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第1 章 测量误差、不确定度和数据处理 1.6 物理实验的基本方法 物理量的测量是一个以物理理论为依据，以实验技术和实验装置为手段得出待测物理量的 测量结果的过程。物理实验的测量结果与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，测量方法可能不同，即使在同一范围内，不确定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不确定度的要求如何。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。下面介绍在科学实验中具有共性的物理实验基本方法。 1.6.1 比较法 比较法是物理实验中最常用的基本方法。它是将待测量与标准量进行比较来确定待测量量 值的一种实验方法。按比较方式可分为直接比较法和间接比较法两类。 1．直接比较法 直接比较法是将待测物理量与同类物理量的标准量具或标准仪器直接进行比较测出其量值 的方法。例如用米尺测量长度、用天平测量质量等都是直接比较法。 2．间接比较法 有些物理量难于直接比较，需要通过物理量之间的函数关系将待测量与某种标准量进行间 接比较，求出其大小。例如根据李萨如图形测量交流电信号频率就是先将被测信号和标准信号 同时输入示波器转换为特殊图形后，再由标准信号的频率换算出被测信号之频率，就是间接比 较法。 实际上，所有测量方法本质都是比较法，都是将待测量与标准量进行比较的过程，只不过 比较的形式不都是那么明显而已。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）平衡法、补偿法或示零法 S X 把标准量具的值 选择或调节到与待测物理量 的值相等，用于抵消（或补偿）待测物 X 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 与标 S 准量具的值 具有确定的关系，这种测量方法称为平衡法（或补偿法）。平衡法（或补偿法）的 X 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 与标 S S S X 准量具 直接比较，调整标准量 ，使 与 之差为零（故也称其为示零法）。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，此法的运用非常广泛。例如用等臂天平称物体的质量是一种平衡测量，用惠斯顿电 桥（在比例臂为1：1 时）测电阻，也是一种平衡测量；以上两例均在指针（天平读数长指针和 电桥检流计指针）示零时获得测量值，所以又可称为示零测量。而惠斯顿电桥实际上又是一种 电压补偿（电桥平衡时，桥臂上电压互相补偿，检流计示零）的测量装置。 （3）比率测量法 X S X KS 将一个未知量 与一已知量 的某分数或倍数进行比较， （ 为比例系数，可由 K X 实验定出），从而得到未知量 值的方法。例如惠斯顿电桥的倍率旋钮挡的设计，就是利用了 R 比率测量法的原理，即利用 1 K （ =0.001，0.01，0.1，1，10，100，1000）来达到改变