第1章 物理實(shí)驗(yàn)研究方法與論文寫作
　　物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的科學(xué).在物理學(xué)發(fā)展過程中，科學(xué)實(shí)驗(yàn)起到了十分重要的作用.所謂實(shí)驗(yàn)是人們根據(jù)研究的目的，運(yùn)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(jìn)程發(fā)展，同時(shí)在盡可能減少干擾的情況下進(jìn)行觀測(cè)（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(dòng).物理實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它不僅為物理學(xué)概念和原理的建立做出了貢獻(xiàn)，更重要的是，它體現(xiàn)了人類社會(huì)的創(chuàng)新發(fā)展過程和創(chuàng)新成果.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是模擬科學(xué)研究的過程進(jìn)行的實(shí)驗(yàn).在一定意義上說，一次研究性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，通過細(xì)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(shí)驗(yàn)，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(dá)爾文的進(jìn)化論；也有些人提出了一些新概念，如麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論和愛因斯坦的相對(duì)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(shí)驗(yàn)來學(xué)會(huì)如何剖析實(shí)驗(yàn)問題，制定最佳實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立操作，培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索？科技寫作與團(tuán)隊(duì)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(kuò)視野和思路的問題.
　　1.1 物理實(shí)驗(yàn)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(bǔ)和完善某一領(lǐng)域（如自然？社會(huì)？思維等）客觀規(guī)律的科學(xué)知識(shí)體系而進(jìn)行的活動(dòng)和工作.科學(xué)研究的目的是要發(fā)展和深化人類的認(rèn)識(shí)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(cái)富的方法和手段.科學(xué)研究必須有一個(gè)新的結(jié)果作為衡量，這個(gè)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?cè)谇叭搜芯炕�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(shí)事求是？尊重客觀事實(shí).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(jìn)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(duì)原創(chuàng)性創(chuàng)新的整理和歸納，這種整理和歸納對(duì)于科學(xué)發(fā)展所做的貢獻(xiàn)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(shí)的集成和運(yùn)用，知識(shí)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(shí)變成力量和物質(zhì)財(cái)富的創(chuàng)新.弗蘭西斯？培根說“知識(shí)就是力量”，但是如果沒有這種運(yùn)用和轉(zhuǎn)化，知識(shí)就永遠(yuǎn)只是知識(shí)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(shì)，各門學(xué)科縱橫交錯(cuò)？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(diǎn).
　　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(gè)確定的物理量；
　�。�2）由此進(jìn)一步確定此物理量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法？儀器裝置？實(shí)驗(yàn)配方等，從而得到大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
　�。�3）總結(jié)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系或定理；
　　（4）從理論上分析說明這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的本質(zhì)，力求從理論上得出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的該物理量的計(jì)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(shí)驗(yàn)研究的基本程序
　　對(duì)于一個(gè)具體的研究課題，從開始選題到研究工作結(jié)束，整個(gè)過程必須按照一定的程序進(jìn)行.不過科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐？修正？實(shí)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(shí)用性，還要考慮實(shí)現(xiàn)的可能性.研究性實(shí)踐活動(dòng)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(shì)，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(shí)踐活動(dòng)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(qiáng)耦合的，調(diào)研的結(jié)果可能會(huì)進(jìn)一步修正研究課題的具體任務(wù).
　　（2）課題調(diào)研.
　　針對(duì)給定的研究課題，通過實(shí)地或查閱文獻(xiàn)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(diǎn)，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(shì)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(huì)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(yuǎn)不及別人已完成的成果.在調(diào)查研究過程中，要堅(jiān)持獨(dú)立思考，不要被文獻(xiàn)資料束縛了自己的思想.在調(diào)研階段，師生共進(jìn)是非常重要的.學(xué)生有足夠的時(shí)間和精力閱讀大量的論文，從而能夠把握更多的文獻(xiàn)和細(xì)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(shí)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(shí)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(duì)研究方向的準(zhǔn)確把握，從而提出真正有價(jià)值的學(xué)術(shù)問題.
　�。�3）制定實(shí)驗(yàn)方案.
　　實(shí)驗(yàn)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(lán)圖，選擇突破口和切實(shí)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(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)正確的測(cè)量方法和路線，恰當(dāng)?shù)倪x擇實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等.在實(shí)驗(yàn)方案中還要探究最佳實(shí)驗(yàn)條件.實(shí)驗(yàn)方案還應(yīng)兼顧數(shù)據(jù)處理的方法及誤差的合理估計(jì)與制定方案的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)具有先進(jìn)性？預(yù)見性和切實(shí)可行性.請(qǐng)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行把關(guān)，避免研究性實(shí)踐活動(dòng)出現(xiàn)大的偏差.
　�、龠x擇實(shí)驗(yàn)方法.
　　根據(jù)課題研究對(duì)象的性質(zhì)與特點(diǎn)，收集各種可能的實(shí)驗(yàn)方法，在分析和比較各種實(shí)驗(yàn)方法的適用條件？可能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度以及可行性和經(jīng)濟(jì)因素后，選擇符合實(shí)驗(yàn)要求的最佳實(shí)驗(yàn)方法.
　　②選擇最佳測(cè)量方法.
　　實(shí)驗(yàn)方法確定后，需要選擇一種最佳測(cè)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(cè)量結(jié)果誤差最小.
　　測(cè)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(jī)誤差和粗大誤差三類.
