物理試驗(yàn)的根本方法物理試驗(yàn)思想和方法的形成物理學(xué)是爭(zhēng)論物質(zhì)的根本構(gòu)造、根本運(yùn)動(dòng)形式、相互作用和轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科。它本身以及它與各個(gè)自然學(xué)科、工程技術(shù)部門的相互作用制造了今日的科技進(jìn)步和人類文明，對(duì)當(dāng)代及將來(lái)高科技的進(jìn)步、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建立和進(jìn)展供給著巨大的推動(dòng)力。在人類追求真理、探究未知世界的過(guò)程中，物理學(xué)呈現(xiàn)了一系列科學(xué)的世界觀和方法論，深刻影響著人類對(duì)物質(zhì)世界的根本生疏、人類的思維方式和社會(huì)生活，是人類文明的基石。物理學(xué)進(jìn)展的歷史證明白，正確的科學(xué)思想及由此產(chǎn)生的科學(xué)方法是科學(xué)爭(zhēng)論的靈魂。伽利略〔G.GaLileo〕是最早運(yùn)用我們今日所稱的科學(xué)方法的人。這種方法就是閱歷〔以試驗(yàn)和觀看的形式〔以制造性構(gòu)筑的理論和假說(shuō)的形式是科學(xué)史上第一位現(xiàn)代意義的科學(xué)家，他首先為自然科學(xué)創(chuàng)立了兩個(gè)爭(zhēng)論法則，即觀看試驗(yàn)和量化方法，將試驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合、真實(shí)試驗(yàn)和抱負(fù)試驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)方法。從而制造了和以往科學(xué)爭(zhēng)論方法不同的近代科學(xué)爭(zhēng)論方法，使近代物理學(xué)從今走上了以試驗(yàn)準(zhǔn)確觀測(cè)為根底的道路。伽利略在用試驗(yàn)方法覺(jué)察真理生疏到尋求自然法則是科學(xué)爭(zhēng)論的目的，自然法則是自然現(xiàn)象千變?nèi)f化的隱秘所在，而一旦覺(jué)察自然法則便可以生疏自然。這個(gè)觀念一經(jīng)確立，人們才漸漸生疏到，不僅天文學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)現(xiàn)象，一切自然現(xiàn)象都是有其自身規(guī)律的，于是在力學(xué)的帶著下，漸漸進(jìn)展出近代科學(xué)的各個(gè)分支。伽利略在建立系統(tǒng)的科學(xué)思想和試驗(yàn)方法中，開創(chuàng)了試驗(yàn)物理學(xué)，開創(chuàng)了近代物理學(xué)，對(duì)物理學(xué)的進(jìn)展作出了劃時(shí)代的奉獻(xiàn)。正如他自法，是人類思想史上最宏大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。伽利略開創(chuàng)的試驗(yàn)物理學(xué)，包括試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，試驗(yàn)方法開創(chuàng)了自然科學(xué)進(jìn)展的局面。在試驗(yàn)物理學(xué)數(shù)百年的進(jìn)展進(jìn)程中，涌現(xiàn)了眾多卓越的在物理學(xué)進(jìn)展史上起過(guò)重要里程碑作用的試驗(yàn)。它們以其巧妙的物理構(gòu)思、獨(dú)到的處理和解決問(wèn)題的方法、細(xì)心設(shè)計(jì)的儀器完善的試驗(yàn)安排、超群的測(cè)量技術(shù)、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)心處理和無(wú)懈可擊的分析推斷等，為我們展現(xiàn)了極其豐富和精彩的物理思想，開創(chuàng)出解決問(wèn)題的途徑和方法。這些思想和方法已經(jīng)超越了各個(gè)具體試驗(yàn)而具有普遍的指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)和把握物理試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、測(cè)量和分析的方法，對(duì)物理試驗(yàn)課及其他學(xué)科的學(xué)習(xí)和爭(zhēng)論都大有裨益。物理試驗(yàn)的測(cè)量和分析方法。