物理實(shí)驗(yàn)的基本方法

物理實(shí)驗(yàn)的基本方法第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日物理實(shí)驗(yàn)

基本方法與創(chuàng)新第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.物理實(shí)驗(yàn)思想和方法的形成

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動(dòng)形式、相互作用和轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科。

與各個(gè)自然學(xué)科、工程技術(shù)部門的相互作用，促進(jìn)和創(chuàng)造了今天的科技進(jìn)步和人類文明，對(duì)當(dāng)代及未來(lái)高新科技的進(jìn)步、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展提供著巨大的推動(dòng)力。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

在人類追求真理、探索未知世界的過(guò)程中，物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)的世界觀和方法論，深刻影響著人類對(duì)物質(zhì)世界的基本認(rèn)識(shí)、人類的思維方式和社會(huì)生活，是人類文明的基石。

物理學(xué)發(fā)展的歷史證明了，正確的科學(xué)思想及由此產(chǎn)生的科學(xué)方法是科學(xué)研究的靈魂。第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

伽利略（G.GaLileo）是最早運(yùn)用我們今天所稱的科學(xué)方法的人。伽利略是近代科學(xué)的奠基者，是科學(xué)史上第一位現(xiàn)代意義的科學(xué)家。

他首先為自然科學(xué)創(chuàng)立了兩個(gè)研究法則，即觀察實(shí)驗(yàn)和量化的方法，將實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合，真實(shí)實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)方法，使近代物理學(xué)從此走上了以實(shí)驗(yàn)精確觀測(cè)為基礎(chǔ)的道路。就是經(jīng)驗(yàn)（以實(shí)驗(yàn)和觀察的形式）與思維（以創(chuàng)造性構(gòu)筑的理論和假說(shuō)的形式）之間的動(dòng)態(tài)的相互作用。伽利略在用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)真理的過(guò)程中，獲得了一個(gè)極其重要的科學(xué)概念，即自然法則和物理定律的概念第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

伽利略通過(guò)親身的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到尋求自然法則是科學(xué)研究的目的，自然法則是自然現(xiàn)象千變?nèi)f化的秘密所在，而一旦發(fā)現(xiàn)自然法則便可以認(rèn)識(shí)自然。這個(gè)觀念一經(jīng)確立，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到，不僅天文學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)現(xiàn)象，一切自然現(xiàn)象都是有其自身規(guī)律的，于是在力學(xué)的帶領(lǐng)下，逐漸發(fā)展出近代科學(xué)的各個(gè)分支。伽利略在建立系統(tǒng)的科學(xué)思想和實(shí)驗(yàn)方法中，開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)，開創(chuàng)了近代物理學(xué)，對(duì)物理學(xué)的發(fā)展作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

正如他自已在《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中所述：“我們可以說(shuō)，大門已經(jīng)向新方向打開，這種將帶來(lái)大量奇妙成果的新方法，在未來(lái)年代會(huì)博得許多人的重視”。

事實(shí)正是如此，家愛因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》中，對(duì)伽利略的科學(xué)思想方法給予了高度評(píng)價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

伽利略開創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)（包括實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)方法）開創(chuàng)了自然科學(xué)發(fā)展的新局面。在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)數(shù)百年的發(fā)展進(jìn)程中，涌現(xiàn)了眾多卓越的在物理學(xué)發(fā)展史上起過(guò)重要里程碑作用的實(shí)驗(yàn)。以其巧妙的物理構(gòu)思、獨(dú)到的處理和解決問(wèn)題的方法、精心設(shè)計(jì)的儀器完善的實(shí)驗(yàn)安排、高超的測(cè)量技術(shù)、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精心處理和無(wú)懈可擊的分析判斷等，為我們展示了極其豐富和精彩的物理思想，開創(chuàng)出解決問(wèn)題的途徑和方法。第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

這些物理思想和實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)超越了各個(gè)具體實(shí)驗(yàn)而具有普遍的指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)和掌握物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、測(cè)量和分析的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)及其他學(xué)科的學(xué)習(xí)和研究都大有裨益。第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)量和分析方法測(cè)量的方法和精確度隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地豐富和提高第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日比較法(測(cè)量)

待測(cè)物理量直接或者間接地與作為基準(zhǔn)（或標(biāo)準(zhǔn)單位）的同類物理量進(jìn)行比較，得到比值的過(guò)程。

直接比較測(cè)量法間接比較測(cè)量法第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日補(bǔ)償法

