基础物理实验

可作为高等学校理工科的物理学、应用物理学、电子信息工程专业的基础物理实验课程指导书，也可作为其他专业的基础物理实验课程参考书，社会爱好者

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目录
总序
前言
1 绪论 1
1.1 物理实验的地位和作用 1
1.2 物理实验的目的和任务 2
1.3 基础物理实验课的教学模式方法和要求 2
1.4 基础物理实验课的进程和要求 3
2 不确定度和实验数据处理 5
2.1 测量与误差的概念 5
2.2 测量结果不确定度的评定 10
2.3 有效数字及其运算 12
2.4 数据处理的基本方法 14
2.5 思考题与习题 17
**单元 物理基本技能训练实验 19
实验1-1 长度测量 19
实验1-2 固、液体密度的测定 24
实验1-3 冰的熔解热的测定 27
实验1-4 牛顿第二定律的验证 30
实验1-5 伏安法测电阻 33
实验1-6 模拟示波器的使用 36
实验1-7 薄透镜焦距的测定 42
实验1-8 显微镜、望远镜的原理与使用 47
第二单元 基础性实验 51
实验2-1 用单摆测重力加速度 51
实验2-2 固体比热容的测定 55
实验2-3 自由落体实验 56
实验2-4 动量守恒和能量守恒定律的验证 57
实验2-5 三线摆实验 61
实验2-6 弦振动和驻波实验 65
实验2-7 杨氏模量测定实验 68
实验2-8 固体线胀系数测定实验 70
实验2-9 刚体转动实验 71
实验2-10 研究简谐振动的规律 74
实验2-11 导热系数的测定 76
实验2-12 声速的测量 78
实验2-13 用直流单臂(惠斯通)电桥测电阻 85
实验2-14 静电场的描绘 88
实验2-15 非线性元件的伏安特性测定 91
实验2-16 RLC电路特性测量 93
实验2-17 数字存储示波器及其应用 105
实验2-18 霍尔效应实验 107
实验2-19 铁磁物质动态磁滞回线的测定 113
实验2-20 电子束的偏转和聚焦特性研究 116
实验2-21 交流电桥实验 124
实验2-22 电信号的傅里叶分析 126
实验2-23 双臂电桥实验 129
实验2-24 共轴光具组基点的测定 132
实验2-25 等厚干涉现象的研究 135
实验2-26 分光计的调节与棱镜玻璃折射率的测定 138
实验2-27 单缝衍射实验 144
实验2-28 单色仪的定标和使用 146
实验2-29 双光干涉实验 151
实验2-30 偏振现象的观察和研究 155
实验2-31 用透射光栅测定光波波长 162
实验2-32 迈克耳孙干涉仪的调整和使用 164
第三单元 提高性实验 170
实验3-1 空气比热容的测定 170
实验3-2 测温传感技术实验研究 171
实验3-3 液体黏滞系数的测定 180
实验3-4 玻尔共振实验 183
实验3-5 电介质的介电常量及损耗角正切的频率特性 186
实验3-6 非平衡电桥实验 188
实验3-7 用非线性电路研究混沌现象 193
实验3-8 色度学实验 198
实验3-9 法布里-珀罗(F-P)干涉仪的调整和使用 202
实验3-10 阿贝成像与空间滤波实验 205
实验3-11 光敏电阻特性研究 209
实验3-12 光纤传感实验研究 213
实验3-13 利用光电效应测定普朗克常量 221
实验3-14 衍射光强分布研究 225
实验3-15 液体表面张力系数测定 229
实验3-16 动态法测定金属材料的杨氏模量 236
实验3-17 用集成霍尔传感器测量螺线管磁场 242
实验3-18 准直管的调整与使用 248
实验3-19 超声光栅测量声速 253
实验3-20 多普勒效应综合实验 255
实验3-21 铁磁材料居里点的测定 260
第四单元 综合设计创新性实验 265
实验4-1 细丝直径的测量 265
实验4-2 用不同光学方法测定玻璃片的折射率 266
实验4-3 数码摄影及图像处理 267
实验4-4 音叉固有频率的测量 271
实验4-5 测量水滴下落时的重力加速度 272
实验4-6 热敏电阻测温仪的制作 273
实验4-7 电表的改装和校准 274
实验4-8 移相电路的设计 275
实验4-9 直流稳压电源设计 275
实验4-10 装调望远镜和显微镜 276
实验4-11 利用电势差计改装电表 277
实验4-12 交流电桥的设计和测量 280
实验4-13 交流电路功率的测量 283
实验4-14 制冷系数的测量和研究 286
