物理实验不仅要得到一个数值,还要说明这个数值如何得到、在什么条件下有效,以及它能支持怎样的结论。例如,测量振动周期时,需要先规定一次完整振动的起止状态,记录计时的周期数,再说明计时分辨力和重复性。只写“周期为 2 秒”,不足以让别人复核结果。
一次完整实验包括提出问题、建立测量模型、选择仪器、检查与调节、采集数据、处理和讨论结果。预习时应把待测量与直接读数分开:杨氏模量不能从尺上直接读出,需要把载荷、尺寸和形变代入测量模型;模型条件也是实验设计的一部分。
进入实验室前完成规定的安全培训,了解本实验的危险源、应急设施、疏散路线和报告方式。正式操作以现场指导书和教师说明为准。仪器型号不同,允许输入、供电、接地和调节方式可能不同,不能把其他设备的旋钮位置直接照搬。
检查导线绝缘、插接件、机械固定和防护装置。发现电线破损、异味、异常发热、松动部件或不明报警,应停止操作并报告;不拆开设备自行排除故障。需要保护接地的仪器必须保持正常接地,不以拔除地线的方法消除测量中的干扰。
改接实验电路前先断开相关电源,并按现场规程确认储能元件已经安全放电。关闭电源不等于所有端子立即没有电压;不要用手试探带电状态,也不要用金属工具直接短接电容。
力学实验中,固定好支架与夹具,避开运动部件、悬挂物和砝码可能坠落的区域;不要超过规定载荷。光学实验中,不直视激光光束或其镜面反射,调整光路时保持规定的防护和工作位置。不同波段和功率的光源不能用同一套经验判断安全。
出现险情时,先保护人员,按实验室应急预案停止操作、报告并撤离危险区域。只有在确保自身安全且受过相应培训时,才实施规定的应急处置。不要为保存数据返回危险区域。
预习记录应能回答四个问题:测什么量;直接观察什么信号;用什么模型换算;模型依赖哪些条件。先拟定记录表,把单位、仪器量程、分辨力和环境条件留出位置。预计数据变化趋势有助于发现接线或单位错误,但不能据此修改实测数据。
开始测量时,先检查仪器状态和零点,完成指导书要求的校准或调节,再做少量试测。试测用于确认量程、信号稳定性和测量顺序。更改设置后应记录更改的时间和原因,避免把不同条件下的数据误当作同一组重复测量。
原始数据应在观察时直接记录,保留读数本身的有效位数、单位、条件和异常现象。写错时使原记录仍可辨认,再注明更正值;电子记录应保留原始文件。离群点可能来自误操作,也可能揭示模型缺陷。没有可说明的依据,不能为了让结果接近参考值而删除数据。
实验结束时,先检查数据是否足以完成模型计算和不确定度评定,再按规程关闭与整理设备。归还器材,报告故障,清理实验台,并保存原始记录。需要教师核验的数据应在离开前完成核验。
公式中的每个量都应能追溯到读数、已知参数或明确假设。图轴注明物理量与单位,数据点和拟合线作出区分。报告测量结果时同时给出单位和不确定度,并说明使用标准不确定度还是扩展不确定度;不能只报百分比偏差来代替测量质量评定。
讨论应围绕证据。例如,残差随载荷呈系统弯曲,可能提示线性模型不再适用;重复读数分散增大,提示稳定性或读数条件发生变化。解释需要与实际现象对应,“人为误差”不能代替具体分析。模拟数据、示例数据和实测数据必须明确区分。
一次实验中,有个读数明显偏离其余读数。实验者没有记录异常现象,也没有复测,直接删除该点以减小结果偏差。这样的处理是否合适?