物理学是一门实验科学，无论是物理规律的发现，还是物理理论的验证，都有赖于物理实验。物理实验都离不开物理量的测量。物理实验的种类很多，相应的待测物理量也非常广泛，它包括力学量、热学量、电磁学量、光学量等。

不同物理量的测量方法各不相同，同一物理量通常也有多种不同的测量方法。实验测量方法的选取，与实验研究对象的属性、仪器设备的条件、测量精度的要求等密切相关。测量方法正确，可以事半功倍；而测量方法不当，则被测对象的本质无法全面揭示，甚至有可能导致错误的结果。因此，测量方法的正确选取与否，直接关系到物理实验的成败。

大学物理实验中常用的基本测量方法有很多。按被测量取得的方法来划分，可分为直接测量法和间接测量法；按测量过程是否随时间变化来划分，可分为静态测量法和动态测量法；按测量数据是否通过对基本量的测量而得到，可分为绝对测量和相对测量；按测量手段来分，又可分为比较法、放大法、平衡法、补偿法、模拟法、转换法、干涉衍射法等，这些基本测量方法为各类物理实验所普遍采用。

1 直接测量法与间接测量法

1.1直接测量法

直接测量法是用已有的标准测量工具，直接对待测量进行测量，从测量工具的标度装置上读取待测物理量的方法。直接测量法所使用的测量工具，通常是直读指示式仪表，所测量的物理量一般为基本量。例如，用米尺、游标卡尺、千分尺测长度，用秒表或数字毫秒计测时间，用伏特表测电压，用安培表测电流等。

直接测量法是一种最简便的测量方法，各类物理实验最终都可归结为对某些物理量的直接测量，因而这种方法在每一个定量物理实验中都要用到。

1.2 间接测量法

物理实验中，还有许多物理量无直接的测量工具，或因条件限制，无法用直接的测量工具进行测量（如测量地球到月球的距离），或用已有的直接测量工具无法达到要求的精度。在这种情况下，可以采用间接测量法，利用物理量之间的函数关系，借助于一些中间量，或将被测量进行某种变换，来间接实现测量。古代著名的曹冲称象，用的就是间接测量法。

2 比较法

比较法是将待测量与已知的标准量进行直接或间接的比较，从而测出待测量的一种测量方法。

俗话说：有比较才有鉴别。比较法是物理量测量中最普遍、最基本的一种测量方法。事实上，所有测量都是待测量与标准量进行比较的过程，只是比较的方式不同而已。例如，用米尺量长度，用量杯测量液体体积，用天平称物体质量，用电桥法测电阻等，采用的都是比较法。

有些物理量难于直接进行比较测量，需要通过间接比较的方法求出其大小。例如，用李萨如图形测量电信号频率，就是将信号输入示波器转换为图形后，再由标准信号求出被测信号的频率。

3 放大法

物理实验中，常遇到一些微小物理量的测量，由于待测量过小，以至于难以被实验者或仪器直接感觉和反映，这时可设法将被测量放大，然后再进行测量。物理实验中常用的放大法有以下几种：

3.1 机械放大法

这是一种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。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。以螺旋测微器为例，套在螺杆上的微分筒被分成50格，微分筒每转动一圈，螺杆移动0.5mm；微分筒每转动一格，螺杆移动0.01mm。如果微分筒的周长为50mm（即微分筒外径约为16mm），微分筒上每一格的弧长相当于1mm，这相当于螺杆移动0.01mm时，在微分筒上却变化了1mm，即放大了100倍。 读数显微镜、迈克耳逊干涉仪等测量系统的机械部分，都是采用螺旋测微装置进行测量的。这种方法可大大提高测量精度。

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，就可将横梁微小的倾斜通过指针放大显示出来。

3.2 光学放大法

光学放大法分直接放大法和间接放大法两种。

直接放大法是利用放大镜、显微镜、望远镜等由透镜构成的光学装置，将待测物从视角上加以放大，以提高可观察度。如利用显微镜放大牛顿环实验中的等厚干涉条纹等。这种方法并没有改变物体的实际尺寸。

间接放大法是将待观测的物理现象通过某种物理关系，变换为另一个放大了的现象，通过测量放大了的物理量来获得微小物理量的方法。例如，拉伸法测金属杨氏模量的实验中，采用了光杠杆法测量金属丝的微小伸长量，大大提高了实验的可观测性和测量精度。

3.3 电学放大法

物理实验中往往需要测量变化微弱的电信号或利用微弱的电信号去控制某些机械的动作。这时可利用电子放大电路将微弱的电信号放大后进行观察、控制和测量。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，物理实验中使用的数字式微电流测量仪，就是将微弱电流放大并经A/D转换后用数字显示测量值的。