实验4-15 硅太阳能电池的研究 290
附表 293
附表1 国际单位制 293
附表2 基本物理常数1986年国际推荐值 294
附表3 20℃时常见固体和液体的密度 294
附表4 标准大气压下不同温度的纯水密度 295
附表5 在海平面上不同纬度处的重力加速度 295
附表6 在20℃时部分金属的杨氏弹性模量 295
附表7 水的饱和蒸气压与温度的关系(气压单位Pa/mmHg) 296
附表8 某些金属、合金的电阻率及其温度系数 296
附表9 不同温度下与空气接触的水的表面张力 297
附表10 不同湿度时干燥空气中的声速(m s-1) 297
附表11 某些物质的比热容 297
附表12 某些物质的导热系数 298
附表13 某些物质的折射率(对λD=589.3nm) 299
附表14 常用光源的谱线波长表(波长单位：nm) 299
参考文献 300

1 绪论
　　1.1 物理实验的地位和作用
　　众所周知，物理学是一门实验科学，任何物理现象、物理概念、物理定律都是建立在实验基础之上的。随着实践和科学技术的进步，当今物理实验综合了科学技术的成就，发展形成了自身的科学体系，成为系统性较强的独立学科——实验物理学。其中，基础物理实验在物理学这座雄伟的科学大厦中有着十分重要的地位和作用。
　　人们要揭示宇宙的奥妙，探索物质的存在形式、运动规律以及相互作用，首先要进行的就是物理实验。牛顿创立万有引力定律绝非是从一次苹果落地而悟出的道理，而是通过无数次观测实验和研究，并在总结大量前人研究成果的基础上所得出的结论。伽利略在著名的比萨斜塔上所做的自由落体实验否定了亚里士多德的“落体的速度与重量成正比”的错误结论，得出了在同一地点、不同的物体具有相同的重力加速度这一科学论断。我们周围的空间不仅有上述引力相互作用的引力场，而且还存在着电磁相互作用的电磁场，光就是波长在一定范围内的电磁场。麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831~1879）在1862年通过对库仑定律、安培定律、毕奥G萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律等基本实验定律的分析、概括得出的这一结论，形成了麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在。在1865年的理论研究中还指出：“电场和磁场的改变不全局限在空间的某一部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值的速度传播的，即电磁波以光速传播，这说明光是一种电磁现象。”这一理论在1888年被赫兹（H.R.Hertz，1857~1894）的实验证实。可见物理学理论的提出、创立和发展无不以严格的实验事实为依据，并得到实验的反复检验，才被确认其真理性的。正如诺贝尔物理学奖获得者著名华裔物理学家丁肇中所说：“我是一个做实验的工程师，希望通过我的得奖，能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现代科学技术。”所以，要从事物理学的研究，必须首先掌握物理实验的基本功。例如创办清华大学物理系的叶企孙先生对李政道这样优秀的清华学子仍规定：“理论课可以免上，只参加考试；但实验不能免，每个必做。”总之，实验是科学创新的重要源头，是培养创新型人才的重要课堂，尤其是物理实验，还是其他新兴学科创立和发展的重要桥梁。这种桥梁作用不仅在计算机、电子技术，而且在农、工、医、生等学科中尤为突出，是无法跨越、无法替代的。正是由于物理实验课程的性质和特点，决定了它在培养学生创新能力的独到作用。
　　在21世纪到来之际，世界各国都强调以培养学生的创新能力为核心，培养和造就一大批具有国际竞争能力的高层次创新人才，以适应知识经济时代的发展。这就要求学生不仅具备比较宽厚的理论知识，更要具有较强的科学实验能力。物理实验正是为了对学生进行科学实验基本训练、创新能力的培养而独立设置的必修课，是学生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练的开端，通过对学生施以科学、系统、严谨的技能训练，把蕴藏在学生身上的聪明才智和创造才能充分挖掘出来，为将来成为创新型人才打好基础，使我们中华民族能真正昂首屹立于世界科技文明之林。
　　1.2 物理实验的目的和任务
