物理实验光宏,汪涛,韩忠主编大中专理科数理化科学

ISBN编码： 9787030528636 书  名： 大学物理实验 定  价： 39 出版单位： 科学出版社 出版时间： 2017年06月 著  者： 何光宏,汪涛,韩忠 编  者： 无 译  者： 页  数： 252 开  本：

本书共分为6章，第1章是绪论，介绍物理实验课程的目的和任务，以及主要教学环节；第2章介绍误差、不确定度和主要数据处理方法；第3章介绍常用的物理实验仪器；第4章是基础性实验，适用于各专业，是普及性实验；第5章是综合性和设计性实验，旨在培养实验知识的综合运用能力；第6章是研究性实验，旨在培养基本科学研究能力. 本书将一些主要的实验内容制作成了视频教学资源，通过二维码链接新技术嵌入相应章节，学生通过扫描二维码可以直观地学习相关知识. 本书结合相关实验项目，给出了物理实验背景和相关物理学家的研究经历，可以开阔视野，陶冶情.

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

第1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fa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；普朗克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、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zui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.  
　　diyi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、zui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，是经过对实验作和观察测量、数据分析以后的永久性的科学记录. 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，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shou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shou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年他写给克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：shou先从对现象的  
　　一般观察中提出科学假设，并用zui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；zui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diyi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zui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shou饰中金银含量比例的浮力天平. 他shou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diyi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，是人类思想史上zui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》《关于两门新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 测量与误差  
　　一、测量与测量仪器  
　　测量是获取物理量的主要手段. 所谓测量，就是将待测物理量与同类标准物理量进行比较的过程，其比值则被称为测量值. 这里的标准物理量，就是规定当作参照基准的物理量的值. 例如，在国际计量大会上提出并建议世界各国采用的国际单位制(SI 制)，规定了长度米标准、质量克标准、时间秒标准等. 我国法定的计量单位中，广泛采用了国际标准制的规定.  
　　测量可以分为两类.  
　　直接测量：能从测量仪器上直接读出测量值的测量. 例如，用秒表可直接测量出单摆周期，用天平可以直接测量出物体的质量等.  
　　间接测量：由数个直接测得量经过一定的函数关系计算而获得待测量值的过程，称为间接测量. 例如，测量圆柱的体积，先测量其直径D和高度H，再按函数关系式V =πDH/4计算获得圆柱的体积V.  
　　一般地，物理实验中的测量大部分是间接测量. 随着科技的进步，一些原来不能直接测量的物理量，也有可能用仪器直接测量. 例如，平面面积仪能直接测出平面面积，电功率表能直接测量出电器功率等.  
　　不同于数学中的一个数值，一个物理量的测量数据应包含数值和单位两部分.  
　　为了提高测量的可靠性，常对同一物理量进行重复多次的测量. 在同等条件下，即测量者、测量方法、测量仪器、测量环境等均相同，对同一物理量进行重复多次测量，称为等精度测量. 否则，为非等精度测量. 只要条件具备，我们通常使用等精度测量的方法进行测量，这样获得的测量值更可靠. 等精度测量和非等精度测量，其数据的处理方法是有差异的.  
　　直接测量时，均需要借助一定的测量仪器，按照仪器读数的特点，测量仪器可以分为两类.  
　　模拟式仪器：根据一定的比例，用长度或弧长来表示物理量的大小，这类测量仪器被称为模拟式仪器. 例如，游标卡尺以长度大小表示长度物理量的大小，指针式的电压表以弧长表示电压的大小.  
　　数字式仪器：直接以数字大小表示出被测物理量大小的仪器，称为数字式仪器. 例如, 电子天平直接以数字大小显示出质量的大小，数字式电压表直接以数字显示出电压大小. 数字式仪器使用方便，显示直观，随着科学技术的发展，不少模拟式仪器都被数字式仪器所