放大镜能让角变大吗(物理实验中物理量的放大方法)

Posted 2023-05-27

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放大镜能让角变大吗(物理实验中物理量的放大方法)

物理学是一门以实验为基础的科学,物理工作者为提高被测物理量精度，常选用特殊的测量装置将被测物理量放大后再进行测量。测量结果与测量方法密切相关。我们把这种为提高测量精度使物理量的数值变大、作用时间延长、作用空间扩展的方法叫做物理量的放大法。同一物理量，在不同的量值范围，测量方法可能不同。即使在同一量值范围，对测量不确定度的要求不同就可能要选择不同的测量方法。常用的放大法有累积放大法、机械放大法、电学放大法和光学放大法等。探讨物理实验的放大法有助于实验者重视放大法在物理实验中的作用，有助于实验设备改进者改进实验设备，有助于实验设计者利用放大法设计出新的实验设备。探讨物理量的放大方法有利于物理工作者对科学方法的应用。

1引言

物理学是一门以实验为基础的学科。物理学的规律和方法是许多自然科学部门和生产技术的基础。有人说,正确的方法是科学之魂,物理教学的实践证明,在系统的传授知识的同时,充分重视前人在研究问题中所创造的那套科学方法,有机渗透于教学,使学生掌握一定的研究方法,成为知识再创造的有力手段,则将受益终身。在实验中经常会让我们做关于测量物理量的实验，而测量物理量的实验通常包含五个环节：1确定测量对象与要求；2研究、比较和选择实验原理与方法；3合理选择实验仪器或装置；4通过比较、交换等测量方法进行测量；5 分析与处理实验数据。测量结果与测量方法密切相关。同一物理量，在不同的量值范围，测量方法可能不同。实验中常常遇到一些微小物理量的测量。为了提高测量精度,经常需要将这些物理量放大,或转换后放大再进行测量,我们把这种为提高测量精度使物理量的数值变大、作用时间延长、作用空间扩展的方法叫做物理量的放大法。下面我们就物理量放大方法的优点、物理量放大方法在物理学中所涵盖的领域及研究物理量放大方法的意义做出论述。[4]

2物理量放大方法优点

探讨物理实验的放大法在物理实验中的意义是非常重大的，中学物理实验中，许多实验设计构思十分巧妙，其中一些实验方法在物理理论的建立和发展中具有重要的意义，其间凝聚着科学家的智慧和创造。[2]

2.1有助于实验者重视放大法在物理实验中的作用

如在物理量测量实验中，待测量很微小的情况下，可采用放大的方法。使学生能更好的对中学物理实验方法的认识和掌握，直接影响着学生的实验设计能力和实验创新能力,放大方法可以在实验者实验的过程中减小实验误差，提高测量精确度，使被测量的所测量结果跟真实值更吻合，保证实验结果的说服力；初中科学中有一类只发生细微变化的实验，教学时常采用的方法是：借助于细管中有色液注的移动或者连通器细管中有色液面的高度差，实现“小中见大”。例如在力的作用效果会使物体所发生形变教学中，为了验证肉眼不易察觉到的物体所发生的细微形变的存在，教师可进行下述实验：找一个大玻璃瓶装满水，滴入几滴红墨水，瓶口用中间插有细管的瓶塞塞上，用手按压玻璃瓶，细管中水面就上升；松开手，水面又降回原处，这说明玻璃瓶受到按压时发生形变。

2.2有助于实验设备改进者改进实验设备，实验设计者利用放大法设计出新的实验设备

在现实生活中利用放大法来改进或者设计新的实验设备的例子很多，如科学家利用放大方法设计出了望远镜以及放大镜等。然后通过放大镜对很多微小量进行测量从而使得在实验或者操作中减小误差使得所制造出来的实验仪器或者操作工具更符合我们的需求。

