中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量方法

摘要：總結(jié)了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用的比較法、放大法、減縮法、精細(xì)法、積累法、主次法、計(jì)數(shù)法、轉(zhuǎn)化法、替代法、平衡法、共軛法等十一種物理量測(cè)量方法。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；測(cè)量；物理量；方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)11(S)-0058-3

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，采用什么方法測(cè)量物理量既精確而方便，是物理實(shí)驗(yàn)中的重要課題。下面就中學(xué)物理中常用的一些測(cè)量方法加以歸納和總結(jié)。

1 比較法

比較法測(cè)量是測(cè)量中的基本的方法。在物理量的測(cè)量中，采用與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然后得出被測(cè)量物理量的值。

用天平測(cè)物體的質(zhì)量，是將待測(cè)物體與已知標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的物體（砝碼）進(jìn)行比較，可將標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的物體設(shè)計(jì)成不同規(guī)格（砝碼），根據(jù)實(shí)際需要選用砝碼或游標(biāo)，直到比較成功（天平水平平衡）。水銀氣壓計(jì)測(cè)量氣體壓強(qiáng)，也是用的比較法，在水銀氣壓計(jì)中有一段水銀將被測(cè)氣體與真空隔開，測(cè)量時(shí)實(shí)際是將被測(cè)氣體與一段水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)進(jìn)行比較，U形管中水銀高度差所產(chǎn)生的壓強(qiáng)與被測(cè)氣體的壓強(qiáng)相等。用比較法還可以測(cè)量燈泡的發(fā)光強(qiáng)度，在光具座兩端放置已知強(qiáng)度光源與待測(cè)光源，移動(dòng)中間接收光屏進(jìn)行比較，當(dāng)光屏兩側(cè)亮度相同時(shí)，兩側(cè)照在光屏上的光強(qiáng)度相同。

2 放大法

測(cè)量微小物理量時(shí)，用常規(guī)的測(cè)量工具，所引起的誤差較大，所以要設(shè)法將該物理量放大后進(jìn)行測(cè)量。

庫侖扭秤和卡文迪許扭秤，都用到了光杠桿放大原理，細(xì)光束照射到固定在水平秤桿上的平面鏡上時(shí)，反射光反射到一定距離的標(biāo)尺上，水平秤桿轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度，通過測(cè)量反射光斑移動(dòng)的距離，可測(cè)出細(xì)金屬絲轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù)金屬絲的扭轉(zhuǎn)力矩間接測(cè)量出庫侖力或萬有引力。由于用紐秤測(cè)量的力是較小的力，所以直接測(cè)量力或測(cè)量細(xì)金屬絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度這個(gè)微小量，所引起的誤差非常大，甚至不能測(cè)量。光杠桿原理是顯示微小量的常用方法。用傳感器采集到一個(gè)微弱信號(hào)，通過放大電路放大成一個(gè)可以顯示的物理量（電流或電壓），常用于微弱電信號(hào)的測(cè)量。

3 減縮法

有些物理量，數(shù)值較大，超過了測(cè)量工具的量程，不能或不便于直接測(cè)量，這時(shí)可將這個(gè)物理量進(jìn)行減縮，然后再進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量高壓輸電線上電流或電壓時(shí)，由于電流或電壓較大，電力工人用電流互感器或電壓互感器，將電流或電壓按一定的比例減小到一個(gè)較小的值來測(cè)量。測(cè)量旗桿的高度，可在地面直立一根已知長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)桿，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)桿和旗桿影子的長(zhǎng)度，再用幾何學(xué)中的比例關(guān)系，求出旗桿的高度。

4 精細(xì)法

通過改進(jìn)測(cè)量工具，或改變測(cè)量工具的量程，就可以提高測(cè)量的精度了。

如測(cè)量液體的體積，可用截面積較小的量筒，以提高測(cè)量精確程度。多用電表測(cè)電阻，選擇適當(dāng)倍率檔位，如果指針偏角較大，則改選較小倍率檔位，反之，則改選較大倍率檔位。用指針式電流表或電壓表測(cè)量時(shí)，也應(yīng)選擇合適的量程，原則上指針?biāo)附嵌纫^滿量程的三分之一以上。

