物理实验的基本方法

大学物理综合实验目的与要求1、目的是培养具有研究性和创新意识与素质2、培养合作、协作精神3、要求完成不多于4个实验，必须要写一篇与实验数据、实验装置、实验改进、原理创新、方法改进（创新）等紧密相关的小论文（或具有论文性质的总结）必须在14周周五之前交到，否则没有成绩。4、给同学们提供力所能及的材料和设施，完成同学们的切合实际的想法5、给同学们创造一个宽松的学习平台和机会，大胆得想，勇敢去做物理实验基本方法与创新1.物理实验思想和方法的形成物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用和转化规律的学科。与各个自然学科、工程技术部门的相互作用，促进和创造了今天的科技进步和人类文明，对当代及未来高新科技的进步、相关产业的建立和发展提供着巨大的推动力。在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石。物理学发展的历史证明了，正确的科学思想及由此产生的科学方法是科学研究的灵魂。伽利略（G.GaLileo）是最早运用我们今天所称的科学方法的人。伽利略是近代科学的奠基者，是科学史上第一位现代意义的科学家。他首先为自然科学创立了两个研究法则，即观察实验和量化的方法，将实验和数学相结合，真实实验和理想实验相结合的科学方法，使近代物理学从此走上了以实验精确观测为基础的道路。就是经验（以实验和观察的形式）与思维（以创造性构筑的理论和假说的形式）之间的动态的相互作用。伽利略在用实验方法发现真理的过程中，获得了一个极其重要的科学概念，即自然法则和物理定律的概念伽利略通过亲身的科学实验，认识到寻求自然法则是科学研究的目的，自然法则是自然现象千变万化的秘密所在，而一旦发现自然法则便可以认识自然。这个观念一经确立，人们才逐渐认识到，不仅天文学、运动学现象，一切自然现象都是有其自身规律的，于是在力学的带领下，逐渐发展出近代科学的各个分支。伽利略在建立系统的科学思想和实验方法中，开创了实验物理学，开创了近代物理学，对物理学的发展作出了划时代的贡献。正如他自已在《两种新科学的对话》中所述：“我们可以说，大门已经向新方向打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来年代会博得许多人的重视”。事实正是如此，家爱因斯坦在《物理学的进化》中，对伽利略的科学思想方法给予了高度评价：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。伽利略开创的实验物理学（包括实验的设计思想、实验方法）开创了自然科学发展的新局面。在实验物理学数百年的发展进程中，涌现了众多卓越的在物理学发展史上起过重要里程碑作用的实验。以其巧妙的物理构思、独到的处理和解决问题的方法、精心设计的仪器完善的实验安排、高超的测量技术、对实验数据的精心处理和无懈可击的分析判断等，为我们展示了极其丰富和精彩的物理思想，开创出解决问题的途径和方法。这些物理思想和实验方法已经超越了各个具体实验而具有普遍的指导意义。学习和掌握物理实验的设计思想、测量和分析的方法，对实验、试验及其他学科的学习和研究都大有裨益。2.物理实验的测量和分析方法测量的方法和精确度随着科学技术的发展而不断地丰富和提高比较法(测量)待测物理量直接或者间接地与作为基准（或标准单位）的同类物理量进行比较，得到比值的过程。直接比较测量法间接比较测量法补偿法把标准值S选择或调节到与待测物理量X值相等，用于抵消（或补偿）待测物理量的作用，使系统处于平衡（或补偿）状态，处于平衡状态的测量系统，待测物理量X与标准值S具有确定的关系，这种测量方法称为补偿法。补偿法的特点是测量系统中包含有标准量具和平衡器（或示零器），在测量过程中，待测物理量X与标准量S直接比较，调整标准量S，使S与X之差为零（故也有人称其为示零法）。这个测量过程就是调节平衡（或补偿）的过程，其优点是可以免去一些附加系统误差，当系统具有高精度的标准量具和平衡指示器时，可获得较高的分辨率、灵敏度及测量的精确度。电位差计是典型的补偿电路应用。其原理如图1.3-3。平衡法平衡原理是物理学的重要基本原理，由此而产生的平衡法是分析、解决物理问题的重要方法，也是物理量测量普遍应用的重要方法。例如，天平、电子秤是根据力学平衡原理设计的，可用来测量物质的质量、密度等物理量。根据电流、电压等电子量之间的平衡设计的桥式电路，可用来测量电阻、电感、电容、介电常数、磁导率等物质的电磁特性参量。历史上一些重要的物理定律的确定和验证，有些就是通过平衡法来实现的。例如，匈牙利物理学家厄缶通过扭摆实验验证了物体的质量和引力质量相等，扭摆实验的基本原理是平衡原理。放大法在物理量的测量中，有时由于被测量量过分小，以至无法被实验者或仪器直接感受和反应，此时可先通过一些途径将被测量量放大，然后再进行测量，放大被测量量所用的原理和方法称为放大法。常用的放大法有累积放大法、机械放大法、电学放大法、光学放大法等。