關(guān)于物理實驗研究的兩點分析

魏三鋒

【摘 要】 物理實驗是物理教學(xué)的重要部分，對實驗研究的深入與否，直接決定實驗教學(xué)的成敗。因此，本文對中學(xué)物理實驗的方法做一個簡單的總結(jié)，希望對各位同仁有所幫助，以便拋磚引玉。

【關(guān)鍵詞】 物理；實驗研究；分析

【中圖分類號】 G63.20 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2017）16-0-01

一、總結(jié)物理實驗數(shù)據(jù)處理的常用方法及特點

在物理實驗研究中常用的數(shù)據(jù)處理方法有：

1、列表法及特點

在記錄和處理數(shù)據(jù)時，常把數(shù)據(jù)排列成表格，這樣，既可以簡單而明確地表示出被測物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，又便于及時檢查和發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)是否合理，有無異常情況。列表計算法就是將數(shù)據(jù)處理過程用表格的形式顯示出來。即將實驗數(shù)據(jù)中的自變量、因變量的各個數(shù)據(jù)及計算過程和最后結(jié)果按一定的格式，有秩序地排列出來。

列表法的特點

列表法的優(yōu)點是：簡單明了，形式緊湊，各數(shù)據(jù)易于參考比較，便于表示出有關(guān)物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，便于檢查和發(fā)現(xiàn)實驗中存在的問題及分析實驗結(jié)果是否合理，便于歸納總結(jié)，從中找出規(guī)律性的聯(lián)系。缺點是數(shù)據(jù)變化的趨勢不夠直觀，求取相鄰兩數(shù)據(jù)的中間值時，還需要借助插值公式進(jìn)行計算等。

2、圖示法及特點

物理規(guī)律既可以用解析函數(shù)關(guān)系表示，也可以借助圖線表示，即用圖線表示實驗結(jié)果的方法稱為圖示法。

作圖的基本步驟包：圖紙的選擇；坐標(biāo)的分度和標(biāo)記；標(biāo)出每個實驗點；作出一條與多實驗點基本相符合的圖線；以及注解和說明等。

圖示法的特點：清晰、直觀表明函數(shù)間的關(guān)系和變化趨勢。

3、圖解法及特點

利用畫出的實驗圖線，用解析方法求出有關(guān)參量或物理量之間的經(jīng)驗公式為圖解法。當(dāng)圖線為直線時尤為方便，直線圖解一般是求出直線的截距或斜率進(jìn)而可得到另外一些物理量或得出完整的線性方程。

圖解法特點

圖解法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)（物理量）之間的對應(yīng)關(guān)系和變化趨勢，非常形象、直觀，一目了然，便于比較研究和發(fā)現(xiàn)問題，能看到測量的全貌。

4、逐差法及特點

逐差法就是把實驗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項相減，或者分成高、低兩組實行對應(yīng)項相減，前者可以驗證被測量之間的函數(shù)關(guān)系，后者可以充分利用數(shù)據(jù)，具有對數(shù)據(jù)取平均和減少相對誤差的效果。特別是在被測變量之間存在多項式函數(shù)關(guān)系，自變量等間距變化的實驗中，更有其獨特的優(yōu)點。

5、最小二乘法與線性回歸

最小二乘法：最小二乘法是一種解決怎樣從一組測量值中尋求最可靠值，也就是最可信賴值的方法。對于等精度測量，所得數(shù)據(jù)的測量誤差是服從高斯分布，且相互獨立，則測量結(jié)果的最可靠值是各次測量值相應(yīng)的偏差平方和為最小值時的那個值，即算術(shù)平均值。因為最可靠值是在各次測量值的偏差平方和為最小的條件下求得的，當(dāng)時把平方叫二乘，故稱最小二乘法。

用最小二乘法進(jìn)行線性回歸的原理是：若能找到一條最佳的擬合直線，那么各測量值與這條擬合直線上各對應(yīng)點的值之差的平方和，在所有擬合直線中應(yīng)該是最小的。

回歸分析：相互關(guān)聯(lián)的變量之間的關(guān)系可以分成兩類。一類是變量之間存在著完全確定的關(guān)系叫做函數(shù)關(guān)系；一類是變量之間雖然有聯(lián)系，但由于測量中隨機(jī)誤差等因素的存在，造成了變量之間聯(lián)系的不同程度的不確定性，但從統(tǒng)計上看，它們之間存在著規(guī)律性的聯(lián)系，這種關(guān)系叫做相關(guān)關(guān)系。相關(guān)變量間既有相互依賴性，又有某種不確定性。

