物理實驗的基本方法及數據處理基本方法

1、摘要：物理學是實驗性學科，而物理實驗在物理學的研究中占有非常重要的地位。本文著重介紹工科大學物理實驗蘊涵的實驗方法，提出工科大學物理實驗的新類型。并介紹相關的數據處理的方法。 關鍵詞：大學物理 實驗方法 數據處理正文：一、大學物理實驗方法實驗的目的是為了揭示與探索自然規(guī)律。掌握有關的基本實驗方法，對提高科學實驗能力有重要作用。實驗離不開測量，如何根據測量要求，設計實驗途徑，達到實驗目的？是一個必須思考的重要問題。有許多實驗方法或測量方法，就是同一量的測量、同一實驗也會體現多種方法且各種方法又相互滲透和結合。實驗方法如何分類并無硬性規(guī)定。下面總結幾種常用的基本實驗方法。根據測量方法和測量技術的不

2、同，可以分為比較法、放大法、平衡法、轉換法、模擬法、干涉法、示蹤法等。 （一）比較法根據一定的原理，通過與標準對象或標準量進行比較來確定待測對象的特征或待測量數值的實驗方法稱為比較法。它是最普遍、最基本、最常用的實驗方法，又分直接比較法、間接比較法和特征比較法。直接比較法是將被測量與同類物理量的標準量直接進行比較，直接讀數直接得到測量數據。例如，用游標卡尺和千分尺測量長度，用鐘表測量時間。間接比較法是借助于一些中間量或將被測量進行某種變換，來間接實現比較測量的方法。例如，溫度計測溫度，電流表測電流，電位差計測電壓，示波器上用李薩如圖形測量未知信號頻率等。特征比較法是通過與標準對象的特征進行比較

3、來確定待測對象的特征的觀測過程。例如，光譜實驗就是通過光譜的比較來確定被測物體的化學成分及其含量的。 （二） 放大法 由于被測量過小，用給定的某種儀器進行測量會造成很大的誤差，甚至小到無法被實驗者或儀器直接感覺和反應。此時可以先通過某種途徑將被測量放大，然后再進行測量。放大被測量所用的原理和方法稱為放大法。放大法分累計放大法、機械放大法、電磁放大法和光學放大法等。 1、累計放大法 在被測物理量能夠簡單重疊的條件下，將它展延若干倍再進行測量的方法稱為累計放大法。例如，在轉動慣量的測量中用秒表測量三線擺的周期。 2、機械放大法 利用機械部件之間的幾何關系，使標準單位量在測量過程中得到放大的方法稱為

4、機械放大法。例如，螺旋測微器和讀數顯微鏡的測量原理。 3、電磁放大法 在電磁類實驗中，微小的電流或電壓常需要用電子儀器將被測信號放大后再測量，這種方法稱為電磁放大法。如光電效應法測普朗克常數實驗中，就是將十分微弱的光電流通過微電流測量放大器放大后進行測量的；又如示波器將電信號放大，不僅顯示直觀，還可進行定量測量。 4、光學放大法 光學放大法有兩種，一種是被測物通過光學儀器形成放大的像，便于觀察判斷，例如常用的測微目鏡、讀數顯微鏡等，這些儀器在觀察中只起放大視角作用，并非使實際物體尺度發(fā)生變化，所以并不增加誤差。另一種是通過測量放大后的物理量，間接測得本身極小的物理量。光杠桿就是一種常

5、見的采用光學放大法的放大系統(tǒng)，它不僅可測長度的微小變化，如拉伸法測金屬絲的楊氏彈性模量實驗，還可測量角度的微小變化，如直流復射式檢流計原理。（三） 平衡法 平衡態(tài)是物理學中一個重要概念，因為在平衡態(tài)下，許多復雜的物理現象可以比較簡單地進行描述，實驗會保持原始條件，觀察會有較高的分辨率和靈敏度，從而容易實現定性和定量的物理分析。利平衡態(tài)測量被測物理量的方法稱為平衡法。例如，天平稱質量，惠斯登電橋測電阻，機械式電表測電流或電壓等。（四） 轉換法 許多物理量，由于屬性關系無法用儀器直接測量，或者即使能夠測量，測量起來很不方便，且準確性差。為此，將這些物理量轉換成其它便于準確測量的物理量來進行測量，再

6、反求待測量，這種方法稱為轉換法。曹沖稱象就包含有轉換法思想。轉換法分為參量轉換法、能量轉換法、圖像轉換法和替代轉換法。1 參量轉換法 利用各種參量之間的相互關系測某一物理量的方法叫參量轉換法。參量轉化法在間接測量中是比較普遍的。例如通過測應力與應變的關系來測量楊氏模量；通過測光的衍射角、衍射級次并已知光柵常數而測出光波長等。2 能量轉換法 通過能量轉化裝置將一種形式的量轉換成另一種形式的量進行測量的方法叫能量轉化法。這種方法的有優(yōu)點是能將不易測量的量轉換成易測量的量。較典型的有熱電轉換、力電轉換（或壓電轉換）、光電轉換、磁電轉換等。3 圖像轉換法 對某些抽象的不易直接觀察的變化過程或現象轉換成

7、可直接觀測的圖像的方法叫圖像轉換。例如示波器將信號轉換成可直接觀測的圖像（許多實驗中都有應用）；光波長測量轉換成光的干涉、衍射圖樣的測量（同時也是參量轉換）等。4 替代轉換法 將一個測量對象去替代另一個同類對象而完成測量的方法叫替代轉換。例如用電橋測電阻可采取這樣的方法，先把測量臂接上待測電阻，調至平衡，再把標準電阻箱代替待測電阻，調標準電阻再使電橋平衡。那么標準電阻的數值就是待測電阻。（五） 模擬法  模擬法是一種綜合研究被測對象物理屬性或規(guī)律的實驗方法，它以相似理論為基礎，設計與被測原型有物理或數學相似的模型，然后通過對模型的測量間接測得原型數據或研究原型的性質及規(guī)律，使我們對諸

