第二章物理实验研究的基本思想及方法第二节物理实验研究与设计思想方法二作业.doc

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1、第二章 物理实验研究的基本思想和方法第二节 物理实验研究与设计思想方法（二）作业简答论述1.物理实验研究的基本思想和实验的观点是什么？答：物理学家们在进行物理学研究时，通常采用下列方法：首先，通过观察与实验认识研究对象的主要特征；接着，凭借理性思维提出假说，设法建立理想模型，运用数学语言对假说进行定量描述；最后，用实验对定量描述的内容加以检验和修正，使假说成为科学结论从而完成建立物理理论的第一个“循环”。随着研究的深入，可能会出现一些理论解释不了的新问题，需要采用更先进的观察实验手段、数学手段或其他手段进入下一个层次的循环，以达到认识的深入和理论的更趋合理和完善。可见，物理学是以实验为基础的科

2、学，即实验的观点。物理科学研究中的实验，可以是一种探求未知自然的观测活动，也可以是在人为地控制或模拟物理现象，人为创设的、能排除各种干扰、突出主要因素的条件下，利用各种仪器或手段，去观测和研究物理现象的发生和变化规律的活动。物理学和自然科学研究从通过观察与实验认识研究对象的主要特征开始，经过提出假说建立理想模型，到最后用实验检验和修正，建立科学的物理理论。物理学是以实验为基础的科学。在物理学发展中，物理实验方法是物理学家研究物理学的重要方法。2.物理实验在科学研究中的作用和特点是什么？答：物理实验研究与设计的核心是设计和选择实验方案，并在实验中检验方案的正确性与合理性，根据实验精度的要求和提供

3、的主要仪器，选择实验测量和测量方法，确定测量条件等。其次，物理实验研究与设计具有综合性、探索性和密切结合科研应用实际的特点。在解决问题的过程中往往需综合运用力学、热学、电磁学和光学等实验中所学的基本实验原理和实验方法。在物理实验教学过程中所遇到的实验方法，大多是前人创造和总结出来的科学方法，我们学习应用这些方法，一方面是学习它、掌握它、运用它，但更主要的是积累前人正确的创新思维方法，从中吸取规律性的认识，并在未来的工作中去创造和开拓。这就是进行物理实验研究与设计的主要目的。例如麦克尔逊实验古老的物理思想仍然应用于现代科技前沿。3.物理实验的主要测量方法有哪些？答：常用的测量方法有： 比较法 直

4、接比较法 间接比较法 比较系统法 补偿法 放大法 机械放大法 累计放大法 电学放大法 光学放大法 转换法 参量换测法 能量换测法 平衡法 对称测量法 双向对称测量法 平衡位置互易法 模拟法 物理模拟 数学模拟 计算机模拟 静态与动态研究法 静态测量法 动态测量法 振动与波动方法 振动法 李萨如图法 共振法 驻波法 相位比较法 （10）光学实验方法 干涉法 衍射法 光谱法 光测法 （11）非电量的电测法 温度-电压转换 压强-电压转换 磁感应强度-电压转换 光-电转换 （12）实时控制测量法 （13）流体静力称衡法4.物理实验的基本操作技能与实验原则包括哪些？答：在实验过程中为了准确、迅速地完成

5、实验操作，必须具备丰富的实验技能，实验技能的内涵是多方面的，需要通过具体的实验训练逐步积累、体会和摸索。以下介绍一些最基本的具有一定普遍意义的调整原则和操作技能，以和电学实验、光学实验的基本操作规程。 1.回归仪器的初态与安全位置所谓“初态”，是指仪器设备在进入正式调整、实验前的状态。正确的初态可保证仪器、设备安全，保证实验工作顺利进行。2.零位调整“零点校正或结果修正”在实验中测量仪器或量具的零位不一定都在零点，不要总以为它们在出厂时候都已校正好了，但实际情况并非如此。由于环境的变化或经常使用而引起磨损等原因，它们的零位往往已经发生了变化，仪器的零点常有误差。因此在实验前总需要检查和校准仪器

