物理測(cè)量的基本方法

1、物理測(cè)量的基本方法你問的是物理實(shí)驗(yàn)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(cè)量與經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的儀器或量具進(jìn)行直接比較，測(cè)出其大小。 例如： 用米尺測(cè)量長(zhǎng)度就是最簡(jiǎn)單的直接比較法。用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的電表、秒表、電子秤測(cè)量電量、 時(shí)間、質(zhì)量等量時(shí)， 其直接測(cè)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(guò)標(biāo)定的。圖3-1-1惠斯登電橋電路圖 3-1-2電位差計(jì)基本電路1.1.2補(bǔ)償平衡比較法平衡測(cè)量、補(bǔ)償測(cè)量或示零測(cè)量是物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究中常用的測(cè)量方法。例如：用等臂天平稱物體的質(zhì)量是一種平衡測(cè)量。又如圖 3-1-1 所示的惠斯登電橋測(cè)量電阻

2、 Rx ，從原理上講，也是一種平衡測(cè)量，因?yàn)橹挥挟?dāng)電橋平衡時(shí)（電流計(jì)G 示零）才能得出Rx( R1 )Rs(3-1-1)R2從而計(jì)算出Rx 。圖 3-1-2所示的是電位差計(jì)測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)的基本電路，則是補(bǔ)償測(cè)量的一個(gè)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(dòng)觸頭 C ，使電流計(jì) G 示零，則待測(cè)電動(dòng)勢(shì)Ex 被電勢(shì)差 U AC 所補(bǔ)償，這時(shí)Ex U AC IRAC(3-1-2)以上兩例均在電流計(jì)G 的指針示零時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果，所以又可稱為示零測(cè)量。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償達(dá)到平衡的比較實(shí)驗(yàn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是平衡時(shí)，電表（平衡臂） 示零， 對(duì)被測(cè)物理量

3、的影響最小，故大大提高了測(cè)量的精確度。1.1.3替代比較法我國(guó)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(cè)量技術(shù)中， 當(dāng)某些物理量無(wú)法直接比較時(shí)， 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(cè)量， 例如糖量計(jì)、比重計(jì)、密度計(jì)等。圖 3-1-3所示是用替代比較法測(cè)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(shí)注意表頭G 指針不能超過(guò)量程），然后斷開K 1 （為圖 3-1-3比較法測(cè)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(shí)，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(cè)量時(shí)， 要特別注意 “不同時(shí) ”的替代比較， 在異時(shí)比較時(shí)必須是以實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。1.2 放大法將被測(cè)物理量按照一定規(guī)律加以放大后進(jìn)行測(cè)量的方法，稱為放大法。這種方法對(duì)于微小物理量或?qū)ξ锢砹康奈⑿∽兓康臏y(cè)量是十分有效的。例如，用秒表測(cè)單擺的周期， 手按秒表起、止 “反應(yīng)時(shí) ”給測(cè)量帶來(lái)的不確定度T0.2s，若周期 T2s，則T /T 10，測(cè)量的相對(duì)不確定度很大。如果用秒表連續(xù)測(cè)量100 個(gè)周期，時(shí)間為200s，而反應(yīng)時(shí)的不確定度仍為T 0.2s ，此時(shí) T / t 0.1，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。這種在不改變

