大学物理实验
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作者何光宏,汪涛,韩忠 主编
出版社科学出版社
ISBN9787030528636
出版时间2017-06
装帧平装
开本16开
定价39元
货号1201532265
上书时间2024-12-16
商品详情
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目录
前言
第1章绪论1
1.1大学物理实验课程的任务、内容和意义1
1.2大学物理实验课程的教学基本要求2
1.3教材与教学实践3
附录4
第2章测量误差、不确定度和数据处理6
2.1测量与误差6
2.2测量结果的不确定度及完整表达式13
2.3有效数字及其运算17
2.4数据处理的基本方法24
练习题29
附录30
第3章常用物理实验仪器34
3.1游标卡尺和螺旋测微计34
3.2测时仪器37
3.3数字式万用表40
3.4信号发生器45
3.5示波器52
3.6电势差计65
3.7直流电桥66
3.8标准电池70
3.9电阻箱71
3.10滑线变阻器73
3.11测微目镜75
3.12读数显微镜76
第4章基础性实验78
实验4.1固体杨氏弹性模量测量78
实验4.2物体转动惯量的测量81
实验4.3单摆测重力加速度86
实验4.4静电场的模拟90
实验4.5非线性元件伏安特性测量92
实验4.6用电势差计测量温差电动势95
实验4.7用电势差计测电表内阻和校准电表98
实验4.8电子示波器的使用99
实验4.9铁磁材料磁化曲线和磁滞回线的测绘104
实验4.10用直流电桥测量电阻温度系数109
实验4.11分光计的调整与玻璃三棱镜折射率测量112
实验4.12等厚干涉——劈尖和牛顿环118
实验4.13单缝衍射122
实验4.14光栅衍射128
实验4.15光栅传感器特性测试131
实验4.16弗兰克—赫兹实验134
实验4.17光电效应法测普朗克常量140
实验4.18迈克耳孙干涉仪146
第5章综合性和设计性实验156
实验5.1声速的测定156
实验5.2多普勒效应综合实验163
实验5.3复摆特性的研究172
实验5.4使用应变片设计制作电子秤180
实验5.5霍尔效应及螺线管内磁场分布的测量183
实验5.6三用电表的设计、制作与校正186
实验5.7密立根油滴法测定基本电荷192
实验5.8声光衍射与液体中声速的测定201
实验5.9光的偏振现象的研究205
实验5.10全息摄影210
实验5.11显微镜、望远镜的设计与组装215
第6章研究性实验220
实验6.1弦线上驻波实验220
实验6.2测定金属材料的线胀系数224
实验6.3设计制作数字温度计225
实验6.4非线性电路中的混沌现象研究226
实验6.5测量钠光双线波长差228
实验6.6影栅相位法测量物体形貌229
实验6.7测定物质的色散曲线231
实验6.8测量透明薄片的折射率232
实验6.9利用劈尖干涉法测量钢丝的杨氏弹性模量232
实验6.10利用单缝衍射法测量钢丝的杨氏弹性模量233
实验6.11用牛顿环测液体的折射率233
实验6.12用分光计测液体的折射率233
实验6.13用分光计测溶液的质量浓度234
实验6.14用劈尖干涉测玻璃折射率234
实验6.15用应变片研究弹性碰撞过程234
附录A中华人民共和国法定计量单位236
附录B物理学常量239
附录C常用光源240
附录D几种牌号光学玻璃的折射率241
附录E全国各地重力加速度表242
内容摘要
本书是根据理工科类大学物理实验课程教学基本要求的指导精神，在总结几年重庆大学物理实验中心在分类分层实验教学体系、探究式教学模式、数字化教学资源建设等方面教学改革与实践的基础上编写而成的。全书按照学生认知规律和教育培养目标，将实验分为基础性实验、综合与设计性实验、研究性实验三个递进的层次。全书分六个章节，靠前章是绪论，主要介绍大学实验课程的教学目的和任务，以及学习本课程的主要教学环节；第2章介绍测量误差、不确定度和主要的数据处理方法；第3章介绍实验室常用的物理实验仪器；第4章是18个基本物理实验，涵盖力学、热学、电磁学、光学、代物理等各个领域的内容，是适应各专业的普及性实验；第5章是11个综合性和设计性实验，目的是巩固基础性实验学习成果，开阔眼界和思路，提高对实验方法和实验技术的综合运用能力，各专业可以根据自己的专业培养特点选择部分实验项目；第6章是15个研究性实验项目，旨在培养学生科学研究能力、独立实验能力和运用所学知识解决给定问题的能力。本书可作为理工科院校各专业学生的大学物理实验课程教材，也可作为相关教师及学生参考用书。
精彩内容
**章 绪论
物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的学科. 它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是自然科学和工程技术的基础. 在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位. 物理学本质上是一门实验科学. 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.
1.1 大学物理实验课程的任务、内容和意义
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，是培养学生科学实验能力、提高学生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.
大学物理实验课程教学的任务是培养学生的基本科学实验技能，提高学生的科学实验基本素质，使学生初步掌握实验科学的思想和方法，培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力.