2.3探讨物理量的放大方法有利于物理工作者对科学方法的应用以及在生活中普及

例如教师进行电流表结构和使用方法教学供读数时使用。这样做不仅放大了电流表的表盘，而且也增加了读数练习的随机性和可操作性，提高教学效率，又如学习内燃机结构和原理时，内燃机模型和挂图的放大作用，都能清楚地展示教学内容。其他诸如叶片的结构，细胞结构，分子间引力实验、分子扩散运动试验的微观解释等，采用放大法效果都非常理想。如OCL功率放大器是一种直接耦合的功率放大器，它具有频响宽、保真度高、动态特性好及易于集成化等特点。性能优良的集成功率放大器给电子电路功放级的调试带来了极大的方便。集成功率放大电路具有输出功率大、外围元件少、使用方便等优点，因此在收音机、电视机、扩音器、伺服放大电路中得到了广泛的应用。微电子技术的不断进步，极大降低了晶体管的成本。在1960年，生产只晶体管要花美元，而今天，只嵌入集成电路里的晶体管的成本还不到美分，这使晶体管的应用更为广泛了。不仅如此，微电子技术通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，将从根本上改变人类的生活。它正在冲击着人类生活的许多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、战争与和平。[5]

2、4有利于学生对科学方法的掌握

学习放大法对学生解决问题有很大的帮助，在学习过程中经常会遇到一些无法直接理解或解决的问题，在研究、解答某些问题时,如果不会影响到结果,往往可以打破常规,跳出题目的框框,将某些量放大,使问题变得简单明了,以便获得答案，对实验方法更科学合理的掌握。

3物理量放大方法举偶

物理量的物理实验中的放大方法意义重大，下面按物理学内容对放大方法在机械方面、时间方面、光学方面、电磁方面进行分析。[1]

3.1、机械方面

机械放大是物理实验最直观的一种放大方法，它是一种空间放大方法。具体表现在下列实验中。

3、1、1、游标放大法

为了提高米尺的测量精度，通常在米尺（主尺）上附带一个可以沿尺身移动的小尺（游标）。游标上的分度值与主尺分度值之间有一定关系，一般使游标上个分度格的长度与主尺上（）个分度格的长度相等，主尺与游标上每个最小分格之差为差值称为游标尺的精度，它表示了游标卡尺能读准的最小值，也就是游标的最小分度值。同理，游标卡尺原理还可以用于角度的精确测量中，称为角游标，角游标的测角精度。

3、1、2、螺旋测微放大法

螺旋测微计、读数显微镜和迈克耳逊干涉仪等的测量系统的机械部分都是采用螺旋测微装置进行测量的。常用的读数显微镜的测微丝杆的螺距是，当丝杆转动一圈时，滑动平台就沿轴向前或后退，在丝杆的一端固定一测微鼓轮，其周界上刻成100分格，因此当鼓轮转动一分格时，滑动平台移动了，从而使沿轴线方向的微小位移用鼓轮圆周上较大的弧长精确地表示出来，大大提高了测量精度。

3、1、3、机械杠杆

利用机械部件之间的几何关系，使标准单位量在测量过程中得到放大的方法称为机械放大法。机械放大是最直观的一种放大方法，例如利用游标可以提高测量的细分程度.螺旋测微原理也是一种机械放大，将螺距（螺旋进一圈的推进距离）通过螺母上的圆周来进行放大。在测定金属电阻率实验中所便用的螺旋测微器：主尺上前进（或后退）毫米，对应副尺上有个等分，实际上是对长度的机械放大。游标卡尺与螺旋测微器都是利用机械放大法进行精密测量的典型例子。以螺旋测微器为例，套在螺杆上的微分筒被分成格，微分筒每转动一圈，螺杆移动。每转动一格，螺杆移动。如果微分筒的周长为（即微分筒外径约为），微分筒上每一格的弧长相当于，这相当于螺杆移动时，在微分筒上却变化了，即放大了倍。机械放大法的另一个典型例子是机械天平。用等臂天平称量物体质量时，如果靠眼睛判断天平的横梁是否水平，很难发现天平横梁的微小倾斜。通过一个固定于横梁且与横梁垂直的长指针，就可以将横梁微小的倾斜放大为较大的距离（或弧长）量。

