计量意识在物理实验过程中的培养

乔宪武

（中国计量大学 浙江·杭州 310018）

0 引言

“计量”这个名词对现代人来说并不陌生，其实过去几千年里一直被称为“度、量、衡”，其原始含义是关于长度、容积和质量的测量，主要器具为尺、斗、秤。从本质上讲，计量是一项非常重要的科学技术，对事物客观规律的研究、探讨、分析、掌握及应用是一切科学技术的归宿，但是，不管是何种事物，其均由一定的“量”来构成，且需要借助于“量”来体现，而计量是我们对“量”进行认识与获取时所用到的一条重要途径。在经济全球化大环境下，在快速发展的科学技术影响下，计量工作越来越重要，其在社会进步与经济发展中处于极其关键的位置。

1 物理实验与计量的关系

物理实验在培养学生的综合能力、创新能力中起到其它学科难以替代的作用。它不仅是建立物理概念和规律、理解和掌握物理知识不可缺少的环节，也是提高学生动手、动脑能力的重要途径，是培养学生科学素质的重要手段之一。随着科学技术的进步以及我国社会主义市场经济的建立，计量的作用和需求日益明显。实践表明，通过物理实验增加计量知识的学习，对学生以后的工作影响是十分积极和有益的。

测量是以确定被测量的量值为目的，选择相应的测量方法和测量原理，选择测量标准和测量仪器进行操作，从而实现从定性分析到定量认定的转化。计量学就是研究测量、保证量值统一和准确的科学，计量是可以溯源到标准量的测量，属于有依据的测量。

物理实验是一门基础实验课程，宗旨是让学生获得基本的实验知识、方法和技能方面的训练。物理实验课的目的是学习常用物理量的测量方法，学习常用仪器的原理与使用方法，正确分析处理实验误差，正确处理实验数据，学习提高精度和减小误差的常用方法与技巧。计量的对象一般是物理量，这与物理实验需要测量的物理量是一致的，计量目前涉及到的领域有几何量、热血、力学、电磁学、无线电电子学、时间频率、光学、电离辐射、声学和化学计量，即所谓的“十大计量”。

计量的主要内容包括：计量单位和单位制；计量器具；计量传递和量值溯源；物理常量、材料与物质特性的测定；测量理论与数据处理、不确定度及其方法；计量管理、计量保证与计量监督。如何在物理实验中提高学生的计量意识？在实验的哪些环节更好的让学生体会计量的存在？是物理实验教学中需要长期摸索和探讨的内容。

2 实验教学中计量意识的培养

2.1 量值和单位制在物理实验过程中的体现

测量包括两个必要的过程：一是对物理量进行检测，二是对测量数据进行处理。一个物理测量值由读数值和单位共同构成，单位制是物理实验的一部分，也是计量学的重要组成部分，物理量简称为量，它是对现象、物体或物质的表征形式，是现象、物体或物质的可以定性区别和定量确定的一种属性，单位是定量表示同种量大小的特定量。

在物理实验中明确国际单位制，在国际单位制中，规定了7 个基本量是：长度（L）、质量（M）、时间（T）、电流（I）、热力学温度（）、物质的量（N）和发光强度（J）。由于量的种类很多，把计量单位分为基本单位和导出单位，“在给定量制中基本量的计量单位”称为“基本单位”，在“给定量制中导出量的计量单位”成为导出单位。我国的法制计量单位是以国际单位为基础，在实验过程中强调国际直单位的使用与单位之间的变换，加强计量意识在物理实验中的应用。

例如：力学量基本单位N（牛），其力学基本公式F=M*A，单位计算表示为N=M*Kg/S2，用N导出单位替代M*Kg/S2国际直单位。在物理实验中，加强单位制之间的运算与推导，是提高学生计量意识的有效方法。