　　粗大誤差的發(fā)生是由于實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)的等精度測(cè)量，每次測(cè)量的誤差絕對(duì)值時(shí)大時(shí)小，誤差時(shí)正時(shí)負(fù)，任何一次測(cè)量值的誤差都是隨機(jī)的，這類誤差稱為隨機(jī)誤差.對(duì)于這類誤差，主要是采用等精度多次測(cè)量的方法來盡量減小其影響.對(duì)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(duì)同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)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(gè)人誤差等.對(duì)于系統(tǒng)誤差，應(yīng)有針對(duì)性運(yùn)用各種基本測(cè)量方法予以發(fā)現(xiàn)和減小.要仔細(xì)考察與研究對(duì)測(cè)量原理和方法的推演過程，檢驗(yàn)或校準(zhǔn)每一件儀器，分析每一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，考慮每一步調(diào)整和測(cè)量，注意每一種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響等.
　�、圻x用儀器設(shè)備.
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮途�度要求，選用最簡(jiǎn)單？最經(jīng)濟(jì)的符合要求的儀器.衡量儀器的主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率和精確度，即儀器能夠測(cè)量的最小值和儀器誤差.可以用誤差分析來實(shí)現(xiàn)儀器的最佳選擇.若實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)實(shí)施過程.
　　實(shí)驗(yàn)過程中要進(jìn)行最佳實(shí)驗(yàn)條件的探索實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中要注意運(yùn)用理論指導(dǎo)實(shí)踐，有針對(duì)性地運(yùn)用各種測(cè)量方法減少實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差.在實(shí)驗(yàn)過程中必須嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度和實(shí)驗(yàn)規(guī)程，仔細(xì)觀察，認(rèn)真？實(shí)事求是地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和過程細(xì)節(jié)，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)工作作風(fēng).
　�。�5）結(jié)果分析與討論.
　　對(duì)積累的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果.對(duì)于主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通常要逐項(xiàng)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如果足夠充分而且對(duì)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(shí)踐出真知”，就是這些結(jié)果和對(duì)比分析為我們提供了更為寶貴的經(jīng)驗(yàn)，可以使我們更深刻地認(rèn)識(shí)相關(guān)課題領(lǐng)域存在的真實(shí)問題是什么，什么樣的思路可能是有效的，進(jìn)而使我們可以進(jìn)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(gè)步驟上.在這樣一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(bào)告的撰寫
　　科學(xué)論文和研究工作報(bào)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(jiǎn)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(shí)空白？理論基礎(chǔ)和分析？研究設(shè)想？研究方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？預(yù)期結(jié)果和意義等.引言應(yīng)言簡(jiǎn)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(shí)，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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專門知識(shí)，具有開闊的科學(xué)視野，對(duì)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(píng)述以及理論分析等，可以單獨(dú)成章，用足夠的文字?jǐn)⑹?
　　引言的目的是給出作者進(jìn)行本項(xiàng)工作的原因及目的，因此應(yīng)給出必要的背景材料，讓對(duì)這一領(lǐng)域并不特別熟悉的讀者能夠了解進(jìn)行這方面研究的意義？前人已達(dá)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?jiǎng)?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(duì)象？實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)方法？儀器設(shè)備？材料原料？實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果？計(jì)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(diǎn)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(xiàng)等.方法包括實(shí)驗(yàn)儀器？設(shè)備？實(shí)驗(yàn)條件？測(cè)試方法等.
　�。�2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論.以圖或表等手段整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行結(jié)果的分析和討論，包括：通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和誤差分析說明結(jié)果的可靠性？可重復(fù)性？范圍等；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的比較（包括不正常現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的分析）；實(shí)驗(yàn)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(qiáng)調(diào)或希望讀者注意的問題.對(duì)研究內(nèi)容及成果應(yīng)進(jìn)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(jìn)與實(shí)際應(yīng)用之處.理論分析中，應(yīng)將他人研究成果單獨(dú)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(duì)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(jiǎn)單重復(fù).結(jié)論應(yīng)該準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)意見？尚待解決的問題等.
　　4.參考文獻(xiàn)
　　列出撰寫論文所參考引用的主要文獻(xiàn)，參考文獻(xiàn)應(yīng)按照論文中引用出現(xiàn)的順序列出，并加以序號(hào).需要注意的是，教材？產(chǎn)品說明書？各類標(biāo)準(zhǔn)？各種報(bào)紙上刊登的文章及未公開發(fā)表的研究報(bào)告等通常不宜作為參考文獻(xiàn)引用；引用網(wǎng)上參考文獻(xiàn)時(shí)，應(yīng)注明該文獻(xiàn)的準(zhǔn)確網(wǎng)頁地址.
　　第2章 物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
　　2.1 不確定度理論在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
　　創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)的核心是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)方案的合理性.在制定實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)考慮選擇合理的實(shí)驗(yàn)方法，選擇或設(shè)計(jì)最佳測(cè)量方法和測(cè)量路線，合理挑選實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及選擇有利的測(cè)量條件.下面介紹用不確定度理論選擇最佳實(shí)驗(yàn)方案，使測(cè)量量的相對(duì)不確定度達(dá)到最小，即達(dá)到實(shí)驗(yàn)方案的最優(yōu)化.
　　一？不確定度的定義
　　不確定度是由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度，是用來表征被測(cè)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(jì)方法估計(jì)的A 類分量犝A；另一類是用非統(tǒng)計(jì)方法估計(jì)的B類分量犝B.不同的誤差來源對(duì)應(yīng)著不同的不確定度，設(shè)測(cè)量量x的
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