物理实验需要定量研究物理量之间的关系。在实验方法确定后，必须选择适当的仪器。了 解常用仪器的性能，并学会其使用方法是课程教学的基本要求之一。物理实验仪器种类繁多， 本节仅介绍一些最基本的常用仪器。其它仪器将结合各实验教学介绍。 2.1.1 长度测量及主要器具 长度是一个基本物理量。国际单位制中长度的单位是米(m)，定义为线米乐M6 M6米乐)s 内的行程。 大学物理实验中经常进行的长度测量范围在 10

　　可以用米尺(钢卷尺、钢板尺等)测量长度，其分度值为 1mm。在精度要求稍高时可采用卡尺和 千分尺(螺旋测微计)测量长度。 1．游标卡尺 游标是为了提高角度、长度微小量的测量精度而采用的一种读数装置。长度测量用的游标 卡尺就是用游标原理制成的典型量具。游标卡尺的外形结构如图 2.1-1 所示。

　　当拉动尺框(3)时，两个量爪做相对移动而分离，其距离大小的数值从游标(6)和尺身(2)上读 出。下量爪(5)用于测量各种外尺寸；刀口型量爪(7)用于测量深度不深于 12mm 的孔的直径和各 种内尺寸；深度尺(1)固定在尺框(3)的背面，能随着尺框在尺身(2)的导槽(在尺身背面)内滑动， 用于测量各种深度尺寸。测量时，尺身(2)的端面 A 为测定定位基准。 (1) 游标读数原理 游标量具由主尺(固定不动)和沿主尺滑动的游标组成。

　　主尺一格(两条相邻刻线间的距离)的宽度与游标一格的宽度之差，称为游标卡尺的分度值。 目前，游标卡尺的主尺刻度为每格 lmm，游标分度值有 0.10mm、0.02mm 和 0.05mm 三种。 把游标等分为十个分格，叫“十分游标” 。图 2.1-2 是它的读数原理示意图。游标上的 10 个分格，其总长正好等于主尺的 9 个分格。主尺上一个分格是 1mm，因此游标上 10 个分格的 总长等于 9mm，它一个分格长度是 0.9 mm，与主尺一格的宽度之差(游标分度值)为 0.10mm。 从图 2.1-2(a)中两尺(游标尺和主尺)的“0”线对齐开始向右移动游标尺，当移动 0.1mm 时， 两尺上的第一条线mm 时，两尺的第二条线”线mm。显而易见，当游标尺移动 0.9mm 时，两尺的第九条线”线mm，该值就是游标在该位置时主尺的小数值。 可见，利用游标原理可以准确地判断游标的“0”线与主尺上刻线间相互错开的距离。该距 离的大小，就是主尺的小数值。例如，当量爪(5)之间夹一纸片时，游标尺上第二条线) 游标卡尺的读数 游标尺的“0”线是毫米读数的基准。主尺上挨近游标“0”线左边最近的那根刻线的数字 就是主尺的毫米值(整数值)；然后，再看游标上哪一条线与主尺上的刻线对齐，将该线的序号 乘游标分度值之积，就是主尺的小数值(也可在游标尺上直接读出)。将整数和小数相加，就是 所求的数值，见图 2.1-3。

　　读数时要注意，主尺上刻的数字是厘米数，例如主尺上刻 13 是表示 13cm，即 130mm；游 标上刻的数字是游标分度值，例如刻 0.10mm、0.02mm 和 0.05mm 分别表示游标分度值为 0.10mm、0.02mm 和 0.05mm。 从图中看到，整数是 132mm，因为主尺的第 132 条刻线 mm，因为游标的第 9 条刻线与主尺上的一条刻线对齐。故两次读数之和 为 132.45mm。 用卡尺测量前应进行校零， 即将两量爪(7)合紧， 看主尺和游标尺零线是否重合。 若不重合， 要记下此时读数，以便测量后进行修正。例如，读数值为 l1 ，零点读数为 l 0 ，则待测量

　　注意在推游标前要把固定螺钉(4)松开。 游标卡尺测长原理在许多力学和光学仪器上都有应用。 主尺和游标不仅可以做成直的(如卡尺)，用于长度测量，也可做成圆形的，用于角度测量， 如分光计。 2．螺旋测微计(千分尺) 千分尺的精度比游标卡尺更高。小型外径千分尺的外形如图 2.1-4 所示。固定在套筒上的 标尺刻度在水平基线的上下，其上面刻度线是 mm 数，下面刻度线在上面两刻线

