物理實驗的基本方法及數(shù)據(jù)處理基本方法

1、摘要：物理學(xué)是實驗性學(xué)科，而物理實驗在物理學(xué)的研究中占有非常重要的地位。本文著重介紹工科大學(xué)物理實驗蘊(yùn)涵的實驗方法，提出工科大學(xué)物理實驗的新類型。并介紹相關(guān)的數(shù)據(jù)處理的方法。 關(guān)鍵詞：大學(xué)物理 實驗方法 數(shù)據(jù)處理正文：一、大學(xué)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(guān)的基本實驗方法，對提高科學(xué)實驗?zāi)芰τ兄匾饔?。實驗離不開測量，如何根據(jù)測量要求，設(shè)計實驗途徑，達(dá)到實驗?zāi)康模渴且粋€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(xiàn)多種方法且各種方法又相互滲透和結(jié)合。實驗方法如何分類并無硬性規(guī)定。下面總結(jié)幾種常用的基本實驗方法。根據(jù)測量方法和測量技術(shù)的不

2、同，可以分為比較法、放大法、平衡法、轉(zhuǎn)換法、模擬法、干涉法、示蹤法等。 （一）比較法根據(jù)一定的原理，通過與標(biāo)準(zhǔn)對象或標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較來確定待測對象的特征或待測量數(shù)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(biāo)準(zhǔn)量直接進(jìn)行比較，直接讀數(shù)直接得到測量數(shù)據(jù)。例如，用游標(biāo)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?qū)⒈粶y量進(jìn)行某種變換，來間接實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)對象的特征進(jìn)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(xué)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(jìn)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(yīng)。此時可以先通過某種途徑將被測量放大，然后再進(jìn)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(jī)械放大法、電磁放大法和光學(xué)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(jìn)行測量的方法稱為累計放大法。例如，在轉(zhuǎn)動慣量的測量中用秒表測量三線擺的周期。 2、機(jī)械放大法 利用機(jī)械部件之間的幾何關(guān)系，使標(biāo)準(zhǔn)單位量在測量過程中得到放大的方法稱為

4、機(jī)械放大法。例如，螺旋測微器和讀數(shù)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(yīng)法測普朗克常數(shù)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(jìn)行測量的；又如示波器將電信號放大，不僅顯示直觀，還可進(jìn)行定量測量。 4、光學(xué)放大法 光學(xué)放大法有兩種，一種是被測物通過光學(xué)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(shù)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(xué)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(fù)射式檢流計原理。（三） 平衡法 平衡態(tài)是物理學(xué)中一個重要概念，因為在平衡態(tài)下，許多復(fù)雜的物理現(xiàn)象可以比較簡單地進(jìn)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(xiàn)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(zhì)量，惠斯登電橋測電阻，機(jī)械式電表測電流或電壓等。（四） 轉(zhuǎn)換法 許多物理量，由于屬性關(guān)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(zhǔn)確性差。為此，將這些物理量轉(zhuǎn)換成其它便于準(zhǔn)確測量的物理量來進(jìn)行測量，再

6、反求待測量，這種方法稱為轉(zhuǎn)換法。曹沖稱象就包含有轉(zhuǎn)換法思想。轉(zhuǎn)換法分為參量轉(zhuǎn)換法、能量轉(zhuǎn)換法、圖像轉(zhuǎn)換法和替代轉(zhuǎn)換法。1 參量轉(zhuǎn)換法 利用各種參量之間的相互關(guān)系測某一物理量的方法叫參量轉(zhuǎn)換法。參量轉(zhuǎn)化法在間接測量中是比較普遍的。例如通過測應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)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(shù)而測出光波長等。2 能量轉(zhuǎn)換法 通過能量轉(zhuǎn)化裝置將一種形式的量轉(zhuǎn)換成另一種形式的量進(jìn)行測量的方法叫能量轉(zhuǎn)化法。這種方法的有優(yōu)點是能將不易測量的量轉(zhuǎn)換成易測量的量。較典型的有熱電轉(zhuǎn)換、力電轉(zhuǎn)換（或壓電轉(zhuǎn)換）、光電轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換等。3 圖像轉(zhuǎn)換法 對某些抽象的不易直接觀察的變化過程或現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成

