應用型高等院校游標卡尺與螺旋測微計的教學思考

王晶晶 趙嵩卿 白曉偉 王磊 吳沖

[摘 要] 大學物理實驗教學關鍵是授之以漁而不是授之以魚，為提高學生對基本儀器的理解與運用，在游標卡尺和螺旋測微計的教學過程中介紹這兩種儀器的拓展及其應用，讓學生深刻認識基本儀器的重要性，培養學生科學素質和創新思維，并引導學生形成應用型工程技術意識。

[關鍵詞] 游標卡尺;螺旋測微計;應用

一、引言

“大學物理實驗”是一門獨立的必修基礎課程，是理工科學生進入大學后最先接觸的實踐課程之一。在教學過程中，教師的目標不是僅讓學生測量一個物理量、觀察一個物理現象或進行程式化的重復訓練，關鍵在于傳授實驗的思想方法及其運用?；緶y量儀器的理解和使用，對培養學生科學的實驗素質有著重要的意義。游標卡尺和螺旋測微計作為長度測量的兩個重要基礎儀器，二者在設計制造中采用機械放大法，是科學研究、工程測量和技術改造更新的基本方法。然而，在課程教學過程中發現，在高中物理的理論學習中，學生已經基本掌握游標卡尺和螺旋測微計的讀數與使用，但大部分學生由于沒有機會實際操作儀器并且沒有意識到它們的重要性，因此進入大學物理實驗學習時，不能獨立使用游標卡尺和螺旋測微計，達不到理論操作的水平。如何讓學生深刻理解基本儀器原理，并進一步拓展實際應用，遵循基礎—改進—創新的教學模式，引導學生培養綜合能力，培養創新思維，這些都是教學中的關注點。

二、讀數原理

長度的測量是最基本的測量，最常用的工具是刻度尺。讀數時，要估讀到刻度尺最小分度值的下一位，如圖1所示：刻度尺最小分度值為1mm，該物體讀數為18.6mm，其中0.6mm為估讀數值。

為提高上述測量精度，作為刻度尺的延伸和拓展，游標卡尺和螺旋測微計已成為廣泛使用的高精度測量工具。這兩種量具利用機械部件之間的關系，使標準單位量在測量過程中得到放大，提高測量儀器的分辨率，增加了測量的有效數字的位數。游標卡尺是測量長度、內外徑、深度的量具，由主尺和游標兩部分構成，主尺一般以mm為單位，而游標上則有10、20或50個分格，因此常用游標卡尺精度為0.1mm、0.05mm和0.02mm;螺旋測微器比游標卡尺更精密，由主尺和螺旋尺構成，主尺讀數準確到0.5mm，每移動0.5mm螺旋尺轉動一周50格，因此可以準確到0.01mm。

如圖2所示，待測物體L用游標卡尺鎖緊后，主尺34格與游標尺34格的差值則為刻度尺需要估讀數值。鑒于五十分游標卡尺，主尺每格與游標尺相差0.02mm（精度值），則該刻度尺估讀數值利用游標機械擴大后，準確讀數為0.68mm。

如圖3所示，待測物體用螺旋測微計鎖緊后，主尺5mm與螺旋尺邊緣線之間距離則為刻度尺需要估讀數值。鑒于螺旋尺每格為0.01mm（精度值），則該刻度尺估讀數值利用螺旋尺機械擴大后，必須估讀螺旋尺格數，因此讀數為0.5mm+18.8×0.01mm=0.688mm，較游標卡尺精度又有了提高。

游標卡尺和螺旋測微計兩種基本量具讀數原理雖有不同，但二者皆是利用機械放大法將刻度尺估讀數值準確化。教學中為調動學生的學習積極性，我們必須要做到將兩種儀器的技能訓練與思想方法傳授并重，讓學生意識到，基礎儀器及其設計方法對培養工程技術意識和科研能力都有著重要的意義。

