中學物理實驗中的測量方法

摘要：總結了中學物理實驗中常用的比較法、放大法、減縮法、精細法、積累法、主次法、計數法、轉化法、替代法、平衡法、共軛法等十一種物理量測量方法。

關鍵詞：實驗；測量；物理量；方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)11(S)-0058-3

在中學物理實驗中，采用什么方法測量物理量既精確而方便，是物理實驗中的重要課題。下面就中學物理中常用的一些測量方法加以歸納和總結。

1 比較法

比較法測量是測量中的基本的方法。在物理量的測量中，采用與標準值進行比較，然后得出被測量物理量的值。

用天平測物體的質量，是將待測物體與已知標準質量的物體（砝碼）進行比較，可將標準質量的物體設計成不同規格（砝碼），根據實際需要選用砝碼或游標，直到比較成功（天平水平平衡）。水銀氣壓計測量氣體壓強，也是用的比較法，在水銀氣壓計中有一段水銀將被測氣體與真空隔開，測量時實際是將被測氣體與一段水銀柱產生的壓強進行比較，U形管中水銀高度差所產生的壓強與被測氣體的壓強相等。用比較法還可以測量燈泡的發光強度，在光具座兩端放置已知強度光源與待測光源，移動中間接收光屏進行比較，當光屏兩側亮度相同時，兩側照在光屏上的光強度相同。

2 放大法

測量微小物理量時，用常規的測量工具，所引起的誤差較大，所以要設法將該物理量放大后進行測量。

庫侖扭秤和卡文迪許扭秤，都用到了光杠桿放大原理，細光束照射到固定在水平秤桿上的平面鏡上時，反射光反射到一定距離的標尺上，水平秤桿轉動一個微小角度，通過測量反射光斑移動的距離，可測出細金屬絲轉動的角度，根據金屬絲的扭轉力矩間接測量出庫侖力或萬有引力。由于用紐秤測量的力是較小的力，所以直接測量力或測量細金屬絲轉動角度這個微小量，所引起的誤差非常大，甚至不能測量。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微弱信號，通過放大電路放大成一個可以顯示的物理量（電流或電壓），常用于微弱電信號的測量。

3 減縮法

有些物理量，數值較大，超過了測量工具的量程，不能或不便于直接測量，這時可將這個物理量進行減縮，然后再進行測量。

測量高壓輸電線上電流或電壓時，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較小的值來測量。測量旗桿的高度，可在地面直立一根已知長度的標準桿，分別測量標準桿和旗桿影子的長度，再用幾何學中的比例關系，求出旗桿的高度。

4 精細法

通過改進測量工具，或改變測量工具的量程，就可以提高測量的精度了。

如測量液體的體積，可用截面積較小的量筒，以提高測量精確程度。多用電表測電阻，選擇適當倍率檔位，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量時，也應選擇合適的量程，原則上指針所指角度要超過滿量程的三分之一以上。

5 積累法

同種規格的器材，要測量其中的一個物理量，可將它們組合起來測量物理量的總和，再計算出要測量的物理量。

如測量同規格的小零件的質量，可數出100個或更多個同種零件，測出它們的總質量，再除以總的數目，就可以得到單個零件的質量。測量單擺周期時，可測量30或50次全振動的時間，用總時間除以全振動的次數，可得一次全振動的時間。測量細金屬絲的直徑，可將細金屬絲密繞在一個柱體上，測量多匝細金屬絲的長度，再除以匝數，可得細金屬絲的直徑。用干涉法測量光波的波長，可測量數條明條紋中心線間的距離，計算出相鄰明條紋之間的距離。

這種方法實際上是將一次測量誤差分攤到若干次中。

6 主次法

一些物理量要求有較高的測量精度，而測量的范圍又比較大，僅僅用一個量程的測量工具時，所帶來的誤差不能符合測量的要求。所以可將測量工具設計成主尺和輔尺進行。

游標卡尺，主刻度上讀出整毫米數，在可動刻度上讀出毫米數的十分位或百分位。螺旋測微器，有主刻度與可動刻度，主刻度上讀出整毫米數，在可動刻度上讀出毫米數的百分位，估讀千分位。天平有砝碼和游碼，測量時，先讀出砝碼的總質量，再讀出游標上的讀數。秒表有分鐘盤和秒鐘盤，秒針轉動計時積累到一定量（30秒或60秒）時，再在分鐘盤上顯示。以上測量結果均為主尺和輔尺上的讀數之和。

