大学物理实验讲义-张家港校区

接比较法”两种。

1．直接比较法

直接比较法是将待测量与同类物理量的标准量具直接比较、测量的方法，如用米尺测长度、用天平测质量、利用平衡法（如电位差计、电桥等）通过和标准电压或标准电阻的比较测电压或电阻等。直接比较法特点是标准量与待测量之间的量纲相同，且简便实用、准确，它几乎存在于一切物理量测量中。但它也有一定的局限性，即要求标准量必须与待测量有相同的量纲且大小可比，例如，用米尺可以测定桌椅的尺寸，却不能测量原子的间距。

直接比较法的测量精度取决于标准量具（或测量仪器）的准确度。因此，标准量具和测量仪器一定要定期校准，还要按照规定条件使用，否则就会产生很大的系统误差。

2．间接比较法

很多待测量是无法直接比较的，只能通过间接比较的方法进行测量，即设法利用某些关系将它们转换成能够直接比较的物理量进行间接比较。如电流、电压表等均采用电磁力矩与游丝力矩平衡时，电流大小与电流表指针的偏转角度之间有一一对应关系而制成。温度计采用物体体积膨胀与温度的关系制成。虽然它们能直接读出结果，但根据其测量原理应属间接比较。间接比较法是直接比较法的延续与补充。

二、放大测量法

当待测量或待测信号数值过于小无法测准时，可以通过某种途径将其放大再进行测量。这种方法称为放大法。由于待测物理量的不同，放大的原理和方法也不同，常用的放大法有以下几种：

1．累积（计）放大法

一根很细的金属丝，要直接用毫米尺测出它的直径是很困难的。这时，可以把它密绕在一个光滑且直径均匀的圆柱体上。用毫米尺测量n匝的长度L，则L/n就是细丝的直径，n就是放大倍数。再如，测定单摆振动周期时，测1次摆动时，t?T，测量误差为?T??t，即周期的测量误差等于秒表的误差；而测100次摆动时，t?100T，周期的误差则为?T??t/100，由于增加了摆动次数，虽然计时仪器误差?t并未改变，但是周期的测量误差却大为降低，因而提高了测量准确度。另外，测量劈尖干涉条纹间距或光栅常数L时，可以测量n个条纹或光栅常数的长度L=nL，从而得到干涉条纹间距或光栅常数。以上几种方法都有先决条件，即细丝的直径必须均匀；每次摆动的周期必须相同；干涉条纹间距或光栅常数均匀。这种方法即称为累积（计）放大法。

2．机械放大法

机械放大是利用机械原理及相应的装置将待测量进行放大测量的方法。例如，螺旋测微计由主尺与鼓轮组成，测长就是将沿螺矩的移动转化为沿周长的移动。若螺矩为0.5mm，鼓轮上划分50格，则放大倍数为100倍。由于放大作用提高了测量仪器的分辨率，由1.0mm提高到0.01mm，从而提高了测量准确度。游标卡尺也是利用放大原理，将主尺上的1.0mm放大为游标上的n格，n一般为10、20和50，仪器的分辨率分别提高到0.1mm、0.5mm、0.02mm。而迈克尔逊干涉仪则是将游标放大和螺旋放大结合起来，位移分辨率可达0.0001mm，从而实现了精密测量。

3．电学放大法

借助于电路或电子仪器将微弱的电信号放大后进行测量，就是电学放大法。电学放大中有直流放大和交流放大，有单级放大和多级放大，放大率可以远高于其他放大方式。为了避免失真，要求电学放大的过程应尽可能是线性放大，还要求抗外界干扰（温度、湿度、振动、电磁场影响）性能好，工作稳定，不发生漂移。

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4．光学放大法

光学中利用透镜和透镜组的放大构成各种光学仪器，既可“望远”、又可“显微”，这已成为精密测量中必不可少的工具。光学显微镜就是光学放大仪器的典型例子，它的放大倍数最高可以达到1000倍左右。除了直接进行光学放大外，也可以利用光学原理进行转换放大，在以后的章节中将要介绍的“光杠杆法”就是一例。

