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物理實(shí)驗(yàn)方法及其與實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)合論文
【摘要】 歸納了物理實(shí)驗(yàn)的基本方法，并討論了各種方法和具體實(shí)驗(yàn)課程的結(jié)合，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的目的。
【關(guān)鍵詞】 物理實(shí)驗(yàn)； 比較法； 放大法； 平衡法； 轉(zhuǎn)換測(cè)量法
物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法，對(duì)提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ兄匾饔�。�?shí)驗(yàn)方法和測(cè)量方法很多，就同一個(gè)實(shí)驗(yàn)也會(huì)體現(xiàn)多種方法且各種方法又相互滲透和結(jié)合，如何根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的需要，采用最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方法，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且粋�(gè)必須思考的重要問題。本研究歸納了幾種常用的基本實(shí)驗(yàn)方法，并進(jìn)一步討論了各種方法如何與具體實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在高等教育中的重要基礎(chǔ)性作用。常見的物理實(shí)驗(yàn)方法有比較法、放大法、平衡法、轉(zhuǎn)換測(cè)量法等。
1 比較法 比較法是根據(jù)一定的原理，通過與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象或標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較來確定待測(cè)對(duì)象的特征或測(cè)量數(shù)值的實(shí)驗(yàn)方法。它又可分為直接比較、間接比較、特征比較3種。例如在長(zhǎng)度，質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)當(dāng)中用最小分度為一毫米的米尺測(cè)量長(zhǎng)度，“1毫米”就是作為比較的標(biāo)準(zhǔn)量。天平稱質(zhì)量、秒表計(jì)時(shí)等都屬于直接比較。而多數(shù)物理量是不能通過直接比較去測(cè)量的，而要用間接比較去測(cè)量。借助中間量或通過某種變換使待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量發(fā)生間接比較�；菟沟请姌驕y(cè)電阻實(shí)驗(yàn)就是將待測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻 進(jìn)行間接比較得出。電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)或電壓是通過將待測(cè)電壓或電動(dòng)勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行間接比較來實(shí)行比較測(cè)量，測(cè)量固體、液體密度時(shí)，可與密度已知的標(biāo)準(zhǔn)液體（水、酒精等）進(jìn)行比較。
圖1 惠斯登電橋電路示意圖（略）
2 放大法
放大法是在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)遇到由于被測(cè)量量過分小，以至無法被實(shí)驗(yàn)者或儀器直接感受和反應(yīng)，此時(shí)可先通過一些途徑將被測(cè)量量放大，然后再進(jìn)行測(cè)量，放大被測(cè)量量所用的原理和方法稱為放大法。常用的放大法有累積放大法、電學(xué)放大法、光學(xué)放大法等。在最簡(jiǎn)單的單擺實(shí)驗(yàn)的周期測(cè)量中，假定單擺周期T為1.50s，人開啟和關(guān)閉秒表的平均反應(yīng)時(shí)間為△T＝0.2s，則單次測(cè)量周期的相對(duì)誤差為△T/T＝30％，若我們測(cè)量50個(gè)周期，則將由人開啟和關(guān)閉秒表的平均反應(yīng)時(shí)間引起的誤差降到△T/T＝30％ 。回旋加速器也是利用了積累放大的原理，電子每通過加速器半圓的出口進(jìn)行一次加速，使電子的能量不斷增加。電學(xué)放大法是將微弱電信號(hào)（電流、電壓或功率）通過電子線路放大進(jìn)行測(cè)量的方法。在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)應(yīng)用微電流放大器來觀測(cè)微弱電流。示波器中的示波管將電信號(hào)放大到能明顯的觀察和測(cè)量。光學(xué)放大法是通過光學(xué)儀器比如放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡將待 測(cè)對(duì)象放大。這類儀器只是在觀察中放大視角，并不是實(shí)際尺寸的變化，所以并不增加誤差。因而許多精密儀器都是在最后的讀數(shù)裝置上加一個(gè)視角放大裝置以提高測(cè)量精度。微小變化量的放大原理常用于檢流計(jì)、光杠桿等裝置中。光杠桿鏡尺法就是通過放大被測(cè)量的微小長(zhǎng)度變化，其原理如實(shí)驗(yàn)楊氏模量的測(cè)量中有關(guān)公式b=2DΔL/ l 所示，ΔL 原來是一個(gè)微小的長(zhǎng)度變化量，當(dāng)取D遠(yuǎn)大于光杠桿的臂長(zhǎng) (光杠桿的支腳尖到刀口的垂直距離)后，經(jīng)光杠桿轉(zhuǎn)換后的變化量 卻是一個(gè)較大的量，可在標(biāo)尺上直接讀出。其中，2D/ l 為光杠桿裝置的放大倍數(shù)。一般在實(shí)驗(yàn)中，l 約為4～8cm，D約為1～2m，因此光杠桿的放大倍數(shù)可達(dá)到25～100倍。
3 平衡法
平衡法是利用平衡狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量的方法。根據(jù)平衡條件可以得到等量關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)量的目的。天平是利用杠桿平衡原理制造的，就其儀器設(shè)計(jì)原理來說是平衡法，從測(cè)量方法來看是比較法�；菟沟请姌驕y(cè)電阻，就其電路原理( 檢流計(jì)兩端電位相等時(shí)達(dá)電橋平衡狀態(tài))也是平衡法。
4 轉(zhuǎn)換測(cè)量法
轉(zhuǎn)換測(cè)量法是根據(jù)不同物理量或不同物理效應(yīng)之間的各種關(guān)系，利用變換原理進(jìn)行測(cè)量的方法。其中參量換測(cè)法比較常用，該方法利用各種參量之間的相互關(guān)系測(cè)某一物理量。它在間接測(cè)量中比較普遍。比如在楊氏模量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系來測(cè)楊氏模量；通過測(cè)光的衍射角、衍射級(jí)次并已知光柵常數(shù)而測(cè)出光波長(zhǎng)；光的干涉法將長(zhǎng)度的微小變化換成相干光光程差的變化，光程差的變化引起顯微視場(chǎng)中干涉條紋的移動(dòng)，測(cè)出條紋的移動(dòng)的數(shù)目就得到了長(zhǎng)度的微小變化（如熱膨脹、磁致伸縮等）。還可以通過能量變換裝置將一種形式的量轉(zhuǎn)換成另一種形式的量進(jìn)行測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是將不易測(cè)量的量轉(zhuǎn)換為易測(cè)量的量。其測(cè)量條件是有換能器或傳感器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)情況都是將非電量換成電量進(jìn)行測(cè)量。較典型的有熱電轉(zhuǎn)換、力電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換等。
圖2 光杠桿原理圖（略）
5 結(jié)論
另外還有補(bǔ)償法、模擬法、強(qiáng)化法等物理實(shí)驗(yàn)方法，均根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)被運(yùn)用到了具體的實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，恰當(dāng)?shù)陌迅鞣N物理實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)結(jié)合，并鼓勵(lì)學(xué)生積極思考新的實(shí)驗(yàn)方法，比較不同方法的優(yōu)劣勢(shì)，以求最大程度培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維創(chuàng)新能力。
【參考文獻(xiàn)】
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