8、如過分龐大、十分危險、或變化緩慢而難以直接進行測量的研究對象能夠通過模擬法進行測量研究。模擬法可分為物理模擬法、數學模擬法、計算機模擬法。  1、物理模擬法 保持同一物理本質的模擬方法稱為物理模擬法。首先，要求模型的幾何尺寸與原型的幾何尺寸成比例地縮小或放大，即在形狀上模型與原型完全相似，稱為幾何相似條件；其次，要求模型與原型遵從同樣的物理規(guī)律，只有這樣才能用模型代替原型進行物理規(guī)律范圍內的測試，稱為物理相似條件。物理模擬法必須具備這兩個相似條件。2、數學模擬法 兩個完全不同性質的物理現象或過程，依賴于它們的數學方程形式的相似而進行模擬的方法。例如，用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場、用電學振

9、動系統(tǒng)來模擬力學振動系統(tǒng)等。（六）干涉法 應用相干波干涉時所遵循的物理規(guī)律進行有關物理量測量的方法稱為干涉法。利用干涉法可進行物體的長度、薄膜的厚度、微小位移與角度、光波波長、透鏡的曲率半徑、氣體或液體的折射率等物理量的精確測量，并可檢驗某些光學元件的質量等。（七）示蹤法 示蹤法能形象、直觀、及時地顯示出物理過程。它可以是實物示蹤，也可以是模擬示蹤。示蹤法常配合其它實驗方法共同使用。例如，觀察紅墨水分子的擴散現象、布朗運動的觀察、在粒子物理研究中用的云室、氣泡室、照相底片等。 （八） 強化法使實驗對象處于某種極限狀態(tài)中進行觀測的方法稱為強化方法?？茖W實驗可以造成自然界無法直接控制的特

10、殊條件，從而揭示新的自然規(guī)律。這些特殊條件包括超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場等。在外加強化條件下，可以獲得新的發(fā)現。如石墨在高壓下變成金剛石等。 當然，大學物理實驗方法還不限于上述幾種。二、數據處理基本方法如何有實驗數據得到正確的實驗結果是實驗的根本問題。從實驗中得到的第一手資料實驗數據，必須經過科學分析和加工，才能揭示出規(guī)律性的東西。我們把從獲得原始數據起到得出結論位置的加工過程稱為數據處理。它包括記錄、整理、計算、分析等處理方法。下面介紹幾種常見的數據處理方法。（一） 列表法列表法是記錄數據的基本方法。所謂列表法就是把一組測得的實驗數據和計算過程中數值與結果依一定順序和形式列成

11、表格并能清楚地顯示物理量之間的一一對應關系或變化趨勢。一個設計完美的數據表格有助于發(fā)現和檢查實驗中存在的問題、判斷結果的合理性、找出物理量之間的關系，提高數據處理效率。(二)圖示和圖解法1 圖示法 將實驗數據反映出來的物理量之間關系在坐標紙上用幾何圖線表示出來的方法稱為圖示法。圖示法優(yōu)點在于：a 形象直觀地反映物理量之間的關系和變化規(guī)律，便于總結經驗公式。b 在一定條件下，可以通過圖形延伸推知未測量點的數據，推測測量范圍以外的變化趨勢。c 根據曲線的斜率、截距、極值、曲率等幾何參量可求得某些待測量。d 作出的圖線對測量數據起到取平均的作用，從而減少隨機誤差的影響。2圖解法 由實驗圖線求出各種參

12、數及經驗公式的方法稱為圖解法，物理實驗常遇到的曲線大多是直線、拋物線、雙曲線、指數曲線、對數曲線等。建立經驗公式的步驟一般為：a 判斷圖線類型及經驗公式可能特點。b 作變量代換，利用對數或倒數坐標紙將原曲線改直，計算原公式中的參數。c 寫出經驗公式形式并用實驗數據檢驗公式的準確程度。（三）曲線擬合與最小二乘法由圖解法求經驗公式有一定任意性，原因在于求直線（或曲線改直）的斜率、截距時，不是取實驗點數據而是取直線點來求的；圖線繪制往往引入附加誤差。如果直接用實驗數據進行直線或曲線擬合來求經驗公式，得到的結果必然精確一些。1 回歸法 用數理統(tǒng)計理論對實驗數據進行曲線擬合尋求經驗公式的方法叫回歸法。對

13、于回歸分析，首先要確定函數形式。函數形式一般根據理論推斷或實驗數據變化趨勢推測。2 最小二乘法 用各個離差的平方和M=(i=1到n)yi-(axi+b)2最小來保證每個離差的絕對值都很小。解方程組?M/?a=0；?M/?b=0，整理得(xi2)a+(xi)b=xiyi；(xi)a+nb=yi。解出a,b。（四）逐差法逐差法是處理實驗數據的常用方法之一。所謂逐差法就是將全部實驗數據依順序分成兩組，取兩組中對應項之差再求平均的方法。結論：大學物理實驗方法多種多樣，在實驗的過程中應靈活運用，從而達到更好的實驗的效果。實驗完成后，在數據處理方面也應注意方法。好的數據處理方法有助于分析實驗結果。作為一名在校本科生，我們應熟練掌握各種實驗方法以及數據處理方法。參考文獻：1 李平.大學物理實驗教程M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.1：133-140.2 胡成華，周平，蘭明乾.大學物