　　mm。在微分筒端部圆周上等分 50 个刻度。 千分尺结构的主要部件是一个高精度螺旋 丝杆，螺距是 0.5mm。根据螺旋推进原理，微 分筒转过一周， 测微螺杆位移一个螺距距离 0.5 mm。所以，微分筒转过一分度，相当于测微 螺杆位移 0.5mm／50=0.0lmm。这种千分尺的 分度值就是 0.01mm。 读千分尺和读游标尺一样，也分三步： (1)读整数 图 2.1-4 小型外径千分尺 微分筒的端面是读取整数的基准。读数时， 1-测砧; 2-测微螺杆; 3-固定套筒; 4-微分筒； 看微分筒端面左边固定套筒上露出的刻度的数 5-测力装置; 6-锁紧装置; 7-护板; 8-后盖 字，该数字就是主尺的读数，即整数。 (2)读小数 固定套筒的基线是读取小数的基准。读数时，看微分筒上是哪一条刻线与固定套筒的基线 重合。如果固定套筒上的 0.5mm 刻线没有露出，则微分筒上与基线重合的那条刻线的数字就是 测量所得的小数。如果 0.5mm 刻线已经露出，则从微分筒上读得的数字再加上 0.5mm，才是测 量所得的小数。这点要特别注意，不然会少读或多读 0.5mm，造成读数错误。 当微分筒上没有任何一条刻线与基线恰好重合时，应该估读到小数点后第 3 位数。 (3)求和 将上述两次读数相加，即为所求的测量结果。 图 2.1-5 给出了读数示例。

　　使用千分尺测量时也应该先校零，即转动测力装置，使测砧和测微螺杆轻微接触，看此时 读数是否为零。不为零时可用专用工具调整，使其指零。也可读下此初始值(称为零点读数)， 测量后用于数据修正。 校准或测量时不能直接拧微分筒，一定要拧测力装置来带动螺杆，听到内部摩擦片打滑引 起的“咔咔”声时就要停止转动，以免两测量头间或测量件与测量头之间产生过大的压力而引 起变形和损坏。测量完毕应使测砧与测微螺杆间留出间隙，以免因热膨胀而损坏螺纹。旋转千 分尺时，必须放松锁紧装置。 螺旋测微原理不仅用于千分尺，也可用于光学测微目镜和读数显微镜等。 3．读数显微镜 读数显微镜是用于精确测量微小长度的专用显微镜。它主要由用于测量的螺旋测微装置和 用于观察的显微镜两部分组成。 2.1-6 就是一种实验室常用的读数显微镜。 图 它的镜筒可以通过 螺旋机构左右移动(有的读数显微镜的镜筒与测量件之间可以在二维平面上相对移动或转动)。 移动距离可以通过以 lmm 为分度的主尺和测微鼓轮 A 读出。其中测微鼓轮 A 的读数原理与螺 旋测微计一样， 它的螺距为 lmm， 的周边上刻有 100 个分格， A 每转动一个刻度镜筒移动 0.0lmm。

　　水平移动的距离(毫米数)由水平标尺 F 上读出，小于 1mm 的数，由测微鼓轮读出，两者之和就 是此时读数显微镜的位置坐标值。 测微鼓轮 A。 图 2.1-6(b)是读数显微镜的螺旋测微装置， 它包括标尺 F、 读数准线 、 读数显微镜的使用方法： (1) 调整目镜 C，看清十字叉丝。 (2) 将待测物安放在测量工作台上，转动反光镜 H，以得到适当亮度的视场。 (3) 旋转调焦手轮 D，使镜筒 B 下降到接近物体的表面，然后逐渐上升，至看清待测物。 (4) 转动测微鼓轮 A，使叉丝交点和待测物上的某点(或一条线)对准，记下读数。继续沿同 一方向转动鼓轮，使叉丝交点对准待测物的另一点，再记下读数。两次读数之差就是待测物上 两点间的距离。 测量时，显微镜筒的移动方向 要和被测两点间连线平行。测量中 必须保证两次读数时叉丝像是沿同 一方向移动的。这样做是为了消除 螺杆与螺母间空隙引起的“空程” 误差。如果不小心使叉丝像移动过 大，超过了测量点，不能立即反方 向移动退回读数，必须退回较大距 离后，再沿原方向移动到测量点进 行读数，见图 2.1-7。 另外，在用眼睛从目镜中观察 时，千万不能将物镜向下移向待测 物体，以免使物镜压在被测物体上 (a) (b) 而损坏物镜或被测物体。 图 2.1-6 读数显微镜 读数显微镜特别适用于测量细孔 A-测微鼓轮; B-显微镜筒; C-目镜; D-调焦手轮; 内径、刻痕宽度、刻痕间距等用卡尺、 螺旋测微计难以测量的对象。

　　2.1.2 质量测量及常用器具 质量是力学中的三个基本物理量之一。国际单位制中质量的单位是千克(kg)，现在 lkg 的国 际标准依然是 1889 年国际计量大会所确定的由铂铱合金制成的国际千克原器。 物理实验室常用的质量测量器具是天平。 1．机械天平 物理实验室常用的机械天平为物理天平， 它是一种利用杠杆称量物体质量的等臂双盘天平， 其结构见图 2.1-8。在横梁 BB ′ 的中点和两端共有三个刀口。中间刀口 a 安置在支柱 H 顶端的

