第1章 物理實驗研究方法與論文寫作
　　物理學是以實驗為本的科學.在物理學發(fā)展過程中，科學實驗起到了十分重要的作用.所謂實驗是人們根據(jù)研究的目的，運用科學儀器，人為地控制？創(chuàng)造或純化某種自然過程，使之按預期的進程發(fā)展，同時在盡可能減少干擾的情況下進行觀測（定量的或定性的），以探求該自然過程變化規(guī)律的一種科學活動.物理實驗是一門實驗科學，它不僅為物理學概念和原理的建立做出了貢獻，更重要的是，它體現(xiàn)了人類社會的創(chuàng)新發(fā)展過程和創(chuàng)新成果.大學物理實驗引入高等教育已有100多年的歷史，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著日益重要的作用.
　　研究性實驗是模擬科學研究的過程進行的實驗.在一定意義上說，一次研究性實驗的過程就是一次科學研究的過程.科學研究并沒有一成不變的方法.有些人埋頭做科學實驗，通過細心觀察發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象，如倫琴發(fā)現(xiàn)X射線；有些人按照概念做實驗，如居里夫人從大量的礦石里面提煉出放射性元素鐳；有些人通過廣泛收集資料和觀察，悟出一些規(guī)律，如達爾文的進化論；也有些人提出了一些新概念，如麥克斯韋的電磁場理論和愛因斯坦的相對論；還有一些人是把不同的學科組織聯(lián)系起來，如維納提出來的控制論.本書力求引導和啟發(fā)學生通過實驗來學會如何剖析實驗問題，制定最佳實驗方案，獨立操作，培養(yǎng)文獻檢索？科技寫作與團隊精神等綜合素質(zhì)和能力，并留給學生一些具有啟發(fā)性的？開擴視野和思路的問題.
　　1.1 物理實驗研究方法
　　1.什么是科學研究
　　科學研究是人們?yōu)榱私�立？填補和完善某一領域（如自然？社會？思維等）客觀規(guī)律的科學知識體系而進行的活動和工作.科學研究的目的是要發(fā)展和深化人類的認識過程，發(fā)現(xiàn)客觀世界的某一本質(zhì)規(guī)律，發(fā)明創(chuàng)造物質(zhì)財富的方法和手段.科學研究必須有一個新的結(jié)果作為衡量，這個新的結(jié)果可能是新的發(fā)現(xiàn)，可能是新的理論，可能是新的方法，也可能是一種器械或者是一種材料等.總而言之，科學研究就要求我們在前人研究基礎上有所創(chuàng)新.
　　2.科學研究具有客觀性？創(chuàng)新性？多學科綜合與交叉性
　　科學研究的客觀性就是實事求是？尊重客觀事實.科學研究的目的就是要有所創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新就沒有科學進步.科學研究的創(chuàng)新應包括：①原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，即發(fā)現(xiàn)前人未曾發(fā)現(xiàn)過的現(xiàn)象？規(guī)律，創(chuàng)造出別人還沒有做出的新事物？新方法；②對原創(chuàng)性創(chuàng)新的整理和歸納，這種整理和歸納對于科學發(fā)展所做的貢獻不亞于原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，例如，門捷列夫正是在整理元素周期表的過程中發(fā)現(xiàn)元素周期律，并由此預言了新元素的存在及其性質(zhì)；③原創(chuàng)性創(chuàng)新知識的集成和運用，知識創(chuàng)新成果的創(chuàng)造性傳播？轉(zhuǎn)化和規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，也是一種很重要的創(chuàng)新，而且是一種把知識變成力量和物質(zhì)財富的創(chuàng)新.弗蘭西斯？培根說“知識就是力量”，但是如果沒有這種運用和轉(zhuǎn)化，知識就永遠只是知識而已.
　　科學研究具有多學科綜合與交叉性.科學發(fā)展到今天，出現(xiàn)了高度分化和高度綜合的兩種不同的趨勢，各門學科縱橫交錯？聯(lián)系緊密，于是在當代科學研究中表現(xiàn)出學科交叉的綜合研究的特點.