2.2 测量误差和测量不确定度在物理实验中的体现

在物理实验中进行着大量的测量工作,测量结果的质量如何,要用不确定度来说明。不确定度愈小，其质量愈高，使用价值也愈高。反之，不确定度愈大，质量愈低。使用价值愈低.在物理实验中，总是进行大量的测量与数据的处理，在测量过程中，由于受到测量仪器和测量方法等因素的影响，这就使测量不可避免的伴随着误差，分析误差产生的原因，在实验中尽量考虑消除误差的影响，对未能消除的误差进行估计，这是物理实验课的重要能容。对实验中存在的系统误差，我们要找到误差产生的原因，通过多种方法，例如校准仪器、改造实验装置，或对测量结果进行理论上的修正，达到消除或减小系统误差的目的。

在进行具体的数字运算前，按照一定的规则确定一致的位数，然后舍去某些数字后面多余的尾数的过程被称为数字修约，指导数字修约的具体规则被称为数字修约规则。打破传统的四舍五入修约规则，采用数值修约规则（按国家标准文件：GB8170-87）。

明确物理实验中的直接测量量和间接测量量的区别，在实际测量过程中，会出现许多因素引起产生误差，应该将所有的误差合理的合成起来。

2.3 量值的传递与溯源在物理实验中的体现

量值的传递是将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过鉴定（或其他传递方法）传递给下一级的计量标准。测量结果必须有溯源性，要获得这种特性，就要通过一条具有规定不确定度的不间断比较链，使测量结果和计量标准的值，能够以规定的参考标准，通常是与国家计量标准或国际计量标准联系起来。

在使用测量工具时，首先要求学生了解测量工具是否由计量部门检定合格，弄清计量工具的级别，是否在测量过程中需要估值，计量器具有无定期检测，由此加强学生的计量意识。实验过程中，记录实验仪器的型号，记录实验环境（温度，湿度等），记录实验仪器的级别，弄懂实验仪器是否需要估读。

从物理学与计量学的密切联系可以看出：计量学是一门关于物理量与物理过程的测量方法的基础科学，是使这些测量达到统一和可靠的一门科学，是测量方法与手段为实验理论基础的一门科学技术。总之，物理实验不是单纯的观察现象，记录测试结果，计量学不是单独的一门学科，它与物理实验是紧密联系的，在实验中找到合适的切入点，把计量意识传递到物理实验的环节中去。

3 计量教学与实践

以“不良导体导热系数的测定”实验为例，具体讲述学生计量意识的培养。不良导体导热系数的测定是一个典型的热学实验，导热系数是表征物体热传导性能的重要物理量，测量物体的导热系数采用“稳态法”，先利用热源在待测样品内部形成一定稳定的温度分布，然后进行测量。

在实验预习环节，学生首先要掌握导热系数的计算方法，在推导导热系数的过程中，单位的计算与传递也是非常重要的，涉及到的基本国际单位有长度（m）、质量（Kg）、时间（S）和热力学温度（K），导出单位有焦（J），瓦（W）、伏（V），最终求导出导热系数单位W/mK，单位的换算与传递，是提高学生计量意识的最直接方法。

在实验过程中，要求记录包括温度、湿度在内的实验环境，记录仪器的型号及级别，游标卡尺的最小测量单位及仪器误差。从加热源、热电偶、数字式毫伏表及杜瓦瓶等仪器入手，分析误差来源。

实验后的数据处理，分析误差产生的原因，通过有效手段降低系统误差及随机误差。记录实验数据，通过计算求出直接误差、间接误差及不确定度。

4 结论

综上所述，从物理学与计量学的密切关系看出，必须把计量学看成是关于物理量的测量方法和手段的一门基础科学。学生的物理实验与学生的计量意识不是分离的两个部分，通过有效的融合，在实验中增加和计量学相关的知识体系，对于学生实验的掌握是一个提高，同时，这一方法为计量学大量的理论知识提供了应用场景，让学生更好的掌握计量学知识。