5 積累法

同種規(guī)格的器材，要測(cè)量其中的一個(gè)物理量，可將它們組合起來測(cè)量物理量的總和，再計(jì)算出要測(cè)量的物理量。

如測(cè)量同規(guī)格的小零件的質(zhì)量，可數(shù)出100個(gè)或更多個(gè)同種零件，測(cè)出它們的總質(zhì)量，再除以總的數(shù)目，就可以得到單個(gè)零件的質(zhì)量。測(cè)量單擺周期時(shí)，可測(cè)量30或50次全振動(dòng)的時(shí)間，用總時(shí)間除以全振動(dòng)的次數(shù)，可得一次全振動(dòng)的時(shí)間。測(cè)量細(xì)金屬絲的直徑，可將細(xì)金屬絲密繞在一個(gè)柱體上，測(cè)量多匝細(xì)金屬絲的長(zhǎng)度，再除以匝數(shù)，可得細(xì)金屬絲的直徑。用干涉法測(cè)量光波的波長(zhǎng)，可測(cè)量數(shù)條明條紋中心線間的距離，計(jì)算出相鄰明條紋之間的距離。

這種方法實(shí)際上是將一次測(cè)量誤差分?jǐn)偟饺舾纱沃?。?/p>

6 主次法

一些物理量要求有較高的測(cè)量精度，而測(cè)量的范圍又比較大，僅僅用一個(gè)量程的測(cè)量工具時(shí)，所帶來的誤差不能符合測(cè)量的要求。所以可將測(cè)量工具設(shè)計(jì)成主尺和輔尺進(jìn)行。

游標(biāo)卡尺，主刻度上讀出整毫米數(shù)，在可動(dòng)刻度上讀出毫米數(shù)的十分位或百分位。螺旋測(cè)微器，有主刻度與可動(dòng)刻度，主刻度上讀出整毫米數(shù)，在可動(dòng)刻度上讀出毫米數(shù)的百分位，估讀千分位。天平有砝碼和游碼，測(cè)量時(shí)，先讀出砝碼的總質(zhì)量，再讀出游標(biāo)上的讀數(shù)。秒表有分鐘盤和秒鐘盤，秒針轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)時(shí)積累到一定量（30秒或60秒）時(shí)，再在分鐘盤上顯示。以上測(cè)量結(jié)果均為主尺和輔尺上的讀數(shù)之和。

主次法的思路主要是將物理量的測(cè)量分為兩個(gè)部分，即較大量與零頭量，在同一測(cè)量工具中同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

7 計(jì)數(shù)法

中學(xué)物理中經(jīng)常要測(cè)量一些數(shù)目，需要計(jì)數(shù)，于是一些計(jì)數(shù)裝置應(yīng)運(yùn)而生。

蓋革計(jì)數(shù)管用來測(cè)量放射線或高能粒子的數(shù)目，是原子核物理研究的重要儀器，在考古學(xué)中也有廣泛應(yīng)用，用計(jì)數(shù)法測(cè)出樣品在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)出放射線的量而確定樣品的年代。在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，是通過轉(zhuǎn)動(dòng)帶熒光屏的放大鏡來觀察散射到不同角度上的α粒子數(shù)目而確定原子內(nèi)部是空曠的結(jié)論。用光電門計(jì)數(shù)器可自動(dòng)記錄通過光電門的物體數(shù)目和物體通過光電門的時(shí)間。用油膜法測(cè)分子直徑時(shí)，在幾何方格紙上畫出油膜的輪廓，計(jì)算面積大小的方法也是采用計(jì)數(shù)法，大于半格的以一格計(jì)，小于半格的不計(jì)，數(shù)出小方格的數(shù)目即可求出油膜的面積。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種測(cè)量時(shí)間的儀器，測(cè)量的時(shí)間是通過紙帶上打出的點(diǎn)數(shù)來計(jì)算，所以對(duì)所打的點(diǎn)要進(jìn)行計(jì)數(shù)。

8 轉(zhuǎn)化法

有一些物理量不能或不便于直接測(cè)量，需要通過測(cè)量其它的物理量，再換算成要測(cè)量的物理量。

測(cè)量力可用力傳感器，測(cè)量溫度可用熱敏電阻，測(cè)量加速度可用滑動(dòng)變阻器，測(cè)量光強(qiáng)可用光敏電阻，測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度可用霍爾元件……都是把各種物理量轉(zhuǎn)化為電流或電壓來測(cè)量。

可通過測(cè)量彈性物體的形變量轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度來測(cè)量力?？衫靡后w的熱脹冷縮轉(zhuǎn)換為液體（固體）的長(zhǎng)度來測(cè)量溫度。測(cè)量液體的深度，可用電容傳感器，顯示的是電容。