3.4 累积放大法

在物理实验中，对某些物理量进行单次测量，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、一张纸的厚度等。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，用秒表测量单摆的周期，假设单摆的周期为T△T＝0.2s，则单次测量周期的相对误差为△T/T＝10%。但是，如果将测量单摆的周期改为测量50次，那么因人的反应时间而引入的相对误差会降低到△T/(50T）＝0.2%。 =2.0s，而人操作秒表的平均反应时间为

累积放大法的优点是在不改变测量性质的情况下，可以明显减小测量的相对误差，增加测量结果的有效位数。由于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，这就要求在测量过程中被测量（如单摆周期）不随时间变化，同时，在累积测量中要避免引入新的误差因素。

4 平衡法

平衡原理是物理学的重要基本原理，由此而产生的平衡法是分析、解决物理问题的重要方法，它是利用物理学中平衡的概念，将处于比较的两个物理量之间的差异逐步减小到零的状态，通过判断测量系统是否达到平衡态，来实现物理量的测量。

在平衡法中，并不研究被测物理量本身，而是将它与一个已知物理量或参考量进行比较，当两物理量差值为零时，用已知量来描述待测物理量。平衡法是物理量测量时普遍应用的重要方法。利用平衡法，可将许多复杂的物理现象用简单的形式来描述，可以使一些复杂的物理关系简明化。

例如，天平、电子秤是根据力学平衡原理设计的，可用来测量物质的质量、密度等物理量；根据电流、电压等电学量之间的平衡设计的桥式电路，可用来测量电阻、电感、电容等物质的电磁特性参量，如用电桥法测电阻等。

5 补偿法

补偿法就是在测量时，利用一个标准的物理量，产生与待测物理量等量或相同的效应，用于补偿（或抵消）待测物理量的作用，使测量系统处于平衡状态，从而得到待测量与标准量之间的确定关系。补偿法通常与平衡法、比较法结合使用。

补偿法的特点是测量系统中包含有标准量具和平衡器（或示零器），在测量过程中，待测物理量与标准量直接比较，通过调整标准量，使之与待测量的差为零，故这种方法又称示零法。补偿法的测量过程就是调节平衡（或补偿）的过程，其优点是可以免去一些附加的系统误差，当系统具有高精度的标准量具和平衡指示器时，可获得较高的分辨率、灵敏度及测量的精确度。电位差计测电动势实验采用的就是补偿法。在迈克耳逊干涉仪中设计了一块补偿板，其作用是为了补偿光在第一个分束镜上引入的光程差。

6 模拟法

模拟法是以相似性原理为基础，从模拟实验出发，研究事物的物理属性及变化规律的实验方法。在探求物质的运动规律、解决工程技术或军事等问题时，常常会遇到一些特殊的、难以对研究对象进行直接观测研究的情况。例如，研究对象非常庞大或非常微小（航天飞机、宇宙飞船、物质的微观结构、原子和分子的运动）、非常危险（地震、火山爆发、原子弹发射），或物理过程变化过快或过慢，或仪器的介入会引起系统物理性质的变化，或实验耗资过大等。这时可依据相似性原理，人为地制造一个类似于被研究对象或者运动过程的模型来进行模拟研究，使实验观测变难为易。物理实验中常用的模拟法有以下几种：

6.1 物理模拟

人为制造的模型与实际研究对象（原型）具有相同的物理本质，以此为基础的模拟方法称为物理模拟。物理模拟可分为几何相似模拟和动力相似模拟。几何相似是指模型按原型的几何尺寸成比例地缩小或放大，在形状上与原型完全相似，例如对河流，水坝，建筑群体的模拟。动力学相似是指模型与原型遵从同样的动力学规律。

几何相似并不一定等于动力学相似，有时在满足几何相似的情况下，反而不能够满足动力学相似的条件，此时要首先考虑动力学相似性。例如，在研制飞机时，为模拟风速对机翼的压力而构建的模型飞机，外表上往往与真正的飞机有很大的不同。模型飞机的风洞实验，创造了一个与实际飞机在空中飞行完全相似的物理过程，通过对模拟飞机受力情况的分析，可在较短的时空内，以较小的代价获得可靠的实验数据。这种方法对那些在理论上难以计算的问题，显得特别重要和有效。

6.2 数学模拟

模型和原型虽然在物理本质上无共同之处，但都遵循同样的数学规律，这样的模拟称为数学模拟。例如，模拟静电场的描绘实验，就是根据电流场与静电场都遵守拉普拉斯方程，用稳恒电流场来模拟静电场，解决了直接描绘静电场的困难。

