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物理学提供最多、最基本的科学研究手段 1 第一部分物理实验的基本认识§1.1物理实验的地位和作用观察和实验是物理学中的重要研究方法。观察就是对自然界中发生的某种现象，在不改变自然条件的情况下，按照原来的样子加以观察研究。而实验则是人们按照一定的研究目的，借助特定的仪器设备，人为地控制或模拟自然现象，使自然现象以比较纯粹或典型的形式表现出来，进而对其进行反复地观察和测试，探索其内部规律的一种方法。科学的理论来源于科学的实验，并受到科学实验的检验，物理学的理论，就是通过观察、实验、抽象、假说等研究方法，并通过实验的检验而建立起来的。物理实验不仅在物理学的发展中占有重要的地位，而且在推动其它自然学科。工程技术的发展中也起着重要的作用。特别在不少交叉学科中，物理实验的构思、方法和技术与化学、生物学、天文学等学科的相互结合已取得丰硕的成果。此外，物理实验还是众多高新技术发展的源泉。原子能、半导体、激光、超导和空间技术等最新科技成果，都是与物理实验密切相关的。 1976 年 12月 10 日，丁肇中在斯德哥尔摩获得诺贝尔物理奖时的一段话，给予我们很大的启迪。他说：“我是在旧中国长大的，因此想借此机会向发展中国家的青年强调实验工作的重要性。中国有一句古话，‘劳心者治人，劳力者治于人’，这种落后的思想，对发展中国家的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多发展中国家的学生都倾向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特别，物理学是从实验中产生的。” 根据《高等学校工程专科物理实验课程教学基本要求》的现定，物理实验是学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修的实验基础课，是学生进人大学后，受到系统的实验方法和实验技能训练的开端，是学生学习后继课程的实验和进行工程实验的基础。物理实验课的任务是： 1、通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习并掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能，并加深对物理学原理的理解。物理学提供最多、最基本的科学研究手段 2 2、使学生学会常用物理仪器的调整及正确的使用方法。 3、使学生初步具备处理数据、分析结果、撰写实验报告的能力。 4、培养学生科学的思维方式、一丝不苟的严谨态度、实事求是的工作作风和团结协作的精神。§1.2物理实验课的基本程序一、实验前的预习为了在现定的时间内保质保量地完成实验内容，学生在实验前必须做好预习工作。实验教材是实验的指导书，它对每一个实验的目的、要求。实验原理都作了明确的阐述，因此，在上实验课前必须认真地阅读。在做设计性实验时，根据实验的要求，还需查阅有关参考资料实验中涉及的仪器，不少是从未见过的，在预习时就需认真阅读教材中的仪器介绍，弄清仪器的原理、构造、操作规程和注意事项等。特别是注意事项，不仅要仔细看，还要牢记，否则会造成仪器损坏，甚至人身事故。对仪器的构造，应尽可能地去理解。去想象，必要时还需去实验室观察实物。在预习的基础上，写好预习报告，其内容包括实验名称、实验目的、实验原理和数据记录表格此外，根据实验内容，准备好实验中所需的绘图工具、计算器等。二、实验操作实验时应严格遵守实验室的规章制度。在实验正式进行前，首先结合仪器实物，对照实验教材或仪器说明书，认识和熟悉仪器的结构和用法；其次要全面地想一想实验的操作程序，怎样做更为合理，不要急于动手。因为对于操作程序中某些关键步骤而言，哪怕是作微小改变，都有可能使实验前功尽弃。仪器的安装和调整是决定实验成败的关键一环。使用仪器进行测量时，必需满足仪器的正常工作条件（如螺旋测微器的调零、天平调水平和平衡、光路调共轴等〕。不重视仪器的调整而急于进行测量，是初学者易犯的毛病，应予纠正。