大学物理实验教程

物理实验是科学实验的先驱，体现了大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。2021年6月国务院发布《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》，指出“公民具备科学素质是指崇尚科学精神，树立科学思想，掌握基本科学方法，了解必要科技知识，并具有应用其分析判断事物和解决实际问题的能力”；要求到2025年我国公民具备科学素质的比例超过15%，到2035年达到25%。20世纪90年代以来，我国通过建立学生发展核心素养体系，不断推进课程改革、教学改革和评价改革。进入21世纪，实施高考综合改革；到2021年，高等教育毛入学率已达57.8%。我国高等教育已进入普及化发展阶段。物理教育是科学教育的一部分，物理学科素养是学生科学素养的关键成分。物理学科核心素养 “物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”中的“科学探究”是学习物理观念、发展科学思维、形成科学态度与责任的手段和途径，同时也是一种综合能力，而物理实验过程就是科学探究过程，但是目前中学物理实验欠缺开放性和灵活性，偏向应试，因此，基于物理学科核心素养养成的大学物理实验课程教育衔接是关键。本书按照由基础到提高的层次将实验分为基础性实验，综合性实验，设计性、研究性实验，以及虚拟仿真实验。其中基础性实验24项，综合性实验25项，设计性、研究性实验10项，虚拟仿真实验2项，共61项实验项目。本书是基于“互联网 ”进行创新主编的教材，学生只需扫相应页码上的二维码即可在线观看或下载16个实验项目配套实验操作微课讲解视频，以便提前预习，为基于线上线下、课内课外、虚实结合的大学物理实验课程改革提供支撑。本书是我们从事大学物理实验教学多年来的教学经验及教学改革的成果，是在相互取长补短的基础上的集体创作。由于编者水平有限以及时间紧迫，书中疏漏和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

全书内容包括测量误差的基本知识、数据处理的基本方法、物理实验常用仪器的使用方法，涵盖力学、热学、电磁学、光学和近代物理共46个实验项目。本书共有共7章。第1章为绪论；第2章为测量误差与数据处理；第3章为物理实验常用仪器及使用方法；第4章为基础性实验；第5章为综合性实验；第6章为设计性实验；第7章为研究性实验。另外，为了实现教学的立体化和教材的信息化改革，实现项目通过“互联网 ”二维码技术将数字化资源与教材、实验操作有机结合。 本书可作为高等理工科院校大学物理实验课程的教材，也可作为工科各专业实验教学的参考用书，还可供实验教师和实验技术人员阅读。

王筠，女，华中师范大学无线电物理学硕士毕业，湖北大学物理学本科，教授，校级督导。主讲课程：电磁场与电磁波，信息光学（傅里叶光学），大学物理，线性代数，大学物理实验等。研究领域：光子晶体理论及应用，电磁场理论及应用，大学物理课程教学研究，大学物理实验研究科研成果：1.主持完成省级以上科研项目2项。2.作为第一发明人获得授权的实用新型专利3项。3.作为课程负责人获批的省级一流课程2门。4.主持完成*产学合作协同育人项目2项。5.以第一作者发表的教研论文7篇。6.主编出版2本实验教程。7.代表性科研论文：（1）“拓扑绝缘体与SINC函数型光子晶体分界面处Kerr效应和Faraday效应研究”，独撰，中国激光，2020,47（10），1003002-1至1003002-7（2）“函数型光子晶体表面的光自旋霍尔效应”，独撰，激光与光电子学进展，2021,58（23），2316003 - 1至2316003 - 7（3）“色散缺陷对Sinc函数型光子晶体带隙的影响”，独撰，中国激光，2015,42（04）:0406001-1-0406001-9（4）“Sinc 函数型光子晶体非线性微腔的光学双稳态”，第一作者，激光与光电子学进展，2016,53（01）:011901-1-011901-7（5）“含Kerr缺陷函数型光子晶体低阈值双稳态的对比研究”,独撰，华中师范大学学报（自然科学版），2017,51（01）:28-348.获奖情况：（1）2020年度校级“教学能手”称号；（2）2021年度优秀校级督导；（3）在学期课堂教学质量评价综合评定优秀多次；每年专任教师教学业绩综合考核优秀（4）作为指导老师指导学生在*和省级比赛中的获奖近20项。主编的实验教材：（1）王筠，童爱红，祁红艳，冯国强，李杰.《近代物理实验教程》，华中科技大学出版社，2018.12，ISBN:978-7-5680-4824-8。（2）王筠，童爱红，冯国强，吉紫娟，郑秋莎.《光电信息技术综合实验教程》，华中科技大学出版社，2018.12，ISBN:978-7-5680-4732-6。

绪论1

第1章 误差理论6
1-1 测量的基本知识6
1-2 数据记录及规则7
1-3 有效数字及运算规则7
1-4 不确定度的基本知识及处理方法9
1-5 实验数据处理的基本方法19

第2章 基础性实验38
实验2-1 长度测量38
实验2-2 密度测量41
实验2-3 速度和加速度的测量44
实验2-4 扭摆法测刚体的转动惯量46
实验2-5 动量守恒定律的验证50
实验2-6 拉伸法测金属丝的杨氏模量54
实验2-7 测量金属的线膨胀系数59
实验2-8 直流电桥测电阻62
实验2-9 测电阻、二极管等电子元件的伏安特性65
实验2-10 数字示波器的调节与使用68
实验2-11 亥姆霍兹线圈测磁场73
实验2-12 薄透镜焦距的测量77
实验2-13 分光计的调节和使用81
实验2-14 杨氏双缝干涉实验88
实验2-15 牛顿环测透镜曲率半径91
实验2-16 用迈克耳孙干涉仪测波长95
实验2-17 夫琅禾费单缝衍射实验98
实验2-18 单缝单丝衍射光强分布研究100
实验2-19 菲涅耳双棱镜干涉105
实验2-20 目镜焦距的测量108
实验2-21 物镜焦距的测量110
实验2-22 菲涅耳单缝衍射111
实验2-23 菲涅耳圆孔衍射113
实验2-24 菲涅耳直边衍射114
实验2-25 模拟法描绘静电场117