6、的零位，否则将人为地引入误差。零位校准的方法一般有两种： 测量仪器与零位校正器的，测量前应先调节零点。如电流表、电压表等，则应调整校正器，使仪器测量前指针处于零位； 另一种是仪器不能进行零位校正或调整较困难的，如端面磨损的米尺、螺旋测微计、游标卡尺等，则在测量前应记下初读数，即“零位读数”，以便在测量结果中加以修正。3.水平、铅直调整“借助水准器或重锤”通常情况下，多数仪器都要求在“水平”或“铅直”条件下工作。例如，天平的正确工作状态应首先调它的底座螺钉至天平水平，又如福廷式气压计应在铅直状态下读数才正确，只有满足上述条件，其测量结果才在误差范围内。4.消除视差调节法“物象与标线同平面、真像重

7、合”在实验中测量时需要用眼睛判断空间前后分离的两条准线是否重合，则会出现视差。当被测物（或物像、刻度）与判断标线不在同一平面内，而目光上、下、左、右移动时，被测物与判断标线的相对位移造成的读数上的差异称为视差。视差判断方法：在调整仪器或读取示值时，观察者眼睛稍稍移动，观察标线与标尺刻线是否有相对移动，若有，说明视差存在，要进一步调整仪器（如望远镜-显示镜等）；或找到正确的读数方位（如指针式仪表）。5.光路的共轴调整“先目测粗调，后二次成像法细调”在由两个或两个以上光学元件组成的实验系统中，为获得更好的像质，满足近轴光线条件等，必须进行等高共轴调节：使所有光学元件的主光轴相互重合，且其物面、像屏

8、面垂直于光轴。共轴调整一般分为两步：第一步进行粗调目测调整。将各光学元件和光源的中心大致调成等高各元件所在平面基本上相互平行，并与移动方向铅直。若各元件沿水平轨道滑动，可先将它们靠拢，再调等高共轴，可减少视觉判断的误差。第二步进行细调根据光学规律进行调整。常用的方法有自准法和二次成像法，利用光学系统本身或借助其他光学仪器，根据光学的基本规律来调整。例如，在光具座上进行薄透镜实验，根据透镜的成像规律，由二次成像法调整、移动光学元件，使两次所成的像没有上、下和左、右移动。6.避免空程误差“同向前进、切勿忽正忽反”在实验使用的仪器中，有些仪器是由丝杠、螺母等机械系统构成的传动与读数机构，由于螺母与丝

9、杠之间有机械螺纹间隙，往往在测量刚开始或刚反向转动丝杠时，丝杠必须转过一定角度（可能达几十度）才能与螺母啮合，结果与丝杠联结在一起的鼓轮已有读数改变，而由螺母带动的机构尚未产生位移，从而造成虚假读数此即“空程误差”。7.调焦“调物镜到叉丝间距或物镜到物间距”在使用望远镜、显微镜和测微目镜等光学仪器时，为了清楚地看清目的物，均需进行调节。对前者要调物镜到叉丝间的距离、对后两者要调物镜到物间的距离，这种调节称为调焦，调焦是否已完成，常以能否看清目的物上的局部细小特征或遵循一定的光学规律（如自准成像）为标准。8.回路接线法在实验中一张电路图可分解为若干个闭合回路。接线时，循回路由始点（如某高电位点）

10、依次首尾相连，最后仍回到始点，此接线方法称回路接线法。按照此法接线和查线，可确保电路连接正确无误。9.调节原则“先粗后细、逐次逼近”在仪器调节过程中，有时不是一次就能精确达到调整要求，必须先做粗调，再按一定要求做精细调整。有时还要反复调节、逐次逼近。10.测量原则“先定性、后定量”在定量测量之前，先定性地观察一下实验的全过程，以求对该物理量的变化规律从总体上有一个概括的了解，先做一次操作练习、观察和粗测，了解测量全过程并检查仪器是否正常，实验数据变化规律是否符合要求，发现问题和时解决。11.电学实验操作原则注意安全用电，注意人身安全和仪器的安全 接、拆线路时，须在断电状态下进行； 操作时，人体

