物理实验的基本方法.doc

物理实验的基本方法物理实验思想和方法1.测量方法：对物理量的具体测量方法2.实验方法：各类实验都通用的方法3.实验思想：在选用实验方法，进行实验设计，编排实验或在实验中进行调节和测量时具有普遍指导意义的思想。例如：公元前23世纪，阿基米德除了杠杆、滑轮实验，最著名的浮力定律至今被用于科学实验的各个领域之中16世纪以后，伽利略为代表的物理学家把物理实验方法和物理规律的研究结合起来，形成了较系统的科学实验思想体系。把实验方法发展到一个崭新的高度，对物理学的发展做出了划时代的贡献。著名的物理学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：“伽利略的发现以及它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。”一、 物理实验分析方法1.数量级估计法实验物理学家在着手准备精确测量之前，选择合适的仪器和测量方法，常常需要对各种物理量的数量级先做一番估计，掌握特征的数量级是研究一个物理问题的开始。例如电子衍射实验 10-10通过数量级的排序分析，抓住主要影响。影响物理实验结果的因素很多，因此要抓住对实验有较大影响的因素，而抛开或忽略那些与主要因素相比，影响要小得多的次要因素。“影响小得多”是指在修正了已成为测量公式一部分的系统误差后，比起影响实验结果的主要的不确定误差来说至少要少一个数量级。单摆实验：理想模型：线（没有质量，没有弹性） 小球（没有体积的质点） 环境（真空中只有重力作用，在与地面垂直的平面内做摆角趋于零的自由摆动）现实条件：线（有质量，弹性很小） 小球（有质量、体积、刚性） 环境（摆角不为零，受空气浮力）T:周期L,m0:单摆线长和质量d,m,:摆球直径，质量和密度0:空气密度：摆角设m=33.0g，m0=0.1g，L=80.0cm，d=2.0cm，=7.8g/cm30=1.310-3g/cm3，=50则摆球几何形状对T的修正量为：d2/20L2310-5摆的质量的修正量：m0/12m(1+d/2L+m0/m) 2.610-4空气浮力的修正为：0 /28.310-5摆角的修正为：=50 2/164.710-4=30 /161.710-4若实验精度要求在10-3，则T=2 (l/g)1/2若更高精度则必须考虑以上因素。2.通过数量级分析确定基本误差和减少不确定因素单摆的例子是针对某一个因素或某一个物理量来讲的，实际上各个因素之间会有相互联系和制约，如果在一个实验中有一个误差很大的因素，那么其它量测量得再准确也毫无意义。基本误差：一定条件下实验误差的最低限度（给一个数量级或给出一个数）基本误差的形成：实验条件和环境，仪器分辨率，观测者感觉灵敏度（分辨率和反应能力）对一个实验的基本误差有所了解以后，就可以以此衡量实验中的其它因素的影响，数量级远小于基本误差的因素就可以忽略。基本误差减少的方法：1）实验方法的选择2）实验技巧的实施3）仪器装置的改进3.利用数量级的分析作为实验的判断 实验结果得不到正确的解释，往往是由于没有从数量级上进行分析。二、 量纲分析法用量纲分析法去寻求物理量之间的联系，并建立方程，也是物理实验中常用的方法之一。在物理学中，仅仅靠量纲分析也可以得到某些重要的结论。虽然不是每一个问题都能得到完全的定量结果，但往往与它只差一个无量纲的未知函数或未知数。借助于量纲以及其它来说的知识和推理（如已知的特例或实验定律），还可以进一步获得未知系数的特征，甚至将他完全确定下来，最终的结果还需要依赖实验的检验。例：用量纲分析法导出开普勒第三定律真空中万有引力 F=Gm0m1/r2 ,r为物体间距离，G为引力常数。如果m0m1，则m1在F作用下绕m0作圆周运动。则对周期T的影响因素：m0， m1 ，r和G，显然T与m0,r,G有关设T=f(m0,r,G)=km0rG量纲T=ML(M-1L3T-2) =M- L+3T-2显然-=0，+3=0，-2=1=-1/2，=3/2，=1/2与开普勒T2/R3=42/GM0相符。物理实验的基本测量方法物理量的测量方法一切描述物质状态和运动的物理量可以从最基本的物理量导出。测量: 将待测物理量直接或间接地与作为基准的同类物理量进行比较得到比值的过程。一 比较的方法比较法是最基本和最重要的测量方法之一，比较法可分为直接比较和间接比较。直接比较测量法把待测物理量x与已知的同类物理量或标准量s直接比较 (通常要借助仪器或标准量具)(1) 均衡法、补偿法或示零法把标准值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,这种测量方法称为均衡法(或补偿法)。特点: 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(也称为示零法),这个测量过程就是调若平衡(或补偿)的过程。优点: 可以免除一些附加的系统误差，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、灵敏度及测量精度。（2）比率测量法将一个未知量x与一已知量s的某分数或倍数进行比较，x=ks（k为比例系数，可由实验定出）例如： 用于测量装置和摸拟计算机中的线电位差计，将标准电位差VS加到电阻的两端，电阻通常是一根均匀的长导线（或均匀的线绕滑行电阻器），我们可移动触点，选取某一确定的长度LX，若LX/L0=K（L0为长导线或滑行电阻器的总长），则K也是电位差的比值（即VX/VS=K），再如，惠斯通电桥的倍率旋钮挡的设计，就是利用了比率测量法的原理，即利用R1/R2=K（K=0.001，0.01，0.1，1，10，100，1000）来达到改变量程的目的。（3）小差值测量法如果差值X-S=已测定，那么X=S+（可正可负），若很小，那么的相对误差比较大也是可以允许的，并不给X的测量值带来很大的误差。例如： 用一个1.27cm的块规作为标准量（S）和一个供测量用的差数指示器来测量一段略大于S的长度，假定：S=（1.270 0000.000 013）cm，先用块规S，将千