一切描述物質(zhì)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的物理量都可以從幾個(gè)最根本的物理量中導(dǎo)出，而這些根本物理量的定量描述只有通過(guò)測(cè)量才能得到。將待測(cè)得物理量直接或間接地作為基準(zhǔn)的同類物理量進(jìn)展比較，得到比值的過(guò)程，叫做測(cè)量。測(cè)量的方法和準(zhǔn)確度隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展而不斷地豐富和提高。例如對(duì)時(shí)間的測(cè)量，遠(yuǎn)古時(shí)代，人們“日出而作，日落而息“。原始的計(jì)時(shí)單位是“日”,人們利用太陽(yáng)東升西落,周而復(fù)始,循環(huán)陽(yáng)是一顆恒星時(shí)，地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)周期便成了計(jì)量時(shí)間的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。人們?cè)圃炝巳贞小⒌温┖透鞣N各樣的計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量較短的時(shí)間間隔。隨著物理學(xué)的進(jìn)展，人們學(xué)會(huì)把單擺吊在時(shí)鐘上，做出了擺鐘，提高3數(shù)量級(jí)；隨后人們用石英晶體振蕩牽引時(shí)鐘鐘面，做出了石英鐘，將計(jì)時(shí)精度提高了近6個(gè)數(shù)量級(jí)；1949年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局首先利用氨分子躍遷作出了氨分子鐘，1955年英國(guó)皇家物理試驗(yàn)室最終把銫原子用在了時(shí)鐘上，做成了世界上第一架銫原子鐘〔量子頻標(biāo)，測(cè)時(shí)精度到達(dá)1－9，到1975年銫原子鐘的測(cè)量精度已經(jīng)到達(dá)10－13s，其他類型的原子鐘相繼問(wèn)世，其中主要有氫原子鐘和銣原子鐘等。1.3-114世紀(jì)的機(jī)械鐘到現(xiàn)代的原子鐘，計(jì)時(shí)精度大約按指數(shù)規(guī)律在提高。即使在同一范圍內(nèi)，精度要求不同也可以有多種測(cè)量方法，選用何種方法要對(duì)待測(cè)物理量在哪個(gè)范圍和我們對(duì)測(cè)量精度的要求。例如長(zhǎng)度的測(cè)量，掩蓋了整個(gè)物理學(xué)爭(zhēng)論的尺度范圍－小到微觀粒子，大到宇宙深處1－161026。人們利用高區(qū)分率電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡已經(jīng)可測(cè)量原子的直1－11010l.y〔約2.6*1026。而宏觀物理的范圍，一般承受力、電磁和光的放大方法進(jìn)展測(cè)量，例如我們?cè)谖锢碓囼?yàn)中就常用到的直尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、電感和電容式測(cè)微儀、線位移光柵、光學(xué)顯微鏡、阿貝比長(zhǎng)儀和激光測(cè)量方法和手段也越來(lái)越豐富，越來(lái)越先進(jìn)，我們不行能花大量筆墨在此介紹全部的測(cè)量方法和手段，本節(jié)只是我們?cè)谖锢碓囼?yàn)中常見(jiàn)的幾種最根本的測(cè)量方法做概括性的介紹。比較法：比較法是最根本和最重要的測(cè)量方法之一。由于所謂測(cè)量，就是把待測(cè)得物理量直接或者間接地與作為基準(zhǔn)〔或標(biāo)準(zhǔn)單位〕的同類物理量進(jìn)展比較，得到比值的過(guò)程。比較法可分為直接比較或者間接比較。X與的同類物理量或者標(biāo)準(zhǔn)量S種比較通常要借助儀器或者標(biāo)準(zhǔn)量具。例如，用米尺來(lái)測(cè)量某一物體的長(zhǎng)度就是最簡(jiǎn)潔的直接比較法。其中最小分度毫米就是作為比較用的標(biāo)準(zhǔn)單位。間接比較測(cè)量法：當(dāng)一些物理量難用直接比較法測(cè)量時(shí)，可以利用物理量之間的函數(shù)關(guān)系將待測(cè)物理量與同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)展間接比較測(cè)量出。圖1.3-2給出了一個(gè)利用間接比較測(cè)量電阻的示意圖。