大学物理实验(第四版)

第1章物理实验方法论 　　1.1物理实验方法的兴起与发展 　　物理学是一门研究物质间相互作用及运动规律的学科，是整个自然科学中*基础、*活跃的学科之一。从本质上讲，物理学是一门以实验为基础的学科，物 理学不能脱离实验而独立发展。因此，实验是物理学科发展的基础，也是物理知识的源泉。 　　1.1.1伽利略实验探索的思想和方法 　　在物理学发展的漫长历程中，前人对自然界做过不计其数的观测。通过这些观测，人们提出了各种理论去解释这些现象，还制造出很多仪器，用于进一步观 测。例如，古巴比伦人发明了梁式天平，古希腊人阿里斯托芬有过利用透镜点火熔化石蜡的记述，欧几里得记载过用凹面镜聚焦太阳光的实验，阿利斯塔克** 次测定了太阳、地球、月亮之间的相对距离，等等。在这些观测的基础上，人们慢慢地提高了对自然界的认识，逐渐发展出了物理学的雏形。 　　早在公元前，阿基米德就做过杠杆、滑轮等实验。除此以外，他还做了浮力实验，建立了浮力定律。他在《论浮体》一书中曾这样叙述：“浸人静止流体中 的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开流体的重量，方向垂直向上并通过所排开流体的形心。”这就是一个从实验总结为理论的定量实验，即迄今仍被 普遍使用的“阿基米德原理”。 　　上述这些实验，无论从系统的观测和记录，还是在人为的条件下重现物理现象来看，都能够称得上是物理实验，但是这些实验毕竟还是零星且不系统的。定 量的实验很少，而定性的实验较多，大多数实验没有提升概括出理论，而只是现象的描述。或者只做了一般的解释而没有形成系统的理论，即使形成了一些理论 ，也没有用其他实验去检验它。因此，这并不能成为物理学真正的开端。直到公元16～17世纪，伽利略等科学家开始运用实验来认识规律，具体地讲，伽利略在 物理学研究方面把实验和逻辑推理（包括数学推演）有机地统一起来，有力地推进了人类科学认识的发展，这标志着物理学的真正开端。这些科学家对物理学的 发展做出了划时代的贡献，伽利略便是其中*杰出的代表之一。 　　伽利略曾经做了两个摆长完全相等的单摆，测量它们的周期，测量结果表明，摆长相等时，两个单摆的周期相等，与其所悬挂的物体重量无关。接着，他又 做了十几个摆长不同的单摆，逐个测量它们的周期。实验表明：摆长越长，周期也越长。在此实验的基础上，伽利略通过严密的逻辑推理，证明了单摆的周期与 摆长的平方根成正比，而与摆的质量和材料无关；也曾做了斜面实验，验证了物体在重力作用下做勻加速运动的性质，总结出物体从静止开始做勻加速运动时， 运动的距离与时间的平方成正比的普遍公式，并且利用几何关系建立了勻加速运动的平均速度与末速度关系的数学表达式。他还根据实验事实，进行演绎推理， 得出了许多物理学的理论结论。他采用了一套对近代科学发展很有效、很具体的程序，即对现象的一般观察一实验观测一提出假设一运用数学和逻辑的手法演绎 、推理得出推论一通过物理实验对推论进行检验一对假设进行修正和推广。伽利略的科学思想方法有以下几个特点。 　　1.运用科学推理和抽象分析 　　亚里士多德在他的著作《论天》中阐述：“两个不同质量的物体做自由落体运动时，较重的物体速率比较大，较轻的物体速率比较小。”伽利略用著名的逻 辑推理反驳了这个论述，他指出：“如果亚里士多德的论断成立，即重物比轻物下落的速率大，那么将一轻一重两个物体拴在一起，下落快的重物会由于被下落 慢的轻物拖着而减速，而下落慢的轻物会由于被下落快的重物拖着而加速，因而两个拴在一起的物体的下落速率将比两个中较重的物体下落速率小。但两个物体 拴在一起又要比原来较重的物体更重，下落速率应更大。”这样亚里士多德的论断陷于自相矛盾的困境。这个流传了千余年的落体运动的谬误终于被伽利略纠正 。 　　亚里士多德的另一论断：“作用于物体上的力一旦终止，物体就随即静止。”