　　玛瑙刀承上，作为横梁(杠杆)的支点。在两端的刀口 b 和 b′ 上悬挂两个称盘 p 和 p ′ 。横梁下装 有一读数长指针 J ，支柱 H 上装有读数标尺 S 。在底座左边装米乐M6 M6米乐有托盘支架 Q 。止动旋钮 K 可 以使横梁升降。平衡螺母 E 和 E ′ 是天平空载时 调平衡用的。 物理天平都配有一套砝码。实验室常用的 一种物理天平，最大称量(天平允许称量的最大 质量)为 500g。1g 以下的砝码太小，用起来很 不方便，所以在横梁上附有可以移动的游码 D 。 横梁上有 20 个刻度，游码向右移动—个刻度， 相当于在右盘上加 0.05g 砝码。即其感量(天平 能称准的最小质量)为 0.05g/格。 常用的 TW02 型和 TW05 型物理天平的分 度值分别为 20mg 和 50mg。 物理天平的操作步骤可以归纳为：调水平、 调零点、左称物、常止动。 (1) 调水平。调节水平螺丝 F 和 F ′ 使立柱 铅直。这可以由铅锤 R 的尖端与准钉 r 尖端是 否对准来检查(有的天平是利用底座上的水准泡 图 2.1-8 物理天平 来检查)。 (2)调零点。天平空载时，转动止动旋钮 K ，使刀承上升托起刀口，横梁即会摆动，观察指 针 J 的摆动情况。当指针 J 在标尺 S 的中线 条刻线，称为零点)两边作等幅摆动时，天平 即平衡了。如摆动中心不在零点，则应先使刀承下降，天平止动，然后再调节横梁上两边的平 衡螺母 E 和 E ′ 的位置，再启动横梁，观察指针位置，……。如此反复调节，直到天平达到平衡。 (3)称衡(左称物)。将待测物体放在左盘，砝码放置右盘(包括移动游码)，使天平达到平衡进 行称衡。 (4)将止动旋钮 K 向左旋转，使刀承下降，天平止动，记下砝码和游码读数。将待测物体从 盘中取出，砝码放回盒内，游码移到零位(最后将称盘摘离刀口)，天平复原。 为了正确使用和保护天平，必须遵守以下操作规则： (1)天平的负载不能超过其最大称量，以免损坏刀口或压弯横梁。 (2)常止动。在调节天平、取放物体、取放砝码(包括移动游码)以及不用天平时，都必须将 天平止动，以免损坏刀口。只有在判断天平是否平衡时才将天平启动。天平的启动和止动的动 作要轻。止动时最好在天平指针接近标尺中线)待测物体和砝码要放在盘的正中。砝码只准用镊子夹取，不得直接用手拿取。称量完毕， 砝码必须放回砝码盒内的特定位置，不得随意乱放。 (4)天平的各部件以及砝码都要注意防锈、防腐蚀。高温物体、液体及带腐蚀性的化学药品 不得直接放在盘内称衡。 在需要更高精度的测量时，可以使用分析天平和精密分析天平。分析天平分度值一般小于 lmg，精密分析天平为 0.lmg，而微量天平的分度值最高可以达到 0.001mg。 2．电子天平 电子天平使用各种压力传感器将压力变化转变为电信号输出，放大后再通过 A／D 转换直 接用数字显示出来。电子天平使用方便，操作简单。现在市售电子精密天平的分度值为 lmg，

　　电子分析天平的分度值达到 0.1mg。 2.1.3 时间测量及器具 国际单位制中时间的单位是秒(s)。1967 年国际计量大会确定铯(C 133 )原子基态两个超精细 s 能级间跃迁的 9192631770 个周期为 1s，这就是 C 133 原子钟标准，其精度达到 10 s

