第二章 物理实验研究的基本思想及方法第二节 物理实验研究与设计思想方法(二)作业

第二章物理实验研究的基本思想及方法

第二节物理实验研究与设计思想方法（二）作业

简答•论述

1.物理实验研究的基本思想及实验的观点是什么？

答：物理学家们在进行物理学研究时，通常采用下列方法：首先，通过观察与实验认识研究对象的主要特征；接着，凭借理性思维提出假说，设法建立理想模型，运用数学语言对假说进行定量描述；最后，用实验对定量描述的内容加以检验和修正，使假说成为科学结论从而完成建立物理理论的第一个“循环”。随着研究的深入，可能会出现一些理论解释不了的新问题，需要采用更先进的观察实验手段、数学手段或其他手段进入下一个层次的循环，以达到认识的深入和理论的更趋合理和完善。可见，物理学是以实验为基础的科学，即实验的观点。

物理科学研究中的实验，可以是一种探求未知自然的观测活动，也可以是在人为地控制或模拟物理现象，人为创设的、能排除各种干扰、突出主要因素的条件下，利用各种仪器或手段，去观测和研究物理现象的发生及变化规律的活动。

物理学及自然科学研究从通过观察与实验认识研究对象的主要特征开始，经过提出假说建立理想模型，到最后用实验检验和修正，建立科学的物理理论。物理学是以实验为基础的科学。在物理学发展中，物理实验方法是物理学家研究物理学的重要方法。

2.物理实验在科学研究中的作用及特点是什么？

答：物理实验研究与设计的核心是设计和选择实验方案，并在实验中检验方案的正确性与合理性，根据实验精度的要求及提供的主要仪器，选择实验测量及测量方法，确定测量条件等。其次，物理实验研究与设计具有综合性、探索性和密切结合科研应用实际的特点。在解决问题的过程中往往需综合运用力学、热学、电磁学和光学等实验中所学的基本实验原理和实验方法。

在物理实验教学过程中所遇到的实验方法，大多是前人创造和总结出来的科学方法，我们学习应用这些方法，一方面是学习它、掌握它、运用它，但更主要的是积累前人正确的创新思维方法，从中吸取规律性的认识，并在未来的工作中去创造和开拓。这就是进行物理实验研究与设计的主要目的。例如麦克尔逊实验古老的物理思想仍然应用于现代科技前沿。

3.物理实验的主要测量方法有哪些？

答：常用的测量方法有：

⑴比较法

①直接比较法

②间接比较法

③比较系统法

⑵补偿法

⑶放大法

①机械放大法

②累计放大法

③电学放大法

④光学放大法

⑷转换法

①参量换测法

②能量换测法

⑸平衡法

⑹对称测量法

①双向对称测量法

②平衡位置互易法

⑺模拟法

①物理模拟

②数学模拟

③计算机模拟

⑻静态与动态研究法

①静态测量法

②动态测量法

⑼振动与波动方法

①振动法

②李萨如图法

③共振法

④驻波法

⑤相位比较法

（10）光学实验方法

①干涉法

②衍射法

③光谱法

④光测法

（11）非电量的电测法

①温度-电压转换

②压强-电压转换

③磁感应强度-电压转换

④光-电转换

（12）实时控制测量法

（13）流体静力称衡法

4.物理实验的基本操作技能与实验原则包括哪些？

答：在实验过程中为了准确、迅速地完成实验操作，必须具备丰富的实验技能，实验技能的内涵是多方面的，需要通过具体的实验训练逐步积累、体会和摸索。以下介绍一些最基本的具有一定普遍意义的调整原则和操作技能，以及电学实验、光学实验的基本操作规程。

1.回归仪器的初态与安全位置

所谓“初态”，是指仪器设备在进入正式调整、实验前的状态。正确的初态可保证仪器、设备安全，保证实验工作顺利进行。

2.零位调整——“零点校正或结果修正”

