關于物理實驗研究的兩點分析

魏三鋒

【摘 要】 物理實驗是物理教學的重要部分，對實驗研究的深入與否，直接決定實驗教學的成敗。因此，本文對中學物理實驗的方法做一個簡單的總結，希望對各位同仁有所幫助，以便拋磚引玉。

【關鍵詞】 物理；實驗研究；分析

【中圖分類號】 G63.20 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2017）16-0-01

一、總結物理實驗數據處理的常用方法及特點

在物理實驗研究中常用的數據處理方法有：

1、列表法及特點

在記錄和處理數據時，常把數據排列成表格，這樣，既可以簡單而明確地表示出被測物理量之間的對應關系，又便于及時檢查和發現測量數據是否合理，有無異常情況。列表計算法就是將數據處理過程用表格的形式顯示出來。即將實驗數據中的自變量、因變量的各個數據及計算過程和最后結果按一定的格式，有秩序地排列出來。

列表法的特點

列表法的優點是：簡單明了，形式緊湊，各數據易于參考比較，便于表示出有關物理量之間的對應關系，便于檢查和發現實驗中存在的問題及分析實驗結果是否合理，便于歸納總結，從中找出規律性的聯系。缺點是數據變化的趨勢不夠直觀，求取相鄰兩數據的中間值時，還需要借助插值公式進行計算等。

2、圖示法及特點

物理規律既可以用解析函數關系表示，也可以借助圖線表示，即用圖線表示實驗結果的方法稱為圖示法。

作圖的基本步驟包：圖紙的選擇；坐標的分度和標記；標出每個實驗點；作出一條與多實驗點基本相符合的圖線；以及注解和說明等。

圖示法的特點：清晰、直觀表明函數間的關系和變化趨勢。

3、圖解法及特點

利用畫出的實驗圖線，用解析方法求出有關參量或物理量之間的經驗公式為圖解法。當圖線為直線時尤為方便，直線圖解一般是求出直線的截距或斜率進而可得到另外一些物理量或得出完整的線性方程。

圖解法特點

圖解法的優點是數據（物理量）之間的對應關系和變化趨勢，非常形象、直觀，一目了然，便于比較研究和發現問題，能看到測量的全貌。

4、逐差法及特點

逐差法就是把實驗測量數據進行逐項相減，或者分成高、低兩組實行對應項相減，前者可以驗證被測量之間的函數關系，后者可以充分利用數據，具有對數據取平均和減少相對誤差的效果。特別是在被測變量之間存在多項式函數關系，自變量等間距變化的實驗中，更有其獨特的優點。

5、最小二乘法與線性回歸

最小二乘法：最小二乘法是一種解決怎樣從一組測量值中尋求最可靠值，也就是最可信賴值的方法。對于等精度測量，所得數據的測量誤差是服從高斯分布，且相互獨立，則測量結果的最可靠值是各次測量值相應的偏差平方和為最小值時的那個值，即算術平均值。因為最可靠值是在各次測量值的偏差平方和為最小的條件下求得的，當時把平方叫二乘，故稱最小二乘法。

用最小二乘法進行線性回歸的原理是：若能找到一條最佳的擬合直線，那么各測量值與這條擬合直線上各對應點的值之差的平方和，在所有擬合直線中應該是最小的。

回歸分析：相互關聯的變量之間的關系可以分成兩類。一類是變量之間存在著完全確定的關系叫做函數關系；一類是變量之間雖然有聯系，但由于測量中隨機誤差等因素的存在，造成了變量之間聯系的不同程度的不確定性，但從統計上看，它們之間存在著規律性的聯系，這種關系叫做相關關系。相關變量間既有相互依賴性，又有某種不確定性。

二、總結物理實驗中物理量的基本測量方法

物理實驗方法是以一定的物理現象、物理規律和物理學原理為依據，確立合適的物理模型，研究各物理量之間關系的科學實驗方法。物理實驗離不開定量的測量。物理實驗中常用的測量方法有：

1、比較法

比較法是將待測量與同類型已知的標準量進行直接或間接的比較，從而測出待測量大小的一種測量方法。比較法具體分為直接比較法、間接比較法和比較系統法。

2、補償法

當系統受到某一作用時會產生某種效應，在受到另一類作用時，又產生了一種新效應，新效應與舊效應疊加，兩種效應相互抵消，使新、舊效應均不再顯現，系統回到初始狀態，此稱新作用補償了原作用，即稱為補償。

3、放大法

在物理實驗中或其他領域的科學研究中，常遇到一些微小物理量的測量，由于待測量過小，以至于難以被實驗者或儀器直接感覺和反映，這時為了提高測量精度，可設法將被測量放大，然后再進行測量。物理實驗中常用的放大法有以下幾種：機械放大法；累計放大法；電學放大法；光學放大法。

4、轉換法

轉換法是根據物理量之間的各種效應和定量函數關系，利用變換原理進行測量的方法。轉換法一般分為參量換測法和能量換測法兩種。

5、平衡法

平衡法是利用物理學中平衡的概念，將處于比較的兩個物理量之間的差異逐步減小到零的狀態，通過判斷測量系統是否達到平衡態，來實現物理量的測量。

6、對稱測量法

對稱測量法是消除測量中出現系統誤差的重要方法。當系統誤差的大小與方向是個確定值（或按一定規律變化），在測量中可以用對稱測量法予以消除。

7、模擬法

模擬法是指不直接研究某物理現象或物理過程本身，而是用與該物理現象或過程相似的模型來研究的一種方法。

物理實驗中常用的模擬法有以下幾種：物理模擬；數學模擬；計算機模擬。

8、靜態與動態研究法

為了對物理現象做深入的研究、探討，以揭示其內在的規律，根據測量過程中被測物理量是否隨時間變化，分為靜態測量和動態測量研究法。

9、振動與波動方法

物理實驗中常用的有：振動法；李薩如圖法；共振法；駐波法；相位比較法等。

10、光學實驗方法

光學在現代科學技術中占有重要地位。物理實驗教學中常用的光學實驗方法有：干涉法；衍射法；光譜法；光測法。

11、非電量的電測法

隨著科學技術和工程應用的發展，物理實驗中心常要對一些非電量進行測量，如力學量中的位移、壓力、應變，熱學量中的溫度、流量，光學量中的光強、照度、功率等。

非電量轉換成電量的元件或裝置稱為傳感器。傳感器實際上是一種換能器，它們是利用物理學中物理量之間存在的各種效應與關系把被測的非電量轉換成電量，從而獲得被測信息，作為測量電路的輸入信號。

12、實時控制測量法

實時控制測量是一種動態測量。其主要方法是通過信號傳感器、計算機與信號傳輸接口、控制軟件及輔助測量裝置等，對某一物理量進行實時控制測量。

在物理實驗教學過程中所遇到的實驗方法，大多是前人創造和總結出來的科學方法。我們學習應用這些方法，一方面是學習它、掌握它、運用它，但更主要的是積累前人正確的創新思維方法，從中吸取規律性的認識，并在未來的工作中去創造和開拓。