王晶晶 赵嵩卿 白晓伟 王磊 吴冲

[摘 要] 大学物理实验教学关键是授之以渔而不是授之以鱼，为提高学生对基本仪器的理解与运用，在游标卡尺和螺旋测微计的教学过程中介绍这两种仪器的拓展及其应用，让学生深刻认识基本仪器的重要性，培养学生科学素质和创新思维，并引导学生形成应用型工程技术意识。

[关键词] 游标卡尺;螺旋测微计;应用

一、引言

“大学物理实验”是一门独立的必修基础课程，是理工科学生进入大学后最先接触的实践课程之一。在教学过程中，教师的目标不是仅让学生测量一个物理量、观察一个物理现象或进行程式化的重复训练，关键在于传授实验的思想方法及其运用。基本测量仪器的理解和使用，对培养学生科学的实验素质有着重要的意义。游标卡尺和螺旋测微计作为长度测量的两个重要基础仪器，二者在设计制造中采用机械放大法，是科学研究、工程测量和技术改造更新的基本方法。然而，在课程教学过程中发现，在高中物理的理论学习中，学生已经基本掌握游标卡尺和螺旋测微计的读数与使用，但大部分学生由于没有机会实际操作仪器并且没有意识到它们的重要性，因此进入大学物理实验学习时，不能独立使用游标卡尺和螺旋测微计，达不到理论操作的水平。如何让学生深刻理解基本仪器原理，并进一步拓展实际应用，遵循基础—改进—创新的教学模式，引导学生培养综合能力，培养创新思维，这些都是教学中的关注点。

二、读数原理

长度的测量是最基本的测量，最常用的工具是刻度尺。读数时，要估读到刻度尺最小分度值的下一位，如图1所示：刻度尺最小分度值為1mm，该物体读数为18.6mm，其中0.6mm为估读数值。

为提高上述测量精度，作为刻度尺的延伸和拓展，游标卡尺和螺旋测微计已成为广泛使用的高精度测量工具。这两种量具利用机械部件之间的关系，使标准单位量在测量过程中得到放大，提高测量仪器的分辨率，增加了测量的有效数字的位数。游标卡尺是测量长度、内外径、深度的量具，由主尺和游标两部分构成，主尺一般以mm为单位，而游标上则有10、20或50个分格，因此常用游标卡尺精度为0.1mm、0.05mm和0.02mm;螺旋测微器比游标卡尺更精密，由主尺和螺旋尺构成，主尺读数准确到0.5mm，每移动0.5mm螺旋尺转动一周50格，因此可以准确到0.01mm。

如图2所示，待测物体L用游标卡尺锁紧后，主尺34格与游标尺34格的差值则为刻度尺需要估读数值。鉴于五十分游标卡尺，主尺每格与游标尺相差0.02mm（精度值），则该刻度尺估读数值利用游标机械扩大后，准确读数为0.68mm。

如图3所示，待测物体用螺旋测微计锁紧后，主尺5mm与螺旋尺边缘线之间距离则为刻度尺需要估读数值。鉴于螺旋尺每格为0.01mm（精度值），则该刻度尺估读数值利用螺旋尺机械扩大后，必须估读螺旋尺格数，因此读数为0.5mm+18.8×0.01mm=0.688mm，较游标卡尺精度又有了提高。

游标卡尺和螺旋测微计两种基本量具读数原理虽有不同，但二者皆是利用机械放大法将刻度尺估读数值准确化。教学中为调动学生的学习积极性，我们必须要做到将两种仪器的技能训练与思想方法传授并重，让学生意识到，基础仪器及其设计方法对培养工程技术意识和科研能力都有着重要的意义。

三、拓展及应用

在掌握游标卡尺和螺旋测微计读数原理的基础上，引导学生思考这两种仪器是否可以拓展到测量角度？能否测量较小尺度的物体？是否可以将两种仪器综合运用？下面来介绍这两种基本仪器拓展的几种简单仪器及其在石油测井中的应用。

（一）角卡尺

角卡尺用于测量角度，与游标卡尺的读数原理一致。当主尺零线与角游标零线对齐后，主尺与游标尺相差1°，因此游标尺与主尺每格相差1′，角卡尺的精密度为1′。读数时，必须观察主尺与游标尺对齐重合线。

（二）角卡尺的应用—分光计游标盘

大学物理光学实验中，教学目标要求学生掌握分光计的调节与使用，其中分光计读数原理与游标卡尺相同。分光计是高精度光谱分析仪器，其设计制造中将角卡尺设计为360°，用于读取衍射角。如图5所示，

左侧为分光计结构图，右侧为分光计读数圆盘，其中刻度盘红线与蓝线之间为刻度盘估读数值，利用游标盘放大后准确读数，提高测量精度。

（三）螺旋测微计改进

如图6所示，螺旋测微计测量规则微小物体外径很方便，但在实际应用中对于不规则物体，如图6中右下角物体厚度测量，可以改进螺旋测微计（左上图）测量物体内厚度。

（四）螺旋测微计在读数显微镜中的应用

基本仪器不但可以直接测量微小物体，而且与其他仪器结合会更好地体现出基础仪器的重要意义。实验室使用显微镜观测肉眼难以分辨的微小物体，为方便直接测量物体的尺寸，现将螺旋测微计直接设计在显微镜制造中。如图7所示，其中目镜下方的横向直尺则为螺旋测微计的主尺，右侧测距鼓轮则为螺旋测微计的螺旋尺（圆帽套筒），当测距鼓轮转动一周100格，主尺移动1mm，显然精度为0.01mm，而读数与螺旋测微计原理相同，必须要估读测微鼓轮格数，最终读数为主尺+格数×0.01mm。

（五）游标卡尺和螺旋测微计的组合应用

游标卡尺与螺旋测微器作为两种基本的测量仪器，二者的原理、构造虽各不相同，但它们都能较为精确地测量长度。在优化组合下，将二者有机地结合起来，可以再一次提高测量精度。如图8所示，螺旋测微器主尺的圆周面上与原主尺横向基线的垂直方向，按照游标卡尺游标设计原理刻上一些等间距的平行线（10等分）。在测量中，当圆帽套筒移动时，则这些线将形成一个游标装置。未改进时螺旋测微器上格数是需要估读的，改进后的螺旋测微器可以精确地读出，从而将螺旋测微器的精确度从0.01mm提高至0.001mm。

（六）石油行业的应用

测量井下工具的内外径，如封隔器、打捞、钻模及入井工具等。测量铅模外径及对落鱼打印后铅模变形后的外径及印痕尺寸，用于判断落鱼状态及形状;测量螺纹距，为配套石油管柱机件加工提供精准的数据支持。

四、 教学反思

在基本仪器的操作与使用教学中，往往被忽略制作原理或设计方法，因此部分学生囫囵吞枣地学会使用，并未思考其中的科学思想及方法。教师应清醒认识到实验教学中传授的科学方法比知识本身更为重要，因此，引导学生探讨实验思想方法是实验教学培养的重中之重。学生只有透彻地理解和掌握原理，才能有所创新，形成应用型的工程技术意识。在教学过程中紧密结合仪器拓展及实际应用，举一反三，让学生深刻认识基本仪器的重要性，这样才能做到开拓学生视野，但也不忘仪器的掌握和使用。

参考文献

[1]关于游标卡尺和螺旋测微器的针对性教学[J].大众科技，2014（11）.

[2]重视实验思想方法教学 意在创新思维能力培养[C].第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集（上册），2010.

[3]游标和螺旋测微器的组合应用[J].物理与工程，2004（3）.