§4 物理实验的基本方法 一、物理实验中的基本实验方法
作为基本实验方法，它是学习与掌握其他科学实验方法的基础。
1. 换测法
寻找与待测参量有关的物理量，利用它们之间的函数关系，通过对有关物理量的测量求算出待测参量的方法称为换测法。它是广为运用的实验方法之一，几乎渗透到科学实验的各个领域，换测法大致可分为参量换测法与能量换测法二类。 一、 参量换测法
它利用各种参量在一定实验条件下的相互关系来实现待测参量的变换测量。
如：测定钢丝的杨氏模量E，是利用应变与应力成线性变化的规律，将待测量E用杨氏模量测定仪转换成对应变量△L/L与应力量F/S的测量，即通过测量L、△L、F、S，以E=（F/S）/（△L/L）求出待测量。类似这种得参量换测法，几乎贯穿于所有实验之中。
参量换算在实用技术中亦有广泛应用，如：当偏振光进入旋光物质后偏振面将发生旋转，其转角的大小与旋光溶液的浓度成正比，依此可制成测定糖溶液浓度的“量糖计”。此原理还应用于石油工业中测量汽油含量。类似的思想在各行各业中俯首可得，“弹簧秤”之用于测重量、利用电振动或机械振动的频率计时等等。 二、 能量换测法
此法是利用换能器（又称传感器或变换器）将一种形式的能量转换成另一种形式的能量进行测量。 （一） 热电换测
它是将热学量转换成电学量再进行测量的。在本书实验十二电位差计应用实验中的热电偶即将温度测量转换成温差电动势的测量。 （二） 磁电换测
这种方法利用半导体的霍尔效应，使霍尔电势的大小反映磁感应强度的大小，以霍尔电势的方向，判断磁感应强度的方向，是电磁换测中的方法之一，可见本书实验十四磁场测量实验之中。 （三） 压电换测
它通过压力与电势间的变换进行测量。一些结构上不对称的晶体，或正常的晶体由于切割而具有不对称的结构，如石英、钛酸钡、酒石酸钾钠等，它们在特定方向受压力时会发生极化，进而在两个端面出现电势差。这个现象的逆效应是：在这种晶片
. 1
的特定方向加上一定电压，晶体将发生弹性形变，称为“电致伸缩”。利用这种性质可制成压电传感器，若让它工作在其“固有共振频率”上，则压电现象尤为明显，这时用它作为激振和拾振，效率最高，故一般都让它工作在它的固有共振频率状态。可见于本书实验十八声速测定中。
此外压电陶瓷也是一种常用的压电传感器，利用它将心脏的跳动对传感器产生的压力转换为电压输出，再用示波器予以显示即医用心电图仪器的原理。 （四） 光电换测
通过光通量的变化转换为电量变化再进行测量称为光电换测。如常见的硅光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等皆为光电换测传感器（元件）。其中硅光电池可把光能直接转换为电能，其转换效率为12%，故可作为电源使用。 必须指出，设计或采用任何形式的换测皆应遵循以下原则：
? 进行参量转换时，其转换原理以及转换参量间的函数关系应正确无误。 ? 变换参量是为了简化测量过程或是为了提高精度。 ? 换能器要有足够的输出，并且性能必须稳定。
? 变换中若伴有其他效应，应予以校正或补偿，见教材实验十四中的霍尔效应的附
加效应讨论。
? 要考虑技术上是否可行以及是否符合经济效益。
2. 静态与动态研究法
物理现象总是在一定的条件下有其特定的物理过程。例如电阻的伏安特性，在一定范围内是线性的，当超过其额定功率后则成为非线性。故而任何实验均应先确定在什么条件下进行。
仍以电阻的伏安特性为例，其相应的电流变化应依其工作电压的变化范围来确定。 一、 静态研究法
若在测量范围内（研究区间）采用定间隔定点测量法，而得出V1，V2，…，Vi及其对应的I1，I2，…，Ii。被称为静态研究法。这种研究方法的前提是已知或假定相邻研究点之间的变化是线性的，为了把握曲线的细部变化，要求在曲线弯曲部分，拐点等附近加密测量点距。本书中许多实验皆用此法，如实验十四磁场测量、实验十非线性电阻的伏安特性等。 二、 动态研究法
将静态研究法的点距缩小到近乎连续状态即为动态研究，一般皆通过仪器自动测量，或通过计算机的快速采样及检测，测出自变量与因变量在极短间隔内相应各点的数值，并将之显示于屏幕上或打印出曲线，从而得到动态曲线。常用的显示器是示波器、XY函数记录仪或与微机联机后的显示屏或打印机。
在本书实验二十四夫兰克赫兹实验及实验十七示波器观测波形的实验中皆为动态研究法。在晶体管特性测试仪器的使用中，用的也是动态研究法。
这种研究法采用的是电学仪器，被测量（无论是自变量还是因变量）均应转换成适应
. 2
于显示器输入的电学量（若显示器为示波器，则均应变为电压），此外被转换成的电学量应与原待测量线性相关，否则会畸变而无法如实反映其客观规律。
3. 模拟法
此法并不直接研究某物理现象或物理过程的本身，而采用与之相似的模拟进行研究。它对于不便于或无法直接测量的物理量是行之有效的方法。它可分为物理模拟和数学模拟。 一、 物理模拟