主次法的思路主要是將物理量的測量分為兩個部分，即較大量與零頭量，在同一測量工具中同時進行測量。

7 計數法

中學物理中經常要測量一些數目，需要計數，于是一些計數裝置應運而生。

蓋革計數管用來測量放射線或高能粒子的數目，是原子核物理研究的重要儀器，在考古學中也有廣泛應用，用計數法測出樣品在一定時間內發出放射線的量而確定樣品的年代。在α粒子散射實驗中，是通過轉動帶熒光屏的放大鏡來觀察散射到不同角度上的α粒子數目而確定原子內部是空曠的結論。用光電門計數器可自動記錄通過光電門的物體數目和物體通過光電門的時間。用油膜法測分子直徑時，在幾何方格紙上畫出油膜的輪廓，計算面積大小的方法也是采用計數法，大于半格的以一格計，小于半格的不計，數出小方格的數目即可求出油膜的面積。打點計時器是一種測量時間的儀器，測量的時間是通過紙帶上打出的點數來計算，所以對所打的點要進行計數。

8 轉化法

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

測量力可用力傳感器，測量溫度可用熱敏電阻，測量加速度可用滑動變阻器，測量光強可用光敏電阻，測量磁感應強度可用霍爾元件……都是把各種物理量轉化為電流或電壓來測量。

可通過測量彈性物體的形變量轉換為長度來測量力。可利用液體的熱脹冷縮轉換為液體（固體）的長度來測量溫度。測量液體的深度，可用電容傳感器，顯示的是電容。

測量天體的質量，可測量天體的行星或衛星的周期與軌道半徑，求得天體的質量。測量玻璃磚的折射率，可用尺規法將角度的測量轉化為長度的測量。測量光電效應中光電子的最大初動能時，可將其轉化為測量遏止電壓。測液體密度用密度計將液體的密度轉化為密度計的長度。測量車輛的速度，可通過傳動裝置顯示在速度計的刻度盤上，也可用激光散斑法來進行測量。

9 替代法

一個物理量不易測量，或測量時存在系統誤差，利用替代法可測量出該物理量或消除系統誤差。

曹沖秤象是利用若干小的石頭替代一頭大象，成功地測量了大象的質量。在電阻測量中可用標準電阻（箱）替代待測電阻，如圖1所示，R為待測電阻，R′為電阻箱。實驗時先將單刀雙擲開關拔向上，記下電流表的讀數，然后再將單刀雙擲開關拔向下，調節電阻箱，使電流表示數與記下的讀數相同，待測電阻的阻值等于電阻箱的阻值。

利用替代法要注意使測量對象與標稱對象在實驗中處于同等的位置。

10 平衡法

在一些物理情景中，處于某種平衡狀態時，就有兩個物理量相等或成一定比例，實驗中先調節到這種平衡，再測量出這個相等的量。

天平是一個等臂杠桿，當左右兩個托盤上所放物體質量相等時，天平就會處于水平平衡，兩個托盤上物體的質量相等，于是我們在其中右托盤上放上砝碼，左盤上物體的質量等于右盤上砝碼的質量。測量物質的比熱容時，將待測物與一已知比熱容的物體充分接觸，達到熱平衡時，高溫物體放出的熱量與低溫物體吸收的熱量相等，只要測量兩個物體溫度的升降、兩個物體的質量就可以用熱平衡定律求出待測物體的比熱容。利用惠斯通電橋法測量電阻，電路如圖2所示，R1、R2、R3為可讀電阻，R3可以調節，當R3調到某一值時，靈敏電流計的示數為零，電橋處于平衡，待測電阻可表示為Rx=R2R3R1。

11 共軛法

共軛法測量是基于某物理過程中，被測的物理量與標準的物理量之間達到兩個等價的穩定狀態時的不平衡的關系，從這種關系中求出要求的待測物理量。

不等臂天平測量物體的質量時，先讓物體放在左盤，砝碼放在右盤測得的質量為m1，再讓物體放在右盤，砝碼放在左盤測得的質量為m2，根據質量與臂長成反比的關系可求得被測量物體的質量為m=m1m2。測量電源內電阻時，調節外電阻，使它們的阻值為R1、R2時，電源輸出的電功率相等，則被測量的電源的內電阻為r=R1R2。共軛法測量凸透鏡焦距，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，移動凸透鏡使物在屏上成兩次清晰的像，分別測出物、屏之間的距離D，凸透鏡移動的距離d，代入公式f=D2-d24D即可求得凸透鏡焦距。

對物理量測量方法的研究，可以審視我們在中學階段所做過的實驗，從中受到啟發。希望這些總結與歸納能對我們中學階段進行實驗設計、改進實驗原理、改善實驗方法、提高實驗效率、減小實驗誤差等提供參考。

(欄目編輯王柏廬)