物理实验是人们根据研究的目的,利用科学仪器、设备,为地控制或模拟自然现象,排除干扰,突出主要因素,在最有利的条件下去研究自然规律的一种认知活动。物理实验加快了人们探索自然进程的速度,好的方法使人们更能深刻地认识自然规律。
一、物理实验在物理学研究中有非常重要的作用
1.物理实验能够发现物理规律,建立物理理论。在物理学中,许多规律都是通过实验总结出来的。如帕斯卡定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等。其中法拉第电磁感应定律就是法拉第经过十年不懈的实验研究发现的。
2.物理实验能够验证物理假说,检验物理理论。实验既是建立理论的源泉,又是检验理论真理性的最终标准。1968年美国物理学温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆提出的新统一假说认为:弱相互作用和电磁相互作用是统一的,并提出一套理论进行论证。但这一假说遭到一些物理学家的怀疑。1979年美国物理学家莫玮和中国物理学家祝翔等合作,在美国费米实验室成功地进行了μ中微子和电子的磁撞实验,使弱相互作用与电磁相互作用实现了基本统一,从而验证了温伯格假说的正确性。同年,温伯格和萨拉姆荣获了诺贝尔物理奖。
3.物理实验能够完善理论体系,发现物理理论。1879年汤姆逊发现了电子,从而否定了原子不可分的观念。他提了枣糕式原子结构模型,认为原子是由电子均匀镶嵌在其中的实体球。1909年卢瑟福进行了著名的a粒子散射实验,显示汤姆逊模型的缺陷。于是卢瑟福根据实验数据分析计算总结,于1911年提出了核式原子结构模型,虽然这一模型能解决一些物理现象,但这一模型与氢光谱存在着矛盾。为此,玻尔又提出具有量子化条件的原子结构模型,但仍未摆脱经典电磁理论的束缚。20世纪初发展起来的量子力学和相对论,再次给出了量子力学的原子结构模型,使之更接近真理。这样,原子结构的理论在不断地实验探索和理论研究中逐渐完善和发展。因此,掌握物理实验方法,充分发挥它的功能,有着重大的意义。
二、了解物理实验的基本程序掌握物理实验方法
物理实验一般包括实验课题的选择,实验的构思与设计,实验的实施,实验观测与记录,实验数据的处理和实验结果的理论解释等步骤。实验课题的选择要根据实际需要、主观条件和实验的目的来确定。实验课题的选择关系到确定主攻方向,具有重要的意义。正确的选题要求实验要有目的性和计划性,同时也要有灵活性,注意追踪有成功希望的线索。在物理学的某一领域一旦出现了新现象、新事物、新发现时,有远见卓识的物理学家立刻会从各个可能的角度进行观察、实验,“跟踪追击”,去取得重大突破。实验的构思和设计是整个实验的关键性步骤,要注意物理实验的设计方法。在物理学史上有一些实验设计非常巧妙,不仅目的明确,思考周密,而且能抓住关键,出奇制胜。在物理实验时,常用的设计方法有以下几种:
1.平衡法:所谓平衡就是矛盾双方的平衡,分析平衡就是
分析矛盾的双方在一个平衡系统中,总存在着偏离平衡因素,平衡就是偏离平衡因素的抵消效应,其实质是根据平衡的原理设计的,如天平、比重计、温度计等。
2.转换法:在物理实验中,常有一些现象因不明显而不易
观察或者不易直接观察,这就要借助于力、热、电、光、机械等方法之间相互转换以间接地实现可观察、容易观察或观察效果明显的目的。如迈克尔逊干涉仪把测光速转换成测光的干涉条纹;伏安法测电阻是把测电阻转换成测量电流和电压。
3.放大法:在实验观测过程中,有些物理量因太小而不能直接观测时,就要借助于声、光或叠加等方法,将待测量放大后再去观测。如游标卡尺、放大镜、望远镜、显微镜等仪器。
4.比较法:物理实验常通过对一些物理现象或物理量的
比较来达到异中求同或同中求异的实验目的,此即比较法。如自感现象的观察,光谱分析等。
5.再现法:就是模拟自然现象发生的条件,在实验室中重
现自然物理现象的方法。如用棱镜对光进行色散可以模拟彩虹,从而达到研究彩虹的目的。实验的具体实施:在完成实验的构思与设计后,就要着手准备与研制实验设备、仪器、材料等。已有的仪器,需要熟练使用,并进行校准。还需要添加的一些设备和仪器要根据实验要求加以研制。如迈克尔干涉仪,是按[1] [2] 下一页
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