A、积累放大法：激光器为了获得高度集束光，采用一对平行度很高的半透半反射膜，使光在两半透半反射膜之间多次反射，光强不断增强，其中与反射面不垂直的光会由于多次反射而最终被筛选掉回旋加速器也是利用了积累放大的原理，电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速，使电子的能量不断增加在拉曼光谱或红外光谱的测量中，由于电子噪音、机械振动噪声和环境噪声等，使单次扫描往往不能获得高分辨率和信噪比的谱图或曲线，也常常采用积累放大法进行多次扫描测量来降低本底噪音，提高测量的分辨率和获取有用信息。B、机械放大法C、电信号的放大和信噪比的提高D、光学放大法螺旋测微计、不等臂的杠杆等可以是电压放大、电流放大、功率放大、电信号亦可以是交流的或直流的。如：压电转换、光电转换、电磁转换复射式检流计、光杠杆等装置中转换测量法参量转换测量法是利用各种参量间的变换及其变化的相互关系，把不可测的量转换成可测的量。在设计和安排实验时，当预先估计不能达到要求时，常常另辟新径，把一些不可测量的物理量转换成可测量的物理量。A、参量转换测量法：用流体静力称衡法测量几何形状不规则物体的密度时，由于其体积无法用量具测定，为了克服这一困难，利用阿基米德原理因为在实际测量工作中，可以改变的条件很多，可以在一定范围内找到那些易于测量的量，绕开不易测量的量，实行变量代换。最经典的例子便是利用阿基米德原理测量不规则物体的体积或密度。B、能量转换测量法：能量转换测量法是指某种形式的物理量，通过能量变换器，变成另一种形式物理量的测量方法（1）光电转换：利用光敏元件将光信号转换成电信号进行测量。例如在弱电流放大的实验中，把激光（或其他光，如日光、灯光等）照射在硒光电池上直接将光信号转换成电信号，在进行放大。常用的光电元件还有光敏三极管、光电倍增管、光电管等。（2）磁电转换：最经典的磁敏元件是霍尔元件、磁记录元件（如读、写磁头、磁带、磁盘┈）、巨磁阻元件等，利用磁敏元件（或电磁感应组件）将磁学参量转换成电压、电流或电阻的测量。（3）热电转换：利用热敏元件（如半导体热敏元件、热电偶等），将温度的测量转换成电压或电阻的测量。（4）压电转换：利用压敏元件或压敏材料（如压电陶瓷、石英晶体等）的压电效应，将压力转换成电信号进行测量。反过来，也可以用某一特定频率的电信号去激励压敏材料使之产生共振。模拟法模拟法是以相似性原理为基础，从模型实验开始发展起来的，研究物质或事物物理属性变化规律的实验方法，在探求物质的运动规律和自然奥秘或解决工程技术或军事问题时，常常会遇到一些特殊的、难以对研究对象进行直接测量的情况。数学模拟、物理模拟物理模拟可以分为三类：几何模拟、动力相似模拟、替代或类比模拟（包括电路模拟）。几何模拟：几何模拟是将实物按比例放大或缩小，对其物理性能及功能进行试验。如流体力学实验室常采用水泥造出河流的落差、弯道、河床的形状，还有一些不同形状的挡水状物，用来模拟河水流向、泥沙的沉积、沙洲、水坝对河流运动的影响，或用“沙堆”研究泥石的变化规律。再如研究建筑材料及结构的承受能力，可将原材料或建筑群体设计，按比例缩小几倍到几十倍，进行实验模拟。如，在航空技术验机中，人们不得不建造压缩空气作高速旋转的密封型风洞来作为模型试验的条件，使试验条件更符合实际自然状态的形式。动力相似模拟：物理系统常常是不具有标度不变性的。一般来说，几何上的相似性并不等于物理上的相似。因而在工程技术中作模拟实验时，如何保证缩小的模型与实物在物理上保持相似性是个关键问题，为了达到模型与原型在物理性质或规律上的相似或等同性，模型的外型往往不是原型的缩型替代或类别模型：利用物质材料的相似性或类比性进行实验模型，它可以用别的物质、材料或者别的物理过程，来模拟所研究的材料或物理过程。例如在模拟静电场的实验中，就是用电流场模拟静电场。用超声波代替地震波，用岩石、塑料、有机玻璃等做成各种模型，来进行地震模拟实验。更进一步的物理之间的替代，就导致了原型试验和工作方式都改变了的特殊的模拟方法。应用最广的就是电路模拟。因为在实际工作中，要改变一些力学量不如改变电阻、电容、电感来的更容易。用RLC电路模拟自由振动中阻尼的变化情况光的干涉、衍射法在干涉现象中，不论是何种干涉，相邻干涉条纹的光程差的改变都等于相干光的波长。光的波长虽然很小，但干涉条纹间的距离或干涉条纹的数目却是可以计量的。因此，通过对条纹数目或条纹的改变的计量，可以获得以波长为单位的对光程差的计量。利用光的等厚干涉现象可以精确测量微小长度或角度变化，测量微小的形变及其相关的其它物理量；也可以来检验物体表面的平面度、球面度、光洁度及工件内应力的分布等数字游标卡尺就是利用莫尔干涉条纹实现长度测量的光的衍射原理和方法可以广泛地应用于测量微小物体的大小。光的衍射原理和方法在现代物理实验方法中具有重要的地位。光谱技术与方法、X射线衍射技术与方法、电子显微技术与方法都与光的衍射原理与方法相关，它们已成为现代物理技术与方法的重要组成部分，在人类研究微观世界和宇宙空间中发挥着重要的作用。虚拟测量技术基于计算机数据采集与物理量的测量技术近代物理实验中的其它方法当今高新科学技术的发展日益趋于交叉综合的特点，信息技术，新材料技术和新能源技术已成为高新技术的重要组成部分。近代物理的实验方法、实验技术和分析技术在高新技术的各个学科和领域都得到广泛的应用，并对高新技术的发展和人类社会起着巨大的推动作用。磁共振技术与方法、低温和真空技术、核物理技术与方法，扫描隧道显微技术与方法、薄膜制备技术与物性研究等现代物理实验方法与技术是高新技术领域常用的近代物理实验方法。