將一個(gè)可調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)電阻與待測(cè)電阻相聯(lián)接，保存穩(wěn)壓電源的輸出電壓V不變，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的阻值，使開關(guān)K在‘1’和‘2’兩個(gè)位置時(shí)，電流指示值不變，則Rx=Rs=V/I。補(bǔ)償法把標(biāo)準(zhǔn)值S選擇或調(diào)整到與待測(cè)物理量X值相等，用于抵消〔或補(bǔ)償〕待測(cè)物理量的作用，使系統(tǒng)處于平衡〔或補(bǔ)償〕X與標(biāo)準(zhǔn)值S具有確定的關(guān)系，這種測(cè)量方法稱為補(bǔ)償法。補(bǔ)償法的特點(diǎn)是測(cè)量系統(tǒng)中包含有標(biāo)準(zhǔn)量具和平衡器〔或示零器測(cè)物理量X與標(biāo)準(zhǔn)量S直接比較，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量S，使SX之差為零〔故也有人稱其為示零法。這個(gè)測(cè)量過(guò)程就是調(diào)整平衡〔或補(bǔ)償〕的過(guò)程，其優(yōu)點(diǎn)是可以免去一些附加系統(tǒng)誤差，當(dāng)系統(tǒng)具有高精度的標(biāo)準(zhǔn)量具和平衡指示器時(shí)，可獲得較高的區(qū)分率、靈敏度及測(cè)量的準(zhǔn)確度。電位差計(jì)是典型的補(bǔ)償電路應(yīng)用。其原理如圖1.3-3。Ex為被測(cè)電動(dòng)勢(shì)，EsRx、Rs均為標(biāo)準(zhǔn)電阻，它與電源E，可變電阻RpA用以監(jiān)控測(cè)量電路中電流的大小，檢流計(jì)G、Rs、Ks組成指零裝置。當(dāng)雙向雙擲開關(guān)K1EsRsGRs上的電壓Vs與EsVs=Es，Vs=IRs，即Es=IRs；再將K1Ex一側(cè)，在保證I不變的狀況下，調(diào)整Rx，再使檢流計(jì)G中無(wú)電流顯示，于是Rx上的電壓Vx與Ex補(bǔ)償，Vx=Ex=Irx。所以EsRx、Rs的精度都很高，再配上高精度的檢流計(jì)G，電位差計(jì)便具有很高的精度。平衡法平衡原理是物理學(xué)的重要根本原理，由此而產(chǎn)生的平衡法是分析、解決物理問(wèn)題的重要方法，也是物理量測(cè)量普遍應(yīng)用的重要方法。電壓等電子量之間的平衡設(shè)計(jì)的橋式電路，可用來(lái)測(cè)量電阻、電感、電容、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等物質(zhì)的電磁特性參量。歷史上一些重要的物理定律確實(shí)定和驗(yàn)證，有些就是通過(guò)平衡法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，匈牙利物理學(xué)家厄缶通過(guò)扭擺試驗(yàn)驗(yàn)證了物體的質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，扭擺試驗(yàn)的根本原理是平衡原理。如圖1.3-4(a)所示，用懸絲吊起的物體AFgFw和懸絲的張力Ft。在試驗(yàn)中，按圖1.3-4(b)吊起的兩個(gè)物體A和B到達(dá)平衡，厄缶比較了具有一樣質(zhì)量不同材質(zhì)的物體。即保持物體A的材質(zhì)不變，物體B分別用不同的材質(zhì)做成，結(jié)果看不出固定于懸絲S上的反射鏡M有任何偏轉(zhuǎn)，從而證明引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等，與物質(zhì)的材料無(wú)關(guān)。放大法在物理量的測(cè)量中，有時(shí)由于被測(cè)量量過(guò)分小，以至無(wú)法被試驗(yàn)者或儀器直接感受和反響，此時(shí)可先通過(guò)一些途徑將被測(cè)量量放大，然后再進(jìn)展測(cè)量，放大被測(cè)量量所用的原理和方法稱為放大法。常用的放大法有累積放大法、機(jī)械放大法、電學(xué)放大法、光學(xué)放大法等。積存放大法：在物理試驗(yàn)中我們常常可能遇到這樣一些問(wèn)題，即受測(cè)量?jī)x器的精度的限制，或存在很大的本底噪聲或受人底反響時(shí)間底限制，單次測(cè)量的誤差很大或者無(wú)法測(cè)量出待測(cè)量的有用信息，承受積累放大法來(lái)進(jìn)展測(cè)量，就可以削減測(cè)量誤差、降低本底噪聲和獲得有用的信息。