大学物理实验

本书根据高等院校«理工科类大学物理实验课程教学基本要求»,并结合天水师范学院的实际情况编写而成,本书物理概念描述清晰,实验原理叙述简洁明了,使物理实验和理论体系的联系更加紧密且相辅相成,本书实验安排分为基础物理实验和专业物理实验两部分,其中基础物理实验主要面向非物理专业的理工科学生开设,专业物理实验部分主要面向物理专业的学生开设,教师在选用时可根据实际情况灵活安排,本书内容涵盖力学、热学、光学和电磁学,并附有测量误差与数据处理知识介绍和物理常量表,以方便教师和学生使用,
本书可作为高等院校理科、工科、农林各个专业的物理实验教材,也可供科研人员参考,

序前
言
第1章基础物理实验1
力学部分1
实验1.1长度的测量1
实验1.2物体密度的测定5
实验1.3自由落体的研究7
实验1.4弹性模量的测量10
热学部分15
实验1.5液体表面张力系数的测定15
实验1.6固体线胀系数的测定18
实验1.7用混合法测定冰的熔化热20
实验1.8用混合法测定固体的比热容27
光学部分29
实验1.9自组望远镜并测量放大率29
实验1.10透镜焦距的测量35
实验1.11杨氏双缝干涉43
实验1.12菲涅耳衍射46
实验1.13偏振光50
实验1.14波片实验53
电磁学部分58
实验1.15用伏安法测电阻58
实验1.16制流电路与分压电路62
实验1.17二极管伏安特性的测量67
实验1.18静电场的描绘70
第2章专业物理实验76
力学部分76
实验2.1在气垫导轨上测量滑块的速度和加速度76
实验2.2牛顿第二运动定律的验证79
实验2.3动量守恒定律的实验研究81
实验2.4转动惯量的测量83
实验2.5黏度的测量(落球法)88
热学部分90
实验2.6水的比汽化热的测量90
实验2.7空气比热容比的测定93
实验2.8用稳态法测量不良导体的热导率97
实验2.9水的沸点与压强关系的研究101
光学部分103
实验2.10自组显微镜并测量放大率103
实验2.11光学透镜组基点的测量107
实验2.12半导体激光器泵浦源特性的测量111
实验2.13半导体泵浦固体激光器的搭建与最佳腔长115
实验2.14半导体泵浦源固体激光器功G功转换效率122
实验2.15被动调Q脉冲脉宽和重复频率测量124
实验2.16激光倍频和相位匹配角的测量131
实验2.17色差的测量134
实验2.18球差､像散的测量137
实验2.19菲涅耳双棱镜实验140
实验2.20夫琅禾费衍射142
实验2.21马吕斯定律的验证147
实验2.22椭圆偏振光的测定148
实验2.23波片的相位检测150
实验2.24蔗糖溶液的旋光性研究153
电磁学部分154
实验2.25霍尔效应154
实验2.26亥姆霍兹线圈的磁场160
实验2.27用惠斯通电桥测电阻164
实验2.28电子束测试仪169
附录177
附录A测量误差与数据处理177
A.1测量､误差及不确定度177
A.2有效数字及其运算规则182
A.3数据处理的常用方法184
附录B物理常量表187
参考文献192

