第1章 物理實驗研究方法與論文寫作
　　物理學(xué)是以實驗為本的科學(xué).在物理學(xué)發(fā)展過程中，科學(xué)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(xué)儀器，人為地控制？創(chuàng)造或純化某種自然過程，使之按預(yù)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(xué)活動.物理實驗是一門實驗科學(xué)，它不僅為物理學(xué)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(xué)物理實驗引入高等教育已有100多年的歷史，在培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(xué)研究的過程.科學(xué)研究并沒有一成不變的方法.有些人埋頭做科學(xué)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(xué)科組織聯(lián)系起來，如維納提出來的控制論.本書力求引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過實驗來學(xué)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(xué)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(xué)研究
　　科學(xué)研究是人們?yōu)榱私�立？填補和完善某一領(lǐng)域（如自然？社會？思維等）客觀規(guī)律的科學(xué)知識體系而進行的活動和工作.科學(xué)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(xué)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(xué)研究就要求我們在前人研究基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新.
　　2.科學(xué)研究具有客觀性？創(chuàng)新性？多學(xué)科綜合與交叉性
　　科學(xué)研究的客觀性就是實事求是？尊重客觀事實.科學(xué)研究的目的就是要有所創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新就沒有科學(xué)進步.科學(xué)研究的創(chuàng)新應(yīng)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(xué)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(yù)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(xué)研究具有多學(xué)科綜合與交叉性.科學(xué)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(xué)科縱橫交錯？聯(lián)系緊密，于是在當(dāng)代科學(xué)研究中表現(xiàn)出學(xué)科交叉的綜合研究的特點.
　　3.科學(xué)發(fā)展的一般順序
　　（1）由科學(xué)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(guān)系或定理；
　　（4）從理論上分析說明這些經(jīng)驗關(guān)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(xué)實驗過程中的許多工作都要經(jīng)過反復(fù)修改甚至推翻重來的，即通過實踐？修正？實踐的多次反復(fù)，不斷加以完善.
　�。�1）確定研究課題.
　　選題不僅要有科學(xué)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(dǎo)教師給定的，不僅要求教師把握科學(xué)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(xué)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(wù).
　　（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(dāng)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(xué)研究中至關(guān)重要的一環(huán).如果調(diào)研上出了問題，就會導(dǎo)致重復(fù)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(xué)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(guān)領(lǐng)域具有一定的基礎(chǔ)，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(xué)生與導(dǎo)師應(yīng)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(xué)術(shù)問題.
　�。�3）制定實驗方案.
　　實驗方案是完成課題的關(guān)鍵，在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，作出研究全過程的藍圖，選擇突破口和切實可行的技術(shù)路線，包括研究理論依據(jù)，建立物理模型，選擇適當(dāng)類型的實驗和實驗方法，設(shè)計正確的測量方法和路線，恰當(dāng)?shù)倪x擇實驗儀器設(shè)備等.在實驗方案中還要探究最佳實驗條件.實驗方案還應(yīng)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(guān)系.實驗方案應(yīng)具有先進性？預(yù)見性和切實可行性.請教師對實驗方案進行把關(guān)，避免研究性實踐活動出現(xiàn)大的偏差.
　�、龠x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(shè)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(fù)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(shè)法判斷其是否存在，然后應(yīng)用相應(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)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(shè)備.
　　根據(jù)實驗?zāi)康暮途�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(shù)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(yīng)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(dǎo)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(fēng).
　�。�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(shè)的關(guān)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(guān)課題領(lǐng)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(xué)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(xué)論文和研究工作報告是科學(xué)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(guān)領(lǐng)域的前人工作和知識空白？理論基礎(chǔ)和分析？研究設(shè)想？研究方法和實驗設(shè)計？預(yù)期結(jié)果和意義等.引言應(yīng)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(xué)位論文需要反映作者已掌握了堅實的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專門知識，具有開闊的科學(xué)視野，對研究方案作了充分論證，因此有關(guān)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(yīng)給出必要的背景材料，讓對這一領(lǐng)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(yīng)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(shè)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(dǎo)出的結(jié)論等.論文主體的內(nèi)容應(yīng)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(shè)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(fù)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(fù)雜圖表應(yīng)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(yīng)進行較全面？客觀的理論闡述，應(yīng)著重指出本研究內(nèi)容中的創(chuàng)新？改進與實際應(yīng)用之處.理論分析中，應(yīng)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(lǐng)域的理論？結(jié)果引用到本研究領(lǐng)域者，應(yīng)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(fù).結(jié)論應(yīng)該準確？完整？明確？精練.如果不可能導(dǎo)出應(yīng)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(shè)想？儀器設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用
　　創(chuàng)新研究性實驗的核心是設(shè)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(yīng)考慮選擇合理的實驗方法，選擇或設(shè)計最佳測量方法和測量路線，合理挑選實驗儀器設(shè)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(yīng)著不同的不確定度，設(shè)測量量x的
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