第十章_常用实验设计思想

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1、我们把一些在选用实验方法、进行实验设计、安排实验或者在实验中进行调节、测量时具有普遍意义的思想称之为实验思想。实验设计是实验过程中的一个十分重要环节，实验设计思想就是设计实验时具有普遍意义的思想。常用的实验设计思想有转换思想、比较思想、补偿思想和放大思想。 1、            转换思想一般地说，转换主要是在保证效果相同的前提下，将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题。在物理实验中，常有一些物理现象或过程中的物理量难以直接测量，需要转换以间接测量来实现实验的目的。卡文迪许在1773年用两个同心金属壳作实验，他将这个实验重复了多次，

2、确定电力服从平方反比定律，指数不超过0。02。卡文迪许这个实验设计得很巧妙，他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了相当可靠而且精确的结果。关键因素之一是他掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器，通过数学处理，将直接测量转换为间接测量，也就是说他没有直接测量电力与距离之间的关系，而是用木髓球验电器来检验内球是否带电。结果发现木髓球验电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球上，由此确定电力服从平方反比定律。在发现欧姆定律的实验中，那时还没有安培计，无法直接测量电流强度。欧姆根据电流的磁效应，电流强度与电磁力有线性关系，因此采用磁力扭秤来

3、测量电流所产生的磁场对磁针的作用力矩，以此确定电流的强度。也就是说，把电流强度的测量转换为扭秤中金属丝扭转角的测量。在研究原子核的β衰变现象时，曾经怀疑过能量守恒和动量守恒是否遭到了破坏。为了说明这个问题，必须假设一种中性的、静止质量极小（或为零）的中微子的存在。可是中微子不带电，和物质的相互作用又极为微弱，要想直接观察是困难的，必须采用转换的思想。开始采用两种常用的方法：一种是所谓的β能谱法，即用量能器测量β衰变时的能量谱，由于电子只带走了衰变前后原子核能量差的一部分，其余部分的能量，即由中微子带走。这是最早的中微子实验，可以定性地、间

4、接地证实中微子的存在。另一种是原子核反冲法。原子核在β衰变发射电子的同时，原子核本身还要受到一个反作用力，使原子核本身获得一个反冲速度。只要测出了发射电子与反冲核的动量，从动量的守恒，就可以确认中微子的存在。然而，β衰变共有三个子体，一为电子，一为中微子，一为反冲核。三者的动量、能量关系取决于它们的出射方向，不易测定。后来又采用了K俘获法，它把三体问题变成了二体问题。在这种过程中，放射性原子核不是放射电子，而是从最靠近核的K层轨道上吸收一个电子，衰变后只有两个粒子，一为中微子，一为反冲核，二者的动量是完全确定的。如果选用比较轻的原子核，反

5、冲动量可以比较大，更容易测量些。例如可挑选铍原子核的K电子俘获的过程，因为在铍的K电子俘获过程中，它的末态只包括铍原子核和中微子两个粒子。如果能量和动量是守恒的话，那么反冲铍原子核便具有确定的动量和能量；并且因为铍是一个质量较轻的原子核，它的反冲动量和能量还应该大些，这样一来就便于进行实验观察和测量了。 2、            比较思想人们认识事物、现象，往往是通过对两个事物、现象的对比，或把某一现象发生变化的前、后情况进行比较来实现的。物理实验常通过对一些物理现象或物理量的比较，达到异中求同和同中求异的实验目的。为了证明红色和蓝色的

6、光确实具有不同的折射性能，牛顿采用比较思想做了这样一个实验，他用一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，把它放在窗户边，通过一块玻璃棱镜来观察它，如图6图6所示。他发现：如果把棱镜的折射棱角朝上，使纸板由于折射看起来好象被抬高了。那么折射的结果使蓝色半边比红色半边升得更高。但是当棱镜的棱角朝下，使纸板由于折射看起来好象是被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。根据以上实验，牛顿断定蓝光折射得比红光更厉害些，并得出透镜聚光时，蓝光和红光一定是聚集在离透镜不同的距离上。厄缶实验采用扭秤方法，直接比较两个物体的惯性质量和引力质量。如果惯性

7、质量与引力质量等价，则两物体所受离心力相等，力矩互相抵消，扭秤维持平衡；反之，则扭秤失去平衡，而使悬丝扭转。在迈克尔逊—莫雷实验中，他们把两束光线进行比较，一束光线被认为在与地球自转有同样切向速度的、被地球带动的以太中运动，另一束被认为在没有与地球牵连的媒质中传播。富兰克林详细地比较了天上闪电和莱顿瓶的放电现象后，发现它们在性质上是一致的，由此统一了天地和地电。伽伐尼利用雨天和晴天进行比较，排除了是外来电引起蛙腿收缩的可能性。在电流的磁效应实验中，奥斯特做了一个对比实验，即把一块硬纸板放在通电导线与小磁针之间，发现小磁针仍然偏转，于是排除

8、了小磁针偏转是电流的热效应引起的可能性。由于放射性粒子或射线能够使空气电离，因此可以用带电的验电器来检验放射性粒子或射线的存在。居里夫人就曾经用了一个带抽屉的验电器，每次分别将不同的放射性样品