測(cè)量天體的質(zhì)量，可測(cè)量天體的行星或衛(wèi)星的周期與軌道半徑，求得天體的質(zhì)量。測(cè)量玻璃磚的折射率，可用尺規(guī)法將角度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度的測(cè)量。測(cè)量光電效應(yīng)中光電子的最大初動(dòng)能時(shí)，可將其轉(zhuǎn)化為測(cè)量遏止電壓。測(cè)液體密度用密度計(jì)將液體的密度轉(zhuǎn)化為密度計(jì)的長(zhǎng)度。測(cè)量車輛的速度，可通過傳動(dòng)裝置顯示在速度計(jì)的刻度盤上，也可用激光散斑法來進(jìn)行測(cè)量。

9 替代法

一個(gè)物理量不易測(cè)量，或測(cè)量時(shí)存在系統(tǒng)誤差，利用替代法可測(cè)量出該物理量或消除系統(tǒng)誤差。

曹沖秤象是利用若干小的石頭替代一頭大象，成功地測(cè)量了大象的質(zhì)量。在電阻測(cè)量中可用標(biāo)準(zhǔn)電阻（箱）替代待測(cè)電阻，如圖1所示，R為待測(cè)電阻，R′為電阻箱。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將單刀雙擲開關(guān)拔向上，記下電流表的讀數(shù)，然后再將單刀雙擲開關(guān)拔向下，調(diào)節(jié)電阻箱，使電流表示數(shù)與記下的讀數(shù)相同，待測(cè)電阻的阻值等于電阻箱的阻值。

利用替代法要注意使測(cè)量對(duì)象與標(biāo)稱對(duì)象在實(shí)驗(yàn)中處于同等的位置。

10 平衡法

在一些物理情景中，處于某種平衡狀態(tài)時(shí)，就有兩個(gè)物理量相等或成一定比例，實(shí)驗(yàn)中先調(diào)節(jié)到這種平衡，再測(cè)量出這個(gè)相等的量。

天平是一個(gè)等臂杠桿，當(dāng)左右兩個(gè)托盤上所放物體質(zhì)量相等時(shí)，天平就會(huì)處于水平平衡，兩個(gè)托盤上物體的質(zhì)量相等，于是我們?cè)谄渲杏彝斜P上放上砝碼，左盤上物體的質(zhì)量等于右盤上砝碼的質(zhì)量。測(cè)量物質(zhì)的比熱容時(shí)，將待測(cè)物與一已知比熱容的物體充分接觸，達(dá)到熱平衡時(shí)，高溫物體放出的熱量與低溫物體吸收的熱量相等，只要測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體溫度的升降、兩個(gè)物體的質(zhì)量就可以用熱平衡定律求出待測(cè)物體的比熱容。利用惠斯通電橋法測(cè)量電阻，電路如圖2所示，R1、R2、R3為可讀電阻，R3可以調(diào)節(jié)，當(dāng)R3調(diào)到某一值時(shí)，靈敏電流計(jì)的示數(shù)為零，電橋處于平衡，待測(cè)電阻可表示為Rx=R2R3R1。

11 共軛法

共軛法測(cè)量是基于某物理過程中，被測(cè)的物理量與標(biāo)準(zhǔn)的物理量之間達(dá)到兩個(gè)等價(jià)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的不平衡的關(guān)系，從這種關(guān)系中求出要求的待測(cè)物理量。

不等臂天平測(cè)量物體的質(zhì)量時(shí)，先讓物體放在左盤，砝碼放在右盤測(cè)得的質(zhì)量為m1，再讓物體放在右盤，砝碼放在左盤測(cè)得的質(zhì)量為m2，根據(jù)質(zhì)量與臂長(zhǎng)成反比的關(guān)系可求得被測(cè)量物體的質(zhì)量為m=m1m2。測(cè)量電源內(nèi)電阻時(shí)，調(diào)節(jié)外電阻，使它們的阻值為R1、R2時(shí)，電源輸出的電功率相等，則被測(cè)量的電源的內(nèi)電阻為r=R1R2。共軛法測(cè)量凸透鏡焦距，在光具座上固定物與屏，讓物與屏之間的距離大于4f，凸透鏡位于物、屏之間，移動(dòng)凸透鏡使物在屏上成兩次清晰的像，分別測(cè)出物、屏之間的距離D，凸透鏡移動(dòng)的距離d，代入公式f=D2-d24D即可求得凸透鏡焦距。

對(duì)物理量測(cè)量方法的研究，可以審視我們?cè)谥袑W(xué)階段所做過的實(shí)驗(yàn)，從中受到啟發(fā)。希望這些總結(jié)與歸納能對(duì)我們中學(xué)階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)原理、改善實(shí)驗(yàn)方法、提高實(shí)驗(yàn)效率、減小實(shí)驗(yàn)誤差等提供參考。

(欄目編輯王柏廬)