11、不能接触仪器的高压带点部位，特别注意人身安全； 高压部位的接线柱或导线，一般要用红色标记，以示危险。合理布局、正确接线，谨记整理复原仪器 实验前首先认真分析实验的电路图可分解为几个闭合回路，一个回路一个回路地接线。接线时，一般从电源的正极开始，按从高电势到低电势的顺序接线。即按回路接线法，循回路由始点依次首尾相连，最后仍回到始点。如果有支路，则应把第一个回路完全接好后，再接另一个回路，切忌乱接。另外要充分利用等位点，不要在一个接线柱上集中过多的接线头。 仪器布局要合理：方便操作、易于观察、可靠安全。要将需要经常控制、调节和读数的仪器置于操作者面前，开关一定要放在最易操纵的地方； 通电前各器件要

12、处于正确使用状态：限流器阻值置于最大、电阻箱阻值不为零、电表量程选择合理、电源或分压器输出置于最小，等等。检查接线、规范操作 接好线路后，要认真检查、要熟悉各旋钮、按键的功能，按规范操作。确保无误后，方能接通电源进行实验。 通电时要先用“瞬间通电”的方法观察有无异常现象。接通电路的顺序为：先接通电源，再接通测试仪器（示波器等）；断电时顺序相反。其目的是以防电源通或断时因含有感性元件产生瞬间高压损坏仪器。实验完毕要整理仪器 做完实验后要切断电源，再拆除线路，整理复原仪器，置于保护状态（如电源输出置于零位，如灵敏检流计开关至短路挡）。如果有多个电源要先拆除易损电源（如标准电源），拆线时要先把电源上

13、的线拆下，以免短路。 要把仪器归位放好，并把导线捆扎整齐，元器件按要求放置。12.光学实验操作原则光学仪器是精密仪器、贵重、易损，有些仪器结构复杂、调试要求严格，因此，在实验前应当充分预习，了解实验的基本原理，熟悉仪器的基本构造和调节方法；在实验中正确操作仪器，仔细观察分析仪器调整过程中出现的各种现象，掌握调整规律，正确记录和处理数据；在实验后认真总结，不断提高实验技能。为了防止光学仪器出现故障或损坏，在使用和维护光学仪器时必须遵守下列规则：1. 注意爱护光学器件、正确操作，提高实验修养 光学器件价高、易损，要注意防磨、防尘、放污染 光学仪器机械部分操作要轻缓、用力均匀平稳 注意用眼安全光学实

14、验一方面要了解光学仪器的特性，以保证正确、安全使用仪器；另一方面光学实验中用眼的机会很多，因此要注意对眼睛的保护，不要使其过度疲劳。要了解各种光源的性能、正确使用。高亮度的光源不要直视，特别是激光，不要用眼睛正视，以免灼伤眼球。 暗室操作 在暗房中工作应先按固定位置摆放并熟记各仪器、元件、药瓶的位置，以防用错，造成失误。操纵移动仪器、元件时，手应由外向里紧贴桌面，轻缓挪动，避免碰翻或带落其它器件，要注意用电安全。5.物理实验方法在科学研究中的作用。答：高等教育要以培养学生的创新能力为核心。在物理实验教学中如何培养学生的科学实验素质和创新意识，如何把创新教育贯穿在物理实验教学中，如何在物理实验教

15、学中培养与提高学生的研究能力和创新能力是物理实验教学改革的灵魂主线。对此我们进行了长期的探索和实践，综合提高物理实验或研究创新性物理实验涉和的物理理论知识范围较宽，仪器调节更加精细，有着代表性实验技术和试验方法，更有助于较全面地培养学生的学习能力，实验动手能力和创新能力。在物理实验研究与设计的过程中学生首先要研究试验的物理思想、物理模型和实验方法，进而需要独立进行试验方案的设计、实验仪器的选配、实验结果的分析和对实验问题的进一步研究。通过对物理实验的研究与设计，对学生进行的介于教学实验与实际科学实验之间的、具有对科学实验全过程进行初步训练特点的教学实验，它的目的在于为学生营造一个自主学习、自行