例如最簡(jiǎn)潔的單擺試驗(yàn)的周期測(cè)量，假定單擺周期T為1.50s，人開啟和關(guān)閉秒表的平均反響時(shí)間為△T＝0.2s，則單次測(cè)量周期的相對(duì)誤差為△T/T＝30％，假設(shè)我們測(cè)量50個(gè)周期，則將由人開啟和關(guān)閉秒表的平均反響時(shí)間引起的誤差降T/T30％〔參考試驗(yàn)4.2.2膜，使光在兩半透半反射膜之間屢次反射，光強(qiáng)不斷增加，其中與反射面不垂直的光會(huì)由于屢次反射而最1.3-5所示。10盤旋也是利用了積存放大的原理，電子每通過(guò)半圓的出口進(jìn)展一次加速，使電子的能量1.3-6所示，電子的速度不斷增加，V1<V2<V3<V4<┈<V，即動(dòng)能不斷增加。在拉曼光譜或紅外光譜的測(cè)量中，由于電子噪音、機(jī)械振動(dòng)噪聲和環(huán)境噪聲等，使單次掃描往往不能獲得高區(qū)分率和信噪比的譜圖或曲線，也常常承受積存放大法進(jìn)展屢次掃描測(cè)量來(lái)降低本底噪音，提高測(cè)量的區(qū)分率和獲取有用信息。10機(jī)械放大法：機(jī)械放大是最直觀的一種放大方法，例如利用游標(biāo)可以提高測(cè)量的細(xì)分程度，原來(lái)分度y的主尺，加上一個(gè)n等分的游標(biāo)后，組成的游標(biāo)尺的分度值△y＝y(tǒng)/nyn倍，這對(duì)直標(biāo)尺和角游標(biāo)都是適用的〔參閱長(zhǎng)度測(cè)量的有關(guān)試驗(yàn)。螺旋測(cè)微原理也是一種機(jī)械放大，將螺距〔螺旋進(jìn)一圈的推動(dòng)距離〕通過(guò)螺母上的圓周來(lái)進(jìn)展放大。放大率 ，其中d是螺距，D是螺母連接在一起的微分套微的直徑。機(jī)械杠桿可以把力和位移細(xì)分，例如各種不等臂的秤桿。滑輪亦可以把力和位移細(xì)分，例如機(jī)械連動(dòng)桿或絲桿，連動(dòng)滑輪或齒輪等。電信號(hào)的放大和信噪比的提高：電信號(hào)的放大可以是電壓放大、電流放大、功率放大、電信號(hào)亦可以是溝通的或直流的。隨著微電子技術(shù)和電子器件的進(jìn)展，各種電信號(hào)的放大都很簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)，因而也是用的最廣泛、最普遍的。例如三極管是在任何電子電路中都可能遇到的常用元件，由于柵極Eg的微小變化都會(huì)產(chǎn)生板極電流Ip現(xiàn)，把弱電信號(hào)放大幾個(gè)至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)已不再是難事。因此，常常把其他物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大以后在轉(zhuǎn)回去〔如壓電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、電磁轉(zhuǎn)換等。把電學(xué)量放大，在提高物理量本身量值的同時(shí)，還必須留意削減本底信號(hào)，提高所測(cè)物理量的信噪比和靈敏度，降低電信號(hào)的噪聲。提高信噪比的方法是多種多樣的，詳見(jiàn)電子線路的有關(guān)書籍。光學(xué)放大法：光學(xué)放大的儀器由放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。這類儀器只是在觀看中放大視角，并不是實(shí)際尺寸的變化，所以并不增加誤差。因而很多周密儀器都是在最終的讀數(shù)裝置上加一個(gè)視角放大裝置以提高測(cè)量精度。微小變化量的放大原理常用于檢流計(jì)、光杠桿等裝置中。光杠桿鏡尺法就是通過(guò)放大被測(cè)量的微小長(zhǎng)度變化，其原理照試驗(yàn)楊氏模量的測(cè)量中有關(guān)公式 所示，原來(lái)是一個(gè)微小的長(zhǎng)度變化量當(dāng)取D遠(yuǎn)大于光杠桿的臂長(zhǎng)(光杠桿的支腳尖到刀口的垂直距離)后經(jīng)光杠桿轉(zhuǎn)換后的變化量卻是一個(gè)較大的量，可在標(biāo)尺上直接讀出。其中，為光杠桿裝置的放大倍數(shù)。一般在試驗(yàn)中，4－8cm，D1－2m25－100倍。轉(zhuǎn)換測(cè)量法：各物理量之間存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，它們相互關(guān)聯(lián)、相互依存，在肯定的條件下亦可〔或易于〕測(cè)量的物理量來(lái)進(jìn)展測(cè)量，此即轉(zhuǎn)換測(cè)量法，它是物理試驗(yàn)中常用的方法之一。