　　3.科學發(fā)展的一般順序
　　（1）由科學思想形成的概念定義出一個確定的物理量；
　�。�2）由此進一步確定此物理量的實驗測定方法？儀器裝置？實驗配方等，從而得到大量的實驗結(jié)果；
　�。�3）總結(jié)這些實驗結(jié)果，得出經(jīng)驗關系或定理；
　　（4）從理論上分析說明這些經(jīng)驗關系的本質(zhì)，力求從理論上得出與實驗結(jié)果相符的該物理量的計算方法，即人們一般所說的不僅要知其然還要知其所以然.
　　4.物理實驗研究的基本程序
　　對于一個具體的研究課題，從開始選題到研究工作結(jié)束，整個過程必須按照一定的程序進行.不過科學實驗過程中的許多工作都要經(jīng)過反復修改甚至推翻重來的，即通過實踐？修正？實踐的多次反復，不斷加以完善.
　�。�1）確定研究課題.
　　選題不僅要有科學性？創(chuàng)新性？實用性，還要考慮實現(xiàn)的可能性.研究性實踐活動的課題往往都是指導教師給定的，不僅要求教師把握科學需求和研究趨勢，還要注意課題的難度，過難或過易的研究課題都可能給學生的研究性實踐活動帶來不利的影響.不過，該環(huán)節(jié)一般與調(diào)研環(huán)節(jié)是強耦合的，調(diào)研的結(jié)果可能會進一步修正研究課題的具體任務.
　　（2）課題調(diào)研.
　　針對給定的研究課題，通過實地或查閱文獻等調(diào)查研究，回答下述問題：在該課題上國內(nèi)外有哪些研究者，已經(jīng)做了哪些工作，這些工作如何分類？有何優(yōu)缺點，當前最好的方法已經(jīng)做到了什么程度，還有什么問題沒有解決，目前的發(fā)展趨勢是什么等.這是科學研究中至關重要的一環(huán).如果調(diào)研上出了問題，就會導致重復了別人的工作，或者解決了別人早已解決了的問題，或者做了遠不及別人已完成的成果.在調(diào)查研究過程中，要堅持獨立思考，不要被文獻資料束縛了自己的思想.在調(diào)研階段，師生共進是非常重要的.學生有足夠的時間和精力閱讀大量的論文，從而能夠把握更多的文獻和細節(jié)，但可能因缺少全局觀而判斷力不足，因而難以形成有效的知識體系；而教師往往本就在相關領域具有一定的基礎，而且知識體系更全面，可以形成更好的判斷.因此，在這一階段，學生與導師應該多交流，共同形成對研究方向的準確把握，從而提出真正有價值的學術問題.
　�。�3）制定實驗方案.
　　實驗方案是完成課題的關鍵，在大量調(diào)研的基礎上，作出研究全過程的藍圖，選擇突破口和切實可行的技術路線，包括研究理論依據(jù)，建立物理模型，選擇適當類型的實驗和實驗方法，設計正確的測量方法和路線，恰當?shù)倪x擇實驗儀器設備等.在實驗方案中還要探究最佳實驗條件.實驗方案還應兼顧數(shù)據(jù)處理的方法及誤差的合理估計與制定方案的關系.實驗方案應具有先進性？預見性和切實可行性.請教師對實驗方案進行把關，避免研究性實踐活動出現(xiàn)大的偏差.
　　①選擇實驗方法.
　　根據(jù)課題研究對象的性質(zhì)與特點，收集各種可能的實驗方法，在分析和比較各種實驗方法的適用條件？可能達到的實驗精度以及可行性和經(jīng)濟因素后，選擇符合實驗要求的最佳實驗方法.
　�、谶x擇最佳測量方法.
　　實驗方法確定后，需要選擇一種最佳測量方法，最充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器設備的效能，使各物理量的測量結(jié)果誤差最小.