三、拓展及應用

在掌握游標卡尺和螺旋測微計讀數原理的基礎上，引導學生思考這兩種儀器是否可以拓展到測量角度？能否測量較小尺度的物體？是否可以將兩種儀器綜合運用？下面來介紹這兩種基本儀器拓展的幾種簡單儀器及其在石油測井中的應用。

（一）角卡尺

角卡尺用于測量角度，與游標卡尺的讀數原理一致。當主尺零線與角游標零線對齊后，主尺與游標尺相差1°，因此游標尺與主尺每格相差1′，角卡尺的精密度為1′。讀數時，必須觀察主尺與游標尺對齊重合線。

（二）角卡尺的應用—分光計游標盤

大學物理光學實驗中，教學目標要求學生掌握分光計的調節與使用，其中分光計讀數原理與游標卡尺相同。分光計是高精度光譜分析儀器，其設計制造中將角卡尺設計為360°，用于讀取衍射角。如圖5所示，

左側為分光計結構圖，右側為分光計讀數圓盤，其中刻度盤紅線與藍線之間為刻度盤估讀數值，利用游標盤放大后準確讀數，提高測量精度。

（三）螺旋測微計改進

如圖6所示，螺旋測微計測量規則微小物體外徑很方便，但在實際應用中對于不規則物體，如圖6中右下角物體厚度測量，可以改進螺旋測微計（左上圖）測量物體內厚度。

（四）螺旋測微計在讀數顯微鏡中的應用

基本儀器不但可以直接測量微小物體，而且與其他儀器結合會更好地體現出基礎儀器的重要意義。實驗室使用顯微鏡觀測肉眼難以分辨的微小物體，為方便直接測量物體的尺寸，現將螺旋測微計直接設計在顯微鏡制造中。如圖7所示，其中目鏡下方的橫向直尺則為螺旋測微計的主尺，右側測距鼓輪則為螺旋測微計的螺旋尺（圓帽套筒），當測距鼓輪轉動一周100格，主尺移動1mm，顯然精度為0.01mm，而讀數與螺旋測微計原理相同，必須要估讀測微鼓輪格數，最終讀數為主尺+格數×0.01mm。

（五）游標卡尺和螺旋測微計的組合應用

游標卡尺與螺旋測微器作為兩種基本的測量儀器，二者的原理、構造雖各不相同，但它們都能較為精確地測量長度。在優化組合下，將二者有機地結合起來，可以再一次提高測量精度。如圖8所示，螺旋測微器主尺的圓周面上與原主尺橫向基線的垂直方向，按照游標卡尺游標設計原理刻上一些等間距的平行線（10等分）。在測量中，當圓帽套筒移動時，則這些線將形成一個游標裝置。未改進時螺旋測微器上格數是需要估讀的，改進后的螺旋測微器可以精確地讀出，從而將螺旋測微器的精確度從0.01mm提高至0.001mm。

（六）石油行業的應用

測量井下工具的內外徑，如封隔器、打撈、鉆模及入井工具等。測量鉛模外徑及對落魚打印后鉛模變形后的外徑及印痕尺寸，用于判斷落魚狀態及形狀;測量螺紋距，為配套石油管柱機件加工提供精準的數據支持。

四、 教學反思

在基本儀器的操作與使用教學中，往往被忽略制作原理或設計方法，因此部分學生囫圇吞棗地學會使用，并未思考其中的科學思想及方法。教師應清醒認識到實驗教學中傳授的科學方法比知識本身更為重要，因此，引導學生探討實驗思想方法是實驗教學培養的重中之重。學生只有透徹地理解和掌握原理，才能有所創新，形成應用型的工程技術意識。在教學過程中緊密結合儀器拓展及實際應用，舉一反三，讓學生深刻認識基本儀器的重要性，這樣才能做到開拓學生視野，但也不忘儀器的掌握和使用。

參考文獻

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