又如，质量为m的物体在弹性力-kx、阻尼力和驱动力的作用下，其振动方程为

而对于电学中的RCL串联电路，在交流电压的作用下，电荷q的运动方程为：

上面两个方程是形式上完全相同的二阶常系数微分方程，选择两方程中系数的对应关系，就可以用电学振动系统模拟力学振动系统

6.3 计算机模拟

计算机模拟的优点是迅速、方便、形象，可克服实验仪器等的条件限制，用模拟法预测可能的实验结果，通过各种参数的调整和变化，选择实验的最佳条件，设计最佳的实验方案，实现数据采集与处理的自动化。此外，利用计算机灵活的计算、图形、音响、色彩等功能，可十分形象地演示物理现象和物理过程，在课堂教学中方便使用。例如，用计算机模拟各种振动的合成等。随着计算机技术的广泛应用，计算机模拟实验的方法将被越来越广泛的采用。

在使用各种模拟法时，必须注意模拟实验方法的使用条件，不能随意地推广。通常情况下，用模拟法测量得到的结果是否正确，还需要通过实践的检验。

7 转换法

根据物理量之间力、热、声、光、电、磁等各种联系以及各种物理效应，把不可测的物理量转换成可测的物理量，把不易测的物理量转换为容易测的物理量，把测不准的物理量转换成可测准的物理量，这种方法称为转换法。转换法可分为参量转换法和能量转换法两种。

7.1 参量转换法

待测的物理通常与其它物理量之间存在某种定量的物理联系，利用这种联系，可实现各参量间的转换，达到测量的目的。参量转换的方法贯穿于整个物理实验之中。

例如，用单摆测定重力加速度实验中，根据单摆周期随摆长变化的规律，将重力加速度的测量转换为摆长和周期的测量。三线摆测物体转动惯量的实验，也是通过测定物体转动的周期来实现的。用劈尖干涉法测金属丝直径实验中，将细丝与光学平玻璃构成劈尖，利用细丝直径与劈尖干涉条纹间距的关系，来测出金属丝的直径。

7.2 能量转换法

能量转换测量法是指某种形式的物理量，通过能量变换器，变成另一种形式物理量的测量方法。随着各种新型功能材料的不断涌现，如热敏、光敏、压敏、气敏、湿敏材料以及这些材料性能的不断提高，形形色色的敏感器件和传感器应运而生，为物理实验测量方法的改进提供了很好的条件。考虑到电学参量具有测量方便、快速的特点，电学仪表易于生产，而且常常具有通用性，所以许多能量转换法都是使待测物理量通过各种传感器和敏感器件转换成电学参量来进行测量的。最常见的有：

7.2.1光电转换：利用光敏元件实现光—电转换，将光信号转换成电信号进行测量。例如，利用硒光电池测量光强等。物理实验中常用的光电元件还有光敏三极管、光电倍增管、光电管等。

7.2.2磁电转换：利用霍尔元件、磁记录元件（如读、写磁头、磁带、磁盘）等，实现磁—电转换，将磁学参量转换成电压、电流或电阻的测量，如利用霍尔效应法测量磁场等

7.2.3热电转换：利用热电偶、热敏电阻等热敏元件，实现热—电转换，将温度的测量转换成电压或电阻的测量，如用热电偶测量温度等。

7.2.4压电转换：利用压敏元件或压敏材料（如压电陶瓷、石英晶体等）的压电效应，将压力转换成电信号进行测量。反过来，也可以用某一特定频率的电信号去激励压敏材料使之产生共振，来进行其他物理量的测量，如声速测定实验中用的压电陶瓷换能器等。

8 干涉衍射法

无论是声波、水波，还是光波，只要满足相干条件就能产生干涉现象，相邻干涉条纹的光程差等于相干波的波长。因此，通过计量干涉条纹的数目或条纹的改变量，可实现对某些相关物理量的精确测量。例如，利用光的等厚干涉现象可以精确测量微小长度或角度变化，测量微小的形变，也可以用来检验物体表面的平面度、球面度、光洁度及工件内应力的分布等。在牛顿环实验中，通过对牛顿环等厚干涉条纹的测量，可求出平凸透镜的曲率半径。迈克耳孙干涉仪实验中，通过对干涉条纹的计量，可准确地测定光的波长等物理量。

衍射法广泛用于对微小物体、晶体常数等的测量和光谱分析。例如，利用光栅衍射测量汞原子光谱的谱线波长等。衍射法在现代物理实验方法中具有重要地位。光谱技术与方法、X射线衍射技术与方法、电子显微技术与方法等，都与光的衍射原理与方法相关，它们已成为现代物理实验测量技术与方法的重要组成部分，在人类研究微观世界和宇宙空间中发挥着重要的作用。

上述物理实验的基本测量方法，在科学实验中具有普遍意义，既能帮助我们对物理实验进行合理的设计，从而实现对物理量的精确测量，也是学习和掌握其它科学实验方法的基础。