　　測量中，產(chǎn)生誤差的原因是復雜的，根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，將誤差分為系統(tǒng)誤差？隨機誤差和粗大誤差三類.
　　粗大誤差的發(fā)生是由于實驗者的過于疲勞或疏忽大意，或環(huán)境條件的突然變化而引起的.對于這類誤差，首先要設法判斷其是否存在，然后應用相應的法則將此類誤差剔除.
　　在相同的條件下，對同一物理量進行多次重復的等精度測量，每次測量的誤差絕對值時大時小，誤差時正時負，任何一次測量值的誤差都是隨機的，這類誤差稱為隨機誤差.對于這類誤差，主要是采用等精度多次測量的方法來盡量減小其影響.對于一些等間隔？線性變化的連續(xù)序列數(shù)據(jù)的處理，則可以采用逐差法和最小二乘法等.
　　在一定條件下，對同一物理量進行多次重復測量時，誤差的絕對值和符號保持不變，或在條件改變時按某一確定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差.系統(tǒng)誤差的來源主要有儀器誤差？方法理論誤差？環(huán)境誤差？個人誤差等.對于系統(tǒng)誤差，應有針對性運用各種基本測量方法予以發(fā)現(xiàn)和減小.要仔細考察與研究對測量原理和方法的推演過程，檢驗或校準每一件儀器，分析每一個實驗條件，考慮每一步調(diào)整和測量，注意每一種因素對實驗的影響等.
　�、圻x用儀器設備.
　　根據(jù)實驗目的和精度要求，選用最簡單？最經(jīng)濟的符合要求的儀器.衡量儀器的主要技術指標是分辨率和精確度，即儀器能夠測量的最小值和儀器誤差.可以用誤差分析來實現(xiàn)儀器的最佳選擇.若實驗中選用多種儀器，還應注意合理配套和儀器誤差的合理分配.
　�。�4）實驗實施過程.
　　實驗過程中要進行最佳實驗條件的探索實驗.實驗中要注意運用理論指導實踐，有針對性地運用各種測量方法減少實驗的系統(tǒng)誤差.在實驗過程中必須嚴格遵守實驗室規(guī)章制度和實驗規(guī)程，仔細觀察，認真？實事求是地記錄實驗數(shù)據(jù)和過程細節(jié)，養(yǎng)成良好的實驗工作作風.
　　（5）結(jié)果分析與討論.
　　對積累的大量實驗數(shù)據(jù)進行認真的整理和綜合分析.可以用表格？曲線？圖解？照片等分析總結(jié)實驗結(jié)果.對于主要的實驗結(jié)果，通常要逐項探討？判斷分析；探討所得結(jié)果與研究目的或假設的關系以及與他人研究結(jié)果的比較與分析；對研究結(jié)果的解釋（是否符合原來的期望）；重要研究結(jié)果的意義（推論）.這是由表及里，從現(xiàn)象到規(guī)律，從感性到理性的提煉升華過程.
　　（6）得出結(jié)論.
　　上述實驗結(jié)果如果足夠充分而且對比豐富，則提供了寶貴的第一手資料，足以支撐一些基本的結(jié)論.更重要的是，所謂“實踐出真知”，就是這些結(jié)果和對比分析為我們提供了更為寶貴的經(jīng)驗，可以使我們更深刻地認識相關課題領域存在的真實問題是什么，什么樣的思路可能是有效的，進而使我們可以進一步提出新問題或者新的解決思路，從而再次回到科研流程的第4個步驟上.在這樣一個節(jié)點上，教師和學生的深入討論是發(fā)現(xiàn)新問題？誕生新思路的法寶.
　　1.2 論文報告的撰寫
　　科學論文和研究工作報告是科學研究的永久性記錄和總結(jié).通常由以下幾部分組成：
　　1.引言
　　引言（或緒論）簡要說明研究工作的目的？范圍？相關領域的前人工作和知識空白？理論基礎和分析？研究設想？研究方法和實驗設計？預期結(jié)果和意義等.引言應言簡意賅，不要與摘要雷同，不要成為摘要的注釋.一般教科書中已有的知識，在引言中不必贅述.比較短的論文可以只用小段文字起著引言的效用.學位論文需要反映作者已掌握了堅實的基礎理論和系統(tǒng)的專門知識，具有開闊的科學視野，對研究方案作了充分論證，因此有關歷史回顧和前人工作的綜合評述以及理論分析等，可以單獨成章，用足夠的文字敘述.
