本书是在2018年1月出版的原版书的基础上修订而成的。这次修订,不仅甄正了错漏,而且增(“开放创新性实验”一章)删(“物理实验基本仪器介绍”“物理实验的基本测量方法、基本调整与操作规则”两章)了部分内容,更换或删除了三个实验。
全书共8章,不仅介绍了基本物理实验、综合性物理实验、设计性和研究性物理实验、近代物理实验、开放创新性实验,还将现代信息技术应用到物理实验中,介绍了实验数据的计算机处理方法、仿真物理实验等。
全书结构紧凑,内容丰富,实验内容与“物理实验”课程采用的分层次教学方法和开放式教学模式相配套,并且有很多实验应用了新的实验技术,具有较好的可读性和实用性。
本书可作为高等院校大学物理实验用书或参考书,也可作为函大、电大、职大等大学物理实验教学用书或参考书。
本书是在南华大学“物理实验”课程教学改革和实践的基础上,根据教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会2010年发布的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》编写的。
本书注重对物理实验基础知识的介绍,如第一章、第二章介绍了误差基础知识、测量结果的评价、数据处理方法及实验数据的计算机处理等,可供不同基础的同学在学习过程中自学;基本物理实验部分主要对学生进行实验的基础知识、基本方法、基本技能的训练,而综合性、设计性和研究性实验及近代物理实验中每个实验基本独立。考虑到南华大学“核”的特色,本书在近代物理实验中介绍了“核衰变统计规律” “验证快速电子的动量与动能的相对论关系”等实验;同时南华大学也有部分医学专业要学习物理实验,故本书在基本物理实验中介绍了“液体黏滞系数的测定” “电偶极子电场的描述及描绘模拟心电图”等实验。第二版删掉了“物理实验基本仪器介绍” “物理实验的基本测量方法、基本调整与操作规则”两章内容,同时删减了“综合性物理实验”中的部分实验,增加了“莫尔效应及光栅传感实验”,第八章推出了研究创新性实验项目,尝试与新工科教学相结合。总之,本书可以用于层次化的开放性物理实验教学。同时本书还注重将成熟的教研教改成果和现代技术应用在物理实验中,如第二章和第五章就引进了计算机技术在数据处理过程和仿真实验中的应用。本书在一些传统的实验中也介绍了新的实验技术和方法,加强了传感器技术和数字化测量技术在物理实验中的运用,如介绍了应用CCD传感器将等厚干涉实验在读数显微镜中观察的牛顿环直接显示在监视器上,并使用数字标尺对干涉暗环进行直接测量等,给传统的学科增添了新鲜血液,彰显物理实验课程的与时俱进。整个实验内容与南华大学实验室采用的分层次教学方法和开放式教学模式相配套。
南华大学物理实验室的管亮、李寰、郝军、肖利军、刘应传、唐益群、邓湘元、钟翊君、杜丹等老师参与了本书的编写工作。实验课程的教材和教学,离不开实验室的建设和发展,感谢南华大学物理实验室全体教师和实验技术人员对本书编写的支持。
在本书的编写过程中,编者参考了本校曾使用过的相关教材,也参考了大量我国物理实验教学工作者编著的教材、著作和已发表的最新研究成果,有些已在参考文献中列出,有些未能列出,在此向各位作者一并表示衷心的感谢!
由于编者水平有限,书中难免存在不妥之处,敬请读者批评指正。
绪论 1
第一节 “物理实验”课程的地位、作用与任务 1
第二节 “物理实验”课程教学内容基本要求 2
第三节 “物理实验”课程的基本程序 2
第四节 物理实验室规则 3
第一章 测量、误差及数据处理 5
第一节 测量与误差 5
第二节 随机误差的估计与仪器误差 10
第三节 有效数字及其运算法则 15
第四节 测量结果的标准偏差评定 19
第五节 测量结果的不确定度评定 26
第六节 实验数据处理的几种方法 30
习题 38
第二章 实验数据的计算机处理 39
第一节 Excel处理实验数据及应用 39
第二节 Matlab处理实验数据及应用 48
第三节 Origin处理实验数据及应用 52
第三章 基本物理实验 57
实验3.1 基本测量 57
实验3.2 液体黏滞系数的测量 59
实验3.3 拉伸法测量金属丝杨氏模量 63
实验3.4 用波尔共振仪研究受迫振动 70
实验3.5 电表的改装和校准 76
实验3.6 电位差计测量电源电动势和内阻 85
实验3.7 模拟法测绘静电场 91
实验3.8 光学实验平台 95
实验3.9 数字示波器的使用 105
实验3.10 分光计的调节及三棱镜折射率的测定 116
实验3.11 光干涉现象的观测 123
实验3.12 光栅衍射 127
实验3.13 电偶极子电场的描述及描绘模拟心电图 132
实验3.14 用超声波探测深度和厚度 134
第四章 综合性物理实验 138
实验4.1 热电转换技术的观测 138
实验4.2 多普勒效应综合实验 148
实验4.3 迈克尔逊干涉仪的调节与使用 152
实验4.4 金属线膨胀系数的测定 159
实验4.5 莫尔效应及光栅传感实验 163
实验4.6 光速测量 173
实验4.7 密立根油滴实验 182
实验4.8 硅光电池特性研究 192
实验4.9 探针测量半导体或金属薄膜电阻率 199
第五章 设计性物理实验 203
实验5.1 设计伏安法测量电阻 211
实验5.2 设计用电位差计校准电表 220
实验5.3 设计利用单摆测量重力加速度 224
实验5.4 设计万用电表 225
实验5.5 电阻温度计的设计与标定 229
实验5.6 可供选择的设计性物理实验 233
第六章 近代物理实验 235
实验6.1 光电效应测量普朗克常数 235
实验6.2 夫兰克赫兹实验 241
实验6.3 电子荷质比的测定 250
实验6.4 核衰变统计规律 254
实验6.5 物质对