伽利略经过独立思考、推理，用抽象方法针对消除摩擦的极限情况来说明惯性 运动，发现了惯性原理，纠正了统治物理界两千年之久的“力是维持速度的原因”的谬误。 　　2.重视观察和实验 　　以哥白尼为代表的日心说和以亚里士多德为代表的地心说争论的焦点是，地心说认为如果地球做高速运动，为什么地面上的人一点也感觉不出来呢?为此伽 利略亲自到船上做了十分细致的观察、实验，揭示了一条极为重要的真理，即从一个做勻速直线运动的船中发生的任何一种现象，是无法判断该船究竟是在运动 还是停着不动。这就是说，地球本身的运动对居住在地球上的人们来说是觉察不出来的。这个结论从根本上否定了地心说对日心说的非难，现在人们称这个论断 为伽利略相对性原理，这个重要原理后来也成为狭义相对论的两个基本原理之一。 　　伽利略还用自身的脉搏跳动作计时器，证明了摆的等时性，计算了摆的周期，并证明了摆的周期与摆的长度的平方根成正比，而与摆锤的重量无关。这个实 验的结论纠正了亚里士多德的“摆幅小需时少”的错误说法。 　　此外，伽利略还研究了勻加速运动，并用实验来验证他推出的公式，即从静止开始的勻加速运动，运动距离和时间的平方成正比，还把这一结果推广到自由 落体运动。 　　3.把实验探索和理论有机地结合起来 　　伽利略所发现的许多*基本的定理都是通过了实验和理论的双重证明并把两者有机地结合起来，从而既克服了实验不精确的缺陷，又摒弃了“万物皆数”的 唯心主义对科学研究的不良影响。值得注意的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的，他所写出的实验数据都同理论有很好的符合，这很可能是因为 他对数据进行了筛选。这表明伽利略并没有被实验的表面现象束缚，能正确地对待和解释实验误差。在他看来，实验结果与理想的简单规范之间的偏差只是某些 次要因素干扰的结果。 　　综上所述，伽利略把科学的实验方法发展到了一个全新的高度。从此，物理学的一个新时代开始了，物理学走上了真正科学的道路。 　　1.1.2物理实验在物理学发展中的作用 　　在物理学发展的历程中，实验和理论互为依赖、相辅相成。下面，我们从它们的相互关系来讨论物理实验在物理学发展中的作用。 　　1.物理学理论是实验事实的总结 　　有许多物理学的理论规律是直接从大量实验事实中总结概括出来的。例如，经典物理学中的开普勒三定律是依据第谷 布拉赫所积累的大量观测资料，采纳 了哥白尼体系，又把哥白尼体系中的圆轨道修改为椭圆轨道而得到的。牛顿是在伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等的工作基础上，经过归纳总结，提出牛顿三大 定律的。 　　不仅经典物理的规律是这样，近代物理的发展中也不乏这种例子。例如，粒子物理中的奇异粒子就是1947年首先在宇宙射线中被观察到的。后来，20世纪 50年代在加速器实验中发现了一批粒子，它们协同产生，非协同衰变，而且是产生快、衰变慢。经研究，需要引进一个新的守恒量来对其进行概括，于是提出了 一个新的量子数一奇异数。普通粒子的奇异数为零，奇异粒子的奇异数不为零。这是完全从实验规律中总结而来的。 　　2.物理学中的争论需要用实验去判定 　　在物理学中，对某一问题的看法常常会产生几种不同意见。而这些意见的对错往往并不直观，*终还要靠实验做出判断。 　　比如，在对光本质认识的历史过程中，微粒说和波动说的争论持续过很长一段时间。*初，由于光的成像和直线传播的事实，人们很自然地支持了微粒说。 可是，光的独立传播，即两束光交叉后，还是各自按原来的方向和强度传播，又给惠更斯的波动说提供了有力的佐证。杨氏双缝干涉实验证明光是一种波，马吕 斯发现的光的偏振也证明光是一种横波。1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文，他认为对 于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上**次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理 论*终得到了学术界的广泛接受。