16、设计和自由发挥的研究性训练氛围，尽可能地开发学生的潜能，强化培养学生的创新意识和提高学生的研究实践能力。物理实验研究与设计是介于基础的教学实验与科学实验之间的一种模拟性的研究小课题实验。课题中涉和的问题与大学物理实验所学的原理和方法是相关的，因而可以给学生提供一种尝试，使其能综合运用所学到的实验测量的原理和方法，分析和解决具有一定难度和综合性的实际问题，从不同的层次上培养学生的独立科学实验和创新能力。科学研究工作关键在于“实践”，科学研究的训练主要是自我训练，而科研工作的主要工具是头脑和必要的实践条件。只有在创造性的实践中不断地积累和总结经验，才能不断地武装自己的头脑，使自己的知识和实践能力不

17、、不断增强。6.论述伽利略开创性研究所体现的思想和方法的核心内容和对自然科学发展的意义。答： 古希腊在物理学说方面有两大学派，一派以哲学家亚里士多德为代表，另一派则以自然科学家阿基米德为代表。两人皆是古代希腊著名的学者，但由于两人的观点和方法不同，其科学结论也就各异，并形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点基本是唯心的，他是凭主观思考和纯推理方法作结论的，所以是充斥着谬误。而阿基米德学派的观点基本是唯物的，他完全依靠科学实践方法得出结论。然而从11世纪起，在基督教会的扶持下，亚里士多德的著作得到了经院哲学家的重视，所以他们排斥阿基米德的物理学，把亚里士多德的物理学奉为经典，凡违反亚里士多德物理

18、学的学者均被视为“异端邪说”。但伽利略却对亚里士多德的物理学抱怀疑态度，相反他特别重视阿基米德对物理学的研究，他重视理论联系实际，注意观察各种自然现象，思考各种问题。在伽俐略十八岁那年，一次到比萨教堂去做礼拜，他注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹得一左一右有规律地摆动，他按自己脉搏的跳动来计时，发现它们往复运动的时间总是相等的。就这样他发现了摆的等时性，后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟，人们称之为伽利略钟。伽利略根据阿基米德的学说，作了迅速确定合金成分的流体静力天平的研究，发明了可以测定物质 伽利略在比萨斜塔演示自由落体实验密度的小天平，写出了名为小天平的论文。后来他又潜心研究了

19、物体重心的几何学，于1588年发表了固体的重心的论文，引起学术界的注意。第二年，在友人的推荐下，被比萨大学聘任为数学教授。亚里士多德认为两个物体以同一高度落下，重的比轻的先着地，但伽利略经过反复的研究与实验后，改写了这一结论：物体下落的快慢与重量无关。传说1590年，伽利略在比萨斜塔公开做了落体实验，验证了亚里士多德的说法是错误的，使统治人们思想长达2000多年的亚里士多德的学说第一次发生动摇。而应邀前来观看的一些著名学者却否认自己亲眼见到的一切，他们群起攻击伽利略。后来此传说被证明是不存在的。不过因为其进步思想有违神学之论，1591年，伽利略被比萨解聘。从科学史上看，伽利略并不是落体实验的首

20、创者，其首创者是比利时的斯台文。但伽利略的比萨斜塔实验所造成的影响却是更为深远的。为此，伽利略提出惯性运动概念一个不受外力作用的物体将保持它的匀速运动状态。可见，力不是产生速度的原因，而是产生加速度的原因。 从伽利略开创性的研究，我们不难总结出以下几点： 第一，伽利略不满足于定性的思维过程，他用实验来验证理论，而且把实验与数学结合起来，使研究精确定量化。 第二，思辨中，可以有意识地抛开一些次要因素，设想实验在理想的条件下进行，这种理想实验方法的提出，在以后的科学研究中起到了非常重要的作用。 第三，用简单的仪器设备，并开创性地使实验、观察与理性想、思维相结合，发现非常基本、重要的科学概念，使实验结果上升到普遍的理论高度。12 / 12