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比较法在物理实验中的应用

比较法在物理实验中的应用

赵燕萍

【摘要】比较法在物理实验中应用的实例:

对用比较法描绘静电场分布的仪器结构和操作方法进行了详细阐述,并指出通常用电源,电压袁进行模拟测绘的缺点及用比较法的优点.

【期刊名称】《江西科学》

【年（卷）,期】2005（023）005

【总页数】3页（P658-659,672）

【关键词】标准波;比较法;比较方法

【作者】赵燕萍

【作者单位】上海师范大学数理信息学院,上海,200940

【正文语种】中文

【中图分类】基础科学

第23卷第5期2005年10月扭＂＇料等Vol.23No.5Oct,2005JIANGXISCIENCE文章编号：

1001-3679（2005）05-0658-03比较法在物理实验中的应用赵燕萍（上海师范大学数理信息学院，上海200940）摘要：

比较法在物理实验中应用的实例：

对用比较法描绘静电场分布的仪器结构和操作方法进行了详细阐述，并指出通常用电源，电压表进行模拟测绘的缺点.＆.用比较法的优点。

关键词：

标准波；比较法；比较方法中图分类号：

04-33文献标识码：

AApplicationofCompareMetnecltoPhysicsExperimentsZHAOYan-ping（ShanghaiNomnalUniversity,MatnenalicsandScienceCollege,Shanghai200231PRC）Abstract:

Anexampleforapplyingthecomparemethodtophysicsexperimentsispresented.Theinstrumentstuctureandtheoperationmethodfordescribingtheelectricfielddistributionwithcomparemethodareelabhorated.Meanwhile，由edefectofusingpowersourceandvoltmetertosurveyanddescribetheelectricfieldandthemeritofcomparemethodarepointedout.Keywords:

Standardwave,Electricfielddistribution,Comparemethod0引言物理学是一门以实验为基础的科学，实验的重要性不言而喻。

要想获得较好的实验结果，除了实验步骤正确之外，针对不同的测量对象，不同的实验性质，采用不同的实验方法和操作技巧，十分重要。

而比较法则是其中常用的，有效的方法之一。

比较法就是根据同一实验原理，在控制了若干相同条件下，对两种物质（标准的及待测的）进行同样实验，比较它们的实验结果，从已知量来推出未知量的实验方法。

下面以静电场实验为例，指出用传统的模拟法测静电场所存在的缺点，并说明比较法在测绘静电场中的应用。

研究静电场的特性和规律是大学物理的一个收稿日期：

2005-04-17；修订日期：

2005-06-29作者简介：

赵燕萍（1957-），女，上海人，讲师。

重要内容，用实验方法直接测量静电场非常困难，不仅设备复杂，而且把仪器引人静电场时，会使原电场发生改变，通常实验室利用静电场描绘仪、电源、万用表、滑线变阻器等采用模拟法进行间接测量。

用模拟法描绘静电场分布的实验装置有二部分组成：

一是模拟电极，二是电源和测绘系统。

早期的模拟电极都采用导电纸，由于在测绘过程中，导电纸的导电的均匀性的破坏随着打点数的增加而增强，导电纸的电位分布随着电火花烧灼点的增多而变动，从而明显影响了测绘的精确度，现在已改用水槽代替导电纸，克服了导电纸产生的缺点。

但对电源和测绘系统至今还没有作过相关的研讨，而实验教学证明，由于该测绘系统欠完满而带来了测绘值的不精确和人眼疲劳的负反馈，本文主要对这些负反馈展开讨论，并提出了新的测绘方法一一比较法，比较法提高了实验的精确度第23卷第5期2005年10月扭Vol.23No.5Oct,2005JIANGXIApplicationofCompareMetnecltoPhysicsExperimentsZHAOYan-pingShanghaiNomnalUniversity,MatnenalicsandScienceCollege,Shanghai200231PRC）Abstract:

Anexampleforapplyingthecomparemethodtophysicsexperimentsispresented.Theinstrumentstuctureandtheoperationmethodfordescribingtheelectricfielddistributionwithcomparemethodareelabhorated.Meanwhile，由edefectofusingpowersourceandvoltmetertosurveyanddescribetheelectricfieldandthemeritofcomparemethodarepointedout.Keywords:

Standardwave,Electricfielddistribution,Comparemethod0引言物理学是一门以实验为基础的科学，实验的重要性不言而喻。

要想获得较好的实验结果，除了实验步骤正确之外，针对不同的测量对象，不同的实验性质，采用不同的实验方法和操作技巧，十分重要。

而比较法则是其中常用的，有效的方法之一。

比较法就是根据同一实验原理，在控制了若干相同条件下，对两种物质（标准的及待测的）进行同样实验，比较它们的实验结果，从已知量来推出未知量的实验方法。

下面以静电场实验为例，指出用传统的模拟法测静电场所存在的缺点，并说明比较法在测绘静电场中的应用。

研究静电场的特性和规律是大学物理的一个收稿日期：

2005-04-17；修订日期：

2005-06-29作者简介：

赵燕萍（1957-），女，上海人，讲师。

重要内容，用实验方法直接测量静电场非常困难，不仅设备复杂，而且把仪器引人静电场时，会使原电场发生改变，通常实验室利用静电场描绘仪、电源、万用表、滑线变阻器等采用模拟法进行间接测量。

用模拟法描绘静电场分布的实验装置有二部分组成：

一是模拟电极，二是电源和测绘系统。

早期的模拟电极都采用导电纸，由于在测绘过程中，导电纸的导电的均匀性的破坏随着打点数的增加而增强，导电纸的电位分布随着电火花烧灼点的增多而变动，从而明显影响了测绘的精确度，现在已改用水槽代替导电纸，克服了导电纸产生的缺点。

但对电源和测绘系统至今还没有作过相关的研讨，而实验教学证明，由于该测绘系统欠完满而带来了测绘值的不精确和人眼疲劳的负反馈，本文主要对这些负反馈展开讨论，并提出了新的测绘方法一一比较法，比较法提高了实验的精确度第5期赵燕萍：

比较法在物理实验中的应用·659·和操作的简便性。

1测绘方法分析静电场描绘仪的模拟电极除导电体外还有电极，供实验教学用的电极有二类，一是点电荷型，二是同轴圆柱体型，以点电荷型为例：

二电极间距为8cm，二电极l闯电位差为10V，在二点连线上的电位变化率为0.125v/mrr左右，而电压表的分度值为0.1v，最小1格间距在1mm左右，这些数据说明了在实验中测定某一电压时，为什么电压表指针不停地来回摆动，少则十来次，多则几十次，而且当按压上探针记录时，电压表指针再次出现摆动，从而产生测量的不精确现象。

其次要完成一种电极型的静电场描绘一般需要测定40到50个点电位，从实验中发现，测绘者在完成1/3的测绘点后，视觉开始疲劳，随之精力出现分散，从而使测绘正确性明显下降，由于本实验属半定量型，对测试点波动性的增大，往往不会引起足够重视。

若要减少指针摆动次数，当然也可采用降低二极间的电位差值和提高电压表的灵敏度等方法，但经验证明，这均不是一种可行的办法，通过不断的摸索和反复实验，本文提出了用比较法测绘静电场分布的新方法。

比较法的主要思路如下：

利用信号发生器提供二个电信号，一路电信号经可变电阻器送人双踪示波器CH，端，这路信号称为标准信号，另一路信号输人模拟电极，并由探针端输出，送人双踪波器CH2端，这路电信号称为比较信号，把这二路信号放在示波器的显示屏上进行比较，就可以测出等位线上的各点电压值，从而画出等位线和电力线。

比较法的优点为：

（1）问于示波器能显示电压值较低的电信号，从而可以明显下降二电极之间的电位差；

（2）采用二个波的重合为测试标准，重合好坏由人眼的最小分辨率0.1mm决定。

它与现在使用的方法进行比较，精确度有明显提高；（3）当探针在水液中移动时比较波只出现幅值变化，无波型杂乱跳动，从而克服了测试者视觉疲劳的缺点。

2比较法的实验方法如图所示，电信号发生器输出频率f=1KHz，电压V=lV的电信号，一路通过变阻器输人示波器的CH,，另一路输入到模拟电极由探针端输出到示波器的CH2，这时示波器显示屏上同时出现二个正弦波。

