综合设计性物理实验教程

张利民，博士，西北工业大学副教授。材料物理与化学专业，从事的研究方向为电脉冲凝固细晶技术及电磁吸波材料研究。已发表SCI索引论文90余篇。主持***基金3项，省部级1项，参与***基金6项。长期讲授大学物理实验（省一流课程）、设计性物理实验等课程。

第一篇 设计性物理实验理论概述

第一章 设计性物理实验在培养人才中的作用 1

第一节 创新人才的培养 1

第二节 创新教育在设计性物理实验中的体现 5

第二章 设计性物理实验简介 7

第一节 何为设计性物理实验 7

第二节 设计性物理实验的选题和教学方式 8

第三节 如何做好设计性物理实验 9

第三章 实验数据处理及论文报告写作 12

第一节 用软件处理物理实验数据 12

第二节 论文报告的撰写 23

第二篇 综合设计性物理实验

第四章 经典力学实验 25

实验1 碰撞打靶实验 25

实验2 动力法研究刚体转动惯量及特性 28

实验3 基于波尔共振仪的受迫振动特性研究 32

第五章 物质热物性测量研究 39

实验4 固体导热系数的测量 41

实验4-1 准稳态法测量不良导体的导热系数和比热 43

实验4-2 瞬态热线法测量导热系数 45

实验5 液体粘滞系数的测量 46

实验5-1 基于斯托克斯公式的落球法 48

实验5-2 基于泊肃叶公式的毛细管法 50

实验5-3 基于液体热物性参数相关性测定粘滞系数 52

实验6 液体表面张力的测量 54

实验6-1 拉脱法 57

实验6-2 饱和高度法 59

实验6-3 基于超声悬浮液滴扇谐振荡特性的非接触法 60

实验7 金属及半导体电阻率的测量研究 62

实验7-1 开尔文电桥法测量金属电阻率 65

实验7-2 四探针法测量半导体的电阻率 67

第六章 电子元件和电路的特性与应用研究 70

实验8 电学元件及RLC电路的特性与应用研究 70

实验8-1 二极管的伏安特性及应用 77

实验8-2 基于电子元件和RC串联电路特性的暗盒实验 79

实验8-3 RLC串联电路的谐振 81

实验8-4 RLC串联电路的暂态过程 84

实验8-5 基于RLC电路特性的暗盒实验 86

实验9 交流电桥的应用研究 88

实验9-1 交流电桥测量电容、电感 93

实验9-2 交流电桥测量铁磁材料居里温度 95

第七章 光的特性与应用研究 99

实验10 基于分光计的几何光学和光衍射的特性与应用研究 99

实验10-1 折射率的测量 103

实验10-2 单缝和光栅衍射的应用研究 105

实验10-3 超声光栅衍射与液体中声速的测定 107

实验10-4 发光二极管的特性与应用研究 110

实验11 光的偏振特性与应用研究 112

实验11-1 光的偏振特性与调控研究 112

实验11-2　液晶电光的特性与应用研究 116

实验12 光干涉测量技术的应用研究 122

实验12-1 时间相干性在迈克耳孙干涉仪中的应用 122

实验12-2 等厚干涉的典型应用――牛顿环干涉、劈尖干涉 127

实验12-3 干涉仪的研究及应用 131

实验12-4 压电陶瓷的特性及振动的干涉测量 135

第八章 传感器的特性与应用研究 140

实验13 温度传感器的制作、特性与应用 140

实验13-1 AD590集成温度传感器的特性与应用研究 140

实验13-2 NTC型热敏电阻温度的特性与体温计设计 146

实验14 CCD的特性与应用研究 149

实验14-1 CCD的特性与应用研究实验 149

实验14-2 线阵CCD的应用――细丝直径的非接触测量 157

实验15 各向异性磁阻传感器的磁阻特性与应用研究 163

实验16 霍尔传感器的特性与应用研究 169

实验16-1 霍尔元件测量磁场 172

实验16-2 基于霍尔位置传感器的弯曲法测量杨氏模量 174

实验16-3 集成开关型霍尔传感器的特性与应用研究 176

实验17 光纤传感器的特性与应用研究 178

实验17-1 光纤马赫-曾德尔干涉仪的压力和温度传感的特性与应用研究 185

实验17-2 光纤布拉格光栅应变/温度传感的特性与应用研究 187

实验17-3 光纤压力/位移传感器的特性与应用研究 191

实验17-4 光纤位移传感器测量材料的杨氏模量 194

