應(yīng)用型高等院校游標(biāo)卡尺與螺旋測微計的教學(xué)思考

王晶晶 趙嵩卿 白曉偉 王磊 吳沖

[摘 要] 大學(xué)物理實驗教學(xué)關(guān)鍵是授之以漁而不是授之以魚，為提高學(xué)生對基本儀器的理解與運(yùn)用，在游標(biāo)卡尺和螺旋測微計的教學(xué)過程中介紹這兩種儀器的拓展及其應(yīng)用，讓學(xué)生深刻認(rèn)識基本儀器的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新思維，并引導(dǎo)學(xué)生形成應(yīng)用型工程技術(shù)意識。

[關(guān)鍵詞] 游標(biāo)卡尺;螺旋測微計;應(yīng)用

一、引言

“大學(xué)物理實驗”是一門獨立的必修基礎(chǔ)課程，是理工科學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后最先接觸的實踐課程之一。在教學(xué)過程中，教師的目標(biāo)不是僅讓學(xué)生測量一個物理量、觀察一個物理現(xiàn)象或進(jìn)行程式化的重復(fù)訓(xùn)練，關(guān)鍵在于傳授實驗的思想方法及其運(yùn)用。基本測量儀器的理解和使用，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實驗素質(zhì)有著重要的意義。游標(biāo)卡尺和螺旋測微計作為長度測量的兩個重要基礎(chǔ)儀器，二者在設(shè)計制造中采用機(jī)械放大法，是科學(xué)研究、工程測量和技術(shù)改造更新的基本方法。然而，在課程教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，在高中物理的理論學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)基本掌握游標(biāo)卡尺和螺旋測微計的讀數(shù)與使用，但大部分學(xué)生由于沒有機(jī)會實際操作儀器并且沒有意識到它們的重要性，因此進(jìn)入大學(xué)物理實驗學(xué)習(xí)時，不能獨立使用游標(biāo)卡尺和螺旋測微計，達(dá)不到理論操作的水平。如何讓學(xué)生深刻理解基本儀器原理，并進(jìn)一步拓展實際應(yīng)用，遵循基礎(chǔ)—改進(jìn)—創(chuàng)新的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)綜合能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，這些都是教學(xué)中的關(guān)注點。

二、讀數(shù)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(shù)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(shù)為18.6mm，其中0.6mm為估讀數(shù)值。

為提高上述測量精度，作為刻度尺的延伸和拓展，游標(biāo)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(jī)械部件之間的關(guān)系，使標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字的位數(shù)。游標(biāo)卡尺是測量長度、內(nèi)外徑、深度的量具，由主尺和游標(biāo)兩部分構(gòu)成，主尺一般以mm為單位，而游標(biāo)上則有10、20或50個分格，因此常用游標(biāo)卡尺精度為0.1mm、0.05mm和0.02mm;螺旋測微器比游標(biāo)卡尺更精密，由主尺和螺旋尺構(gòu)成，主尺讀數(shù)準(zhǔn)確到0.5mm，每移動0.5mm螺旋尺轉(zhuǎn)動一周50格，因此可以準(zhǔn)確到0.01mm。

如圖2所示，待測物體L用游標(biāo)卡尺鎖緊后，主尺34格與游標(biāo)尺34格的差值則為刻度尺需要估讀數(shù)值。鑒于五十分游標(biāo)卡尺，主尺每格與游標(biāo)尺相差0.02mm（精度值），則該刻度尺估讀數(shù)值利用游標(biāo)機(jī)械擴(kuò)大后，準(zhǔn)確讀數(shù)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(shù)值。鑒于螺旋尺每格為0.01mm（精度值），則該刻度尺估讀數(shù)值利用螺旋尺機(jī)械擴(kuò)大后，必須估讀螺旋尺格數(shù)，因此讀數(shù)為0.5mm+18.8×0.01mm=0.688mm，較游標(biāo)卡尺精度又有了提高。

游標(biāo)卡尺和螺旋測微計兩種基本量具讀數(shù)原理雖有不同，但二者皆是利用機(jī)械放大法將刻度尺估讀數(shù)值準(zhǔn)確化。教學(xué)中為調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們必須要做到將兩種儀器的技能訓(xùn)練與思想方法傳授并重，讓學(xué)生意識到，基礎(chǔ)儀器及其設(shè)計方法對培養(yǎng)工程技術(shù)意識和科研能力都有著重要的意義。

三、拓展及應(yīng)用

在掌握游標(biāo)卡尺和螺旋測微計讀數(shù)原理的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)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(yùn)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(yīng)用。

（一）角卡尺

角卡尺用于測量角度，與游標(biāo)卡尺的讀數(shù)原理一致。當(dāng)主尺零線與角游標(biāo)零線對齊后，主尺與游標(biāo)尺相差1°，因此游標(biāo)尺與主尺每格相差1′，角卡尺的精密度為1′。讀數(shù)時，必須觀察主尺與游標(biāo)尺對齊重合線。

（二）角卡尺的應(yīng)用—分光計游標(biāo)盤

大學(xué)物理光學(xué)實驗中，教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生掌握分光計的調(diào)節(jié)與使用，其中分光計讀數(shù)原理與游標(biāo)卡尺相同。分光計是高精度光譜分析儀器，其設(shè)計制造中將角卡尺設(shè)計為360°，用于讀取衍射角。如圖5所示，

左側(cè)為分光計結(jié)構(gòu)圖，右側(cè)為分光計讀數(shù)圓盤，其中刻度盤紅線與藍(lán)線之間為刻度盤估讀數(shù)值，利用游標(biāo)盤放大后準(zhǔn)確讀數(shù)，提高測量精度。

（三）螺旋測微計改進(jìn)

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

（四）螺旋測微計在讀數(shù)顯微鏡中的應(yīng)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(jié)合會更好地體現(xiàn)出基礎(chǔ)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(xiàn)將螺旋測微計直接設(shè)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(cè)測距鼓輪則為螺旋測微計的螺旋尺（圓帽套筒），當(dāng)測距鼓輪轉(zhuǎn)動一周100格，主尺移動1mm，顯然精度為0.01mm，而讀數(shù)與螺旋測微計原理相同，必須要估讀測微鼓輪格數(shù)，最終讀數(shù)為主尺+格數(shù)×0.01mm。

（五）游標(biāo)卡尺和螺旋測微計的組合應(yīng)用

游標(biāo)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(gòu)造雖各不相同，但它們都能較為精確地測量長度。在優(yōu)化組合下，將二者有機(jī)地結(jié)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(biāo)卡尺游標(biāo)設(shè)計原理刻上一些等間距的平行線（10等分）。在測量中，當(dāng)圓帽套筒移動時，則這些線將形成一個游標(biāo)裝置。未改進(jìn)時螺旋測微器上格數(shù)是需要估讀的，改進(jìn)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(yè)的應(yīng)用

測量井下工具的內(nèi)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(tài)及形狀;測量螺紋距，為配套石油管柱機(jī)件加工提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

四、 教學(xué)反思

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

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