第十章_常用实验设计思想.doc

我们把一些在选用实验方法、进行实验设计、安排实验或者在实验中进行调节、测量时具有普遍意义的思想称之为实验思想。实验设计是实验过程中的一个十分重要环节，实验设计思想就是设计实验时具有普遍意义的思想。常用的实验设计思想有转换思想、比较思想、补偿思想和放大思想。1、 转换思想 一般地说，转换主要是在保证效果相同的前提下，将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题。在物理实验中，常有一些物理现象或过程中的物理量难以直接测量，需要转换以间接测量来实现实验的目的。卡文迪许在1773年用两个同心金属壳作实验，他将这个实验重复了多次，确定电力服从平方反比定律，指数不超过0。02。卡文迪许这个实验设计得很巧妙，他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了相当可靠而且精确的结果。关键因素之一是他掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器，通过数学处理，将直接测量转换为间接测量，也就是说他没有直接测量电力与距离之间的关系，而是用木髓球验电器来检验内球是否带电。结果发现木髓球验电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球上，由此确定电力服从平方反比定律。在发现欧姆定律的实验中，那时还没有安培计，无法直接测量电流强度。欧姆根据电流的磁效应，电流强度与电磁力有线性关系，因此采用磁力扭秤来测量电流所产生的磁场对磁针的作用力矩，以此确定电流的强度。也就是说，把电流强度的测量转换为扭秤中金属丝扭转角的测量。在研究原子核的衰变现象时，曾经怀疑过能量守恒和动量守恒是否遭到了破坏。为了说明这个问题，必须假设一种中性的、静止质量极小（或为零）的中微子的存在。可是中微子不带电，和物质的相互作用又极为微弱，要想直接观察是困难的，必须采用转换的思想。开始采用两种常用的方法：一种是所谓的能谱法，即用量能器测量衰变时的能量谱，由于电子只带走了衰变前后原子核能量差的一部分，其余部分的能量，即由中微子带走。这是最早的中微子实验，可以定性地、间接地证实中微子的存在。另一种是原子核反冲法。原子核在衰变发射电子的同时，原子核本身还要受到一个反作用力，使原子核本身获得一个反冲速度。只要测出了发射电子与反冲核的动量，从动量的守恒，就可以确认中微子的存在。然而，衰变共有三个子体，一为电子，一为中微子，一为反冲核。三者的动量、能量关系取决于它们的出射方向，不易测定。后来又采用了K俘获法，它把三体问题变成了二体问题。在这种过程中，放射性原子核不是放射电子，而是从最靠近核的K层轨道上吸收一个电子，衰变后只有两个粒子，一为中微子，一为反冲核，二者的动量是完全确定的。如果选用比较轻的原子核，反冲动量可以比较大，更容易测量些。例如可挑选铍原子核的K电子俘获的过程，因为在铍的K电子俘获过程中，它的末态只包括铍原子核和中微子两个粒子。如果能量和动量是守恒的话，那么反冲铍原子核便具有确定的动量和能量；并且因为铍是一个质量较轻的原子核，它的反冲动量和能量还应该大些，这样一来就便于进行实验观察和测量了。2、 比较思想 人们认识事物、现象，往往是通过对两个事物、现象的对比，或把某一现象发生变化的前、后情况进行比较来实现的。物理实验常通过对一些物理现象或物理量的比较，达到异中求同和同中求异的实验目的。为了证明红色和蓝色的光确实具有不同的折射性能，牛顿采用比较思想做了这样一个实验，他用一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，把它放在窗户边，通过一块玻璃棱镜来观察它，如 图6图6所示。他发现：如果把棱镜的折射棱角朝上，使纸板由于折射看起来好象被抬高了。那么折射的结果使蓝色半边比红色半边升得更高。但是当棱镜的棱角朝下，使纸板由于折射看起来好象是被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。