第3章 综合性实验121
实验3-1 弦振动的实验研究121
实验3-2 霍尔效应126
实验3-3 声速的测量129
实验3-4 不良导体导热系数的测量135
实验3-5 热敏电阻温度特性研究139
实验3-6 温差电效应和热电偶定标141
实验3-7 动态磁滞回线的测量145
实验3-8 方波的傅里叶分解与合成151
实验3-9 分压与制流电路的实验研究157
实验3-10 RC串联电路暂态过程的实验研究160
实验3-11 霍尔传感器及其应用164
实验3-12 应变片的性能研究：单臂、半桥、全桥比较165
实验3-13 色散实验168
实验3-14 光栅衍射实验171
实验3-15 偏振光的产生和检验176
实验3-16 阿贝成像原理与空间滤波181
实验3-17 光敏电阻特性研究186
实验3-18 激光全息照相189
实验3-18a 反射式体积全息照相189
实验3-18b 菲涅耳全息照相192
实验3-19 密立根油滴实验197
实验3-20 弗兰克赫兹实验200
实验3-21 光拍法测光速204
实验3-22 光电二极管特性测试实验209
实验3-23 光电三极管特性测试实验213
实验3-24 硅光电池特性测试实验216
实验3-25 电光调制226

第4章 设计性、研究性实验232
实验4-1 重力加速度测量研究232
实验4-2 气垫导轨实验中系统误差的分析与补正236
实验4-3 简谐振动的研究239
实验4-4 非线性电路中混沌现象的实验研究242
实验4-5 电表的改装与校准246
实验4-6 自组交流电桥测电容和电感250
实验4-7 电子天平的设计与制作256
实验4-8 自组装望远镜259
实验4-9 自组投影仪262
实验4-10 自组显微镜264

第5章 虚拟仿真实验267
实验5-1 激光全息照相虚拟仿真实验267
实验5-2 激光拉曼虚拟仿真实验271

附录279
附录A 实验室内实验课学生守则279
附录B 国际单位制（SI）简介279
附录C 气垫导轨280
附录D 计时计数测速仪282
附录E 数字存储示波器主要技术指标285
附录F DHQJ-3型非平衡电桥的使用方法286
附录G 电表的等级286
附录H 实验4-7使用的传感器的主要参数287

参考文献288

全书内容包括测量误差的基本知识、数据处理的基本方法、物理实验常用仪器的使用方法，涵盖力学、热学、电磁学、光学和近代物理共46个实验项目。本书共有共7章。第1章为绪论；第2章为测量误差与数据处理；第3章为物理实验常用仪器及使用方法；第4章为基础性实验；第5章为综合性实验；第6章为设计性实验；第7章为研究性实验。另外，为了实现教学的立体化和教材的信息化改革，实现项目通过“互联网 ”二维码技术将数字化资源与教材、实验操作有机结合。 本书可作为高等理工科院校大学物理实验课程的教材，也可作为工科各专业实验教学的参考用书，还可供实验教师和实验技术人员阅读。

王筠，女，华中师范大学无线电物理学硕士毕业，湖北大学物理学本科，教授，校级督导。主讲课程：电磁场与电磁波，信息光学（傅里叶光学），大学物理，线性代数，大学物理实验等。研究领域：光子晶体理论及应用，电磁场理论及应用，大学物理课程教学研究，大学物理实验研究科研成果：1.主持完成省级以上科研项目2项。2.作为第一发明人获得授权的实用新型专利3项。3.作为课程负责人获批的省级一流课程2门。4.主持完成*产学合作协同育人项目2项。5.以第一作者发表的教研论文7篇。6.主编出版2本实验教程。7.代表性科研论文：（1）“拓扑绝缘体与SINC函数型光子晶体分界面处Kerr效应和Faraday效应研究”，独撰，中国激光，2020,47（10），1003002-1至1003002-7（2）“函数型光子晶体表面的光自旋霍尔效应”，独撰，激光与光电子学进展，2021,58（23），2316003 - 1至2316003 - 7（3）“色散缺陷对Sinc函数型光子晶体带隙的影响”，独撰，中国激光，2015,42（04）:0406001-1-0406001-9（4）“Sinc 函数型光子晶体非线性微腔的光学双稳态”，第一作者，激光与光电子学进展，2016,53（01）:011901-1-011901-7（5）“含Kerr缺陷函数型光子晶体低阈值双稳态的对比研究”,独撰，华中师范大学学报（自然科学版），2017,51（01）:28-348.获奖情况：（1）2020年度校级“教学能手”称号；（2）2021年度优秀校级督导；（3）在学期课堂教学质量评价综合评定优秀多次；每年专任教师教学业绩综合考核优秀（4）作为指导老师指导学生在*和省级比赛中的获奖近20项。主编的实验教材：（1）王筠，童爱红，祁红艳，冯国强，李杰.《近代物理实验教程》，华中科技大学出版社，2018.12，ISBN:978-7-5680-4824-8。（2）王筠，童爱红，冯国强，吉紫娟，郑秋莎.《光电信息技术综合实验教程》，华中科技大学出版社，2018.12，ISBN:978-7-5680-4732-6。