二、總結(jié)物理實驗中物理量的基本測量方法

物理實驗方法是以一定的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律和物理學(xué)原理為依據(jù)，確立合適的物理模型，研究各物理量之間關(guān)系的科學(xué)實驗方法。物理實驗離不開定量的測量。物理實驗中常用的測量方法有：

1、比較法

比較法是將待測量與同類型已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行直接或間接的比較，從而測出待測量大小的一種測量方法。比較法具體分為直接比較法、間接比較法和比較系統(tǒng)法。

2、補償法

當(dāng)系統(tǒng)受到某一作用時會產(chǎn)生某種效應(yīng)，在受到另一類作用時，又產(chǎn)生了一種新效應(yīng)，新效應(yīng)與舊效應(yīng)疊加，兩種效應(yīng)相互抵消，使新、舊效應(yīng)均不再顯現(xiàn)，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，此稱新作用補償了原作用，即稱為補償。

3、放大法

在物理實驗中或其他領(lǐng)域的科學(xué)研究中，常遇到一些微小物理量的測量，由于待測量過小，以至于難以被實驗者或儀器直接感覺和反映，這時為了提高測量精度，可設(shè)法將被測量放大，然后再進(jìn)行測量。物理實驗中常用的放大法有以下幾種：機(jī)械放大法；累計放大法；電學(xué)放大法；光學(xué)放大法。

4、轉(zhuǎn)換法

轉(zhuǎn)換法是根據(jù)物理量之間的各種效應(yīng)和定量函數(shù)關(guān)系，利用變換原理進(jìn)行測量的方法。轉(zhuǎn)換法一般分為參量換測法和能量換測法兩種。

5、平衡法

平衡法是利用物理學(xué)中平衡的概念，將處于比較的兩個物理量之間的差異逐步減小到零的狀態(tài)，通過判斷測量系統(tǒng)是否達(dá)到平衡態(tài)，來實現(xiàn)物理量的測量。

6、對稱測量法

對稱測量法是消除測量中出現(xiàn)系統(tǒng)誤差的重要方法。當(dāng)系統(tǒng)誤差的大小與方向是個確定值（或按一定規(guī)律變化），在測量中可以用對稱測量法予以消除。

7、模擬法

模擬法是指不直接研究某物理現(xiàn)象或物理過程本身，而是用與該物理現(xiàn)象或過程相似的模型來研究的一種方法。

物理實驗中常用的模擬法有以下幾種：物理模擬；數(shù)學(xué)模擬；計算機(jī)模擬。

8、靜態(tài)與動態(tài)研究法

為了對物理現(xiàn)象做深入的研究、探討，以揭示其內(nèi)在的規(guī)律，根據(jù)測量過程中被測物理量是否隨時間變化，分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量研究法。

9、振動與波動方法

物理實驗中常用的有：振動法；李薩如圖法；共振法；駐波法；相位比較法等。

10、光學(xué)實驗方法

光學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有重要地位。物理實驗教學(xué)中常用的光學(xué)實驗方法有：干涉法；衍射法；光譜法；光測法。

11、非電量的電測法

隨著科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的發(fā)展，物理實驗中心常要對一些非電量進(jìn)行測量，如力學(xué)量中的位移、壓力、應(yīng)變，熱學(xué)量中的溫度、流量，光學(xué)量中的光強(qiáng)、照度、功率等。

非電量轉(zhuǎn)換成電量的元件或裝置稱為傳感器。傳感器實際上是一種換能器，它們是利用物理學(xué)中物理量之間存在的各種效應(yīng)與關(guān)系把被測的非電量轉(zhuǎn)換成電量，從而獲得被測信息，作為測量電路的輸入信號。

12、實時控制測量法

實時控制測量是一種動態(tài)測量。其主要方法是通過信號傳感器、計算機(jī)與信號傳輸接口、控制軟件及輔助測量裝置等，對某一物理量進(jìn)行實時控制測量。

在物理實驗教學(xué)過程中所遇到的實驗方法，大多是前人創(chuàng)造和總結(jié)出來的科學(xué)方法。我們學(xué)習(xí)應(yīng)用這些方法，一方面是學(xué)習(xí)它、掌握它、運用它，但更主要的是積累前人正確的創(chuàng)新思維方法，從中吸取規(guī)律性的認(rèn)識，并在未來的工作中去創(chuàng)造和開拓。