把標(biāo)準(zhǔn)值S選擇或調(diào)節(jié)到與待測(cè)物理量X值相等，用于抵消（或補(bǔ)償）待測(cè)物理量的作用，使系統(tǒng)處于平衡（或補(bǔ)償）狀態(tài)，處于平衡狀態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，待測(cè)物理量X與標(biāo)準(zhǔn)值S具有確定的關(guān)系，這種測(cè)量方法稱為補(bǔ)償法。補(bǔ)償法的特點(diǎn)是測(cè)量系統(tǒng)中包含有標(biāo)準(zhǔn)量具和平衡器（或示零器），在測(cè)量過(guò)程中，待測(cè)物理量X與標(biāo)準(zhǔn)量S直接比較，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量S，使S與X之差為零（故也有人稱其為示零法）。這個(gè)測(cè)量過(guò)程就是調(diào)節(jié)平衡（或補(bǔ)償）的過(guò)程，其優(yōu)點(diǎn)是可以免去一些附加系統(tǒng)誤差，當(dāng)系統(tǒng)具有高精度的標(biāo)準(zhǔn)量具和平衡指示器時(shí)，可獲得較高的分辨率、靈敏度及測(cè)量的精確度。第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

電位差計(jì)是典型的補(bǔ)償電路應(yīng)用。其原理如圖1.3-3。第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

平衡法

平衡原理是物理學(xué)的重要基本原理，由此而產(chǎn)生的平衡法是分析、解決物理問(wèn)題的重要方法，也是物理量測(cè)量普遍應(yīng)用的重要方法。

例如，天平、電子秤是根據(jù)力學(xué)平衡原理設(shè)計(jì)的，可用來(lái)測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量、密度等物理量。根據(jù)電流、電壓等電子量之間的平衡設(shè)計(jì)的橋式電路，可用來(lái)測(cè)量電阻、電感、電容、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等物質(zhì)的電磁特性參量。第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日歷史上一些重要的物理定律的確定和驗(yàn)證，有些就是通過(guò)平衡法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，匈牙利物理學(xué)家厄缶通過(guò)扭擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了物體的質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，扭擺實(shí)驗(yàn)的基本原理是平衡原理。第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日放大法在物理量的測(cè)量中，有時(shí)由于被測(cè)量量過(guò)分小，以至無(wú)法被實(shí)驗(yàn)者或儀器直接感受和反應(yīng)，此時(shí)可先通過(guò)一些途徑將被測(cè)量量放大，然后再進(jìn)行測(cè)量，放大被測(cè)量量所用的原理和方法稱為放大法。常用的放大法有累積放大法、機(jī)械放大法、電學(xué)放大法、光學(xué)放大法等。A、積累放大法：第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

激光器為了獲得高度集束光，采用一對(duì)平行度很高的半透半反射膜，使光在兩半透半反射膜之間多次反射，光強(qiáng)不斷增強(qiáng)，其中與反射面不垂直的光會(huì)由于多次反射而最終被篩選掉第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

回旋加速器也是利用了積累放大的原理，電子每通過(guò)加速器半圓的出口進(jìn)行一次加速，使電子的能量不斷增加

在拉曼光譜或紅外光譜的測(cè)量中，由于電子噪音、機(jī)械振動(dòng)噪聲和環(huán)境噪聲等，使單次掃描往往不能獲得高分辨率和信噪比的譜圖或曲線，也常常采用積累放大法進(jìn)行多次掃描測(cè)量來(lái)降低本底噪音，提高測(cè)量的分辨率和獲取有用信息。第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日B、機(jī)械放大法C、電信號(hào)的放大和信噪比的提高D、光學(xué)放大法螺旋測(cè)微計(jì)、不等臂的杠桿等可以是電壓放大、電流放大、功率放大、電信號(hào)亦可以是交流的或直流的。如：壓電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、電磁轉(zhuǎn)換復(fù)射式檢流計(jì)、光杠桿等裝置中第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日轉(zhuǎn)換測(cè)量法

參量轉(zhuǎn)換測(cè)量法是利用各種參量間的變換及其變化的相互關(guān)系，把不可測(cè)的量轉(zhuǎn)換成可測(cè)的量。在設(shè)計(jì)和安排實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)預(yù)先估計(jì)不能達(dá)到要求時(shí)，常常另辟新徑，把一些不可測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的物理量。A、參量轉(zhuǎn)換測(cè)量法：用流體靜力稱衡法測(cè)量幾何形狀不規(guī)則物體的密度時(shí)，由于其體積無(wú)法用量具測(cè)定，為了克服這一困難，利用阿基米德原理因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量工作中，可以改變的條件很多，可以在一定范圍內(nèi)找到那些易于測(cè)量的量，繞開不易測(cè)量的量，實(shí)行變量代換。最經(jīng)典的例子便是利用阿基米德原理測(cè)量不規(guī)則物體的體積或密度。第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日B、能量轉(zhuǎn)換測(cè)量法：能量轉(zhuǎn)換測(cè)量法是指某種形式的物理量，通過(guò)能量變換器，變成另一種形式物理量的測(cè)量方法（1）光電轉(zhuǎn)換：利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。例如在弱電流放大的實(shí)驗(yàn)中，把激光（或其他光，如日光、燈光等）照射在硒光電池上直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在進(jìn)行放大。常用的光電元件還有光敏三極管、光電倍增管、光電管等。（2）磁電轉(zhuǎn)換：最經(jīng)典的磁敏元件是霍爾元件、磁記錄元件（如讀、寫磁頭、磁帶、磁盤┈）、巨磁阻元件等，利用磁敏元件（或電磁感應(yīng)組件）將磁學(xué)參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電阻的測(cè)量。（3）熱電轉(zhuǎn)換：利用熱敏元件（如半導(dǎo)體熱敏元件、熱電偶等），將溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓或電阻的測(cè)量。（4）壓電轉(zhuǎn)換：利用壓敏元件或壓敏材料（如壓電陶瓷、石英晶體等）的壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。反過(guò)來(lái)，也可以用某一特定頻率的電信號(hào)去激勵(lì)壓敏材料使之產(chǎn)生共振。第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日模擬法模擬法是以相似性原理為基礎(chǔ)，從模型實(shí)驗(yàn)開始發(fā)展起來(lái)的，研究物質(zhì)或事物物理屬性變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法，在探求物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和自然奧秘或解決工程技術(shù)或軍事問(wèn)題時(shí)，常常會(huì)遇到一些特殊的、難以對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行直接測(cè)量的情況。數(shù)學(xué)模擬、物理模擬第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日物理模擬可以分為三類：幾何模擬、動(dòng)力相似模擬、替代或類比模擬（包括電路模擬）。幾何模擬：幾何模擬是將實(shí)物按比例放大或縮小，對(duì)其物理性能及功能進(jìn)行試驗(yàn)。

