《创新性物理实验设计与应用》是为大学物理实验的较高层次的实验训练，培养学生运用物理实验知识和技能解决实际问题和独立从事科学研究工作而设计的。为此，《创新性物理实验设计与应用》各实验与传统的“测量性验证性实验”不同，没有详细的实验步骤，只有实验背景及方法介绍？一系列的问题？实验要求和参考材料。学生要在查找和阅读参考材料的基础上回答这些问题，才能明确实验原理并设计实验来完成实验的要求。通过这样的实验训练，学生能深入理解物理原理，提高学习能力？实践应用能力？研究创新能力。
《创新性物理实验设计与应用》包含两类共29个实验项目，适合大学本科二年级到四年级学生阅读使用，适用于应用物理学专业及其他理工科各专业。每个实验需要的学时数从三学时到一学期，实验的要求从初步学习如何设计实验到研究一个全新的课题。其中，“物理实验设计与应用”特别注重运用物理实验知识与技术的应用，激发学生学习兴趣，培养学生将知识与技能转化为解决实际问题的能力；“物理实验创新研究”带有一些科学研究的性质，要求学生完成一个有创新意义的交叉性研究课题，培养学生独立从事科学研究能力。《创新性物理实验设计与应用》在第1章较为详细地介绍了物理实验研究方法，使学生更好地完成实验研究。
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第1章 物理实验研究方法与论文写作
物理学是以实验为本的科学.在物理学发展过程中，科学实验起到了十分重要的作用.所谓实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器，人为地控制？创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测（定量的或定性的），以探求该自然过程变化规律的一种科学活动.物理实验是一门实验科学，它不仅为物理学概念和原理的建立做出了贡献，更重要的是，它体现了人类社会的创新发展过程和创新成果.大学物理实验引入高等教育已有100多年的历史，在培养学生创新能力方面发挥着日益重要的作用.
研究性实验是模拟科学研究的过程进行的实验.在一定意义上说，一次研究性实验的过程就是一次科学研究的过程.科学研究并没有一成不变的方法.有些人埋头做科学实验，通过细心观察发现了新的现象，如伦琴发现X射线；有些人按照概念做实验，如居里夫人从大量的矿石里面提炼出放射性元素镭；有些人通过广泛收集资料和观察，悟出一些规律，如达尔文的进化论；也有些人提出了一些新概念，如麦克斯韦的电磁场理论和爱因斯坦的相对论；还有一些人是把不同的学科组织联系起来，如维纳提出来的控制论.本书力求引导和启发学生通过实验来学会如何剖析实验问题，制定最佳实验方案，独立操作，培养文献检索？科技写作与团队精神等综合素质和能力，并留给学生一些具有启发性的？开扩视野和思路的问题.
1.1 物理实验研究方法
1.什么是科学研究
科学研究是人们为了建立？填补和完善某一领域（如自然？社会？思维等）客观规律的科学知识体系而进行的活动和工作.科学研究的目的是要发展和深化人类的认识过程，发现客观世界的某一本质规律，发明创造物质财富的方法和手段.科学研究必须有一个新的结果作为衡量，这个新的结果可能是新的发现，可能是新的理论，可能是新的方法，也可能是一种器械或者是一种材料等.总而言之，科学研究就要求我们在前人研究基础上有所创新.
2.科学研究具有客观性？创新性？多学科综合与交叉性
科学研究的客观性就是实事求是？尊重客观事实.科学研究的目的就是要有所创新，没有创新就没有科学进步.科学研究的创新应包括：①原创性的发现和发明，即发现前人未曾发现过的现象？规律，创造出别人还没有做出的新事物？新方法；②对原创性创新的整理和归纳，这种整理和归纳对于科学发展所做的贡献不亚于原创性的发现和发明，例如，门捷列夫正是在整理元素周期表的过程中发现元素周期律，并由此预言了新元素的存在及其性质；③原创性创新知识的集成和运用，知识创新成果的创造性传播？转化和规模产业化，也是一种很重要的创新，而且是一种把知识变成力量和物质财富的创新.弗兰西斯？培根说“知识就是力量”，但是如果没有这种运用和转化，知识就永远只是知识而已.
科学研究具有多学科综合与交叉性.科学发展到今天，出现了高度分化和高度综合的两种不同的趋势，各门学科纵横交错？联系紧密，于是在当代科学研究中表现出学科交叉的综合研究的特点.
3.科学发展的一般顺序
（1）由科学思想形成的概念定义出一个确定的物理量；
（2）由此进一步确定此物理量的实验测定方法？仪器装置？实验配方等，从而得到大量的实验结果；
（3）总结这些实验结果，得出经验关系或定理；
（4）从理论上分析说明这些经验关系的本质，力求从理论上得出与实验结果相符的该物理量的计算方法，即人们一般所说的不仅要知其然还要知其所以然.