1921年，康普顿在实验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治 汤姆孙在实验中证明了电子束具有波的性质 。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕 。 　　3.实验是修正错误的依据和发展理论的起点 　　实验常常成为纠正错误理论的依据和发展理论的新起点。例如，古希腊的亚里士多德曾经断言：体积相等的两个物体，较重的下落较快。他认为，物体下落 的快慢精确地与它们的重量成正比。这种理论曾经影响了人们1800多年。但以后的无数实验事实以及伽利略的逻辑分析，都无可争辩地否定了亚里士多德的观点 。 　　1911年，昂内斯在观察低温下水银的电导变化时，在4。2K附近发现电阻突然消失的现象，后来又观察到许多金属在低温下都存在超导状态（即电阻率为0 ）。由此产生了一个新的物理学分支领域一超导物理。 　　以上我们强调了实验在物理学发展中的重要作用，但是，并没有丝毫轻视理论的意思。在物理学的发展史上，理论的发展往往有其相对的独立性。在一个相 当长的时期内，理论可以独立于实验而发展，而且这种独立的趋势还可能随着物理学的进一步发展而扩展。然而，归根结底，新理论的提出还是需要一定的实验 事实来支撑，并且绝不能违背已有的实验事实。 　　物理学发展到今天，在理论指导下进行实验就变得更加重要了。因为除了天文现象以外，已经很少有在一般条件下就可以观察到的新的、具有前所未有的理 论价值的实验现象了。现代物理实验往往要用大型或非常精密的仪器，花费很多人力、物力和时间，在一定的特殊条件下去探索，并且经过大量数据处理才可能 获得结果。 　　1.2物理实验中的实验方法 　　在物理学中，基本物理量包括长度、质量、时间、热力学温度、电流强度与发光强度以及物质的量等。除此之外，电动势、电压及电阻也是物理实验中十分 重要的物理量。本章将分别介绍上述这些物理量的基本实验方法。 　　1.2.1实验方法 　　物理学是一门实验科学。包罗万象的物理规律，是通过对现象的观察分析，对物理量的反复测量而建立的。物理量的测量方法种类繁多，在大学物理实验中 ，归纳起来，可以概括出以下基本实验方法，分别为：比较法、模拟法、放大法、平衡法、补偿法和仿真法等。 　　1.比较法 　　比较法是将被测量与标准量进行比较而得出测量值的测量办法。例如，用米尺测量长度，就是将被测长度与标准长度（m、cm、mm等）进行比较；用天平测 质量，就是将被测质量与标准质量（kg、g、mg等）进行比较；又如测量光栅衍射的各级衍射角，也是用比较法通过分光计上已刻好分度的圆游标测出的。由此 可见，所有的测量广义上来讲都属于比较法。比较法是物理测量中*普通、*基本、*常用的测量方法，分为直接比较法和间接比较法。 　　2.模拟法 　　人们在研究物质运动规律、各种自然现象和进行科学研究以及解决工程技术问题中，常会遇到一些由于研究对象过于庞大、变化过程太迅速或太缓慢、所处 环境太恶劣太危险以及直接测量会对待测量发生干扰等情况，致使对这些研究对象难以进行直接研究或实地测量。于是，人们以相似理论为基础，不直接研究自 然现象或过程本身，而是在实验室中，模仿实验情况，制造一个与研究对象的物理现象或过程相似的模型，使现象重现、延缓或加速等来进行研究和测量，这种 方法称为模拟法。模拟法可分为物理模拟和数学模拟两类。 　　物理模拟就是人为制造的模型与实际研究对象保持相同物理本质的物理现象或过程的模拟。例如，为研制新型飞机，必须掌握飞机在空中高速飞行时的动力 学特性，通常先制造一个与实际飞机几何形状相似的模型，将此飞机模型放人风洞（高速气流装置），创造一个与原飞机在空中实际飞行相似的状态，通过对飞 机模型受力情况的测试，便可方便地在较短的时间内以较小的代价取得可靠的有关数据。