如流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室常采用水泥造出河流的落差、彎道、河床的形狀，還有一些不同形狀的擋水狀物，用來(lái)模擬河水流向、泥沙的沉積、沙洲、水壩對(duì)河流運(yùn)動(dòng)的影響，或用“沙堆”研究泥石的變化規(guī)律。再如研究建筑材料及結(jié)構(gòu)的承受能力，可將原材料或建筑群體設(shè)計(jì)，按比例縮小幾倍到幾十倍，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日如，在航空技術(shù)驗(yàn)機(jī)中，人們不得不建造壓縮空氣作高速旋轉(zhuǎn)的密封型風(fēng)洞來(lái)作為模型試驗(yàn)的條件，使試驗(yàn)條件更符合實(shí)際自然狀態(tài)的形式。動(dòng)力相似模擬：物理系統(tǒng)常常是不具有標(biāo)度不變性的。一般來(lái)說(shuō)，幾何上的相似性并不等于物理上的相似。因而在工程技術(shù)中作模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何保證縮小的模型與實(shí)物在物理上保持相似性是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為了達(dá)到模型與原型在物理性質(zhì)或規(guī)律上的相似或等同性，模型的外型往往不是原型的縮型第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日替代或類別模型：利用物質(zhì)材料的相似性或類比性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢杂脛e的物質(zhì)、材料或者別的物理過(guò)程，來(lái)模擬所研究的材料或物理過(guò)程。例如在模擬靜電場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)中，就是用電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)。用超聲波代替地震波，用巖石、塑料、有機(jī)玻璃等做成各種模型，來(lái)進(jìn)行地震模擬實(shí)驗(yàn)。更進(jìn)一步的物理之間的替代，就導(dǎo)致了原型試驗(yàn)和工作方式都改變了的特殊的模擬方法。應(yīng)用最廣的就是電路模擬。因?yàn)樵趯?shí)際工作中，要改變一些力學(xué)量不如改變電阻、電容、電感來(lái)的更容易。用RLC電路模擬自由振動(dòng)中阻尼的變化情況第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日光的干涉、衍射法在干涉現(xiàn)象中，不論是何種干涉，相鄰干涉條紋的光程差的改變都等于相干光的波長(zhǎng)。光的波長(zhǎng)雖然很小，但干涉條紋間的距離或干涉條紋的數(shù)目卻是可以計(jì)量的。因此，通過(guò)對(duì)條紋數(shù)目或條紋的改變的計(jì)量，可以獲得以波長(zhǎng)為單位的對(duì)光程差的計(jì)量。利用光的等厚干涉現(xiàn)象可以精確測(cè)量微小長(zhǎng)度或角度變化，測(cè)量微小的形變及其相關(guān)的其它物理量；也可以來(lái)檢驗(yàn)物體表面的平面度、球面度、光潔度及工件內(nèi)應(yīng)力的分布等數(shù)字游標(biāo)卡尺就是利用莫爾干涉條紋實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量的第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日光的衍射原理和方法可以廣泛地應(yīng)用于測(cè)量微小物體的大小。光的衍射原理和方法在現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)方法中具有重要的地位。光譜技術(shù)與方法、X射線衍射技術(shù)與方法、電子顯微技術(shù)與方法都與光的衍射原理與方法相關(guān)，它們已成為現(xiàn)代物理技術(shù)與方法的重要組成部分，在人類研究微觀世界和宇宙空間中發(fā)揮著重要的作用。第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日虛擬測(cè)量技術(shù)基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與物理量的測(cè)量技術(shù)第二十