喬憲武

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 浙江·杭州 310018）

0 引言

“計(jì)量”這個(gè)名詞對(duì)現(xiàn)代人來說并不陌生，其實(shí)過去幾千年里一直被稱為“度、量、衡”，其原始含義是關(guān)于長(zhǎng)度、容積和質(zhì)量的測(cè)量，主要器具為尺、斗、秤。從本質(zhì)上講，計(jì)量是一項(xiàng)非常重要的科學(xué)技術(shù)，對(duì)事物客觀規(guī)律的研究、探討、分析、掌握及應(yīng)用是一切科學(xué)技術(shù)的歸宿，但是，不管是何種事物，其均由一定的“量”來構(gòu)成，且需要借助于“量”來體現(xiàn)，而計(jì)量是我們對(duì)“量”進(jìn)行認(rèn)識(shí)與獲取時(shí)所用到的一條重要途徑。在經(jīng)濟(jì)全球化大環(huán)境下，在快速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)影響下，計(jì)量工作越來越重要，其在社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于極其關(guān)鍵的位置。

1 物理實(shí)驗(yàn)與計(jì)量的關(guān)系

物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新能力中起到其它學(xué)科難以替代的作用。它不僅是建立物理概念和規(guī)律、理解和掌握物理知識(shí)不可缺少的環(huán)節(jié)，也是提高學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦能力的重要途徑，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重要手段之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的建立，計(jì)量的作用和需求日益明顯。實(shí)踐表明，通過物理實(shí)驗(yàn)增加計(jì)量知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生以后的工作影響是十分積極和有益的。

測(cè)量是以確定被測(cè)量的量值為目的，選擇相應(yīng)的測(cè)量方法和測(cè)量原理，選擇測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量?jī)x器進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)從定性分析到定量認(rèn)定的轉(zhuǎn)化。計(jì)量學(xué)就是研究測(cè)量、保證量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確的科學(xué)，計(jì)量是可以溯源到標(biāo)準(zhǔn)量的測(cè)量，屬于有依據(jù)的測(cè)量。

物理實(shí)驗(yàn)是一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，宗旨是讓學(xué)生獲得基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)、方法和技能方面的訓(xùn)練。物理實(shí)驗(yàn)課的目的是學(xué)習(xí)常用物理量的測(cè)量方法，學(xué)習(xí)常用儀器的原理與使用方法，正確分析處理實(shí)驗(yàn)誤差，正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)提高精度和減小誤差的常用方法與技巧。計(jì)量的對(duì)象一般是物理量，這與物理實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理量是一致的，計(jì)量目前涉及到的領(lǐng)域有幾何量、熱血、力學(xué)、電磁學(xué)、無線電電子學(xué)、時(shí)間頻率、光學(xué)、電離輻射、聲學(xué)和化學(xué)計(jì)量，即所謂的“十大計(jì)量”。

計(jì)量的主要內(nèi)容包括：計(jì)量單位和單位制；計(jì)量器具；計(jì)量傳遞和量值溯源；物理常量、材料與物質(zhì)特性的測(cè)定；測(cè)量理論與數(shù)據(jù)處理、不確定度及其方法；計(jì)量管理、計(jì)量保證與計(jì)量監(jiān)督。如何在物理實(shí)驗(yàn)中提高學(xué)生的計(jì)量意識(shí)？在實(shí)驗(yàn)的哪些環(huán)節(jié)更好的讓學(xué)生體會(huì)計(jì)量的存在？是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要長(zhǎng)期摸索和探討的內(nèi)容。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中計(jì)量意識(shí)的培養(yǎng)

2.1 量值和單位制在物理實(shí)驗(yàn)過程中的體現(xiàn)

測(cè)量包括兩個(gè)必要的過程：一是對(duì)物理量進(jìn)行檢測(cè)，二是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一個(gè)物理測(cè)量值由讀數(shù)值和單位共同構(gòu)成，單位制是物理實(shí)驗(yàn)的一部分，也是計(jì)量學(xué)的重要組成部分，物理量簡(jiǎn)稱為量，它是對(duì)現(xiàn)象、物體或物質(zhì)的表征形式，是現(xiàn)象、物體或物質(zhì)的可以定性區(qū)別和定量確定的一種屬性，單位是定量表示同種量大小的特定量。

在物理實(shí)驗(yàn)中明確國(guó)際單位制，在國(guó)際單位制中，規(guī)定了7 個(gè)基本量是：長(zhǎng)度（L）、質(zhì)量（M）、時(shí)間（T）、電流（I）、熱力學(xué)溫度（）、物質(zhì)的量（N）和發(fā)光強(qiáng)度（J）。由于量的種類很多，把計(jì)量單位分為基本單位和導(dǎo)出單位，“在給定量制中基本量的計(jì)量單位”稱為“基本單位”，在“給定量制中導(dǎo)出量的計(jì)量單位”成為導(dǎo)出單位。我國(guó)的法制計(jì)量單位是以國(guó)際單位為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)調(diào)國(guó)際直單位的使用與單位之間的變換，加強(qiáng)計(jì)量意識(shí)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

例如：力學(xué)量基本單位N（牛），其力學(xué)基本公式F=M*A，單位計(jì)算表示為N=M*Kg/S2，用N導(dǎo)出單位替代M*Kg/S2國(guó)際直單位。在物理實(shí)驗(yàn)中，加強(qiáng)單位制之間的運(yùn)算與推導(dǎo)，是提高學(xué)生計(jì)量意識(shí)的有效方法。

2.2 測(cè)量誤差和測(cè)量不確定度在物理實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)