大学物理实验课程的教学基本内容包括普通物理实验(力学、热学、电学、光学实验)和近代物理实验，具体的教学基本要求是：掌握测量误差和不确定度的基本知识，具有正确处理实验数据的基本能力；了解常用的物理实验方法，以及在近代科学研究和工程技术中广泛应用的其他方法，并逐步学会使用；掌握实验室常用仪器的性能，以及在当代科学研究与工程技术中广泛应用的现代物理技术，并能够正确使用；掌握常用的实验操作技术，以及在近代科学研究与工程技术中广泛应用的仪器的正确调节方法.
大学物理实验课程对学生能力培养的基本内容包括四个方面.
(1)独立实验的能力：能够通过阅读实验教材、查询有关资料和思考问题，掌握实验原理及方法，作好实验前的准备；正确使用仪器及辅助设备，独立完成实验内容，撰写合格的实验报告；逐步形成自主实验的基本能力.
(2)分析与研究的能力：能够融合实验原理、设计思想、实验方法及相关的理论知识对实验结果进行分析、判断、归纳与综合. 掌握通过实验进行物理现象和物理规律研究的基本方法，具有初步的分析与研究的能力.
(3)理论联系实际的能力：能够在实验中发现问题、分析问题并学习解决问题的科学方法，逐步提高综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力.
(4)实践创新的能力：能够完成符合规范要求的设计性、综合性实验内容，进行初步的具有研究性或创意性内容的实验.
物理学本质上是一门实验的科学. 物理概念的建立、物理规律的发现依赖于物理实验. 已有的物理定律、物理假说、物理理论必须接受实验的检验，如果正确就予以确定，如果不正确就予以否定，如果不完全正确就予以修正. 例如，爱因斯坦通过分析光电效应提出了光量子理论及光电效应方程；普朗通过分析黑体辐射实验提出了能量子概念；伽利略用新发明的望远镜观察到木星有四个卫星后否定了地心说；杨氏双缝干涉实验证实了光的波动假说的正确性等.
物理实验是研究物理量的测量方法与实验方法的科学，物理实验的技术和测量方法既是其他一切实验的基础，而且还具有适用于一切领域的通用性. 很多工程技术问题或研究课题，如果把它们分解开来，实质上就是一些物理问题. 在工程技术领域中，研制、生产、加工、运输等过程都普遍涉及物理量的测量及物体运动状态的控制，这正是成熟的物理实验的推广和应用. 现代高科技的发展，其设计思想、方法和技术也来源于物理实验，因此，物理实验在探索和研究新科技领域，推动其他自然科学和工程技术的发展中，发挥着重要的作用.
1.2 大学物理实验课程的教学基本要求
大学物理实验课程通常按三个阶段开展教学.
(1)实验的准备.
实验前必须认真阅读教材，作好必要的预习. 预习要以实验目的为中心，搞清楚实验原理、操作要点、数据处理及其分析方法等. 预习时要尽量精心构思，写出简明的预习报告，内容包括目的、原理、关键步骤、数据记录表格等. 未完成预习和预习报告者，教师有权停止其实验.
(2)课堂实验的开展.
课堂实验的开展包括仪器的安装与调整，观察实验现象与选择测试条件，测量与记录数据，计算与分析实验结果，以及不确定度估算等. 进入实验室，要遵守实验室规则. 实验过程中对观察到的现象和测得的数据要及时进行判断，判断它们是否正常与合理. 实验过程中可能会出现故障，在教师的指导下，分析故障原因，学会排除故障的本领. 实验完毕，做好仪器设备的整理工作. 离开实验室前，要整理好所用的仪器，做好清洁工作，数据记录必须经教师审阅签名.
(3)撰写实验报告. 撰写实验报告是完成一个实验项目的*后程序，也是对实验进行全面总结分析的过程，必须高度重视. 通常，实验报告分为三个部分.
**部分：实验目的和原理. 说明本实验的目的. 在理解的基础上，用简短的文字扼要地阐述实验原理，切忌整篇照抄，力求做到图文并茂，用原理图、电路图或光路图进行相关表示. 写出实验所用的主要公式，说明式中各物理量的意义和单位，以及公式适用条件(或实验必要条件).
第二部分：实验记录. 该部分是在实验课上完成的，基本内容如下：仪器——记录实验所用主要仪器的名称、量程、*小量、估读误差、仪器误差等. 记录仪器编号是良好的工作习惯，便于以后对实验进行复查.
过程——实验内容和观测现象记录.
数据——数据记录应做到整洁、清晰而有条理，便于计算与复核. 数据不得任意涂改.
第三部分：数据处理与计算. 该部分在实验后进行，包括如下内容：
计算结果与不确定度计算——计算时先将文字公式化简，再代入数值进行运算. 不确
定度计算要预先写出不确定度计算公式. 结果——按有效数字处理原则及物理量的正确表达形式写出实验结果. 在必要时，注明结果的实验条件. 实验讨论——对实验结果进行分析讨论(对实验中出现的问题进行说明和讨论)，以及写出实验心得或建议等，或完成教师指定的问题.