3、1、4、液压放大

根据帕斯卡定律制成的液压机、水压机、油压千斤顶都有：作用在它们两活塞上的力的比，等于它们的面积比。说明由帕斯卡定律制成的液压机、水压机、油压千斤顶可以把力放大。

3.1.5、累积放大

被测物在理量能够简单重叠的条件下，将它展延若干倍再进行测量的方法，称为累计放大法(叠加放大法)。如测量纸的厚度、金属丝的直径等，常用这种方法进行测量；累计放大法的优点是在不改变测量性质的情况下，将被测量扩展若干倍后再进行测量，从而增加测量结果的有效数字位数，减小测量的相对误差。对被测物理量简单重叠，不改变测量性质但可以明显减小测量的相对误差，增加测量结果的有效位数。在使用累积放大法时应注意,在扩展过程中被测量不能发生变化；在扩展过程中应努力避免引入新的误差因素。累积放大法通常是以增加测量时间来换取测量结果有效位数的增加，这要求在测量过程中被测量不随时间变化。累积放大法的优点是对被测物理量简单重叠,不改变测量性质但可以明显减小测量的相对误差，增加测量结果的有效位数。在累积测量中要避免引入新的误差因素。当我们用米尺测量一张纸的厚度时，一般的方法是：取同样的纸张，然后用米尺测量其厚度，把测得的数除以，即得出一张纸的厚度。该方法采用了相同量累积叠加的放大方法。既解决了可测问题，又提高了测量的精度。在物理实验中经常会遇到对某些物理量单次测量可能会产生较大的误差，如测量单摆的周期、等厚干涉相邻明条纹的间隔、纸张的厚度等等，回旋加速器也是利用了积累放大的原理，电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速，使电子的能量不断增加，电子的速度不断增加，即动能不断增加。将微小量累积后测量求平均的方法，能减小相对误差。实验中也经常涉及这一方法。例如，在《用单摆测定重力加速度实验》中，需要测定单摆周期，用秒表测一次全振动的时间误差很大，于是采用测量-次全振动的时间，从而求出单摆的周期(为全振动次数)。又如在《测定金属电阻率的实验》中，若没有螺旋测微器时，也可把金属在铅笔上密绕若干圈，由线圈总长度来测出金属丝的直径。此时可将这些物理量累积放大若干倍后再进行测量，以减小测量误差、提高测量精度。例如，如果用秒表来测量单摆的周期，假设单摆的周期为，而人操作秒表的平均反应时间为，则单次测量周期的相对误差为。但是，如果将测量单摆的周期改为测量次，那么因人的反应时间而引入的相对误差会降低到。

3、1、6、共振

一振动系统在外力作用下强迫进行的振动称为受迫振动。当系统作受迫振动时，强迫力的频率与振动系统的固有频率接近，使系统的振幅达到极大值的现象称为共振。共振是一种选择放大,对琴弦等乐器的共振我们称之为共鸣。

3、2、时间方面

3、2、1、伽利略的斜面实验

伽利略的斜面实验实现的是“冲淡引力”。实际上，是把物体下降一定高度的时间予以拉长，也就是放大。[3]

3.2.2、周期的规定

在物理实验中，很多个实验题目需要测定周期大小。由于测量周期多数使用秒表来测定，由于用秒表测量单个周期的误差较大，一般采用一次测量次周期的时间也就是说采用时间累积放大法，既解决了可测问题，又提高了测量的精度。

3.2.3、时间细分

用高速摄影摄取运动物体的瞬时状态，如：研究自由落体运动、高速飞行的子弹、水滴下落过程中形成的变化等都是把时间过程细分并展开。

3、3、光学方面

3.3.1、光学装置放大

常用的光学放大法有两种，一种是使被测物通过光学装置放大视角形成放大像，便于观察判别，从而提高测量精度。例如放大镜、显微镜、望远镜等。另一种是使用光学装置将待测微小物理量进行间接放大，通过测量放大了的物理量来获得微小物理量。例如测量微小长度和微小角度变化的光杠杆镜尺法，就是一种常用的光学放大法。在卡文扭实验中其测定万有引力恒量的思路最后转移到光点的移动，以及库仑静电力实验都是将微小形变放大方法的具体应用。