标准波的幅值大小可用变阻器调节，比较波的幅值大小可用移动探针位置进－－『「－－－，0CH1I示L行调节。

因为电压的峰峰值和电压的有效值对绘制等位线是等价的，若要用有效值绘制，在模拟电极输出端并联一只交流毫伏表，如图所示。

若采用电压峰峰值描绘，可以直接采用示波器显示屏上的电压轴的刻度值，省略交流毫伏表。

具体测绘可以这样进行：

以测绘0.6V等位线为例，若采用交流毫伏表，先把探针与模拟电极的“＋”极接触，调节信号发生器电压输出旋钮，使交流毫伏表指示为1V，调节信号发生器的频率调节旋钮，使输出电信号的频率为f=1KHz。

然后把探针移入水液中，并沿二极连线移动，直至交流毫伏表指示为0.6V，调节示波器C吨的调压旋钮使比较波的幅值在显示屏上占6～8格，接着把CH，的电压调节档调节到与CH2相同档级，再调节变阻器，使标准波与比较波严格重合，按压上探针打印。

接着在寻找V=0.6V的其它测试绘点时，把标准波定为基准，移动探针，让比较波与标准波严格重合然后按压上探针打印，直至打印出8～10个点。

用比较法描绘等位线的最大优点是避免了电压表指针乱跳跃而使测试者视觉疲劳，精确度明显提高，而且由于要观察两列正弦波的严格重合，使测试者的精力更加集中。

3实验结果分析模拟法描绘静电场分布实验属于半定性，半定量实验，所以用电压的有效值还是用电压的峰峰值来描绘，对实验结果来说是等价的。

为方便起见，可以不用交流毫伏表，而直接采用示波器显示屏上y轴的电压刻度值。

（下转第672页）5期赵燕萍：

比较法在物理实验中的应用·659·静电场描绘仪的模拟电极除导电体外还有电极，供实验教学用的电极有二类，一是点电荷型，二是同轴圆柱体型，以点电荷型为例：

二电极间距为的电位变化率为0.125v/mrr左右，而电压表的分度值为0.1v，最小1格间距在1mm左右，这些数据说明了在实验中测定某一电压时，为什么电压表指针不停地来回摆动，少则十来次，多则几十次，而且当按压上探针记录时，电压表指针再次出现摆动，从而产生测量的不精确现象。

其次要完成一种电极型的静电场描绘一般需要测定40到50个点电位，从实验中发现，测绘者在完成1/3的测绘点后，视觉开始疲劳，随之精力出现分散，从而使测绘正确性明显下降，由于本实验属半定量型，对测试点波动性的增大，往往不会引起足够重视。

若要减少指针摆动次数，当然也可采用降低二极间的电位差值和提高电压表的灵敏度等方法，但经验证明，这均不是一种可行的办法，通过不断的摸索和反复实验，本文提出了用比较法测绘静电场分布的新方法。

比较法的主要思路如下：

利用信号发生器提供二个电信号，一路电信号经可变电阻器送人双踪示波器CH，端，这路信号称为标准信号，另一路信号输人模拟电极，并由探针端输出，送人双踪波器CH2端，这路电信号称为比较信号，把这二路信号放在示波器的显示屏上进行比较，就可以测出等位线上的各点电压值，从而画出等位线和电力线。

比较法的优点为：

（1）问于示波器能显示电压值较低的电信号，从而可以明显下降二电极之间的电位差；

（2）采用二个波的重合为测试标准，重合好坏由人眼的最小分辨率0.1mm决定。

它与现在使用的方法进行比较，精确度有明显提高；（3）当探针在水液中移动时比较波只出现幅值变化，无波型杂乱跳动，从而克服了测试者视觉疲劳的缺点。

如图所示，电信号发生器输出频率f=1KHz，电压V=lV的电信号，一路通过变阻器输人示波器的CH,，另一路输入到模拟电极由探针端输出到示波器的CH2，这时示波器显示屏上同时出现二个正弦波。