　　实验室常用的计时仪器是秒表(或称停表)。秒表有机械秒表和电子秒表两种。前者的最小 计时单位为 0.1s，后者常为 0.0ls。秒表是由人手动来操作计时的起止，这样会引起误差，该误 差因人而异，低的在 0.1s 以内。 电子秒表：由表面上的液晶显示时间，最小 显示为 0.01s，外型结构如图 2.1-9 所示。 S1 按钮 为启动/停止键，可以用来调整计时/计历； S 3 按 钮为复零、分段计时和状态选择(按下 S 3 按钮 3 秒后可以作计时、计历和秒表状态的转换)键； S 2 按钮为计时计历调整按钮，一般在实验时将秒表 调整到秒表状态，只需要 S1 、 S 3 两个按钮的启动、 停止或复零三种功能。按钮均有一定的机械寿命， 图 2.1-9 电子秒表 不要随意乱按。 数字毫秒计有更高的计时精度。它采用石英晶体振荡产生的频率稳定的脉冲信号作为计时 标准，最小计时单元很容易达到 0.1ms 甚至更小。数字毫秒计一般用光电信号来控制计时的起 止，仪器误差很小。时间通过数码管显示，读取方便。 2.1.4 温度测量及器具 国际单位制的温度测量采用热力学温标确定，并定义水的三相点温度的 1／273.16 为 1 开 尔文(1K)。我们日常生活中常用的摄氏温度由热力学温标导出。定义摄氏温度 t(单位为℃) t=T-273.15 其中 T 是热力学温度。 物理实验室中常用的测温器具有水银温度计、酒精温度计和热电偶等。 水银温度计的测温范围为-35℃~350℃。做为计量标准的水银温度计的分度值可至 0.05℃， 实验室常用的水银温度计的分度值一般为 0.2 或 0.5℃。水银温度计结构简单，读数方便。但是 由于肉眼读数的人为因素及玻璃膨胀变形等温度计结构、材料的问题，它的误差也比较大。另 外温度读数较难转换成电信号，不便于自动测量和计算机数据处理。

　　一切描述物质状态和运动的物理量都可以从几个最基本的物理量中导出，而这些基本物理 量的定量描述只有通过测量才能得到。将待测的物理量直接或间接地与作为基准的同类物理量 进行比较，得到比值的过程，叫做测量。测量的方法和精确度随着科学技术的发展而不断地丰

　　富和提高。 例如对时间的测量， 从远古时代人们 “日出而作， 日落而息” 的原始的计时单位 “日” 到人们学会做出摆钟，计时精度提高了约 3 个数量级；随后人们用石英晶体振荡做出了石英钟， 将计时精度提高了近 6 个数量级；1955 年英国皇家物理实验室把铯原子用在了时钟上，做成了 世界上第一架铯原子钟(量子频标)，测时精度达到 10 10

　　s，其他类型的原子钟相继问世。从 14 世纪的机械钟到现代的原子钟，计时精度大约按指

　　数规律在提高。 由此可见测量的精度与不同时代的测量方法和手段密切相关。同一种物理量，在量值的不 同范围，测量方法不同，即使在同一范围内，精度要求不同也可以有多种测量方法，选用何种 方法要看待测物理量在哪个范围和我们对测量精度的要求如何。例如长度的测量，覆盖了整个 物理学研究的尺度范围——小到微观粒子，大到宇宙深处(10

　　直尺、游标卡尺、螺旋测微计、电感和电容式测微仪、光学显微镜和激光干涉仪等。随着人类 对物质世界更深入的了解，待测物理量的内容越来越广泛；随着科学技术的飞速发展，测量方 法和手段也越来越丰富，越来越先进。物理实验中专用的测量方法很多，如力学实验中用到的 “光杠杆法” ；振动与波动实验中用到的“振动法”“李萨如图法”“共振法”“驻波法”“相 、 、 、 、 位比较法” ；电学实验中用到的“伏安法”“电桥法” 、 ；磁学实验中用到的“霍耳元件法” ；光学 实验中用到的“自准法”“干涉法”“衍射法”“光谱法”等等，这些方法在本书后面各个具 、 、 、 体实验中将分别予以介绍，此处不再赘述。本节仅将我们在物理实验中常用的几种最基本的测 量方法作概括性的介绍。 2.2.1 比较法 比较法是最基本和最重要的测量方法之一。因为所谓测量，就是把待测的物理量直接或间 接地与作为基准(或标准单位)的同类物理量进行比较， 得到比值的过程。 比较法可分为直接比较 法和间接比较法。 1. 直接比较测量法 直接比较测量法是把待测物理量 X 与已知其值的同类物理量或标准量 S 相比较而直接获取 量值的方法。这种比较通常要借助仪器或标准量具。如用米尺测长度、用天平测量质量等。 2. 间接比较测量法 由于某些物理量无法进行直接比较测量，故需设法将待测物理量转变为另一种能与已知标 准量直接比较的物理量，当然这种转变必须服从一定的单值函数关系。如用水银的热膨胀去测 量温度、用弹簧的形变去测力等均为这类测量，此种测量称间接比较测量法。 应当指出的是间接比较法是以物理量之间的函数关系为依据的。为了测量更加方便、准确， 在可能的情况下，应尽量将上述物理量之间的关系转换成线性关系。例如，磁电式电表的线圈 在均匀磁场中受电磁力矩作用，流过线圈的电流与偏转角度之间的关系不是线性的，这样在表 盘上进行刻度和读数都很不方便。为了使电流与偏转角之间呈线性关系，设计电表时在线圈中 加一铁芯，使磁场由横向变为辐射状。这时线圈转角(或偏格数 n)正比于电流 I，使得磁电式电 表读数方便准确。 3. 比较系统 有些比较要借助于或简或繁的仪器设备，经过或简或繁的操作才能完成，此类仪器设备称 为比较系统。天平、电桥、电位差计等均是常用的比较系统。 为了进行比较，常用以下方法： (1) 直读法