3、3、2、光杠杆放大

测量微小长度和微小角度变化的光杠杆镜尺法，是使用光学装置将待测微小物理量进行间接放大的方法，它是一种物理实验中常用的光学放大法。常见的光学放大仪器有放大镜、显微镜和望远镜等。一般的光学放大法有两种，一种是被测物通过光学仪器形成放大的像，以增加现实的视角，便于观察。例如常用的测微目镜、读数显微镜等。另一种仪器是测量放大后的物理量。光杠就是一种典型的例子，对于微小的长度变化量,通过光杠杆转换为对一个放大了的量的测量，下面我们讨论光杠杆测量原理，它由一面装在一个三脚金属架上的平面镜构成，配合望远镜尺组来测变化极微小的长度。使用时，将光杠杆的面前脚放在一个固定位置，后脚放在被测量的点上，使镜面垂直于地面，望远镜尺组放在镜面的正前方，当物体为原长时，由望远镜中可以看清楚标尺点在小镜中的反射像，当后脚向下降落一个位移面时，镜面使转动一个角度，这时在望远镜中所观察到的像由点变为点，小位移被放大成能观测的大位移，其作用像杠杆的作用一样，所以光杠杆的方法是一种放大的方法。

3、4、电磁方面

3、4、1、三级管、场效应管、集成电路组成的放大电路

在物理实验中往往需要测量变化微弱的电信号（电流、电压或功率），或者利用微弱的电信号去控制某些机构的动作，必须用电子放大器将微弱电信号放大后才能有效地进行观察、控制和测量。电子放大作用是由三极管、场效应管、集成电路组成的放大电路完成的。电信号的放大是物理实验中最常用的技术之一，包括电压放大、电流放大、功率放大等。例如普遍使用的三极管就是对微小电流进行放大，示波器中也包含了电压放大电路。由于电信号放大技术成熟且易于实现，所以也常将其他非电量转换为电量放大后再进行测量。例如利用光电效应法测普朗克常数的实验中，是将微弱光信号先转换为电信号再放大后进行测量。接收超声波的压电换能器是将声波的压力信号先转换为电信号，再放大进行测量。但是，对电信号放大通常会伴随着对噪声的等效放大，对信噪比没有改善甚至会有所降低。因此电信号放大技术通常是与提高信号信噪比技术结合使用一种是使被测物通过光学装置放大视角形成放大像，便于观察判别，从而提高测量精度。例如放大镜、显微镜、望远镜、三极管常用作放大器。常常把其他物理量转换成电信号放大以后再转回去（如压电转换、光电转换、电磁转换等）。许多电表如电流表、电压表是利用一根较长的指针把通电后线圈的偏转角显示出来。

3、4、2、谐振现象

当电容和电感两类元件同时出现在一个交流电路中时，随着频率的变化，电路中的电流（有效值）或总阻抗不是单调的变化，而是在某个频率处出现极值（极大值或极小值），这种现象叫做谐振。谐振是一种选择放大。

3、4、3、变压器的升压与降压法

对于理想变压器分别为输入、输出电压，、分别为输入、输出电流，、分别是原、副线圈的匝数。因此，适当选择，即可达到升压或降压的目的，同时也确定了原、副线圈中电流的关系。[6]

4物理量的放大方法总结：

物理量的放大法所涵盖的范围在科学领域及现实生活中都是非常广泛的，比如学生在学习过程中要利用到物理量的放大方法，在机械方面、时间方面、光学方面、电磁学等物理领域都充分的利用了物理量的放大方法，研究物理量在物理实验中的放大方法意义非常重大。例如物理工作者为提高被测物理量精度，常选用特殊的测量装置将被测物理量放大后再进行测量。在研究、解答某些问题时,如果不会影响到结果,往往可以打破常规,跳出题目的框框,将某些量放大,使问题变得简单明了,以便获得答案。探讨物理实验的放大法有助于实验者重视放大法在物理实验中的作用，有助于实验设备改进者改进实验设备，有助于实验设计者利用放大法设计出新的实验设备，探讨物理量的放大方法有利于物理工作者对科学方法的应用，有利于学生对科学方法的掌握。

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