轉(zhuǎn)換測(cè)量法大致可分為參量轉(zhuǎn)換測(cè)量和能量轉(zhuǎn)換測(cè)量法兩大類。參量轉(zhuǎn)換測(cè)量法：參量轉(zhuǎn)換測(cè)量法是利用各種參量間的變換及其變化的相互關(guān)系，把不行測(cè)的量轉(zhuǎn)換成可測(cè)的量。在設(shè)計(jì)和安排試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)預(yù)先估量不能到達(dá)要求時(shí)，常常另辟?gòu)?，把一些不行測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的物理量。例如質(zhì)子衰變?cè)囼?yàn)，長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家們都沒(méi)有觀看到質(zhì)子衰變，故認(rèn)為它是一種穩(wěn)定的粒子，其壽命是無(wú)限的。但依據(jù)弱電統(tǒng)一理論預(yù)言，質(zhì)子的壽命是有限的，其平均壽命約為,即大約 , 是一個(gè)多么漫長(zhǎng)的時(shí)期，簡(jiǎn)直是一個(gè)無(wú)法測(cè)量的時(shí)間。由于地球的年齡才大約 , 誰(shuí)也無(wú)法預(yù)料 內(nèi), 世界上會(huì)發(fā)生什么樣的變化。因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間，人們無(wú)法提醒質(zhì)子壽命的奇特。但是當(dāng)人們把思考的著眼點(diǎn)變換一個(gè)角度，把時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)換為空間概率的測(cè)量時(shí)，整個(gè)大事就發(fā)生了戲劇性的變化。假設(shè)我們觀看 個(gè)質(zhì)子〔每噸水約有 個(gè)，則一年之內(nèi)可能有100個(gè)質(zhì)子衰變，這樣使原來(lái)根本無(wú)法觀看和測(cè)量的事情，變成可以測(cè)量了。又例如關(guān)于引力波的試驗(yàn)，依據(jù)愛(ài)因斯坦關(guān)于引力波的理論，任何作相對(duì)加速運(yùn)動(dòng)的物體都可以放射引力波，因而，雙星體ζ可能是引力波源。而目前試驗(yàn)室中引力波天線的靈敏度都缺乏以到達(dá)既可以直接測(cè)量到宇宙內(nèi)的引力波，又同時(shí)能排解電磁輻射干擾。于是，物理學(xué)家們就把著眼點(diǎn)放在了雙星座引力輻射阻尼上，即測(cè)量雙星由于輻射引力波而導(dǎo)致軌道周期的減小來(lái)檢驗(yàn)引力波的存在。有時(shí)某些物理量雖然可以測(cè)定，但要準(zhǔn)確測(cè)量則是不簡(jiǎn)潔，或所需要的條件苛刻或所需要的測(cè)量?jī)x器簡(jiǎn)單、昂貴等，但是換個(gè)途徑，事情就變得簡(jiǎn)潔多了，而且能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量。由于在實(shí)際測(cè)量工作中，可以轉(zhuǎn)變的條件很多，于是我們可以在肯定范圍內(nèi)找到那些易于測(cè)量的量，繞開不易測(cè)量的量，實(shí)行變量代換。最經(jīng)典的例子便是利用阿基米德原理測(cè)量不規(guī)章物體的體積或密度。其原理請(qǐng)參閱試驗(yàn)3.3.1，用流體靜力稱衡法測(cè)量幾何外形不規(guī)章物體的密度時(shí)，由于其體積無(wú)法用量具測(cè)定，為了抑制這一困難，利用阿基米德原理，先測(cè)量物理體在空氣中的質(zhì)m，再將物體浸沒(méi)在密度為 的某液體中，稱衡其質(zhì)量為 ，則該物體的密度為： ，因此將對(duì)物體的體積測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)m和

的測(cè)量，m和

