物理測量的基本方法

1、物理測量的基本方法你問的是物理實驗的基本方法嗎？有以下幾種：1.1比較法1.1.1直接比較法直接比較法是將待測量與經(jīng)過校準(zhǔn)的儀器或量具進(jìn)行直接比較，測出其大小。 例如： 用米尺測量長度就是最簡單的直接比較法。用經(jīng)過標(biāo)定的電表、秒表、電子秤測量電量、 時間、質(zhì)量等量時， 其直接測出的讀數(shù)也可看作是直接比較的結(jié)果。要注意的是采用直接比較法的量具及儀器必須是經(jīng)過標(biāo)定的。圖3-1-1惠斯登電橋電路圖 3-1-2電位差計基本電路1.1.2補償平衡比較法平衡測量、補償測量或示零測量是物理實驗與科學(xué)研究中常用的測量方法。例如：用等臂天平稱物體的質(zhì)量是一種平衡測量。又如圖 3-1-1 所示的惠斯登電橋測量電阻

2、 Rx ，從原理上講，也是一種平衡測量，因為只有當(dāng)電橋平衡時（電流計G 示零）才能得出Rx( R1 )Rs(3-1-1)R2從而計算出Rx 。圖 3-1-2所示的是電位差計測電池電動勢的基本電路，則是補償測量的一個典型例子。合上電鍵K ，調(diào)節(jié) R ，使電阻絲 AB 上通有特定電流I ，然后合上電鍵K 1 ，在 AB 上滑動觸頭 C ，使電流計 G 示零，則待測電動勢Ex 被電勢差 U AC 所補償，這時Ex U AC IRAC(3-1-2)以上兩例均在電流計G 的指針示零時獲得測量結(jié)果，所以又可稱為示零測量。經(jīng)過補償達(dá)到平衡的比較實驗方法的最大優(yōu)點是平衡時，電表（平衡臂） 示零， 對被測物理量

3、的影響最小，故大大提高了測量的精確度。1.1.3替代比較法我國古代少年曹沖用船稱象是一例典型的替代比較法。 在現(xiàn)代測量技術(shù)中， 當(dāng)某些物理量無法直接比較時， 往往利用物理量之間的函數(shù)關(guān)系制成相應(yīng)的儀表、 儀器進(jìn)行比較測量， 例如糖量計、比重計、密度計等。圖 3-1-3所示是用替代比較法測電表內(nèi)阻的電路圖。將K 2 置于 1 處，合上 K 1 ，調(diào)節(jié) R 使安培表指針指在較大示值處（同時注意表頭G 指針不能超過量程），然后斷開K 1 （為圖 3-1-3比較法測電表內(nèi)阻的電路圖了保護(hù)安培表），K 2 將置于2 處，再合上K 1 ，調(diào)節(jié)原先處在最低阻值上的R0 ，使安培表指示值不變，此時，R0 代替

4、了表頭內(nèi)阻Rx ，若 R0 為電阻箱，則 Rx 可直接讀得。在進(jìn)行替代比較法測量時， 要特別注意 “不同時 ”的替代比較， 在異時比較時必須是以實驗條件的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。1.2 放大法將被測物理量按照一定規(guī)律加以放大后進(jìn)行測量的方法，稱為放大法。這種方法對于微小物理量或?qū)ξ锢砹康奈⑿∽兓康臏y量是十分有效的。例如，用秒表測單擺的周期， 手按秒表起、止 “反應(yīng)時 ”給測量帶來的不確定度T0.2s，若周期 T2s，則T /T 10，測量的相對不確定度很大。如果用秒表連續(xù)測量100 個周期，時間為200s，而反應(yīng)時的不確定度仍為T 0.2s ，此時 T / t 0.1，提高了測量的準(zhǔn)確度。這種在不改變

5、待測物理量性質(zhì)的條件下， 將待測量延展若干倍，以增加待測量有效數(shù)字的位數(shù)，減小其測量相對不確定度的方法是放大法的一種特例，這種方法也叫測量寬度延展法。放大法按性質(zhì)可分為兩大類：直接放大。借助于光學(xué)實驗中的放大鏡（例如測微目鏡）、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等將被測量本身加以放大而實現(xiàn)測量的，屬于直接放大測量。間接放大。將所要觀測的對象通過某種原理和關(guān)系變換成另一個擴(kuò)大了的現(xiàn)象進(jìn)行測量的，屬于間接放大測量。 比如光杠桿放大法就是一種間接放大。 放大法提高了實驗的可觀察性和測量的準(zhǔn)確度，是一種十分有用的實驗方法， 對微小量的觀測具有重要意義。放大法按放大原理可分為：機(jī)械放大法、積累（或累計）放大法、光學(xué)放大法、

