物理測量的基本方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上物理測量的基本方法你問的是物理實(shí)驗(yàn)的基本方法嗎？有以下幾種：1.1 比較法1.1.1 直接比較法圖3-1-2電位差計(jì)基本電路圖3-1-1惠斯登電橋電路直接比較法是將待測量與經(jīng)過校準(zhǔn)的儀器或量具進(jìn)行直接比較，測出其大小。例如：用米尺測量長度就是最簡單的直接比較法。用經(jīng)過標(biāo)定的電表、秒表、電子秤測量電量、時(shí)間、質(zhì)量等量時(shí)，其直接測出的讀數(shù)也可看作是直接比較的結(jié)果。要注意的是采用直接比較法的量具及儀器必須是經(jīng)過標(biāo)定的。1.1.2 補(bǔ)償平衡比較法平衡測量、補(bǔ)償測量或示零測量是物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究中常用的測量方法。例如：用等臂天平稱物體的質(zhì)量是一種平衡測量。又如圖3-1-1所示的

2、惠斯登電橋測量電阻，從原理上講，也是一種平衡測量，因?yàn)橹挥挟?dāng)電橋平衡時(shí)（電流計(jì)示零）才能得出 (3-1-1)從而計(jì)算出。圖3-1-2所示的是電位差計(jì)測電池電動(dòng)勢的基本電路，則是補(bǔ)償測量的一個(gè)典型例子。合上電鍵，調(diào)節(jié)，使電阻絲上通有特定電流，然后合上電鍵，在上滑動(dòng)觸頭，使電流計(jì)示零，則待測電動(dòng)勢被電勢差所補(bǔ)償，這時(shí) (3-1-2)圖 3-1-1以上兩例均在電流計(jì)的指針示零時(shí)獲得測量結(jié)果，所以又可稱為示零測量。經(jīng)過補(bǔ)償達(dá)到平衡的比較實(shí)驗(yàn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是平衡時(shí)，電表（平衡臂）示零，對被測物理量的影響最小，故大大提高了測量的精確度。圖3-1-3 比較法測電表內(nèi)阻的電路圖1.1.3 替代比較法我國古代少

3、年曹沖用船稱象是一例典型的替代比較法。在現(xiàn)代測量技術(shù)中，當(dāng)某些物理量無法直接比較時(shí)，往往利用物理量之間的函數(shù)關(guān)系制成相應(yīng)的儀表、儀器進(jìn)行比較測量，例如糖量計(jì)、比重計(jì)、密度計(jì)等。圖3-1-3所示是用替代比較法測電表內(nèi)阻的電路圖。將置于1處，合上，調(diào)節(jié)使安培表指針指在較大示值處（同時(shí)注意表頭指針不能超過量程），然后斷開（為了保護(hù)安培表），將置于2處，再合上，調(diào)節(jié)原先處在最低阻值上的，使安培表指示值不變，此時(shí)，代替了表頭內(nèi)阻，若為電阻箱，則可直接讀得。在進(jìn)行替代比較法測量時(shí)，要特別注意“不同時(shí)”的替代比較，在異時(shí)比較時(shí)必須是以實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。1.2 放大法將被測物理量按照一定規(guī)律加以放大后進(jìn)

4、行測量的方法，稱為放大法。這種方法對于微小物理量或?qū)ξ锢砹康奈⑿∽兓康臏y量是十分有效的。例如，用秒表測單擺的周期，手按秒表起、止“反應(yīng)時(shí)”給測量帶來的不確定度0.2s，若周期2s，則 10，測量的相對不確定度很大。如果用秒表連續(xù)測量100個(gè)周期，時(shí)間為200s，而反應(yīng)時(shí)的不確定度仍為0.2s，此時(shí)0.1，提高了測量的準(zhǔn)確度。這種在不改變待測物理量性質(zhì)的條件下，將待測量延展若干倍，以增加待測量有效數(shù)字的位數(shù)，減小其測量相對不確定度的方法是放大法的一種特例，這種方法也叫測量寬度延展法。 放大法按性質(zhì)可分為兩大類：直接放大。借助于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的放大鏡（例如測微目鏡）、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等將被測量本身加以