均可由分析天平和電子天平準(zhǔn)確測(cè)量。能量轉(zhuǎn)換測(cè)量法：能量轉(zhuǎn)換測(cè)量法是指某種形式的物理量，通過(guò)能量變換器，變成另一種形式物理量的測(cè)量方法。隨著各種型功能材料的不斷涌現(xiàn)，如熱敏、光敏、壓敏、氣敏、濕敏材料以及這些材料性能的不斷提高，形形色色的敏感器件和傳感器也就應(yīng)運(yùn)而生，為科學(xué)試驗(yàn)和物性測(cè)量方法的改進(jìn)供給了很好的條件。考慮到電學(xué)參量具有測(cè)量便利、快速的特點(diǎn)，電學(xué)儀表易于生產(chǎn)，而且常常具有通用性，所以很多能量轉(zhuǎn)換法都是使待測(cè)物理量通過(guò)各種傳感器和敏感器件轉(zhuǎn)換成電學(xué)參量來(lái)進(jìn)展測(cè)量的。最常見(jiàn)的有：1)〔或其他光，如日光、燈光等〕照耀在硒光電池上直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在進(jìn)展放大。在物理試驗(yàn)中常用的光電元件還有光敏三極管、光電倍增管、光電管等。磁電轉(zhuǎn)換：最經(jīng)典的磁敏元件是霍爾元件、磁記錄元件〔如讀、寫磁頭、磁帶、磁盤┈元件等，利用磁敏元件〔或電磁感應(yīng)組件〕將磁學(xué)參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電阻的測(cè)量。熱電轉(zhuǎn)換：利用熱敏元件〔如半導(dǎo)體熱敏元件、熱電偶等量。壓電轉(zhuǎn)換：利用壓敏元件或壓敏材料〔如壓電陶瓷、石英晶體等〕的壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)展測(cè)量。反過(guò)來(lái)，也可以用某一特定頻率的電信號(hào)去鼓勵(lì)壓敏材料使之產(chǎn)生共振，來(lái)進(jìn)展其他物理量的測(cè)量。模擬法：模擬法是以相像性原理為根底，從模型試驗(yàn)開頭進(jìn)展起來(lái)的，爭(zhēng)論物質(zhì)或事物物理屬性戶變化規(guī)律的試驗(yàn)方法，在探求物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和自然微妙或解決工程技術(shù)或軍事問(wèn)題時(shí)，常常會(huì)遇到一些特殊的、難以對(duì)爭(zhēng)論對(duì)象進(jìn)展直接測(cè)量的狀況。例如，被爭(zhēng)論的對(duì)象格外浩大或格外微小〔巨大的原子能反應(yīng)堆、同步輻射、航天飛機(jī)、宇宙飛船、物質(zhì)的微觀構(gòu)造、原子和分子的運(yùn)動(dòng)┈〕，格外危急〔地震、火山爆發(fā)、放射原子彈或氫彈┈，或者時(shí)爭(zhēng)論對(duì)象變化格外緩慢〔天體的演化、地球的進(jìn)化┈。依據(jù)相像性原理，可人為地制造一個(gè)類似于被爭(zhēng)論的對(duì)象或者運(yùn)動(dòng)過(guò)程的模型來(lái)進(jìn)展試驗(yàn)。模型法可以按其性質(zhì)和特點(diǎn)分成兩大類：物理模擬和計(jì)算機(jī)模擬。物理模擬可以分為三類：幾何模擬、動(dòng)力相像模擬、替代或類比模擬〔包括電路模擬。幾何模擬：幾何模擬是將實(shí)物按比例放大或縮小，對(duì)其物理性能及功能進(jìn)展試驗(yàn)。如流體力學(xué)試驗(yàn)室常承受水泥造出河流的落差、彎道、河床的外形，還有一些不同外形的擋水狀物，用來(lái)模擬河水流向、泥沙的沉積、沙洲、水壩對(duì)河流運(yùn)動(dòng)的影響，或用“沙堆”爭(zhēng)論泥石的變化規(guī)律。再如爭(zhēng)論建筑材料及構(gòu)造的承受力量，可將原材料或建筑群體設(shè)計(jì)，按比例縮小幾倍到幾十倍，進(jìn)展試驗(yàn)?zāi)M。動(dòng)力相像模擬：物理系統(tǒng)常常是不具有標(biāo)度不變性的。即一般來(lái)說(shuō)，幾何上的相像性并不等于物理上為了到達(dá)模型與原型在物理性質(zhì)或規(guī)律上的相像或等同性，模型的外型往往不是原型的縮型，例如1943年美國(guó)波音飛機(jī)公司用于試驗(yàn)的模型飛機(jī)，其外表根本就不像一架飛機(jī)，然而風(fēng)速對(duì)它翼部的壓力卻與風(fēng)速對(duì)原型機(jī)翼的壓力相像。又如，在航空技術(shù)驗(yàn)機(jī)中，人們不得不建筑壓縮空氣作高速旋轉(zhuǎn)的密封型風(fēng)洞來(lái)作為模型試驗(yàn)的條件，使試驗(yàn)條件更符合實(shí)際自然狀態(tài)的形式。替代或類別模型：利用物質(zhì)材料的相像性或類比性進(jìn)展試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它可以用別的物質(zhì)、材料或者別的物理過(guò)程，來(lái)模擬所爭(zhēng)論的