若被模拟的物理过程与模拟的物理本质与过程是一致的称之为物理模拟。
如利用“风洞”试验设计改进飞机机翼，用“流槽”模拟预演河流的冲积作用等皆属于物理模拟。 二、 数学模拟
两个物理量，尽管它们的物理本质和产生的物理现象或过程并不相同，但它们却具有相同的数学表达式反映它们各自的规律。这样，就可以用其中的一个物理过程来模拟另一个物理过程，这称为数学模拟。
如：流体力学中，用液体的速度场模拟气体的速度场。本教材实验十五中利用稳恒电流场来模拟静电场。
4. 干涉法
它广泛地被用于各种机械波、电磁波、光波等研究之中，所谓干涉法是将一列行波分为两个或两个以上的波列，并使它们在同一区域中迭加而形成稳定的干涉图样，通过对干涉图样的分析而研究行波的特性的一种方法。它可将瞬息变化并难以测量的动态研究对象变成稳定的静态研究对象——干涉图样，从而简化了研究方法，提高了研究的精度。干涉法在引入全息摄影技术后已发展成一门新的技术——干涉计量技术，并在生产实践与科学研究中发挥了越来越重要的作用。现介绍常用的二种基本干涉法。 一、 驻波法
驻波，是指两列纵波或两列具有相同偏振面的横波，以相同的频率、相近的振幅和恒定的位相差，彼此沿反方向传播，迭加后形成的波。验中常使波传播遇到障碍物（或另一种介质的界面），产生反射波，它与入射波迭加相互干涉而形成驻波。本实验教材实验十八中 二、衍射法
光波通过与其波长可以比拟的狭缝时会出现衍射现象，在波的衍射中，波场能量的分布，是连续的相干波源发出的波，相互干涉的结果，所以衍射现象的本质，是一
. 3
种特殊的干涉。
衍射法，是光学测试的一种重要方法，许多仪器是依此设计的。实验十二中，汞光源通过光栅衍射得到汞灯光的光栅光谱，从而可求出各谱线的波长，该实验在一定程度上体现了光栅摄谱的思想，而光栅摄谱仪则是高分辨的摄谱仪，它对于确定与分析发光物质的成份是种十分快速的全分析手段。
二、物理实验中的基本测量方法
测量方法是指具体测量某以物理量时，如何根据测量要求，在给定的条件下尽可能地消除或减小偶然误差，使获得的测量值更为准确的方法。本章将介绍物理实验中最常用的几种基本测量方法。
a) 比较法
它是测量方法中最基本的方法。任何物理量，为了测量都必须规定出它的标准单位，测量就是将待测物理量与规定的该物理量的标准单位进行比较以确定待测量是标准单位的几倍，即得该待测量的测量值。
比较法可分为直接比较和间接比较。 一、 直接比较法
（一） 通过量具直接比较示值
将待测量与经过校准的量具进行直接比较测出其大小，称为直接比较法。如用米尺测量长度是最简单的直接比较法。
这种直接比较法的测量精度，受到测量仪器自身精度的局限，欲提高测量精度就得提高量具的精度，为此目的需依靠不同物理量的标准件，例如用于长度测量的“块规”，用于测重量（质量）的高精度砝码，标准电阻、标准电池、??等标准器件以应比较之需。
（二） 通过平衡、补偿或零示测量进行直接比较 在利用天平称物体的重量（质量）时，是利用天平这一仪器使待测量与标准件（砝码）直接比较，其测量结果的准确度受天平本身灵敏度的制约只能接近砝码的精度。 在惠斯登电桥实验中，从测量未知电阻而言用的是平衡测量，而作为表征电桥是否平衡却使用的是检流计零示法。
在电位差计实验中，测量电源电动势原理可参看图2-2-1（a）。
. 4
图0-9
它是补偿法测量的典型，合上K，调节R，使电阻丝AB上通有一定电流I，再合K1，改变C在AB上的位置至检流计示零，则待测电动势Ex被电位差UAC所补偿，这时
Ex?UAC?I?RAC
它也是以检流计示零后而获得测量结果，故又可称为零示测量法。
零示测量最突出的优点是，无论是平衡测量或是补偿测量中皆以检流计示零而得出测量结果，所以测量的精度高低与示零仪器的灵敏度密切相关。而对于仪器而言，欲得一高精度的电流计是困难的，但高灵敏度的检流计却易于实现，故常常利用零示法来实现较高精度的测量。
必须指出，欲有效地运用直接比较法应考虑如下两个问题： （1） 创造条件使待测量能与标准件直接对比。 （2） 无法直接对比时，则视其能否用零示测量法予以比较，此时只要注意选择灵敏
度足够高的平衡指示仪即可。
﹡零示测量时测量误差的估算：
设待测物理量真值为X。通过平衡指示器（示零）与之直接比较的那个标准件的量值为S，则误差△=S-X。标准量值S本身的误差为△S，则测量的相对误差为：
Ex?? x0?S S标准件的相对误差为：
Es?△应包含标准件的误差△S及平衡指示仪灵敏度造成的观测者判定平衡与否时的误差——“不灵敏误差”（△X不灵敏），故： △=△S+△X不灵敏
∴Ex??S??X不灵敏X0?S?X不灵敏???Es?E不灵敏 SS
可见只要E不灵敏足够小，Ex?Es。
. 5