7、可直接觀測的圖像的方法叫圖像轉(zhuǎn)換。例如示波器將信號轉(zhuǎn)換成可直接觀測的圖像（許多實驗中都有應(yīng)用）；光波長測量轉(zhuǎn)換成光的干涉、衍射圖樣的測量（同時也是參量轉(zhuǎn)換）等。4 替代轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)至平衡，再把標(biāo)準(zhǔn)電阻箱代替待測電阻，調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電阻再使電橋平衡。那么標(biāo)準(zhǔn)電阻的數(shù)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(chǔ)，設(shè)計與被測原型有物理或數(shù)學(xué)相似的模型，然后通過對模型的測量間接測得原型數(shù)據(jù)或研究原型的性質(zhì)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(jìn)行測量的研究對象能夠通過模擬法進(jìn)行測量研究。模擬法可分為物理模擬法、數(shù)學(xué)模擬法、計算機(jī)模擬法。  1、物理模擬法 保持同一物理本質(zhì)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(jìn)行物理規(guī)律范圍內(nèi)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(shù)學(xué)模擬法 兩個完全不同性質(zhì)的物理現(xiàn)象或過程，依賴于它們的數(shù)學(xué)方程形式的相似而進(jìn)行模擬的方法。例如，用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場、用電學(xué)振

9、動系統(tǒng)來模擬力學(xué)振動系統(tǒng)等。（六）干涉法 應(yīng)用相干波干涉時所遵循的物理規(guī)律進(jìn)行有關(guān)物理量測量的方法稱為干涉法。利用干涉法可進(jìn)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?zāi)承┕鈱W(xué)元件的質(zhì)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(kuò)散現(xiàn)象、布朗運(yùn)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(qiáng)化法使實驗對象處于某種極限狀態(tài)中進(jìn)行觀測的方法稱為強(qiáng)化方法。科學(xué)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(qiáng)磁場等。在外加強(qiáng)化條件下，可以獲得新的發(fā)現(xiàn)。如石墨在高壓下變成金剛石等。 當(dāng)然，大學(xué)物理實驗方法還不限于上述幾種。二、數(shù)據(jù)處理基本方法如何有實驗數(shù)據(jù)得到正確的實驗結(jié)果是實驗的根本問題。從實驗中得到的第一手資料實驗數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過科學(xué)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(shù)據(jù)起到得出結(jié)論位置的加工過程稱為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理方法。（一） 列表法列表法是記錄數(shù)據(jù)的基本方法。所謂列表法就是把一組測得的實驗數(shù)據(jù)和計算過程中數(shù)值與結(jié)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(yīng)關(guān)系或變化趨勢。一個設(shè)計完美的數(shù)據(jù)表格有助于發(fā)現(xiàn)和檢查實驗中存在的問題、判斷結(jié)果的合理性、找出物理量之間的關(guān)系，提高數(shù)據(jù)處理效率。(二)圖示和圖解法1 圖示法 將實驗數(shù)據(jù)反映出來的物理量之間關(guān)系在坐標(biāo)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(guān)系和變化規(guī)律，便于總結(jié)經(jīng)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(shù)據(jù)，推測測量范圍以外的變化趨勢。c 根據(jù)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(shù)據(jù)起到取平均的作用，從而減少隨機(jī)誤差的影響。2圖解法 由實驗圖線求出各種參

12、數(shù)及經(jīng)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(shù)曲線、對數(shù)曲線等。建立經(jīng)驗公式的步驟一般為：a 判斷圖線類型及經(jīng)驗公式可能特點。b 作變量代換，利用對數(shù)或倒數(shù)坐標(biāo)紙將原曲線改直，計算原公式中的參數(shù)。c 寫出經(jīng)驗公式形式并用實驗數(shù)據(jù)檢驗公式的準(zhǔn)確程度。（三）曲線擬合與最小二乘法由圖解法求經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行直線或曲線擬合來求經(jīng)驗公式，得到的結(jié)果必然精確一些。1 回歸法 用數(shù)理統(tǒng)計理論對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合尋求經(jīng)驗公式的方法叫回歸法。對

13、于回歸分析，首先要確定函數(shù)形式。函數(shù)形式一般根據(jù)理論推斷或?qū)嶒灁?shù)據(jù)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(shù)據(jù)的常用方法之一。所謂逐差法就是將全部實驗數(shù)據(jù)依順序分成兩組，取兩組中對應(yīng)項之差再求平均的方法。結(jié)論：大學(xué)物理實驗方法多種多樣，在實驗的過程中應(yīng)靈活運(yùn)用，從而達(dá)到更好的實驗的效果。實驗完成后，在數(shù)據(jù)處理方面也應(yīng)注意方法。好的數(shù)據(jù)處理方法有助于分析實驗結(jié)果。作為一名在校本科生，我們應(yīng)熟練掌握各種實驗方法以及數(shù)據(jù)處理方法。參考文獻(xiàn)：1 李平.大學(xué)物理實驗教程M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1：133-140.2 胡成華，周平，蘭明乾.大學(xué)物