　　引言的目的是給出作者進行本項工作的原因及目的，因此應給出必要的背景材料，讓對這一領域并不特別熟悉的讀者能夠了解進行這方面研究的意義？前人已達到的水平？已解決和尚待解決的問題，最后應用一兩句話說明論文的目的和主要創(chuàng)新之處.
　　2.正文
　　正文是核心部分，占主要篇幅，可以包括調(diào)查對象？實驗和觀測方法？儀器設備？材料原料？實驗和觀測結(jié)果？計算方法和編程原理？數(shù)據(jù)資料？經(jīng)過加工整理的圖表？形成的論點和導出的結(jié)論等.論文主體的內(nèi)容應包括以下兩部分：
　　（1）材料和方法.材料包括材料來源？性質(zhì)？數(shù)量？選取和處理事項等.方法包括實驗儀器？設備？實驗條件？測試方法等.
　　（2）實驗結(jié)果與分析討論.以圖或表等手段整理實驗結(jié)果，進行結(jié)果的分析和討論，包括：通過數(shù)理統(tǒng)計和誤差分析說明結(jié)果的可靠性？可重復性？范圍等；進行實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果的比較（包括不正�，F(xiàn)象和數(shù)據(jù)的分析）；實驗結(jié)果部分的討論.值得注意的是：必須在正文中說明圖表的結(jié)果及其直接意義；復雜圖表應指出作者強調(diào)或希望讀者注意的問題.對研究內(nèi)容及成果應進行較全面？客觀的理論闡述，應著重指出本研究內(nèi)容中的創(chuàng)新？改進與實際應用之處.理論分析中，應將他人研究成果單獨書寫，并注明出處，不得將其與本人提出的理論分析混淆在一起.對于將其他領域的理論？結(jié)果引用到本研究領域者，應說明該理論的出處，并論述引用的可行性與有效性.
　　3.結(jié)論
　　結(jié)論是最終的？總體的結(jié)論，不是正文中各段的小結(jié)的簡單重復.結(jié)論應該準確？完整？明確？精練.如果不可能導出應有的結(jié)論，也可以在沒有結(jié)論的情況下進行必要的討論，可以在結(jié)論或討論中提出建議？研究設想？儀器設備改進意見？尚待解決的問題等.
　　4.參考文獻
　　列出撰寫論文所參考引用的主要文獻，參考文獻應按照論文中引用出現(xiàn)的順序列出，并加以序號.需要注意的是，教材？產(chǎn)品說明書？各類標準？各種報紙上刊登的文章及未公開發(fā)表的研究報告等通常不宜作為參考文獻引用；引用網(wǎng)上參考文獻時，應注明該文獻的準確網(wǎng)頁地址.
　　第2章 物理實驗數(shù)據(jù)處理方法
　　2.1 不確定度理論在物理實驗中的應用
　　創(chuàng)新研究性實驗的核心是設計實驗方案，并在實驗中檢驗方案的合理性.在制定實驗方案時，應考慮選擇合理的實驗方法，選擇或設計最佳測量方法和測量路線，合理挑選實驗儀器設備及選擇有利的測量條件.下面介紹用不確定度理論選擇最佳實驗方案，使測量量的相對不確定度達到最小，即達到實驗方案的最優(yōu)化.
　　一？不確定度的定義
　　不確定度是由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度，是用來表征被測量的真值以某種置信概率存在的范圍.不確定度可分為兩類分量：一類是用統(tǒng)計方法估計的A 類分量犝A；另一類是用非統(tǒng)計方法估計的B類分量犝B.不同的誤差來源對應著不同的不確定度，設測量量x的
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