　　米尺测长、电流表测电流强度、电子秒表测时间等，都是由标度尺示值或数字显示窗示值 直接读出被测值，称为直读法。直读法操作简便实用，但它的测量精度取决于标准量具(或测量 仪器)的精度。因此，标准量具和测量仪器一定要定期校准，还要按照规定条件使用，否则就会 产生很大的系统误差。 (2) 均衡法、补偿法或示零法 把标准值 S 选择或调节到与待测物理量 X 值相等，用于抵消(或补偿)待测物理量的作用， 使系统处于平衡(或补偿)状态。处于平衡状态的测量系统，待测物理量 X 与标准值 S 具有确定 的关系，这种测量方法称为均衡法(或补偿法)。均衡法(或补偿法)的特点是测量系统中包含有标 准量具和平衡器(或示零器)，在测量过程中，待测物理量 X 与标准量 S 直接比较，调整标准量 S，使 S 与 X 之差为零(故也有人称其为示零法)。这个测量过程就是调节平衡(或补偿)的过程。 其优点是可以免去一些附加的系统误差，当系统具有高精度的标准量具和平衡指示器时，可获 得较高的分辨率、灵敏度及测量的精确度。在物理实验的测量操作中，均衡法的运用是非常广 泛的。例如等臂天平称重、惠斯顿电桥(在比例臂为 1：1 时)测电阻、电位差计测电压，以及各 种平衡电桥的调节等。 (3) 比率测量法 将一个未知量 X 与一已知量 S 的某分数或倍数进行比较，X=KS(K 为比例系数，可由实验 定出)，从而得到未知量 X 值的方法。例如惠斯顿电桥的倍率旋钮档的设计，就是利用了比率测 量法的原理，即利用

　　(4) 交换法和替代法 用天平称衡物体质量时，第一次称衡在左盘放置被测物体，右盘放砝码，第二次称衡在右 盘放置被测物体，左盘放砝码，取两次称衡结果的几何平均值作为被测物体的质量可以消除可 能存在的天平不等臂误差的影响。类似的测量方法称为交换法。 在用平衡电桥测电阻时，先接入待测电阻，调电桥平衡，再用可调电阻箱替换待测电阻， 并保持其它条件不变，调电阻箱重新使电桥平衡，则电阻箱示值即为被测电阻的阻值，类似的 测量方法称为替代法。 交换法和替代法常被用来消除系统误差，提高测量的精确度。 2.2.2 积累和放 当待测量或待测信号数值过小无法测准时，可以将其放大后再进行测量。由于待测物理量 的不同，放大的原理和方法也不同，常用的放有以下几种： 1. 累积放 在物理实验中我们常常可能遇到这样一些问题，即受测量仪器精度的限制，或受人的反应 时间的限制，单次测量的误差很大或无法测出待测量的有用信息，这就需要采用累积放来 进行测量。例如单摆实验的周期测量，假定单摆周期 T 为 2.00s，人开启和关闭秒表的平均反应 时间为 ∆ t=0.2s，则单次测量周期的相对误差为 ∆ t／T=10％。若我们测量 50 个周期，则将由人 开启和关闭秒表的平均反应时间引起的误差降到 ∆ t／50T=0.2％。回旋加速器也是利用了累积 放大的原理：电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速，使电子的能量不断增加。 2. 机械放 机械放大是利用力学量之间的几何关系进行转换放大的一种最直观的放大方法。例如利用 游标可以提高测量的细分程度。原来分度值为 y 的主尺，加上一个 n 等分的游标后，组成的游 标尺的分度值 ∆ y=y／n，即对 y 细分了 n 倍，这对直游标和角游标都是适用的。 螺旋测微原理也是一种机械放大。 将螺距(螺旋进一圈的推进距离)通过螺母上的圆周来进行