实验报告是实验工作的总结，是经过对实验操作和观察测量、数据分析以后的**性的科学记录. 撰写实验报告有助于锻炼逻辑思维能力，把自己在实验中的思维活动变成有形的文字记录，发表自己对实验结果的评价和收获. 实验报告可供他人借鉴，促进学术交流. 撰写实验报告要求做到书写清晰、字迹端正、数据记录整洁、图表合适、文理通顺、内容简明扼要.
1.3 教材与教学实践
本教材按照学生认知规律和教育培养目标，将实验分为基础性实验、综合性和设计性实验、研究性实验三个层次，而且结合现代教育技术，使教材实现了立体化. 教材中的基础性实验重在培养学生对基本实验仪器、基本实验技能和基本实验知识的掌握能力，以教师讲授为主，要求完成实验报告；综合性和设计性实验重在培养学生的综合实验能力，在教师的指导下以学生为主完成；研究性实验重在培养学生收集资料、设计实验方案、完成实验并分析实验数据的能力，以学生为中心，围绕课题开展教学活动，教师只是从总体上把握正确的研究方向. 同时，教材在实验项目中给出了相关的物理实验背景和相关物理学家的研究经历，学生既可以开阔视野，陶冶情操，也可以从物理学的曲折发展过程中学习到怎样进行科学研究的知识.
另外，我们在教学实践中不同程度地引入探究式教学模式，使学生在教师的引导下，基于现象和问题，通过动手动脑，设计实验方案，研究物理现象，探究物理规律，解决物理问题. 通过大学物理探究性实验，可以使学生保持对自然界的好奇心，培养立体思维能力和求实创新观念，培养善于观察和发现、分析和解决问题及善于总结和敢于修正自己错误的能力，养成尊重事实、勇于有根据地大胆怀疑、想象和探索真理的科学态度. 发挥探究式教学在素质教育和创新人才培养中的独特作用.
综上所述，对于一个高等院校的学生来讲，不论专业如何，大学物理实验都是一门重要的基础课程. 了解和掌握大学物理实验的研究方法和技巧，不仅对物理学理论的学习是重要的，而且对后续课程的学习，尤其是对将来从事的实际工作所需要具备的独立工作能力和创新能力等素质也是十分必要的. 大学物理实验课与大学物理理论课一起，构成了高等理工科学生必修的基础物理学的统一的完整知识体系.
附录
【阅读材料】
伽利略与近代实验科学
伽利略(Galileo Galilei，1564～1642)是意大利物理学家和天文学家，他在物理学和天文学上作出了多方面的巨大贡献. 此外，他首次将数学与实验相结合，开创了全新的科学研究方法，是近代实验科学的先驱.
在伽利略之前，物理学以至整个自然科学只是哲学的一个分支，而当时占统治地位的是以神学和亚里士多德学派为代表的思辨式哲学. 伽利略吸收并发展了阿基米德学派的科学实践方法，将实验方法放在自然科学研究的首位，倡导了数学与实验相结合的新的研究方法. 伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给利斯廷娜公爵夫人的一封信：“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别. 要知道，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的. ”
伽利略的科学研究方法一般分三个步骤：首先从对现象的
一般观察中提出科学假设，并用*简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；然后运用数学和逻辑推导出另一易于实验证实的数量关系；*后通过实验来证实这种数量关系，检验科学假设是否正确，形成理论.
运用这种科学研究方法，伽利略先后总结出了自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等，推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础. 他还经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律，为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础. 他**个用望远镜观察到了土星光环、太阳黑子、月球山岭、金星和水星的盈亏现象、木星的卫星及金星的周相等天文现象，这些发现为哥白尼学说提供了*确凿的证据，有力地支持了哥白尼的日心学说.
伽利略不但亲自设计和演示过许多实验，而且亲自研制出不少实验仪器，他所创制的许多实验仪器在当时及对后世都很有影响. 他利用浮力原理设计了可以快速定量测定金银器皿首饰中金银含量比例的浮力天平. 他首创设计的开放式液体温度计使温度从此成为客观的物理量，不再是不确定的主观感觉. 他制成的伽利略望远镜，使人类从肉眼观测天体进入了望远镜观测的时代，开辟了天文学的新纪元.
伽利略在总结自己的科学研究方法时说过，“这是**次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视. ”后来，惠更斯(C.Huygens，1629～1695)继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式. 牛顿在系统地总结了伽利略、惠更斯等的工作后，得到了万有引力定律和牛顿运动三定律. 伽利略留给后人的精神财富是宝贵的. 爱因斯坦曾这样评价：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想目前*伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！”
伽利略主要著作有《星际使者》《关于太阳黑子的书信》《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》《关于两门进步科学的谈话和数学证明》和《试验者》.
【参考文献】
郭奕玲， 沈慧君. 1993. 物理学史. 北京: 清华大学出版社
第2章 测量误差、不确定度和数据处理
2.1
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