5、待測(cè)物理量性質(zhì)的條件下， 將待測(cè)量延展若干倍，以增加待測(cè)量有效數(shù)字的位數(shù)，減小其測(cè)量相對(duì)不確定度的方法是放大法的一種特例，這種方法也叫測(cè)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(shí)驗(yàn)中的放大鏡（例如測(cè)微目鏡）、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等將被測(cè)量本身加以放大而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，屬于直接放大測(cè)量。間接放大。將所要觀測(cè)的對(duì)象通過(guò)某種原理和關(guān)系變換成另一個(gè)擴(kuò)大了的現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量的，屬于間接放大測(cè)量。 比如光杠桿放大法就是一種間接放大。 放大法提高了實(shí)驗(yàn)的可觀察性和測(cè)量的準(zhǔn)確度，是一種十分有用的實(shí)驗(yàn)方法， 對(duì)微小量的觀測(cè)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(jì)）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(cè)量微小長(zhǎng)度與角度時(shí)，為了提高測(cè)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(cè)微計(jì)主刻度上最小標(biāo)度0.5mm 以下讀數(shù)，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)）放大法圖 3-1-4螺旋測(cè)微計(jì)主刻度圖 3-1-5干涉條紋間距我們要測(cè)量如圖3-1-5 所示的干涉條紋間距l(xiāng)l 的數(shù)量級(jí)為 102 cm ，為了減小測(cè)量的相對(duì)誤差，一般不是一個(gè)間隔一個(gè)間隔地去測(cè)量，而是測(cè)量若干 (n) 個(gè)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(cè)量一個(gè)間距l(xiāng) 的相對(duì)誤差為 :儀0.0040.1(3-1-3)L0.040即為 10。若采用放大法測(cè)量 100個(gè)條紋的總間距，則 L4.000cm, 其相對(duì)誤差減小為儀0.0040.001(3-1-4)L4.000即 0.1 ，使測(cè)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(cè)物通過(guò)光學(xué)儀器形成放大的像，以便觀察判別。例如：常用的測(cè)微目鏡、讀數(shù)顯微鏡。另一種是通過(guò)測(cè)量放大的物理量來(lái)獲得本身較小的物理量。例如：我們要測(cè)如圖 3-1-6 所示的 AB 對(duì) C 的微小張角 ，可利用三角函數(shù)關(guān)系， tan AB/CB , 測(cè)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(cè)量相應(yīng)的A B 或 CB ，則在使用同樣量具的情況下， 相對(duì)誤差可大為減小，CB 越長(zhǎng)相對(duì)誤差越小。因此，常常利用光學(xué)平面鏡多次反射來(lái)衍射光程。例如：測(cè)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(cè)量其光斑大小。圖3-1-7 平行平面鏡裝置又如：測(cè)量長(zhǎng)度微小變化和測(cè)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(duì)微弱電信號(hào)（電流、電壓或功率）有效地進(jìn)行觀察測(cè)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(shí)，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(shí)現(xiàn)基極對(duì)集電極電流的控制作用。圖3-1-9中的三極管，是由兩個(gè)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(duì)基區(qū)內(nèi)的電子則是一個(gè)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(shí)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(cè)量的物理量或?yàn)樘岣吣承┐郎y(cè)物理量的測(cè)量準(zhǔn)確度， 而將其轉(zhuǎn)換成另一種形式的物理量的實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)量法， 這正是物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法滲透到各學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)也不斷地向高精度、寬量程、快速測(cè)量、遙感測(cè)量和自動(dòng)化測(cè)量的方向發(fā)展，這一切都與轉(zhuǎn)換測(cè)量緊密相關(guān)。轉(zhuǎn)換法大致可分為參量換測(cè)法和能量換

11、測(cè)法兩大類。1.3.1參量換測(cè)法利用各種參量在一定實(shí)驗(yàn)條件下的相互關(guān)系而實(shí)現(xiàn)待測(cè)量轉(zhuǎn)換的測(cè)量方法稱為參量換測(cè)法。物理實(shí)驗(yàn)中的間接測(cè)量都屬于參量換測(cè)法測(cè)量。例如：測(cè)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(cè)物體在空氣中和全浸沒在液體中時(shí)物理天平的示值）。1.3.2能量換測(cè)法能量換測(cè)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(cè)量的物理量的測(cè)量方法。下面是幾種比較典型的能量換測(cè)法。1. 熱電換測(cè)。這是

12、一種將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的測(cè)量方法。例如：利用溫差電動(dòng)勢(shì)原理，將溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量， 或利用電阻隨溫度變化的規(guī)律將測(cè)溫轉(zhuǎn)換成對(duì)電阻的測(cè)量。2. 壓電換測(cè)。這是一種壓力和電勢(shì)間的變換， 話筒和揚(yáng)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(yáng)聲器則進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換， 即把變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波。3. 光電換測(cè)。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(cè)量和控制系統(tǒng)中已獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用， 近年來(lái)又用于光通訊系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的光電輸入設(shè)備（光纖）等等。4.

13、磁電換測(cè)。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(cè)量。設(shè)計(jì)或采用某種轉(zhuǎn)換測(cè)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(guò)程中是否還伴隨其他效應(yīng)，若有，則必須采取補(bǔ)償或消除措施；、要考慮變換系統(tǒng)和測(cè)量過(guò)程的可行性和積極效益。1.4模擬法在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中，常會(huì)遇到一些由于各種原因而難以直接進(jìn)行測(cè)量和研究的問題。例如： 許多復(fù)雜電極間的靜電場(chǎng)分布；飛機(jī)在空中高速飛行時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性；對(duì)大型工程及設(shè)計(jì)方案的考核與測(cè)試（水利工程、電力工程、機(jī)場(chǎng)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(shí)際情況，研制成一個(gè)類同于研究對(duì)象的物理現(xiàn)象或過(guò)程的模型，通過(guò)對(duì)模型的測(cè)試實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行研究和測(cè)量，這種方法稱為“模擬法 ”。模擬實(shí)驗(yàn)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(duì)象的實(shí)物按幾何尺寸放大或縮小的模型實(shí)驗(yàn)；2. 動(dòng)力學(xué)相似模擬：在物理性質(zhì)上取得相同效果的實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)；4. 計(jì)算機(jī)模擬：用計(jì)算機(jī)模擬演