在物理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行著大量的測(cè)量工作,測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量如何,要用不確定度來說明。不確定度愈小，其質(zhì)量愈高，使用價(jià)值也愈高。反之，不確定度愈大，質(zhì)量愈低。使用價(jià)值愈低.在物理實(shí)驗(yàn)中，總是進(jìn)行大量的測(cè)量與數(shù)據(jù)的處理，在測(cè)量過程中，由于受到測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法等因素的影響，這就使測(cè)量不可避免的伴隨著誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因，在實(shí)驗(yàn)中盡量考慮消除誤差的影響，對(duì)未能消除的誤差進(jìn)行估計(jì)，這是物理實(shí)驗(yàn)課的重要能容。對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的系統(tǒng)誤差，我們要找到誤差產(chǎn)生的原因，通過多種方法，例如校準(zhǔn)儀器、改造實(shí)驗(yàn)裝置，或?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行理論上的修正，達(dá)到消除或減小系統(tǒng)誤差的目的。

在進(jìn)行具體的數(shù)字運(yùn)算前，按照一定的規(guī)則確定一致的位數(shù)，然后舍去某些數(shù)字后面多余的尾數(shù)的過程被稱為數(shù)字修約，指導(dǎo)數(shù)字修約的具體規(guī)則被稱為數(shù)字修約規(guī)則。打破傳統(tǒng)的四舍五入修約規(guī)則，采用數(shù)值修約規(guī)則（按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件：GB8170-87）。

明確物理實(shí)驗(yàn)中的直接測(cè)量量和間接測(cè)量量的區(qū)別，在實(shí)際測(cè)量過程中，會(huì)出現(xiàn)許多因素引起產(chǎn)生誤差，應(yīng)該將所有的誤差合理的合成起來。

2.3 量值的傳遞與溯源在物理實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)

量值的傳遞是將國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位量值，通過鑒定（或其他傳遞方法）傳遞給下一級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量結(jié)果必須有溯源性，要獲得這種特性，就要通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷比較鏈，使測(cè)量結(jié)果和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的值，能夠以規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)，通常是與國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來。

在使用測(cè)量工具時(shí)，首先要求學(xué)生了解測(cè)量工具是否由計(jì)量部門檢定合格，弄清計(jì)量工具的級(jí)別，是否在測(cè)量過程中需要估值，計(jì)量器具有無定期檢測(cè)，由此加強(qiáng)學(xué)生的計(jì)量意識(shí)。實(shí)驗(yàn)過程中，記錄實(shí)驗(yàn)儀器的型號(hào)，記錄實(shí)驗(yàn)環(huán)境（溫度，濕度等），記錄實(shí)驗(yàn)儀器的級(jí)別，弄懂實(shí)驗(yàn)儀器是否需要估讀。

從物理學(xué)與計(jì)量學(xué)的密切聯(lián)系可以看出：計(jì)量學(xué)是一門關(guān)于物理量與物理過程的測(cè)量方法的基礎(chǔ)科學(xué)，是使這些測(cè)量達(dá)到統(tǒng)一和可靠的一門科學(xué)，是測(cè)量方法與手段為實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)的一門科學(xué)技術(shù)?？傊?，物理實(shí)驗(yàn)不是單純的觀察現(xiàn)象，記錄測(cè)試結(jié)果，計(jì)量學(xué)不是單獨(dú)的一門學(xué)科，它與物理實(shí)驗(yàn)是緊密聯(lián)系的，在實(shí)驗(yàn)中找到合適的切入點(diǎn)，把計(jì)量意識(shí)傳遞到物理實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)中去。

3 計(jì)量教學(xué)與實(shí)踐

以“不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，具體講述學(xué)生計(jì)量意識(shí)的培養(yǎng)。不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定是一個(gè)典型的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體熱傳導(dǎo)性能的重要物理量，測(cè)量物體的導(dǎo)熱系數(shù)采用“穩(wěn)態(tài)法”，先利用熱源在待測(cè)樣品內(nèi)部形成一定穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測(cè)量。

在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生首先要掌握導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法，在推導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)的過程中，單位的計(jì)算與傳遞也是非常重要的，涉及到的基本國(guó)際單位有長(zhǎng)度（m）、質(zhì)量（Kg）、時(shí)間（S）和熱力學(xué)溫度（K），導(dǎo)出單位有焦（J），瓦（W）、伏（V），最終求導(dǎo)出導(dǎo)熱系數(shù)單位W/mK，單位的換算與傳遞，是提高學(xué)生計(jì)量意識(shí)的最直接方法。

在實(shí)驗(yàn)過程中，要求記錄包括溫度、濕度在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，記錄儀器的型號(hào)及級(jí)別，游標(biāo)卡尺的最小測(cè)量單位及儀器誤差。從加熱源、熱電偶、數(shù)字式毫伏表及杜瓦瓶等儀器入手，分析誤差來源。

實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理，分析誤差產(chǎn)生的原因，通過有效手段降低系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算求出直接誤差、間接誤差及不確定度。

4 結(jié)論

綜上所述，從物理學(xué)與計(jì)量學(xué)的密切關(guān)系看出，必須把計(jì)量學(xué)看成是關(guān)于物理量的測(cè)量方法和手段的一門基礎(chǔ)科學(xué)。學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的計(jì)量意識(shí)不是分離的兩個(gè)部分，通過有效的融合，在實(shí)驗(yàn)中增加和計(jì)量學(xué)相關(guān)的知識(shí)體系，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的掌握是一個(gè)提高，同時(shí)，這一方法為計(jì)量學(xué)大量的理論知識(shí)提供了應(yīng)用場(chǎng)景，讓學(xué)生更好的掌握計(jì)量學(xué)知識(shí)。