􀆰 物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科.作为自然科学的基础学科,物理学研究大至宇宙,小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律,因此成为其他各自然科学学科的研究基础.它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言,以实验作为检验理论正确性的唯一标准,它是当今最精密的一门自然科学学科.
实验作为物理学研究的主要方法,在物理学的发展中起到了巨大的推动作用.纵观诺贝尔物理学奖的历史,从第一届伦琴射线(X射线)的发现到2017年引力波的发现,一百多年来,绝大多数的诺贝尔物理学奖颁发给了实验物理学家,这足以表明实验在物理学发展中的地位和作用.基于实验在自然科学研究中的作用,国家教育部门针对理工科专业,专门制定了«理工科类大学物理实验课程教学基本要求»,对大学物理实验的开展提出了明确的要求,本书就是在此要求的指导下,结合天水师范学院理工科专业的实际情况和培养目标编写的.
天水师范学院物理系成立于1959年,经过多年的发展,物理专业已从当初的专科培养升格为本科层次的培养,开展大学物理实验的对象也从当初的物理专业拓展到全校的理工科专业,这势必对我校大学物理实验的教学方法提出新的要求,只有不断探索切合实际需求的实验教学方法,才能更好地为我校物理学及理工科专业人才的培养服务,并有效提升我校的办学水平.基于此,多年来物理系教师积极探索,努力改进实验教学观念和实验教学方法,取得了良好的教学效果.基于多年的教学经验积累,早在2011年,由我系教师王岱､逯小录等人编写了«大学物理实验»(科学出版社)教材,很好地提升了我校大学物理实验教学水平.2014年开始,国务院审议通过«事业单位人事管理条例(草案)»,条例要求建立学分积累和转换制度,打通从中职､专科､本科到研究生的上升通道,引导一批普通本科高校向应用技术型高校转型.在这种背景下,我校成为甘肃省首批加入应用型技术大学联盟的试点单位,并确定了建设师范特色鲜明的区域性高水平应用型大学的办学目标.但与职业院校培养的技术操作型应用人才不同,地方本科院校主要培养的是知识应用型人才,这种应用型人才需要深厚的理论知识基础､扎实的应用型专业知识技能､转化理论知识的实践能力和创新能力,这就要求地方本科院校在培养人才时,应在教好理论知识的同时,更加注重实践能力及创新能力的培养.大学物理实验教学作为地方本科院校教学中培养学生实践能力和创新能力的重要途径,在教学内容､教学方法､考核方式等方面存在各种不足.我校虽然已经确立建设目标为应用型技术大学,但在很多情况下教学模式还在探索当中,部分课程仍然采用传统的教学方法,这与学校的定位和应用型大学对人才的培养目标尚有很大的差距.为此,我们组织物理系具有多年大学物理教学经验的教师共同商讨､策划,并结合我校大学物理实验的实际情况编写了这本新的大学物理实验教材,以便满足我校转型发展中大学物理实验教学的要求.
本书从力学､热学､电磁学以及光学四个方向,根据我校的实际情况精选了46个实验项目.因学时所限,部分专业可能无法完成这么多的实验,教师在使用本书时,可以根据专业情况,有针对性地选择部分实验,完成该专业的大学物理实验课程的教学任务.我们认为,作为应用型大学,与职业技术学院的不同之处主要在于对人才的培养目标不同.如前所述,应用型大学培养的学生应具备深厚的理论知识基础､扎实的应用型专业知识技能､转化理论知识的实践能力和创新能力.因此我们认为,教师在大学物理实验教学的过程中,在遵循教学大纲的同时,完全可以开展一些创新型实验,将实验课程和实际生活联系起来,以此提高学生对物理实验的兴趣,培养他们发现问题和解决问题的能力.比如,在做“液体表面张力系数的测定”的实验时,传统的教学往往只是测量一下某种液体的表面张力系数,学生做起来感觉索然无味,而我们在实验中尝试测量不同品种的牛奶的表面张力系数､不同浓度下(水为溶剂)牛奶的表面张力系数､在空气中暴露不同时间的牛奶的表面张力系数的变化特性､牛奶表面张力系数和温度的关系特性等,以此来判断和认识不同牛奶的品质,在此过程中引导学生查阅相关资料,分析实验结果,厘清实验现象,认识事物本质,这样,极大地提升了学生做实验的兴趣和实验统筹及动手能力.在做“亥姆霍兹线圈磁场”“霍尔效应”
等实验时,我们让学生验证手机信号辐射强度对实验结果的影响,并分析原因,很多同学通过这些实验,学到了书本以外的很多知识,培养了他们的科学素养和解决问题的能力.在做“用惠斯通电桥测电阻”实验时,我们尝试基于教材又不拘泥于教材的方法,用热敏电阻替代普通的定值电阻,通过控制温度,测量不同类型的热敏电阻的阻值和温度之间的关系,这样,一方面学习了用惠斯通电桥测电阻的基本原理和方法,另一方面也将该方法进一步拓展到了其他方面,开拓了学生的思路,也培养了他们对物理实验的兴趣.我们认为,本书所选的46个实验项目都可以和实际的生活现象联系在一起,这就需要任课教师多思考､多学习,将具体的实验项目