5、放大而實(shí)現(xiàn)測量的，屬于直接放大測量。 間接放大。將所要觀測的對象通過某種原理和關(guān)系變換成另一個(gè)擴(kuò)大了的現(xiàn)象進(jìn)行測量的，屬于間接放大測量。比如光杠桿放大法就是一種間接放大。放大法提高了實(shí)驗(yàn)的可觀察性和測量的準(zhǔn)確度，是一種十分有用的實(shí)驗(yàn)方法，對微小量的觀測具有重要意義。放大法按放大原理可分為：機(jī)械放大法、積累（或累計(jì)）放大法、光學(xué)放大法、電子學(xué)放大法等。1.2.1 機(jī)械放大法測量微小長度與角度時(shí)，為了提高測量讀數(shù)的精度，常將其最小刻度用游標(biāo)、螺距的方式進(jìn)行機(jī)械放大。圖3-1-4中螺旋測微計(jì)主刻度上最小標(biāo)度0.5mm以下讀數(shù)，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)微分套筒放大讀出，精度達(dá)到0.01mm（原理與讀數(shù)方法詳見下節(jié)3

6、.2.1.3）。圖3-1-4 螺旋測微計(jì)主刻度圖3-1-5 干涉條紋間距1.2.2 積累（或累計(jì)）放大法圖3-1-6 微小張角我們要測量如圖3-1-5所示的干涉條紋間距的數(shù)量級為，為了減小測量的相對誤差，一般不是一個(gè)間隔一個(gè)間隔地去測量，而是測量若干個(gè)條紋的總間距。例如0.040mm, 所用量具誤差為0.004mm，則測量一個(gè)間距的相對誤差為: (3-1-3)即為10。若采用放大法測量個(gè)條紋的總間距，則4.000cm,其相對誤差減小為 (3-1-4)圖 3-1-7平行平面鏡裝置即0.1，使測量精度大為提高。1.2.3 光學(xué)放大法光學(xué)放大法有兩種，一種是被測物通過光學(xué)儀器形成放大的像，以便觀察判

7、別。例如：常用的測微目鏡、讀數(shù)顯微鏡。另一種是通過測量放大的物理量來獲得本身較小的物理量。例如：我們要測如圖3-1-6所示的對的微小張角，可利用三角函數(shù)關(guān)系，,測出和即可求得。但、也是微小量，若放大為測量相應(yīng)的或，則在使用同樣量具的情況下，相對誤差可大為減小，越長相對誤差越小。因此，常常利用光學(xué)平面鏡多次反射來衍射光程。例如：測量激光束的發(fā)散角，常用如圖3-1-7所示的平行平面鏡裝置，使發(fā)散角較小的激光束在兩鏡間多次反射后射出，再測量其光斑大小。又如：測量長度微小變化和測量角度微小變化的光杠桿鏡尺法，也是一種常用的光學(xué)放大法。（詳見4.）1.2.4 電子學(xué)放大法圖 3-1-8共發(fā)射極三極管放大

8、電路圖 3-1-9三極管原理圖要對微弱電信號（電流、電壓或功率）有效地進(jìn)行觀察測量，常用電子學(xué)放大法。最基本的交流放大電路如圖3-1-8所示的共發(fā)射極三極管放大電路。交流電壓由基極和發(fā)射極之間輸入時(shí)，在輸出端就可獲得放大一定倍數(shù)的交流電壓。其基本原理是利用半導(dǎo)體結(jié)特性實(shí)現(xiàn)基極對集電極電流的控制作用。圖3-1-9中的三極管，是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)成，、間的發(fā)射結(jié)所加的是正向偏置電壓，使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子加速進(jìn)入基區(qū)；間的集電結(jié)加的是反向偏轉(zhuǎn)電壓，它阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，但對基區(qū)內(nèi)的電子則是一個(gè)加速電壓，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子（少數(shù)部分）不斷地與基區(qū)空穴“復(fù)合”，形成基極電流，大多數(shù)電子經(jīng)兩次加速向集電區(qū)