　　π D／d，其中 d 是螺距，D 是微分筒直径。由于放大作用提高了测量仪器的

　　分辨率，从而提高了测量精度。而迈克尔逊干涉仪又将游标放大和螺旋放大结合起来，位置分 度值读数值可达 0.0001mm，从而实现了精密测量。 3. 电学放 电子学的放大电路将微弱的电信号放大后进行测量，这就是电学放。随着微电子技术 和电子器件的发展，各种电信号的放大都很容易实现，因而这一方法在电子仪器上应用十分普 遍。电子学中电信号的放大可以是电压放大、电流放大、功率放大，电信号亦可以是交流的或 直流的。 现在各种新型的高集成度的运算放大器不断涌现，电学放大的放大率可以远高于其它放大 方式。因此，常常把其它物理量转换成电信号放大以后再转换回去(如压电转换、光电转换、电 磁转换等)。同样，为了避免失真，要求电信号放大的过程也应尽可能是线. 光学放 光学放分为视角放大和微小变化量(微小长度、微小角度)放大两种。放大镜、显微镜和 望远镜等都属于视角放大的仪器。这类仪器只是在观察中放大视角，并不是实际尺寸的变化， 所以并不增加误差。因而许多精密仪器都是在最后的读数装置上加一个视角放大装置以提高测 量精度。 微小变化量的放大原理常用于检流计、光杠杆等装置中。如测量微小长度变化的光杠杆镜 尺法则是通过测量放大的物理量来获得微小的长度变化。 2.2.3 转换法 转换测量法是根据物理量之间的各种效应和定量函数关系，利用变换原理将不能或不易测 量的待测物理量转换成能测或易测的物理量进行测量，然后再求待测物理量。实际上就是间接 测量法的具体应用。 由于物理量之间存在多种关系和效应，因此也就有不同的转换法，这恰恰反映了物理实验 中最有启发性和开创性的一面。转换法一般可分为参量转换法和能量转换法两大类。 1. 参量转换法 参量转换法是利用物理量之间变换的某种函数关系进行的间接测量。 (1)把测不准的量转换成可测量的量。例如测不规则物体的体积或密度，将不易测量的不规 则物体的体积转化为易测量的液体体积，只需一个有较精密刻度的量筒就行。 (2)用测量物理量的改变量代替测量物理量。例如，利用非平衡电桥在平衡点附近，平衡指 示器的变化量与某一个臂数值的变化成正比这一关系，求出温度变化，就可求出电阻随温度的 变化。 (3)把不可测的量转换成可测的量。如关于引力波的实验，物理学家通过测量双星由于辐射 引力波而导致轨道周期的减小来检验引力波的存在，解决了实验室中无法达到的既可以直接测 量到宇宙内的引力波、又同时能排除电磁辐射干扰的目的。我国古代曹冲称象的故事也是一个 参量转换的很好范例，把当时不可测量的大象重量变换成可测量的石头重量。 (4)把单个测量点的计算方法，改变为多个测量点的作图法或回归法。把不易测的物理量放 在截距上，而把要测的物理量放在斜率中去解决。 2. 能量转换法——传感器转换法 与参量转换不同，能量转换是利用—种运动形式转换为另一种运动形式时物理量之间的对 应关系进行的间接测量。能量转换的关键是传感器——根据某一物理原理或效应制成的一种能 量转换装置。由于热敏、光敏、磁敏、压敏等各种新型功能材料不断涌现，以及这些材料的性 能不断提高，各种各样的敏感器件和传感器也就应运而生，为科学实验和物理测量方法的改进