　　基础物理实验课的内涵丰富，覆盖的知识面、包含的信息量以及对学生的基本训练内容丰富，除本学科的力学、热学、电磁学、光学、原子物理学外，还涉及数学、测量学、误差理论和计算机科学等。作为独立开设的一门必修课，基础物理实验主要的目的和任务是：通过对学生施以系统而严谨的物理实验基本知识、基本方法、基本技能方面（三基）的教育与训练，培养学生的科学思维能力、创新能力和浓厚的实验兴趣，为以后学习专业实验课和近代物理实验课奠定坚实的基础。
　　物理实验基本知识包括：实验目的、原理、思想、概念、公式，实验仪器的测量原理、基本结构、精度等级，实验误差的分析与不确定度的评定，实验结果的正确表示，实验报告的撰写，思考题解答等。
　　物理实验基本方法主要是：根据实验目的与要求，确定实验的思路与方案，正确选择与使用测量仪器、减少测量误差等。常有直接测量法与间接测量法一说，也有特殊法一说，例如：比较法、放、平衡法、补偿法、冲击法、霍尔法、干涉法、衍射法、偏振法、全息法等。基础物理实验中所采用的科学方法还有：内推、外插、替换、修正等。
　　物理实验基本技能主要是：实验仪器的操作、测试读数、制表、绘图、安全用电、合理布线、眼手脑并用、查阅文献、排除故障、独立思考、和谐交流等。
　　总之，通过对学生进行实验原理、实验方法、实验条件、实验设计、实验操作、仪器设备、数据处理、实验报告撰写、问题分析解答等诸方面的训练，培养学生的观察思维能力、阅读理能力、设计布置能力、动手操作能力、分析判断能力、书写表达能力、数据处理等独立解决问题的能力。
　　兴趣是*好的老师，兴趣是靠科学实验方法培养出来的，培养兴趣就是培养运用科学方法去寻求成功之路、在失败中吸取经验教训、在成功中总结出新的问题，在兴趣的激励下，做到有所发现、有所发明、有所创新、有所前进才算真正的实验成功，完成了实验任务。
　　1.3 基础物理实验课的教学模式方法和要求
　　基础物理实验课使行开放式、分层次、多模块、立体化的教学模式和方法。通过开设一定数量的必修、选修两个模块的实验项目，来满足学生个性化教育的需求。同时又将实验内容分成基础性实验、提高性实验、综合设计创新性实验来完成实验教学任务，这三个实验教学层次的比例大体为：60%、30%、10%。
　　基础性实验，又称为基本性实验。主要学习基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验方法和基本实验技能的掌握、实验误差不确定度及实验数据处理方法等，涉及力、热、电、光、原子物理等各个领域的内容。此类实验重在对学生进行物理实验基本知识、基本方法、基本技能的教育与训练，同时考虑到各地中学物理实验教学的差异，笔者为大一新生实验基础较为薄弱的学生特设了基本技能训练实验单元，旨在进行入门教育，使学生有一个良好的开端。
　　提高性实验主要是在完成基本性实验的基础上，提高了实验教学的要求。实验教学内容与理论教学既有机结合，又与科研、工程、社会应用实践密切联系。通过改造传统的实验教学内容和实验技术方法，既体现出物理学科内涵、实验内容的更新，又反映出新技术、新方法、新设备的现代实验技术和手段，实现了基础与前沿、经典与现代的有机结合，重在对学生进行素质和能力培养。
　　综合性实验指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关知识的实验；设计性实验指给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验，注重对学生探索精神、科学思维、实践能力、创新能力的培养，从而为学有余力的学生大大延伸了课内实验内容。
　　实行开放式、立体化的教学模式和方法，旨在从时间、空间上给学生更多的选择自由，提供学生自主学习的机会，搭建师生相互交流的平台。学生可通过电话、网络等多媒体进行预约实验、预习实验、回答问题，教师可同时实现全方位为教学服务，形成良性互动，大大有利于学生综合素质的培养和实验教学质量的全面提高。学生必须明确：开放实验课绝不是开门、放松、来去自由、愿做不愿做的教学活动。开放实验室是让学生有更多的空间充分实现自我，形成个体独特的新思维、新方法。要把宽松的课堂气氛与严谨的科学实验融洽起来，切实处理好寻求自我与提高实验教学质量的关系。
　　1.4 基础物理实验课的进程和要求
　　基础物理实验课从教学环节上分三个进程：预习实验、正式实验、实验后的总结报告与成绩评定，现就各教学环节提出如下具体要求：
　　1. 实验前的准备、预习实验课
　　实验课是有组织、有计划、有目的的教学活动，即便是开放实验室学生也必须遵守实验守则，通过预约到实验室上课，很好地完成学习任务，不得擅自行动，影响教学秩序。