4.物理实验研究的基本程序
对于一个具体的研究课题，从开始选题到研究工作结束，整个过程必须按照一定的程序进行.不过科学实验过程中的许多工作都要经过反复修改甚至推翻重来的，即通过实践？修正？实践的多次反复，不断加以完善.
（1）确定研究课题.
选题不仅要有科学性？创新性？实用性，还要考虑实现的可能性.研究性实践活动的课题往往都是指导教师给定的，不仅要求教师把握科学需求和研究趋势，还要注意课题的难度，过难或过易的研究课题都可能给学生的研究性实践活动带来不利的影响.不过，该环节一般与调研环节是强耦合的，调研的结果可能会进一步修正研究课题的具体任务.
（2）课题调研.
针对给定的研究课题，通过实地或查阅文献等调查研究，回答下述问题：在该课题上国内外有哪些研究者，已经做了哪些工作，这些工作如何分类？有何优缺点，当前最好的方法已经做到了什么程度，还有什么问题没有解决，目前的发展趋势是什么等.这是科学研究中至关重要的一环.如果调研上出了问题，就会导致重复了别人的工作，或者解决了别人早已解决了的问题，或者做了远不及别人已完成的成果.在调查研究过程中，要坚持独立思考，不要被文献资料束缚了自己的思想.在调研阶段，师生共进是非常重要的.学生有足够的时间和精力阅读大量的论文，从而能够把握更多的文献和细节，但可能因缺少全局观而判断力不足，因而难以形成有效的知识体系；而教师往往本就在相关领域具有一定的基础，而且知识体系更全面，可以形成更好的判断.因此，在这一阶段，学生与导师应该多交流，共同形成对研究方向的准确把握，从而提出真正有价值的学术问题.
（3）制定实验方案.
实验方案是完成课题的关键，在大量调研的基础上，作出研究全过程的蓝图，选择突破口和切实可行的技术路线，包括研究理论依据，建立物理模型，选择适当类型的实验和实验方法，设计正确的测量方法和路线，恰当的选择实验仪器设备等.在实验方案中还要探究最佳实验条件.实验方案还应兼顾数据处理的方法及误差的合理估计与制定方案的关系.实验方案应具有先进性？预见性和切实可行性.请教师对实验方案进行把关，避免研究性实践活动出现大的偏差.
①选择实验方法.
根据课题研究对象的性质与特点，收集各种可能的实验方法，在分析和比较各种实验方法的适用条件？可能达到的实验精度以及可行性和经济因素后，选择符合实验要求的最佳实验方法.
②选择最佳测量方法.
实验方法确定后，需要选择一种最佳测量方法，最充分发挥现有仪器设备的效能，使各物理量的测量结果误差最小.
测量中，产生误差的原因是复杂的，根据误差的性质和产生的原因，将误差分为系统误差？随机误差和粗大误差三类.
粗大误差的发生是由于实验者的过于疲劳或疏忽大意，或环境条件的突然变化而引起的.对于这类误差，首先要设法判断其是否存在，然后应用相应的法则将此类误差剔除.
在相同的条件下，对同一物理量进行多次重复的等精度测量，每次测量的误差绝对值时大时小，误差时正时负，任何一次测量值的误差都是随机的，这类误差称为随机误差.对于这类误差，主要是采用等精度多次测量的方法来尽量减小其影响.对于一些等间隔？线性变化的连续序列数据的处理，则可以采用逐差法和最小二乘法等.
在一定条件下，对同一物理量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按某一确定规律变化的误差，称为系统误差.系统误差的来源主要有仪器误差？方法理论误差？环境误差？个人误差等.对于系统误差，应有针对性运用各种基本测量方法予以发现和减小.要仔细考察与研究对测量原理和方法的推演过程，检验或校准每一件仪器，分析每一个实验条件，考虑每一步调整和测量，注意每一种因素对实验的影响等.
③选用仪器设备.
根据实验目的和精度要求，选用最简单？最经济的符合要求的仪器.衡量仪器的主要技术指标是分辨率和精确度，即仪器能够测量的最小值和仪器误差.可以用误差分析来实现仪器的最佳选择.若实验中选用多种仪器，还应注意合理配套和仪器误差的合理分配.
（4）实验实施过程.
实验过程中要进行最佳实验条件的探索实验.实验中要注意运用理论指导实践，有针对性地运用各种测量方法减少实验的系统误差.在实验过程中必须严格遵守实验室规章制度和实验规程，仔细观察，认真？实事求是地记录实验数据和过程细节，养成良好的实验工作作风.