标准波的幅值大小可用变阻器调节，比较波的幅值大小可用移动探针位置进－－『「－－－，CH1I示因为电压的峰峰值和电压的有效值对绘制等位线是等价的，若要用有效值绘制，在模拟电极输出端并联一只交流毫伏表，如图所示。

若采用电压峰峰值描绘，可以直接采用示波器显示屏上的电压轴的刻度值，省略交流毫伏表。

具体测绘可以这样进行：

以测绘0.6V等位线为例，若采用交流毫伏表，先把探针与模拟电极的“＋”极接触，调节信号发生器电压输出旋钮，使交流毫伏表指示为1V，调节信号发生器的频率调节旋钮，使输出电信号的频率为f=1KHz。

然后把探针移入水液中，并沿二极连线移动，直至交流毫伏表指示为0.6V，调节示波器C吨的调压旋钮使比较波的幅值在显示屏上占6～8格，接着把CH，的电压调节档调节到与CH2相同档级，再调节变阻器，使标准波与比较波严格重合，按压上探针打印。

接着在寻找V=0.6V的其它测试绘点时，把标准波定为基准，移动探针，让比较波与标准波严格重合然后按压上探针打印，直至打印出8～10个点。

用比较法描绘等位线的最大优点是避免了电压表指针乱跳跃而使测试者视觉疲劳，精确度明显提高，而且由于要观察两列正弦波的严格重合，使测试者的精力更加集中。

模拟法描绘静电场分布实验属于半定性，半定量实验，所以用电压的有效值还是用电压的峰峰值来描绘，对实验结果来说是等价的。

为方便起见，可以不用交流毫伏表，而直接采用示波器显示屏上y轴的电压刻度值。

•672•江西科学2005年第23卷定标完后，首先利用该红外系统检测初步加工好的吸引质量的圆度。

将吸引质量放在精度为0.05µ.rad的回转台中心，具体做法：

把该吸引质量首先大致的放在回转台中心，固定红外探测器的发射和接受装置，然后转动回转台检测两个相互垂直的方向。

仔细地调节吸引质量的位置，直到红外位移传感器电路输出的电压大致相等为止。

调节完毕后用502胶水把吸引质量完全固定在回转台上，驱动回转台转动，同时计算机采集电路输出电压。

带人上面的定标系数就可以算得代测吸引质量的圆度，结果见图6。

吸引质量的外图6吸引质量的圆皮检测（上接第659页）在测绘同轴圆柱体型电极的静电场分布时，由于二个圆柱体构成一只电容器，它的作用是使标准波和比较波的相位产生一个Aφ的差值，这样比较波与标准波的波形不能严格重合，所以在信号发生器与模拟电极的“＋”极之间需要串一只电感器L，如图中用虚线表示，以消除这种由于电容器存在所带来的偏差，使比较波能与标准波严格重合，从而保证实验的精确度。

人体感应是影响该实验精确度的又一问题，其主要表现为当用手按同步探针的上探针时，或当用手移动同步探针支架时，电压会出现0-0.4V的下降，比较波会变小，解决上述问题的方法为可以在同步探针支架上加一层绝缘层，从而避免人体与探针之间的电磁感应作用。

圆圆度误差竟然达到88.6-（-34.0）=（122.6土0.1）阳，而实际加工要求圆度好于10阳，因而可以知道加工未能达到要求，需要重新加工。

用同样的方法再调节回转台中心与扭摆中心重合就可以进行正式实验了。

初步的理论计算表明采用此方案可以把同类实验结果提高5倍。

参考文献：

[1JCookAH.Experimentson伊vitation[J].Rep.Prog.Phys,1988（51）:

7CY7-757.[2]LongDR.Experimentalexaminationof出egravitationalinver百esqu缸elaw[J].Nature,1976（260）:

417-418.[3]ChiaveriniJ,SmullinSJ,etal.Newexperimentalconstraintsonnon-newtonianforcesbelow100µ.m[J].Phys.Rev.Lett,2003（90）:

151101.[4]HoyleCD,SchmidtU,HeckelBR,etal.Sub-m山imetertestofthegravitationalinverse－句uarelaw[J）.Phys.Rev.Lett.2001（86）:

1418-1421.”.........＿＿..＿＿队田、，＿＿.＿..＿.＿..＿..、...........＿..时，－－、，~’…－’随着高校教学条件的改善，大学物理实验室一般均备有示波器和信号发生器，因此用比较法描绘静电场分布是一种行之有效的方法。

除了比较法，在一般基础物理实验中，模拟法，补偿法，替代法，平衡法，放大法等都是常用的基本方法。

选择正确的实验方法和技巧，对提高实验的精确度，培养学生独立完成实验工作的能力，独立进行设计性实验的能力是非常重要的。

参考文献：

[1]上海高等专科学校．物理学［M］.上海：

上海科学技术出版社，1996.[2]吴孟明，袁哲诚，张越．物理［M］.上海：

上海教育出版社，1997.•672•定标完后，首先利用该红外系统检测初步加工好的吸引质量的圆度。

将吸引质量放在精度为0.05µ.rad的回转台中心，具体做法：

把该吸引质量首先大致的放在回转台中心，固定红外探测器的发射和接受装置，然后转动回转台检测两个相互垂直的方向。

仔细地调节吸引质量的位置，直到红外位移传感器电路输出的电压大致相等为止。

调节完毕后用502胶水把吸引质量完全固定在回转台上，驱动回转台转动，同时计算机采集电路输出电压。

带人上面的定标系数就可以算得代测吸引质量的圆度，结果见图6。

吸引质量的外图6吸引质量的圆皮检测在测绘同轴圆柱体型电极的静电场分布时，由于二个圆柱体构成一只电容器，它的作用是使标准波和比较波的相位产生一个Aφ的差值，这样比较波与标准波的波形不能严格重合，所以在信号发生器与模拟电极的“＋”极之间需要串一只电感器L，如图中用虚线表示，以消除这种由于电容器存在所带来的偏差，使比较波能与标准波严格重合，从而保证实验的精确度。

人体感应是影响该实验精确度的又一问题，其主要表现为当用手按同步探针的上探针时，或当用手移动同步探针支架时，电压会出现0-0.4V的下降，比较波会变小，解决上述问题的方法为可以在同步探针支架上加一层绝缘层，从而避免人体与探针之间的电磁感应作用。

圆圆度误差竟然达到88.6-（-34.0）=（122.60.1）阳，而实际加工要求圆度好于10阳，因而可以知道加工未能达到要求，需要重新加工。

用同样的方法再调节回转台中心与扭摆中心重合就可以进行正式实验了。

实验结果提高5倍。

参考文献：

[1JCookAH.Experimentson伊vitation[J].Rep.Prog.Phys,1988（51）:

7CY7-757.LongDR.Experimentalexaminationof出egravitationinver百esqu缸elaw[J].Nature,1976（260）:

417-418.[3]ChiaveriniJ,SmullinSJ,etal.Newexperimentalconstraintsonnon-newtonianforcesbelow100µ.m[J].Phys.Rev.Lett,2003（90）:

151101.HoyleCD,SchmidtU,HeckelBR,etal.Sub-m山imetertestofthegravitationalinverse－句uarelaw[J）.Phys.Rev.Lett.2001（86）:

1418-1421.”.........＿＿..＿＿队田、，＿＿.＿..＿.＿..＿..、...........＿..时，－－、，~’…－’随着高校教学条件的改善，大学物理实验室一般均备有示波器和信号发生器，因此用比较法描绘静电场分布是一种行之有效的方法。

除了比较法，在一般基础物理实验中，模拟法，补偿法，替代法，平衡法，放大法等都是常用的基本方法。

选择正确的实验方法和技巧，对提高实验的精确度，培养学生独立完成实验工作的能力，独立进行设计性实验的能力是非常重要的。

[1]上海高等专科学校．物理学［M］.上海：

上海科学

【文献来源】

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1.大学物理实验中的比较法及应用研究[J],林立华，周群，汤猛

2.从比较法的力量与弱点到比较法的精神——《比较法的力量与弱点》一书解读[J],张强

3.比较法在物理演示实验教学中的运用探引[J],查显江，黄黎树

4.懂得比较,方得发现——试论“比较法”在物理教学中的应用[J],徐萍萍[1]

5.类比法和比较法在物理教学中的应用[J],叶长枢