6、電子學(xué)放大法等。1.2.1 機(jī)械放大法測量微小長度與角度時，為了提高測量讀數(shù)的精度，常將其最小刻度用游標(biāo)、螺距的方式進(jìn)行機(jī)械放大。圖3-1-4中螺旋測微計主刻度上最小標(biāo)度0.5mm 以下讀數(shù)，可通過轉(zhuǎn)動微分套筒放大讀出，精度達(dá)到0.01mm（原理與讀數(shù)方法詳見下節(jié)3.2.1.3）。1.2.2積累（或累計）放大法圖 3-1-4螺旋測微計主刻度圖 3-1-5干涉條紋間距我們要測量如圖3-1-5 所示的干涉條紋間距l(xiāng)l 的數(shù)量級為 102 cm ，為了減小測量的相對誤差，一般不是一個間隔一個間隔地去測量，而是測量若干 (n) 個條紋的總間距 L nl 。例如 l 0.040mm,所用量具誤差為儀 0

7、.004mm ，則測量一個間距l(xiāng) 的相對誤差為 :儀0.0040.1(3-1-3)L0.040即為 10。若采用放大法測量 100個條紋的總間距，則 L4.000cm, 其相對誤差減小為儀0.0040.001(3-1-4)L4.000即 0.1 ，使測量精度大為提高。1.2.3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，以便觀察判別。例如：常用的測微目鏡、讀數(shù)顯微鏡。另一種是通過測量放大的物理量來獲得本身較小的物理量。例如：我們要測如圖 3-1-6 所示的 AB 對 C 的微小張角 ，可利用三角函數(shù)關(guān)系， tan AB/CB , 測出 AB 和 CB 即可求得 。但 AB

8、 、圖 3-1-6微小張角CB 也是微小量，若放大為測量相應(yīng)的A B 或 CB ，則在使用同樣量具的情況下， 相對誤差可大為減小，CB 越長相對誤差越小。因此，常常利用光學(xué)平面鏡多次反射來衍射光程。例如：測量激光束的發(fā)散角，常用如圖3-1-7 所示的平行平面鏡裝置，使發(fā)散角較小的激光束在兩鏡間多次反射后射出，再測量其光斑大小。圖3-1-7 平行平面鏡裝置又如：測量長度微小變化和測量角度微小變化的光杠桿鏡尺法，也是一種常用的光學(xué)放大法。（詳見4. 5）1.2. 4 電子學(xué)放大法要對微弱電信號（電流、電壓或功率）有效地進(jìn)行觀察測量，常用電子學(xué)放大法。最基本的交流放大電路如圖 3-1-8 所示的共發(fā)

9、射極三極管放大電路。圖3-1-8 共發(fā)射極三極管放大電路圖3-1-9 三極管原理圖交流電壓 ui 由基極 B 和發(fā)射極 E 之間輸入時，在輸出端就可獲得放大一定倍數(shù)的交流電壓 u0 。其基本原理是利用半導(dǎo)體pn 結(jié)特性實現(xiàn)基極對集電極電流的控制作用。圖3-1-9中的三極管，是由兩個pn 結(jié)構(gòu)成， B 、 E 間的發(fā)射結(jié)所加的是正向偏置電壓，使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子加速進(jìn)入基區(qū)；B、 C 間的集電結(jié)加的是反向偏轉(zhuǎn)電壓，它阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，但對基區(qū)內(nèi)的電子則是一個加速電壓，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子 （少數(shù)部分）不斷地與基區(qū)空穴 “復(fù)合 ”，形成基極電流 I B ，大多數(shù)電子經(jīng)兩次加速向集電區(qū)擴(kuò)散，