实验测量应遵循“先定性、后定量”的原则。即先定性地观察实验全过程，确认整个实验装置工作是否正常，对所测内容做到心中有数。在可能的情况下，对数据的数量级和走向作出估计之后，再定量地读取和记录测量数据。测量时，观测者应集中精力。细物理学提供最多、最基本的科学研究手段 3 心操作、仔细观察，并积极发挥主观能动性，以获得所用仪器可能达到的最佳结果。原始数据是宝贵的第一手资料，是以后计算和分析问题的依据，应按有效数字的规则正确记录。实验记录的内容应包括：日期、时间、地点、合作者、仪器的编号、名称和规格、原始数据及有关现象。实验数据是否合理，学生应首先自查，然后交给指导教师审查。对不合理的和错误的实验结果，应分析原因，及时补测或重做。离开实验室前，应自觉整理好仪器，并做好清洁工作。三、实验报告的书写书写实验报告的目的是为了培养学生以书面形式总结工作和报告科学成果的能力。实验报告要求文字通顺。字迹端正。数据完整、图表规范、结果正确。一份完整的实验报告应包括实验名称。实验目的、实验原理、实验步骤、原始数据。数据处理和讨论等内容。 1．实验目的不同的实验有不同的训练目的，通常如讲义所述。但在具体实验过程中，有些内容未曾进行，或改变了实验内容。因此，不能完全照书本上抄，应按课堂要求并结合自己的体会来写。 2．实验原理实验原理是科学实验的基本依据。实验设计是否合理，实验所依据的测量公式是否严密可靠，实验采用什么规格的仪器，要求精度如何？应在原理中交代清楚。 1．必须有简明扼要的语言文字叙述。通常教材可能过于详细，目的是便于学生阅读和理解。书写报告时不能完全照书本上抄，应该用自己的语言进行归纳阐述。文字务必清晰、通顺。 2．所用的公式及其来源交代。 3．为阐述原理而必要的原理图或实验装置示意图。如图不止一张，应依次编号，安插在相应的文字附近。物理学提供最多、最基本的科学研究手段 4 3．实验仪器设备在科学实验中，仪器设备是根据实验原理的要求来配置的，书写时应记录：仪器的名称、型号、规格和数量(根据实验时实际情况如实记录，没有用到的不写，更不能照抄教材)；在科学实验中往往还要记录仪器的生产厂家、出厂日期和出厂编号，以便在核查实验结果时提供可靠依据；电磁学实验中普通连接导线不必记录，或写上导线若干即可。但特殊的连接电缆必须注明。 4．实验内容及原始数据概括性地写出实验的主要内容或步骤，特别是关键性的步骤和注意事项。根据测量所得如实记录原始数据，多次测量或数据较多时一定要对数据进行列表，特别注意有效数字的正确，指出各物理量的单位，必要时要注明实验或测量条件。例如：实验固体密度的测量实验内容及原始数据：（1）用游标卡尺测量铜环内、外径，用螺旋测微计测量厚度。螺旋测微计零位读数 0.003 (mm) n 1 2 3 4 5 6 7 外径 D(mm) 29.96 29.94 29.98 29.94 29.96 29.92 29.96 内径 d(mm) 10.02 10.04 10.00 10.02 10.06 10.04 10.08 测量读数(mm) 9.647 9.649 9.648 9.644 9.646 9.646 9.645 厚 h 测量值 (mm) 9.644 9.646 9.645 9.641 9.643 9.643 9.642 （2）用矿山天平测量铜环质量= W 53.97 g 指针折回点读数 S1 S2 S3 S4 S5 零点 α 17.9 6.5 17.5 7.0 17.2物理学提供最多、最基本的科学研究手段 5 停点 β 15.0 6.0 14.8 6.1 14.4 停点 γ 12.1 5.8 11.9 6.1 11.6 5．数据处理及结论（1）对于需要进行数值计算而得出实验结果的，测量所得的原始数据必须如实代入计算公式，不能在公式后立即写出结果；（2）对结果需进行不确定度分析(个别不确定度估算较为困难的实验除外)；（3）写出实验结果的表达式(测量值、不确定度、单位及置信度，置信度为 0.95 时可不必说明)，实验结果的有效数字必须正确；（4）若所测量的物理量有标准值或标称值，则应与实验结果比较，求相对误差。