　　提供了米乐M6 M6米乐很好的条件。考虑到电磁学参量测量方便、迅速、容易实现，所以最常见的传感器转换 法是将某些物理量的测量转换为电学量的测量(亦称电测法)。 最常见的有： (1)热电转换：将温度的测量通过热电传感器转换成电压或电阻的测量。热电传感器的种类 很多，它们虽然依据的物理效应不同，但都是利用了材料的温度特性。例如，利用材料的温差 电动势原理，将温度测量转换成热电偶的温差电动势的测量。 (2)压电转换：利用压敏元件或压敏材料(如压电陶瓷、石英晶体等)的压电效应，将压力转 换成电信号进行测量。反过来，也可以用某一特定频率的电信号去激励压敏材料使之产生共振， 来进行其他物理量的测量。例如，在“超声声速的测定”实验中，我们利用压电换能器将电信 号转换为压力变化产生超声波发射，又利用其逆变化将接收的声波信号转换回电信号在示波器 上显示，由此测定声音在空气中的传播速度。 (3)光电转换：利用光敏元件将光信号转换为电信号再进行测量的方法。例如在弱电流放大 的实验中， 把激光(或日光、 灯光等)照射在硒光电池上直接将光信号转换为电信号， 再进行放大。 光电管、光电倍增管、光电池、光敏二极管、光敏三极管等器件可以实现光电转换，测定相对 光强。 (4)磁电转换：利用半导体霍耳效应进行磁学量与电学量的转换测量。最典型的磁敏元件是 霍耳元件、磁记录元件(如读、写磁头，磁带，磁盘……)等。利用磁敏元件(或电磁感应组件)将 磁学参量转换成电压、电流或电阻的测量。例如在用霍耳元件测磁场实验中，利用霍耳效应将 磁感应强度转换为霍尔电势差。 (5)几何变化量与电学参量的转换：利用电学元件或参量(如电感、电容、电阻等)对几何变 化量敏感的特性，来进行对长度、厚度或微小位移等几何量的测量。 转换法灵敏度高、反应快、控制方便并能进行自动记录和动态测量。与其它方法综合运用， 可使许多过去认为难以解决、甚至不能解决的技术难题迎刃而解。 2.2.4 模拟法 模拟测量法是根据相似性原理，人为地制造一个类似于被研究的对象或运动过程的模型， 用模型的测试代替对实际对象的测试的实验方法。这是因为在探求物质的运动规律或解决工程 技术问题时，往往会遇到像被研究的对象非常庞大或非常微小、非常危险、或者是研究对象变 化非常缓慢这样一些特殊的、难以对研究对象进行直接测量的情况。模拟法—般可分为以下几 种： 1. 几何模拟法 几何模拟是将所研究对象按比例制成模型， 以此作为观察研究的辅助手段， 此法简单实用， 但只能作定性研究，不易弄清被模拟量的内部变化规律，物理实验中很少采用。 2. 物理模拟法 物理模拟的特点是模拟量与被模拟量的变化服从同一物理规律。例如，为了研究高速飞行 的飞机上各部位所受的力，以便于飞机的设计，人们首先制造一个飞机模型，将模型放入风洞， 创造一个与实际飞机在空中飞行完全相似的物理过程，对模型飞机受力情况进行测试，以便获 得可靠的实验数据。 物理模拟可使观察的现象反复出现，生动形象，因此具有广泛的应用价值。 3. 数学模拟法 数学模拟法又称类比法， 这种模拟的模型与原型在物理形式上和实质上可能毫无共同之处， 但它们却遵循着相同的数学规律。例如，力电类比中，力学的共振与电学的共振虽然不同，但 它们却有相同的二阶常微分方程。又如模拟静电场的实验，就是根据电流场与静电场具有相同 的数学方程式，用稳恒电流场来模拟静电场得到所需的实验结果。

　　随着计算机的不断发展和广泛的应用，人们可以通过计算机模拟实验过程，预测可能的实 验结果。这是一种新的模拟方法——人工智能模拟，它属于计算物理的研究范畴，我们不在这 里讨论。 模拟法虽然具有上述的许多优点，但也有很大的局限性，因为它仅能够解决可测性问题， 并不能提高实验的精度。 以上分别介绍了物理实验中最常用的几种基本测量方法，但是每一种方法都不是孤立的。 学习、掌握实验方法的过程是人类认识事物由感性到理性的发展过程，也是我们科技工作者科 学素质和实验能力的积累提高过程。在物理实验课程学习中应当注意理论联系实际，重点掌握 实验方法，并在实践中学会运用，特别是学会综合应用各种实验方法解决问题。

　　实验中正确调整和操作各种仪器、仪表和装置，使其达到最佳状态，可以减小系统误差， 提高测量的精确度。有关仪器设备的调整和操作技术内容相当广泛，需要通过具体的实验训练 逐渐积累。本节只介绍一些最基本的通用调整和操作技术，一些专门技术可通过相应的实验去 学习。 1．仪器初态和安全位置 所谓“初态”是指仪器设备在进入正式调整、实验前的状态。正确的初态可保证仪器设备 安全，保证实验工作顺利进行。如设置有调整螺钉(迈克尔逊干涉仪上反光镜的方位调整螺钉， 测读望远镜的俯仰调整螺钉等)的仪器，在正式调整前，应先调整螺钉处于松紧合适的状态，具 有足够的调整量，以便于仪器的调整，这在光学仪器中常会遇到。 在电学实验中则有所谓安全位置问题。例如，未合电源前，应使电源的输出调节旋钮处于 使电压输出为最小的位置； 使滑线变阻器的滑动端处于对电路最 “保险” 的控制状态(若做分压， 使电压输出最小；若做制流，使电路电流最小)；在平衡调节前，把保护电阻接入示零电路等等。 这样既保证了仪器设备的安全，又便于控制调节。 2．零位(零点)调整 绝大多数测量工具及仪表，如千分尺，电压表等都有其零位 (零点)。在使用它们进行测量 之前，都必须校正零位。 零位校准有二种情况，一种是测量仪器本身有零位校准器，如电表等，则可进行调整，使 仪器在测量前处于零位。另外一种，仪器虽然零位不准，但无法调整、校准，如磨损了的米尺、 螺旋千分尺等，则需在测量前记录最初读数，以备在测量结果中修正。 3．水平、铅直调整 物理实验所用的仪器或装置中，有些需在水平或铅直状态下才能正常工作。大部分需调整 的仪器自身就装有水准仪或悬锤， 底座有二个或三个(排成等边或等腰三角形)可调节的螺钉。 我 们只需调节螺钉，使水准仪的气泡居中或铅锤的锤尖对准底座上的座尖，即可达到调整要求。 有些不能用自身装置来调整的仪器，可选用相应的水准仪来调整。 4．消除视差的调整 当刻度标尺与指示器或标识物(如电表的表盘与指针、望远镜中叉丝分划板的虚像与被观察 物的虚像)不在同一平面时，眼睛从不同方向观察会出现读数有差异或物与标尺刻线有分离的现 象，称为视差现象。为了测量正确，实验时必须消除视差。消除视差的方法有二：一是使视线 级以上的电表表盘上均附有平面反射镜，当观察到指针与其像重合时， 指针所指刻度为正确读数值；二是使标尺平面与被测物密合于同一平面内。如游标卡尺的游标 尺被做成斜面，便是为了使游标尺的刻线端与主尺接近处于同一平面，减少视差。使用光学测 读仪器均须做消视差调节，使被观测物的实像成在作为标尺的叉丝分划板上，即它们的虚像处