9、擴(kuò)散，形成集電極電流，基極電流的微小變化將引起集電極電流很大的變化，從而實(shí)現(xiàn)放大作用。1.3 轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換法就是將某些因條件所限不能直接測量的物理量或?yàn)樘岣吣承┐郎y物理量的測量準(zhǔn)確度，而將其轉(zhuǎn)換成另一種形式的物理量的實(shí)驗(yàn)方法。它是利用物理量之間的各種效應(yīng)和函數(shù)關(guān)系利用變換原理進(jìn)行測量的。由于物理量之間存在多種效應(yīng)，所以有各種不同的轉(zhuǎn)換測量法，這正是物理實(shí)驗(yàn)最富有啟發(fā)性和開創(chuàng)性的一面。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)方法滲透到各學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)也不斷地向高精度、寬量程、快速測量、遙感測量和自動(dòng)化測量的方向發(fā)展，這一切都與轉(zhuǎn)換測量緊密相關(guān)。轉(zhuǎn)換法大致可分為參量換測法和能量換測法兩大類。1.3.1 參

10、量換測法利用各種參量在一定實(shí)驗(yàn)條件下的相互關(guān)系而實(shí)現(xiàn)待測量轉(zhuǎn)換的測量方法稱為參量換測法。物理實(shí)驗(yàn)中的間接測量都屬于參量換測法測量。例如：測量某非規(guī)則形狀物體的密度，可將參量先利用阿基米德定律轉(zhuǎn)換為： (為物重，為物體全浸入密度為的液體中的示重），則 (3-1-5)（、分別表示被測物體在空氣中和全浸沒在液體中時(shí)物理天平的示值）。1.3.2 能量換測法 能量換測法是利用傳感器將一種類型的物理量轉(zhuǎn)換成另一種類型的易于測量的物理量的測量方法。下面是幾種比較典型的能量換測法。1. 熱電換測。這是一種將熱學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的測量方法。例如：利用溫差電動(dòng)勢原理，將溫度的測量轉(zhuǎn)換成熱電偶的溫差電動(dòng)勢的測量，或利

11、用電阻隨溫度變化的規(guī)律將測溫轉(zhuǎn)換成對電阻的測量。2. 壓電換測。這是一種壓力和電勢間的變換，話筒和揚(yáng)聲器就是大家所熟悉的換能器。話筒把聲波的壓力變換為相應(yīng)的電壓變化，而揚(yáng)聲器則進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即把變化的電信號轉(zhuǎn)換成聲波。3. 光電換測。這是一種將光通量變換為電量的換能器，其變換的原理是光電效應(yīng)。轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。各種光電轉(zhuǎn)換器件在測量和控制系統(tǒng)中已獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，近年來又用于光通訊系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的光電輸入設(shè)備（光纖）等等。4. 磁電換測。這是利用半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁學(xué)量與電學(xué)量的轉(zhuǎn)換測量。設(shè)計(jì)或采用某種轉(zhuǎn)換測量方法應(yīng)注意下列原則：、首先要確定變換

12、原理和正確的參量關(guān)系式；、變換器（傳感器）要有足夠的輸出量和穩(wěn)定性，便于放大或傳輸；、考慮在變換過程中是否還伴隨其他效應(yīng)，若有，則必須采取補(bǔ)償或消除措施；、要考慮變換系統(tǒng)和測量過程的可行性和積極效益。1.4 模擬法在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中，常會(huì)遇到一些由于各種原因而難以直接進(jìn)行測量和研究的問題。例如：許多復(fù)雜電極間的靜電場分布；飛機(jī)在空中高速飛行時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性；對大型工程及設(shè)計(jì)方案的考核與測試（水利工程、電力工程、機(jī)場工程等等）；為解決此類問題，人們以相似理論為依據(jù)模仿實(shí)際情況，研制成一個(gè)類同于研究對象的物理現(xiàn)象或過程的模型，通過對模型的測試實(shí)現(xiàn)對研究對象進(jìn)行研究和測量，這種方法稱為“模擬法”。模擬實(shí)驗(yàn)的方法按其性質(zhì)可分為以下幾種類型：1. 幾何模擬：將所研究對象的實(shí)物按幾何尺寸放大或縮小的模型實(shí)驗(yàn)；2. 動(dòng)力學(xué)相似模擬：在物理性質(zhì)上取得相同效果的實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)；3. 替代或類比模擬：利用物理量之間物理性質(zhì)或規(guī)律的相似性或等同性進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)；4. 計(jì)算機(jī)模擬：用計(jì)算機(jī)模擬演示研究對象的物理現(xiàn)象或過程；5. 電路上