（5）结果分析与讨论.
对积累的大量实验数据进行认真的整理和综合分析.可以用表格？曲线？图解？照片等分析总结实验结果.对于主要的实验结果，通常要逐项探讨？判断分析；探讨所得结果与研究目的或假设的关系以及与他人研究结果的比较与分析；对研究结果的解释（是否符合原来的期望）；重要研究结果的意义（推论）.这是由表及里，从现象到规律，从感性到理性的提炼升华过程.
（6）得出结论.
上述实验结果如果足够充分而且对比丰富，则提供了宝贵的第一手资料，足以支撑一些基本的结论.更重要的是，所谓“实践出真知”，就是这些结果和对比分析为我们提供了更为宝贵的经验，可以使我们更深刻地认识相关课题领域存在的真实问题是什么，什么样的思路可能是有效的，进而使我们可以进一步提出新问题或者新的解决思路，从而再次回到科研流程的第4个步骤上.在这样一个节点上，教师和学生的深入讨论是发现新问题？诞生新思路的法宝.
1.2 论文报告的撰写
科学论文和研究工作报告是科学研究的永久性记录和总结.通常由以下几部分组成：
1.引言
引言（或绪论）简要说明研究工作的目的？范围？相关领域的前人工作和知识空白？理论基础和分析？研究设想？研究方法和实验设计？预期结果和意义等.引言应言简意赅，不要与摘要雷同，不要成为摘要的注释.一般教科书中已有的知识，在引言中不必赘述.比较短的论文可以只用小段文字起着引言的效用.学位论文需要反映作者已掌握了坚实的基础理论和系统的专门知识，具有开阔的科学视野，对研究方案作了充分论证，因此有关历史回顾和前人工作的综合评述以及理论分析等，可以单独成章，用足够的文字叙述.
引言的目的是给出作者进行本项工作的原因及目的，因此应给出必要的背景材料，让对这一领域并不特别熟悉的读者能够了解进行这方面研究的意义？前人已达到的水平？已解决和尚待解决的问题，最后应用一两句话说明论文的目的和主要创新之处.
2.正文
正文是核心部分，占主要篇幅，可以包括调查对象？实验和观测方法？仪器设备？材料原料？实验和观测结果？计算方法和编程原理？数据资料？经过加工整理的图表？形成的论点和导出的结论等.论文主体的内容应包括以下两部分：
（1）材料和方法.材料包括材料来源？性质？数量？选取和处理事项等.方法包括实验仪器？设备？实验条件？测试方法等.
（2）实验结果与分析讨论.以图或表等手段整理实验结果，进行结果的分析和讨论，包括：通过数理统计和误差分析说明结果的可靠性？可重复性？范围等；进行实验结果与理论计算结果的比较（包括不正常现象和数据的分析）；实验结果部分的讨论.值得注意的是：必须在正文中说明图表的结果及其直接意义；复杂图表应指出作者强调或希望读者注意的问题.对研究内容及成果应进行较全面？客观的理论阐述，应着重指出本研究内容中的创新？改进与实际应用之处.理论分析中，应将他人研究成果单独书写，并注明出处，不得将其与本人提出的理论分析混淆在一起.对于将其他领域的理论？结果引用到本研究领域者，应说明该理论的出处，并论述引用的可行性与有效性.
3.结论
结论是最终的？总体的结论，不是正文中各段的小结的简单重复.结论应该准确？完整？明确？精练.如果不可能导出应有的结论，也可以在没有结论的情况下进行必要的讨论，可以在结论或讨论中提出建议？研究设想？仪器设备改进意见？尚待解决的问题等.
4.参考文献
列出撰写论文所参考引用的主要文献，参考文献应按照论文中引用出现的顺序列出，并加以序号.需要注意的是，教材？产品说明书？各类标准？各种报纸上刊登的文章及未公开发表的研究报告等通常不宜作为参考文献引用；引用网上参考文献时，应注明该文献的准确网页地址.
第2章 物理实验数据处理方法
2.1 不确定度理论在物理实验中的应用
创新研究性实验的核心是设计实验方案，并在实验中检验方案的合理性.在制定实验方案时，应考虑选择合理的实验方法，选择或设计最佳测量方法和测量路线，合理挑选实验仪器设备及选择有利的测量条件.下面介绍用不确定度理论选择最佳实验方案，使测量量的相对不确定度达到最小，即达到实验方案的最优化.
一？不确定度的定义
不确定度是由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，是用来表征被测量的真值以某种置信概率存在的范围.不确定度可分为两类分量：一类是用统计方法估计的A 类分量犝A；另一类是用非统计方法估计的B类分量犝B.不同的误差来源对应着不同的不确定度，设测量量x的
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