　　于同一平面。 5．调焦 在使用望远镜、显微镜和测微目镜等光学仪器时，为了进行正确的测量或看清目的物，均 需进行调焦。例如望远镜要调节叉丝到物镜的距离使之处于透镜的焦面上；使用显微镜要使被 观察对象处于物镜的工作距离处，而测微目镜则要使叉丝在目镜的焦距内作适当的调节。这种 调节统称为调焦。 调焦是否已调好常以光学规律(如自准成像)或是否能看清目的物上的局部细小 特征为准。 6．等高共轴调整 在由两个或两个以上的光学元件组成的实验系统中，为获得好的像质，满足近轴光线条件， 必须进行共轴调整，即：使所有光学元件的光轴重合，且其物面、屏面垂直于光轴。调整一般 分为两步，第一步进行粗调(目测调整)，第二步根据光学规律进行细调，常用的方法有自准法和 二次成像法。如果在光具座上进行实验，为了读数正确，还须把光轴调整得与光具座平行，即 光学元件光心距光具座等高且光学元件截面与光具座垂直． 7．消除空程误差 由丝杠、螺母构成的转动与读数机构，由于螺母与丝杠之间有螺纹间隙，往往在测量刚开 始或刚反向转动丝杠时，丝杠需转过一定角度才能与螺母啮合。结果，与丝杠联结在一起的鼓 轮已有读数改变，而由螺母带动的机构尚未产生位移，造成虚假读数而产生空程误差。为避免 产生空程，使用这类仪器(如测微目镜、读数显微镜等)时，必须单方向旋转鼓轮待丝杠与螺母啮 合后，才能开始测量，并且保持整个读数过程继续沿同一方向前进，切勿忽正忽反旋转． 8．逐次逼近调整 依据一定的判据，逐次缩小调整范围，使系统较快地收敛于所需状态的方法称为逐次逼近 调节法。判据在不同的仪器中是不同的，如天平是看天平指针是否指零，平衡电桥是看检流计 指针是否指零。逐次逼近调节法在天平、电桥，电位差计等仪器的平衡调节中都要用到，在光 路共轴调整、分光计调整中也要用到，是一种经常使用的调整方法． 9．先定性、后定量原则 实验前，我们通过预习对实验内容、使用的仪器设备都已有所了解，在进行实验时，不要 急于获取实验结果，而是采取“先定性、后定量”的原则进行实验。具体作法是：仪器调整好， 在进行定量测定前，先定性地观察实验变化的全过程，了解物理量的变化规律。对于有函数关 系的二个或多个物理量，要注意观察一个量随其它量改变而变化的情况，得到函数曲线的大致 图形，在定量测试时，可根据曲线变化趋势分配测量间隔，曲线变化平缓处，测量间隔大些， 变化急剧处，测量间隔就应小些。这样采用由不同测量间隔测得的数据作图就比较合理。 10．回路接线法 一个电路图可分解为若干个闭合回路。接线时，循回路由始点(如某高电势点)依次首尾相 连，最后仍回到始点，此接线方法称回路接线法。按照此法接线和查线，可确保电路连接正确 无误． 11．跃接法 在示零法测量中，经常采用瞬间(而不是较长时间)接通示零电路的方法来对平衡状态或平 衡偏离的方向作出判断。这样做的好处是，在远离平衡状态时保护仪表(例如电位差计实验中的 标准电池和光点检流计)，使其免受长时间的大电流冲击；在接衡时，通过电路的瞬间通断 比较，提高检测灵敏度。 以上介绍的是实验技术中的普遍原则和方法。随着科学技术的发展，实验仪器、设备不断 更新，实验调整技术也会增加新的内容。我们应当不断关注科学技术的发展，提高自己的实验 水平。