　　实验前要认真做好预习，力求理解实验的全部内容、原理及要求，明确实验目的、步骤、方法。学生要从观察仪器外观铭牌、面板旋钮标识、仪表读数记录系统等入手，初步了解实验仪器，实验材料的性能和方法，注意事项等，在此基础上写出实验预习报告，同时在实验数据记录本上画好数据记录表格。预习报告的内容包括：姓名、学号、专业、班级、实验日期、实验台号、实验题目、实验目的、实验器材及规格型号、实验原理、实验方法、步骤注意事项等。实验原理一般应用自己融会贯通的语言写出实验所依据的主要原理公式及公式中各量的意义，画出原理图、电路图或光路图。实验方法步骤注意事项应是自己思考设计出来的，也可参照教材或有关指导书、使用手册等资料。
　　开放实验教学、专题研究性实验和自行设计实验等都是为了给学生更多的自主活动空间，以便于培养创新型人才，所以更要做好预习实验，保证实验的顺利进行。通过实验达到培养观察、思考、分析判断、直觉、设计等多方面创新的能力。
　　2. 实验操作、正式实验课
　　正式实验课主要进行实验操作，要做到眼手脑并用。首先按照预习实验时设计好的方法、步骤、注意事项等，认真进行对照，检查实验条件是否完备，包括环境、温度、湿度、气压、振动、外电磁场影响等，仪器设备器材规格型号是否准确无误。切忌急于求成，盲目操作。特别是一些关键地方万一疏忽，将导致全盘失败。所以要反复检查连接成的实验电路或光路，确保万无一失，才能通电、通光正式进行操作，必要时要经指导老师检查同意后进行。在实验中要细心观察现象，实事求是做好记录，不得单纯追求好数据而忽视偶然（也可能是必然）实验现象，往往偶然现象蕴涵着新的待发现的物理规律。要坚决反对马虎从事，弄虚作假，要尊重实验事实，讲究严格的科学态度，提高实验技能，要注意安全用电，万一出现意外事故要冷静、迅速采取有效措施，切断电源及时报告，把意外损失降到*小。
　　完成一个好的实验不仅是创新能力大小的反映，更重要的是一个人的高尚品德、情操、科学态度与精神的体现。
　　3. 实验后总结报告及成绩评定
　　实验操作观测结束后要及时断电、断水，整理复原所使用的仪器器材，清扫周围卫生等，然后在实验签名卡上签名，必要时请指导老师验收核查后才能离开实验室。
　　实验后要及时撰写出实验报告，对实验中观测到的现象、实验数据进行整理和分析并给出误差评价及不确定度的大小；要进行必要的问题讨论及思考题解答；对要求作图的实验还要绘出相应的实验曲线；还可以写明自己的心得体会、意见、建议等。
　　撰写实验报告是实验课的重要内容，不仅是对实验的分析总结，重要的是培养学生善于总结的能力，还训练学生的归纳整理书写表达能力，为将来撰写科研论文打下基础，要坚决杜绝抄袭实验报告的现象。
　　学生实验成绩的评定与评价合理与否，是同学们非常关心的事，也涉及对教师教学的评价问题，所以应由师生共同进行，建立多样化的考核方式。一般根据学生平时成绩与期末考试成绩评定，两者原则上各占50%的比例。根据学生在三个教学环节中的表现情况，重在学生能力考察，尽量定出符合客观实际的成绩，一般划分为优秀、良好、中等、及格、不及格。例如学生在实验中自己主动排除故障、修好了仪器，或是发现了新的很值得深入探索的物理现象，或是完成了与实验有关的小发明、小制作，都可被评为优秀。若考核内容为设计性实验，学生必须在规定的时间内完成，教师根据设计内容水平给出成绩。
　　2 不确定度和实验数据处理
　　误差是实验无法避免的问题，故实验误差分析、测量结果不确定度的评定以及实验数据处理贯穿在实验全过程中，即在预习实验、实验仪器选择布局、正式实验进程中的检测与监控、实验结束后的结果分析与实验报告中都要用到或涉及实验误差。所以，不掌握实验误差的基本知识，就不可能做好物理实验；不会计算测量结果的不确定度，就不能正确评定与表达测量结果；不会处理实验数据，就不可能得到正确的测量值与实验结果。因此，这部分内容在整个实验中是非常重要的。通过学习和实验中的应用，要达到：①掌握好误差与不确定度两个概念，明确两者的关系及其异同点；②与国际接轨，用不确定度正确完整地表示实验测量结果；③掌握

　　《基础物理实验》是山东省教育厅批准立项建设的高等学校新体系立体化实验教材，根据《山东省高等学校基础课实验教学示范中心建设标准》和“厚基础、宽口径、大综合”的要求，按照系列文《基础物理实验》、配套教学课件、网络课程等三大部分的编写框架，汇集了近10年山东师范大学、聊城大学、曲阜师范大学等11所高校物理实验教学改革的新成果、新经验编写而成的。
　　《基础物理实验》打破传统的力、热、电、光、原子物理实验的教程分化方法，建立起以基础性实验、提高性实验、综合设计创新性实验为主的分层次、多元化的物理实验课程新结构，适合不同层次的教学需要。