第三篇 研究性与设计性物理实验

第九章 新材料制备、设计和特性研究 197

实验18 基于超声悬浮的液滴-气泡转变特性 197

实验19 铌酸钠基薄膜的制备及性能研究 203

实验20 多层壳核空心球尖晶石的制备及其电磁波吸收性能 209

实验21 相场方法模拟晶体生长的数值实验 216

第十章 基于新能源发电的设计性物理实验研究 221

实验22 太阳能电池的特性及应用 221

实验22-1 太阳能电池基本特性的测定 224

实验22-2　离网型太阳能光伏电源系统 226

实验23 半导体热电材料的热电性能及温差发电 229

实验24　风力发电系统研究 237

实验25 燃料电池特性测量与分析 243

第十一章 基于仿生的创新性物理实验研究 249

实验26 仿生超疏水表面的制备与减阻性能 249

实验27 仿贝壳复合材料的制备及其力学性能 254

实验28 仿生复眼的电化学刻蚀制备及测试 262

第一篇设计性物理实验理论概述第一章设计性物理实验在培养人才中的作用第一节创新人才的培养创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，国家科技创新的根本源泉在于创新人才。所谓创新人才，就是具有创新意识、创新精神、创新思维、创新知识、创新能力及良好的创新人格，能够创造性地解决问题的人才。人才的培养，重在培养素质，创新人才的素质主要侧重于思想素质和文化素质。思想素质包含心理素质的要求，正确的指导思想和心理状态对于做任何事情都能起到保证作用，开展创新工作也不例外。如果创新的目的与推动科技进步、促进生产发展、为人民谋福利、振兴国家密切联系，就会产生巨大的动力。思想素质是创新工作的重要条件。心理素质中的兴趣、爱好和毅力，在一定程度上对创新工作起着积极的促进作用。文化素质，除要求掌握一定的科学文化知识、专业知识外，还应尽可能多地了解科技发展的最新信息和动态，熟悉创新的基本知识、思维的基本变化法则和创新技巧，且具有一定的创造能力。如果不了解最新的科技信息，就不能从更高的起点、更广阔的视野去开展创新工作，也就不能既好又快地获取高水平的成果。如果不掌握有关的创新理论和知识，就不能自觉高效地进行创造发明。如果不具备一定的创造能力，那么创新设想往往只能停留在脑子中、出现在纸上。下面将从四个方面来论述对创新人才的培养。首先要克服创新障碍，激发创新热情，然后从创新思维的训练、创造能力的培养和创新品格的塑造三个方面来综合造就人才。一、克服创新障碍，激发创新热情创新障碍一般以主观因素为主，主要表现为思想认识上的障碍、心理上的障碍、运用创新思维和技巧的障碍、经验不足的障碍等。要打破前两种障碍，就要做好以下几点。（1）学习和掌握辩证法，打破思维定式。在长期应试教育、灌输式教学等影响下，学生会形成一些错误的观念，如书上写的就是正确的，教师讲的总是对的，存在就是正确的、合理的。思想僵化，不能一分为二辩证地看问题，因此对创新研究不但没有兴趣，反而认为这不应该做，那也不值得做。比如伽利略的比萨斜塔实验推翻了持续两千多年的亚里士多德的……

本书是为贯彻正确价值观引领下“以学生为本、综合运用知识及技能、提高科学素养和创新思维、强化实践能力和创新能力”的实验教学理念编写的，并紧扣“高阶性、创新性、挑战度”的金课标准。本书满足不同基础学生的层次性，并努力做到六性：新颖性、实用性、先进性、趣味性、普及性和适应性。每个实验内容都提供有吸引力的引言、针对性的参考文献、引导性的预习思考题和“基础、提高、进阶、高阶”四阶要求。学习本书，可优化与强化学生的创新意识和创新能力。本书分为三篇：第一篇为设计性物理实验理论概述，主要内容为设计性物理实验简介及其在培养人才中的作用，以及实验数据处理及论文报告写作；第二篇为综合设计性物理实验，共五章17个实验，归纳为经典力学实验、物质热物性测量研究、电子元件和电路的特性与应用研究、光的特性与应用研究、传感器的特性与应用研究五类实验，注重物理基础知识和技能的综合运用，激发学生的兴趣和积极性，着重培养学生将知识与技术转化为解决实际问题的能力；第三篇为研究性与设计性物理实验，共三章11个实验，题目紧跟时代需求，主要包括新材料制备、设计和特性研究，基于新能源发电的设计性物理实验研究，基于仿生的创新性物理实验研究，培养学生独立从事科学研究的能力。