在实验中测量仪器或量具的零位不一定都在零点，不要总以为它们在出厂时候都已校正好了，但实际情况并非如此。由于环境的变化或经常使用而引起磨损等原因，它们的零位往往已经发生了变化，仪器的零点常有误差。因此在实验前总需要检查和校准仪器的零位，否则将人为地引入误差。

零位校准的方法一般有两种：①测量仪器与零位校正器的，测量前应先调节零点。如电流表、电压表等，则应调整校正器，使仪器测量前指针处于零位；②另一种是仪器不能

进行零位校正或调整较困难的，如端面磨损的米尺、螺旋测微计、游标卡尺等，则在测量前应记下初读数，即“零位读数”，以便在测量结果中加以修正。

3.水平、铅直调整—“借助水准器或重锤”

通常情况下，多数仪器都要求在“水平”或“铅直”条件下工作。例如，天平的正确工作状态应首先调它的底座螺钉至天平水平，又如福廷式气压计应在铅直状态下读数才正确，只有满足上述条件，其测量结果才在误差范围内。

4.消除视差调节法——“物象与标线同平面、真像重合”

在实验中测量时需要用眼睛判断空间前后分离的两条准线是否重合，则会出现视差。当被测物（或物像、刻度）与判断标线不在同一平面内，而目光上、下、左、右移动时，被测物与判断标线的相对位移造成的读数上的差异称为视差。

视差判断方法：在调整仪器或读取示值时，观察者眼睛稍稍移动，观察标线与标尺刻线是否有相对移动，若有，说明视差存在，要进一步调整仪器（如望远镜-显示镜等）；或找到正确的读数方位（如指针式仪表）。

5.光路的共轴调整——“先目测粗调，后二次成像法细调”

在由两个或两个以上光学元件组成的实验系统中，为获得更好的像质，满足近轴光线条件等，必须进行等高共轴调节：使所有光学元件的主光轴相互重合，且其物面、像屏面垂直于光轴。

共轴调整一般分为两步：

第一步进行粗调——目测调整。将各光学元件和光源的中心大致调成等高各元件所在平面基本上相互平行，并与移动方向铅直。若各元件沿水平轨道滑动，可先将它们靠拢，再调等高共轴，可减少视觉判断的误差。

第二步进行细调——根据光学规律进行调整。常用的方法有自准法和二次成像法，利用光学系统本身或借助其他光学仪器，根据光学的基本规律来调整。例如，在光具座上进行薄透镜实验，根据透镜的成像规律，由二次成像法调整、移动光学元件，使两次所成的像没有上、下和左、右移动。

6.避免空程误差——“同向前进、切勿忽正忽反”

在实验使用的仪器中，有些仪器是由丝杠、螺母等机械系统构成的传动与读数机构，由于螺母与丝杠之间有机械螺纹间隙，往往在测量刚开始或刚反向转动丝杠时，丝杠必须转过一定角度（可能达几十度）才能与螺母啮合，结果与丝杠联结在一起的鼓轮已有读数改变，而由螺母带动的机构尚未产生位移，从而造成虚假读数——此即“空程误差”。

7.调焦——“调物镜到叉丝间距或物镜到物间距”

在使用望远镜、显微镜和测微目镜等光学仪器时，为了清楚地看清目的物，均需进行调节。对前者要调物镜到叉丝间的距离、对后两者要调物镜到物间的距离，这种调节称为调焦，调焦是否已完成，常以能否看清目的物上的局部细小特征或遵循一定的光学规律（如自准成像）为标准。

8.回路接线法

在实验中一张电路图可分解为若干个闭合回路。接线时，循回路由始点（如某高电位点）依次首尾相连，最后仍回到始点，此接线方法称回路接线法。按照此法接线和查线，可确保电路连接正确无误。

9.调节原则——“先粗后细、逐次逼近”

在仪器调节过程中，有时不是一次就能精确达到调整要求，必须先做粗调，再按一定要求做精细调整。有时还要反复调节、逐次逼近。

10.测量原则——“先定性、后定量”

在定量测量之前，先定性地观察一下实验的全过程，以求对该物理量的变化规律从总