和金屬絲的長度L.

（4）用鋼板尺測出光杠桿后足到兩前足連線的垂直距離b.

（5）選擇金屬絲的不同位置，多次測量金屬絲的直徑d，求其平均值.

（四）計算金屬絲的楊氏模量及其不確定度，表示出測量結果.

3 實驗中誤差產生的原因

在實驗過程中，實驗取得的測量數據與實驗要求的測量值范圍相差很多.究其原因，是實驗過程中的誤差造成的，根據性質可將其分為兩類：系統誤差和隨機誤差.

（1）實驗過程中，楊氏模量測量儀一般沒有調節成標準狀態的功能，因此，測量時測量儀很大程度上是處于非標準狀態.在這樣的情況下進行實驗，就會存在著系統誤差.

（2）在楊氏模量測量時，金屬絲在未加砝碼時常處于彎曲狀態，如果此時直接加一個砝碼記一個讀數那就會造成測量的系統誤差，錯將金屬絲彎曲部分當作加砝碼后產生的形變讀數.

（3）誤差也會取決于金屬絲的微小變化量和金屬絲的直徑，由于平臺上的圓柱形卡頭上下伸縮，存在系統信息誤差，用望遠鏡讀取微小變化量時存在隨機誤差.

（4）測量金屬絲直徑時，由于存在橢圓形，故測出的直徑存在系統誤差和隨機誤差.

（5）實驗測數據時，由于金屬絲沒有絕對靜止，讀數時存在隨機誤差.

（6）米尺使用時如果沒有拉直，也會造成一定的誤差.

4 為避免實驗誤差應采取的措施

（1）由于標尺基本是平行固定在立柱上，只要底座放置在水平桌面上，標尺就基本鉛直，而望遠鏡和光杠桿平面鏡卻是都要手動進行調節的，常處于傾斜較大的非標準狀態，而實驗人員常常對測量儀處于非標準狀態下的誤差沒有足夠的認識.所以實驗前要對測量儀的狀態進行確認調整.同時調節望遠鏡時，要仔細調節目鏡，消除視差.

（2）整個測量過程中的動作要輕，保持整個測量裝置穩定.光杠桿和望遠鏡尺組一經調好，在實驗中不得再移動，否則測量數據無效，應重新測量.

（3）為避免金屬絲彎曲造成實驗測量結果誤差，可以在所有讀數讀取之前，先在托盤上加一到兩個砝碼，將金屬絲拉直后，再逐漸加砝碼正式開始讀數.

（4）每一次加減砝碼的間隔時間盡量保持相等.取放砝碼時一定要輕拿輕放，動作平穩，不要使砝碼托擺動，否則將會導 致光杠桿后足尖發生移動.每次增減砝碼后，要等金屬絲完全不晃動時才能讀數.

（5）實驗時所加砝碼是有缺口的，在逐次加砝碼時要求砝碼口要互相相對放置，如果放置時缺口始終面朝一個方向，就會造成砝碼倒塌，測量失敗.

（6）測相關信息量時，應根據精度要求選用相應的量具.用千分尺測d時，應先檢查零點讀數，并記錄零點誤差.考慮到金屬絲的不均勻性，應在不同位置用螺旋測微器測量其直徑d.

（7）不要用手觸摸儀器的光學表面，擦拭時要用鏡頭紙.

綜上所述，只要針對可能造成實驗誤差的原因，進行實驗時加以關注和改進，科學、規范操作，就可以減小甚至避免在實驗過程中產生的誤差，提高實驗測量的精確度.