根据以上实验，牛顿断定蓝光折射得比红光更厉害些，并得出透镜聚光时，蓝光和红光一定是聚集在离透镜不同的距离上。厄缶实验采用扭秤方法，直接比较两个物体的惯性质量和引力质量。如果惯性质量与引力质量等价，则两物体所受离心力相等，力矩互相抵消，扭秤维持平衡；反之，则扭秤失去平衡，而使悬丝扭转。在迈克尔逊莫雷实验中，他们把两束光线进行比较，一束光线被认为在与地球自转有同样切向速度的、被地球带动的以太中运动，另一束被认为在没有与地球牵连的媒质中传播。富兰克林详细地比较了天上闪电和莱顿瓶的放电现象后，发现它们在性质上是一致的，由此统一了天地和地电。伽伐尼利用雨天和晴天进行比较，排除了是外来电引起蛙腿收缩的可能性。在电流的磁效应实验中，奥斯特做了一个对比实验，即把一块硬纸板放在通电导线与小磁针之间，发现小磁针仍然偏转，于是排除了小磁针偏转是电流的热效应引起的可能性。由于放射性粒子或射线能够使空气电离，因此可以用带电的验电器来检验放射性粒子或射线的存在。居里夫人就曾经用了一个带抽屉的验电器，每次分别将不同的放射性样品放到抽屉里，观察带电的验电器的金箔下落的速率，比较这些不同样品的放射性的强弱，这种方法帮助它发现了镭。辐射能量是用辐射热量计来测量的。在测量计中，将需要测量其能量的辐射线投射到涂黑的铂金丝上，铂金丝吸收辐射之后、温度升高，因而电阻增大。电阻的变化是用与另一 根铂金丝电阻进行比较确定的。3、 补偿思想 某系统受某种作用产生A效应，受另一种同类作用产生B效应，如果由于B效应的存在而使A效应显示不出来，就叫做B对A 进行了补偿。在实验包括实验仪器设计中经常用到补偿思想。1687年，牛顿为了解决两个悬挂起来的球在平衡位置碰撞之前，从某一高度向下摆动时空气阻力的影响，采用了补偿思想进行了处理：如图7所示，小球从最高位置R初开始向下摆动，经过一个周期，回到最高位置时只能达到S处。于是，从R处沿摆动弧线向上取R点，令 这样，小球从R开始往下摆动，到达平衡位置时摆球的速度就相当于在真空中从R处下摆的效果。因为从R回到S是摆动一个周期后，由于阻尼影响而造成的路程 图7 图8损失，而从R到平衡位置只有四分之一个周期，于是取的四分之一，作为从下摆到碰撞前这一段距离的阻尼补偿。皮拉尼真空压力计的设计体现了补偿思想。如图8所示，皮拉尼真空压力计由一根封接在长颈瓶内的电阻丝照成，长颈瓶是可以抽空的。这电阻丝的电阻近似随温度线性地增加。当电流通过电阻丝R时，导线温度增加，直到高于周围的温度，然后达到平衡，这是因为金属的热传导、长颈瓶中的气体的热辐射与热传导消耗了电阻的功率。如果把长颈瓶中的气体抽出，那么因这部分气体的热传导而消耗的热便可减少，因而电阻丝的温度升高，直到其他损失方式再度与功率输入达到平衡为止。电阻的增加量可用作为气体压力减少量的一种量度。在迈克尔逊干涉仪中，补偿板B的作用是补偿第一束光线因在A 板中往返两次所多走的光程，使干涉仪对不同波长的光可同时满足等光程的要求，如图9所示。因此A、B两板的折射率和厚度都应相同，而且二者应相互平行。为了确保它们的折射率和厚度完全相同，在制作时将同一块平行平面玻璃板分割为两块，一块作分光镜，一块作补偿板。石英晶体压电秤的基本原理是利用石英晶体的压电效应，来与放射性物 图9质的电离效应相互补偿，通过压电效应测量空气电离产生的电离电流，从而对放射性的强度进行比较。补偿量热器使热学系统附加一个可以随系统温度同步变化的外界条件。默恩用高速转子产生多普勒频移的实验是用多普勒效应补偿反冲能量损失。4、 放大思想放大就是通过一定方法，增加某一量值以便于观察、测量或利用。在物理实验中，有些物理量及其变化因太小而不能直接观测时，就要借助力、电、光、声等将待测量及其变化放大后再去观测。在卡文迪许测引力常数实验中，他采用T型架增大力臂，利用反射光路增大扭转角度，拉开小镜与光标的间距增大位移，通过三次有效的放大，极大地提高了测量精度。伽利略利用斜面来冲淡引力，把物体在一定高度下自由下落的时间放大。牛顿在做色散实验时已经意识到不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉开距离才能分解开不同折射角的光线。伏打用大量铜圆片和铁或