（5）需要作图时，需附在报告中。 6．结果的分析讨论一篇好的实验报告，除了有准确的测量记录和正确的数据处理、结论外，还应该对结果作出合理的分析讨论，从中找到被研究事物的运动规律，并且判断自己的实验或研究工作是否可信或有所发现。（1）首先应对实验结果作出合理判断。如果仪器运行正常，步骤正确、操作无误，那就应该相信自己的测量结果是正确或基本正确的。对某物理量经过多次测量所得结果差异不大时，也可判断自己的测量结果正确。如果被测物理量有标准值(理论值、标称值、公认值或前人已有的测量结果)，应与之比较，求出差异。差异较大时应分析误差的原因：Ø仪器是否正常？是否经过校准？Ø实验原理是否完善？近视程度如何？Ø实验环境是否合乎要求？Ø实验操作是否得当？Ø数据处理方法是否准确无误？（2）分析实验中出现的奇异现象。物理学提供最多、最基本的科学研究手段 6 如果出现偏离较大甚至很大的数据点或数据群，则应认真分析偏离原因，考虑是否将其剔除还是找出新规律。无规则偏离时，主要考虑实验环境的突变、仪器接触不良、操作者失误等。规则偏离时，主要考虑环境条件(温度、湿度、电源等)的变异、样品的差异(纯度、缺陷、几何尺寸不均等)。如果能找出新的数据规律，则应考虑是否应该否定前人的结论。只有这样，才能在科学研究中有所创新。但要切实做到“肯定有据、否定有理”。（3）对思考题作出回答问题可能有好几个，但不一定要面面具到一一作答。宁可选择一两个自己有深刻体会的问题，用自己已掌握的理论知识和实践经验说深透些。§1.3物理实验的种类与方法一、物理实验的种类物理实验的种类是多种多样的，下面介绍几种常见的实验类型。 1．探索性实验探索性实验是指人们采用一定的实验手段和方法，去探索未知的自然事物或现象的内在性质或规律。这种实验的特点是人们对研究对象不了解。卢瑟福在原子对 α 粒子散射的实验发现原子核及丁肇中发现Jψ 粒子的实验，都是利用实验方法做出科学发现的典型事例。在基础物理实验中，通过重复前人做过的一些实验，了解和掌握用实验手段去探索未知世界的方法，将是极为有益的。 2．验证性实验当人们对研究对象有了一定的认识，提出假说，为了检验假说正确与否而设计的一种实验。如果实验结果与此抵触，就必须对假说进行修正，甚至否定。如果符合，假说就上升为理论。验证性实验的特点必须有明确的理论依据，它既是实验要验证的对象，又是设计实验方法、选择实验设备和调整要求的依据，对整个实验起理论性的指导作用。例如，1905 年爱因斯坦发展了普朗克的量子理论，提出了光量子假说，成功地解释了光物理学提供最多、最基本的科学研究手段 7 电效应的规律，导出了爱因斯坦光电效应方程。著名实验物理学家密立根以爱因斯坦光电效应方程作为设计实验方法的理论依据，精确地测定出遏止电位和光波频率的直线关系，并求出普朗克常数，从而全面地验证了爱因斯坦的光量子理论。 3．析因实验由已知的结果去寻求其产生的原因而进行的实验即为析因实验。物质及物质的变化过程往往是很复杂的，由多种因素决定。但是，其中必有一些因素起主导作用。对于这些主要因素的探索，除了进行理论上的分析外，就是要进行实验上的研究。而且理论上的分析正确与否也需要由实验加以检验。在进行析因实验时，通常都是固定其他可能影响的因素，而改变其中的一个因素，依次进行实验，然后进行分析对比。 4．判决实验为验证假说、理论或设想是否成立而设计的某种关键性实验，最后予以判决，叫做判决实验。例如，1912 年弗里德里希和克尼平根据劳厄所做的预言，从实验上证明了伦琴射线(X 光)通过晶体空间点阵时所引起的干涉现象。这种实验对于伦琴射线的波动性和晶体的周期性排列提供了决定性的论证。判决性实验的结果一般为肯定与否定两类。肯定的实验为假说、理论或技术提供了肯定的科学依据，使之变成科学理论或成为正确的设计方案。否定实验为其提供否定的科学依据，从而推翻原来的假说、理论或设想，以便总结经验教训，提出新的假说，新的理论或新的设想。如迈克尔逊的光干涉实验否定了以太的存在。 5．定性实验定性实验的目的和任务只是判定事物的性质及外部联系，判定某种物质的成分、结构等因素是否存在以及它的作用。一般说来定性实验的结论是“