10、形成集電極電流 I C ，基極電流 I B 的微小變化將引起集電極電流I C 很大的變化，從而實現(xiàn)放大作用。1.3轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換法就是將某些因條件所限不能直接測量的物理量或為提高某些待測物理量的測量準(zhǔn)確度， 而將其轉(zhuǎn)換成另一種形式的物理量的實驗方法。它是利用物理量之間的各種效應(yīng)和函數(shù)關(guān)系利用變換原理進(jìn)行測量的。由于物理量之間存在多種效應(yīng)，所以有各種不同的轉(zhuǎn)換測量法， 這正是物理實驗最富有啟發(fā)性和開創(chuàng)性的一面。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 物理實驗方法滲透到各學(xué)科領(lǐng)域，實驗物理學(xué)也不斷地向高精度、寬量程、快速測量、遙感測量和自動化測量的方向發(fā)展，這一切都與轉(zhuǎn)換測量緊密相關(guān)。轉(zhuǎn)換法大致可分為參量換測法和能量換

11、測法兩大類。1.3.1參量換測法利用各種參量在一定實驗條件下的相互關(guān)系而實現(xiàn)待測量轉(zhuǎn)換的測量方法稱為參量換測法。物理實驗中的間接測量都屬于參量換測法測量。例如：測量某非規(guī)則形狀物體的密度W / V ，可將參量 V 先利用阿基米德定律轉(zhuǎn)換為：W1 W2V ( W1為物重， W2為物體全浸入密度為 的液體中的示重），則W1W1m1(3-1-5)VW1 W2m1m2（ m1 、 m2 分別表示被測物體在空氣中和全浸沒在液體中時物理天平的示值）。1.3.2能量換測法能量換測法是利用傳感器將一種類型的物理量轉(zhuǎn)換成另一種類型的易于測量的物理量的測量方法。下面是幾種比較典型的能量換測法。1. 熱電換測。這是

12、一種將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的測量方法。例如：利用溫差電動勢原理，將溫度的測量轉(zhuǎn)換成熱電偶的溫差電動勢的測量， 或利用電阻隨溫度變化的規(guī)律將測溫轉(zhuǎn)換成對電阻的測量。2. 壓電換測。這是一種壓力和電勢間的變換， 話筒和揚聲器就是大家所熟悉的換能器。話筒把聲波的壓力變換為相應(yīng)的電壓變化， 而揚聲器則進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換， 即把變化的電信號轉(zhuǎn)換成聲波。3. 光電換測。這是一種將光通量變換為電量的換能器，其變換的原理是光電效應(yīng)。轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。各種光電轉(zhuǎn)換器件在測量和控制系統(tǒng)中已獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用， 近年來又用于光通訊系統(tǒng)和計算機(jī)的光電輸入設(shè)備（光纖）等等。4.

13、磁電換測。這是利用半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁學(xué)量與電學(xué)量的轉(zhuǎn)換測量。設(shè)計或采用某種轉(zhuǎn)換測量方法應(yīng)注意下列原則：、首先要確定變換原理和正確的參量關(guān)系式；、變換器（傳感器）要有足夠的輸出量和穩(wěn)定性，便于放大或傳輸；、考慮在變換過程中是否還伴隨其他效應(yīng)，若有，則必須采取補償或消除措施；、要考慮變換系統(tǒng)和測量過程的可行性和積極效益。1.4模擬法在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中，常會遇到一些由于各種原因而難以直接進(jìn)行測量和研究的問題。例如： 許多復(fù)雜電極間的靜電場分布；飛機(jī)在空中高速飛行時的動力學(xué)特性；對大型工程及設(shè)計方案的考核與測試（水利工程、電力工程、機(jī)場工程等等）；為解決此類問題，人們以相似理論為依據(jù)模仿實際情況，研制成一個類同于研究對象的物理現(xiàn)象或過程的模型，通過對模型的測試實現(xiàn)對研究對象進(jìn)行研究和測量，這種方法稱為“模擬法 ”。模擬實驗的方法按其性質(zhì)可分為以下幾種類型：1. 幾何模擬：將所研究對象的實物按幾何尺寸放大或縮小的模型實驗；2. 動力學(xué)相似模擬：在物理性質(zhì)上取得相同效果的實物模型實驗；3. 替代或類比模擬：利用物理量之間物理性質(zhì)或規(guī)律的相似性或等同性進(jìn)行的模擬實驗；4. 計算機(jī)模擬：用計算機(jī)模擬演