三、平衡测量法

“平衡”是物理学上的一个重要概念。利用满足某种平衡条件实现对物理量的测量就称为平衡测量法。例如，天平利用力学平衡原理实现了物体质量的测量。单臂电桥利用电流、电压等电学量之间的电学平衡，可以测量电阻。同样，稳态法也是平衡法在物理测量中的具体应用，是物理实验经常采用的测量方法。当物理系统处于静态或处于动态平衡时，系统内的各项参数不随时间变化。利用这一状态进行测量就是稳态测量。例如，“在不良导体的导热系数测定”时，只有在稳定条件下，才满足导热速率等于散热速率这一关系，这是稳态法测导热系数的基本条件。

四、补偿测量法

若某测量系统受某种作用产生A效应，同时受另一种同类作用产生B效应，如果B效应的存在使A效应显示不出来，就叫B对A进行了补偿。利用这一原理进行物理测量就称为补偿测量法。补偿方法大多用在补偿测量和补偿校正系统误差两个方面，往往与比较法结合使用。

完整的补偿测量系统由待测量装置、补偿装置、测量装置和指零装置组成。待测装置产生待测效应，要求待测量尽量稳定，便于补偿。补偿装置产生补偿效应，要求补偿量值准确达到设计精度。测量装置将待测量与补偿量联系起来进行比较。指零装置是一个比较仪器，由它来显示待测量与补偿量是否达到完全补偿。例如，电位差计利用电压补偿法可以精确测定未知电势差或电压。

另外，在某些测量中，由于存在某些不合理因素而产生系统误差，且无法排除。于是人们想办法制造另一种因素去补偿不合理因素的影响，使得这种影响减弱、消失或对测量结果无影响，这个过程就是用补偿法校正系统误差。例如，箱式电位差计中温度补偿，迈克尔逊干涉仪中的光路补偿，等等。

五、模拟测量法

模拟测量法是以相似理论为基础，把不能或不易测量的物理量用与之类似的模拟量进行替代测量。一般可以分为以下几种：

1．物理模拟法

物理模拟是在相同物理本质的前提下，对物理现象或过程的模拟。如航空、航天飞行器研究中的风洞实验，可以模拟出一个与实际情况相同的大气环境；水洞可以从事水动力学方面的模拟实验，等等。这种方法的特点是在较短的时间内，以较小的代价，方便可靠地取得有关数据。

2．数学模拟法

数学模拟法又称为类比法，这种模拟的模型与原型在物理形式上和实质上可能毫无共同之处，但它们却遵循着相同的数学规律。例如，机电（力电）类比中，力学的共振与电学的

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共振虽然不同，但它们却有相同的二阶常微分方程，声电类比也是如此。在物理实验中，静电场既不易获得，又易发生畸变，很难直接测量，可以用稳恒电流场来模拟静电场。

随着计算机技术的不断发展和应用，用计算机进行的模拟实验越来越多，并且能够有效地将两种模拟方法相结合，取得更好的结果。

六、转换测量法

转换测量法是根据物理量之间的各种效应和定量函数关系，利用变换原理将不能或不易测量的物理量转换成能测或易测的物理量。由于物理量之间的关系是多种多样的，物理效应丰富多彩，因此有各种不同的转换法。随着科学技术的不断发展，这种方法已经渗透到各学科领域。科学实验能够不断地向高精度、宽领域、快速测量、遥感测量和自动化测量发展，这一切与转换测量密切相关。

转换测量法实际上是间接测量法的具体应用，一般分成参量转换和能量转换两大类。 1．参量转换法

参量转换法是利用各物理量之间的函数关系进行的间接测量。例如，伏安法测电阻，单摆测量重力加速度，以及前面讲到的间接比较法大都属于此类。

2．能量换测法 与参量转换不同，能量换测是将一种形式转换为另一种形式的物理量之间的对应关系所进行的测量。这种方式在物理实验中大量存在，其中应用最多的是非电量的电测技术，实现转换的主要部件是传感器（有时称换能器）。例如，在“超声声速的测量”实验中，利用压电换能器将电信号转换为压力变化产生超声波发射，又利用其逆变化将接收的声波信号转换回电信号在示波器上显示，由此测定声音在空气中的传播速度，这种变化称为压电转换；在“固体材料线膨胀系数的测量”实验中，利用霍耳元件的霍耳效应，可以将磁感应强度转换为电流、电压或其他电学量，这种转换称为磁电转换；“测量不良导体导热系数”实验中的热电偶和“热敏电阻数字温度计的设计与制作”实验中的热敏电阻，都可以将温度变化转化为电学量，从而实验对温度的测量，这种变化称为热电转换；“光电效应测量普朗克常数”实验中的光电管及“气垫导轨实验”中的光电二极管等，可以将光信号转换为电信号，实现光电转换。非电量的电测技术及各种类型的传感器已经发展成多个专门学科，在科研、生产各个领域获得了广泛的应用。

