物理实验的基本方法及数据处理基本方法
摘要：物理学是实验性学科，而物理实验在物理学的研究中占有非常重要的地位。本文着重介绍工科大学物理实验蕴涵的实验方法，提出工科大学物理实验的新类型。并介绍相关的数据处理的方法。
关键词：大学物理实验方法数据处理
正文：
一、大学物理实验方法
实验的目的是为了揭示与探索自然规律。掌握有关的基本实验方法，对提高科学实验能力有重要作用。实验离不开测量，如何根据测量要求，设计实验途径，达到实验目的？是一个必须思考的重要问题。有许多实验方法或测量方法，就是同一量的测量、同一实验也会体现多种方法且各种方法又相互渗透和结合。实验方法如何分类并无硬性规定。下面总结几种常用的基本实验方法。
根据测量方法和测量技术的不同，可以分为比较法、放大法、平衡法、转换法、模拟法、干涉法、示踪法等。
（一）比较法
根据一定的原理，通过与标准对象或标准量进行比较来确定待测对象的特征或待测量数值的实验方法称为比较法。它是最普遍、最基本、最常用的实验方法，又分直接比较法、间接比较法和特征比较法。直接比较法是将被测量与同类物理量的标准量直接进行比较，直接读数直接得到测量数据。例如，用游标卡尺和千分尺测量长度，用钟表测量时间。间接比较法是借助于一些中间量或将被测量进行某种变换，来间接实现比较测量的方法。例如，温度计测温度，电流表测电流，电位差计测电压，示波器上用李萨如图形测量未知信号频率等。特征比较法是通过与标准对象的特征进行比较来确定待测对象的特征的观测过程。例如，光谱实验就是通过光谱的比较来确定被测物体的化学成分及其含量的。
（二）放大法
由于被测量过小，用给定的某种仪器进行测量会造成很大的误差，甚至小到无法被实验者或仪器直接感觉和反应。此时可以先通过某种途径将被测量放大，然后再进行测量。放大被测量所用的原理和方法称为放大法。放大法分累计放大法、机械放大法、电磁放大法和光学放大法等。
1、累计放大法在被测物理量能够简单重叠的条件下，将它展延若干倍再进行测量的方法称为累计放大法。例如，在转动惯量的测量中用秒表测量三线摆的周期。
2、机械放大法利用机械部件之间的几何关系，使标准单位量在测量过程中得到放大的方法称为机械放大法。例如，螺旋测微器和读数显微镜的测量原理。
3、电磁放大法在电磁类实验中，微小的电流或电压常需要用电子仪器将被测信号放大后再测量，这种方法称为电磁放大法。如光电效应法测普朗克常数实验中，就是将十分微弱的光电流通过微电流测量放大器放大后进行测量的；又如示波器将电信号放大，不仅显示直观，还可进行定量测量。
4、光学放大法光学放大法有两种，一种是被测物通过光学仪器形成放大的像，便于观察判断，例如常用的测微目镜、读数显微镜等，这些仪器在观察中只起放大视角作用，并非使实际物体尺度发生变化，所以并不增加误差。另一种是通过测量放大后的物理量，间接测得本身极小的物理量。光杠杆就是一种常见的采用光学放大法的放大系统，它不仅可测长度的微小变化，如拉伸法测金属丝的杨氏弹性模量实验，还可测量角度的微小变化，如直流复射式检流计原理。
（三）平衡法
平衡态是物理学中一个重要概念，因为在平衡态下，许多复杂的物理现象可以比较简单地进行描述，实验会保持原始条件，观察会有较高的分辨率和灵敏度，从而容易实现定性和定量的物理分析。利平衡态测量被测物理量的方法称为平衡法。例如，天平称质量，惠斯登电桥测电阻，机械式电表测电流或电压等。
（四）转换法
许多物理量，由于属性关系无法用仪器直接测量，或者即使能够测量，测量起来很不方便，且准确性差。为此，将这些物理量转换成其它便于准确测量的物理量来进行测量，再反求待测量，这种方法称为转换法。曹冲称象就包含有转换法思想。转换法分为参量转换法、能量转换法、图像转换法和替代转换法。
1．参量转换法利用各种参量之间的相互关系测某一物理量的方法叫参量转换法。参量转化法在间接测量中是比较普遍的。例如通过测应力与应变的关系来测量杨氏模量；通过测光的衍射角、衍射级次并已知光栅常数而测出光波长等。
2．能量转换法通过能量转化装置将一种形式的量转换成另一种形式的量进行测量的方法叫能量转化法。这种方法的有优点是能将不易测量的量转换成易测量的量。较典型的有热电转换、力电转换（或压电转换）、光电转换、磁电转换等。
3．图像转换法对某些抽象的不易直接观察的变化过程或现象转换成可直接观测的图像的方法叫图像转换。例如示波器将信号转换成可直接观测的图像（许多实验中都
有应用）；光波长测量转换成光的干涉、衍射图样的测量（同时也是参量转换）等。
4．替代转换法将一个测量对象去替代另一个同类对象而完成测量的方法叫替代转换。例如用电桥测电阻可采取这样的方法，先把测量臂接上待测电阻，调至平衡，再把标准电阻箱代替待测电阻，调标准电阻再使电桥平衡。那么标准电阻的数值就是待测电阻。
（五）模拟法