本章介绍了几种基本实验方法。但是每一种方法都不是孤立的，有些实验中可能是多种方法的结合，大家一定要在大学物理实验学习阶段善于总结，注意它们之间的互相联系，学会灵活运用和综合使用，以便在今后的工作中有所发明、创造。

3．2 基本调整技术

使用仪器、仪表和装置测量之前，应首先对这些设备的工作状态进行调整，以达到最佳状态。这样才能将设备装置产生的系统误差减小到最低限度，保证测量结果的准确性和有效性。

一、零位调整

在测量之前应首先检查各仪器的零位是否正确。虽然仪器出厂时已经校准，但由于搬运、使用磨损或环境的变化等原因，其零位往往会发生变化。如果实验前未检查、校准，测量结果中将人为地引入系统误差。

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零位校准时，如果测量仪器本身有零位校准器（如电表等），可直接进行调整，使仪器在测量前处于零位。如仪器零位不准，且无法调整、校准（如磨损了的米尺、游标卡尺、螺旋测微计等），则需在测量前记录初读数，以备在测量结果中加以修正。

二、水平、铅直调整

物理实验所用的仪器或装置中，有些需进行水平或铅直调整，如平台的水平、支柱的铅直等。大部分需调整的仪器或装置自身装有水准仪或悬锤，底座有两个或三个（排成等边或等腰三角形）可调节的螺丝，只需调节螺丝，使水准仪的气泡居中或铅锤的锤尖对准底座上的座尖，即可达到调整要求。对有些没有水准仪或铅锤的仪器，需要调节水平或铅直时，可用自身装置进行调整，如焦利称可以通过调整底座螺丝使悬镜处在玻璃的中间等。

对于既没有配置水平仪又不能用自身装置来调整水平的仪器，可选用相应的水准仪来调整，如用长方形水准仪来调整一般的平面，可在互相垂直的两个方向上调整；用圆形水准仪，可较方便的调整较小的圆形平面，例如三线摆的上下圆盘、分光计的载物平台等。

三、消除视差的调整

使用仪器测量读取数据时，会遇到读数准线（如电表的指针、光学仪器中的叉丝等）与标尺平面不重合的情况，这时观察者的眼睛在不同方位读数时，得到的示值就会有一定的差异，这就是视差。

有无视差可根据观察者在调整仪器或读取示值，眼睛上下或左右稍稍移动时，观察标线与标尺刻线间是否有相对移动来判断。要避免视差的出现，一般仪器仪表在读数时应做到正面垂直观测。如精密的电表在刻度盘下有平面反射镜，读数时只有垂直正视，指针和其平面镜中的像重合时，读出的标尺上的示值才是无视差的正确数值。

在光学实验中，消视差是测量前必不可少的操作步骤。对于测量用光学仪器，如测微目镜、望远镜、读数显微镜等，这些仪器在其目镜焦平面内侧装有作为读数准线的十字叉丝（或是刻有读数准线的玻璃分划板）。当用这些仪器观测待测物体时，有时会发现随着眼睛的移动，物体的像和叉丝或分划板间有相对位移，这说明二者之间有视差存在。调节目镜（包括叉丝）与物镜的距离，边调节边稍稍移动眼睛观察，直到叉丝与物体所成的像之间基本无相对移动，则说明被测物体经物镜成像到叉丝所作的平面上，视差消除。

四、等高共轴调整

在由两个或两个以上的光学元件组成的实验系统中，为获得高质量的像，满足近轴成像条件，必须使各光学元件的主光轴重合，这就需要在观测前进行共轴调整。

调整可分两步进行。首先可进行目测粗调，把光学元件和光源的中心都调到同一高度，同时要求调节各光学元件相互平行。这时各光学元件的光轴已接近重合。然后，依据光学成像的基本规律来细调。调整可根据自准直法、二次成像法（共扼法）等，利用光学系统本身或借助其他光学仪器来进行。

为了读数准确，还需把光轴调整得与光具座平行，即各光学元件与光具座等高且光学元件中心截面与光具座垂直。

五、平衡调节――逐次逼近法

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