模拟法是一种综合研究被测对象物理属性或规律的实验方法，它以相似理论为基础，设计与被测原型有物理或数学相似的模型，然后通过对模型的测量间接测得原型数据或研究原型的性质及规律，使我们对诸如过分庞大、十分危险、或变化缓慢而难以直接进行测量的研究对象能够通过模拟法进行测量研究。模拟法可分为物理模拟法、数学模拟法、计算机模拟法。
1、物理模拟法保持同一物理本质的模拟方法称为物理模拟法。首先，要求模型的几何尺寸与原型的几何尺寸成比例地缩小或放大，即在形状上模型与原型完全相似，称为几何相似条件；其次，要求模型与原型遵从同样的物理规律，只有这样才能用模型代替原型进行物理规律范围内的测试，称为物理相似条件。物理模拟法必须具备这两个相似条件。
2、数学模拟法两个完全不同性质的物理现象或过程，依赖于它们的数学方程形式的相似而进行模拟的方法。例如，用稳恒电流场来模拟静电场、用电学振动系统来模拟力学振动系统等。
（六）干涉法
应用相干波干涉时所遵循的物理规律进行有关物理量测量的方法称为干涉法。利用干涉法可进行物体的长度、薄膜的厚度、微小位移与角度、光波波长、透镜的曲率半径、气体或液体的折射率等物理量的精确测量，并可检验某些光学元件的质量等。
（七）示踪法
示踪法能形象、直观、及时地显示出物理过程。它可以是实物示踪，也可以是模拟示踪。示踪法常配合其它实验方法共同使用。例如，观察红墨水分子的扩散现象、布朗运动的观察、在粒子物理研究中用的云室、气泡室、照相底片等。
（八）强化法
使实验对象处于某种极限状态中进行观测的方法称为强化方法。科学实验可以造成自然界无法直接控制的特殊条件，从而揭示新的自然规律。这些特殊条件包括超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场等。在外加强化条件下，可以获得新的发现。如石墨在高压下变成
金刚石等。
当然，大学物理实验方法还不限于上述几种。
二、数据处理基本方法
如何有实验数据得到正确的实验结果是实验的根本问题。从实验中得到的第一手资料——实验数据，必须经过科学分析和加工，才能揭示出规律性的东西。我们把从获得原始数据起到得出结论位置的加工过程称为数据处理。它包括记录、整理、计算、分析等处理方法。下面介绍几种常见的数据处理方法。
（一）列表法
列表法是记录数据的基本方法。所谓列表法就是把一组测得的实验数据和计算过程中数值与结果依一定顺序和形式列成表格并能清楚地显示物理量之间的一一对应关系或变化趋势。一个设计完美的数据表格有助于发现和检查实验中存在的问题、判断结果的合理性、找出物理量之间的关系，提高数据处理效率。
(二)图示和图解法
1．图示法将实验数据反映出来的物理量之间关系在坐标纸上用几何图线表示出来的方法称为图示法。
图示法优点在于：
a．形象直观地反映物理量之间的关系和变化规律，便于总结经验公式。
b．在一定条件下，可以通过图形延伸推知未测量点的数据，推测测量范围以外的变化趋势。
c．根据曲线的斜率、截距、极值、曲率等几何参量可求得某些待测量。
d．作出的图线对测量数据起到取平均的作用，从而减少随机误差的影响。
2．图解法由实验图线求出各种参数及经验公式的方法称为图解法，物理实验常遇到的曲线大多是直线、抛物线、双曲线、指数曲线、对数曲线等。
建立经验公式的步骤一般为：
a．判断图线类型及经验公式可能特点。
b．作变量代换，利用对数或倒数坐标纸将原曲线改直，计算原公式中的参数。
c．写出经验公式形式并用实验数据检验公式的准确程度。
（三）曲线拟合与最小二乘法
由图解法求经验公式有一定任意性，原因在于①求直线（或曲线改直）的斜率、截距时，
不是取实验点数据而是取直线点来求的；
②图线绘制往往引入附加误差。如果直接用实验数据进行直线或曲线拟合来求经验公式，得到的结果必然精确一些。
1．回归法用数理统计理论对实验数据进行曲线拟合寻求经验公式的方法叫回归法。对于回归分析，首先要确定函数形式。函数形式一般根据理论推断或实验数据变化趋势推测。
2．最小二乘法用各个离差的平方和M=Σ(i=1到n)[yi-(axi+b)]^2最小来保证每个离差的绝对值都很小。解方程组?M/?a=0；?M/?b=0，整理得(Σxi^2)a+(Σxi)b=Σxiyi；
(Σxi)a+nb=Σyi。解出a,b。
（四）逐差法
逐差法是处理实验数据的常用方法之一。所谓逐差法就是将全部实验数据依顺序分成两组，取两组中对应项之差再求平均的方法。
结论：大学物理实验方法多种多样，在实验的过程中应灵活运用，从而达到更好的实验的效果。实验完成后，在数据处理方面也应注意方法。好的数据处理方法有助于分析实验结果。作为一名在校本科生，我们应熟练掌握各种实验方法以及数据处理方法。
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（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）