大學物理實驗

“十四五”普通高等學校規(guī)劃教材

大學物理實驗

主編王繼國

副主編王振彪劉虎

內容簡介

本書融合了近年來大學物理實驗教學研究的新成果在編者團隊多年物理實驗教學基礎上編寫

,

而成全書共分章主要內容包括基本實驗理論基本實驗技術與方法基礎性實驗綜合性實驗

。9,、、、、

設計性實驗和物理實驗基本儀器等實驗項目覆蓋了力熱聲光電以及近代物理的實驗內容使

。、、、、,

用時可結合具體情況加以取舍增加內容或提高要求等以適應不同層次的教學需要

。,。

本書適合作為普通高等學校理工科各專業(yè)的物理實驗教材也可供相關工程技術人員參考

,

使用

。

圖書在版編目(CIP)數據

大學物理實驗王繼國主編北京中國鐵道出版社有限

/.—:

公司

,2020.8

十四五普通高等學校規(guī)劃教材

“”

ISBN978-7-113-27152-7

大王物理學實驗高等學校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①---

教材

Ⅳ.①O4-33

中國版本圖書館數據核字第號

CIP(2020)145542

書名:大學物理實驗

作者:王繼國

策劃:李小軍編輯部電話:

(010)63549508

責任編輯:陸慧萍徐盼欣

封面設計:劉穎

責任校對:張玉華

責任印制:樊啟鵬

出版發(fā)行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區(qū)右安門西街號

(100054,8)

網址:

/51eds/

印刷:北京銘成印刷有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202081202081

開本:印張:字數:千

787mm×1092mm1/1615351

書號:

ISBN978-7-113-27152-7

定價:元

36.00

版權所有侵權必究

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,,。:(010)63550836

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:(010)51873659

本書是在四十余年來石家莊鐵道大學歷屆從事物理實驗的教師們不斷積累、演進的基

礎上形成的,凝結了物理實驗中心歷屆教師的心血,尤其是體現了近年來教學改革的趨勢、

新技術的應用成果。

本書的實驗項目覆蓋了力、熱、聲、光、電以及近代物理的實驗內容,涵蓋了比較法、放

大法、換測法、模擬法、補償法、干涉法等重要的實驗技術。大學生通過物理實驗課程的學

習,能夠在實驗能力方面有較大的提高,在科學、嚴謹的實驗素養(yǎng)方面也有大幅度提高,為

后續(xù)其他專業(yè)課程的學習奠定基礎。

全書共章,第章為實驗理論,介紹數據處理和實驗方法;第、章為前一個學期

91~345

的實驗操作安排,其中的個基礎性實驗設置是實現學生從中學到大學實驗的過渡,以適

4

應大學的要求;第章為后一個學期的實驗操作安排,其中的設計性實驗項目可以選擇

6~8

性地設置為學生操作考試的內容;第章為實驗學習資料,為學生自主學習內容,內容包括

9

常用物理實驗用儀器儀表的介紹等。附錄中選錄了幾個常用的基本常數表。本書結合網

絡預約系統(tǒng)組織教學效果更好。

本書適合作為普通高等學校理工科各專業(yè)的物理實驗教材,也可供相關工程技術人員

參考使用。建議學時為學時。

48~64

本書由石家莊鐵道大學物理實驗中心全體教師集體編寫,由王繼國任主編,王振彪、

劉虎任副主編。參加編寫的人員還有:高永浩、王艷召、崔建坡、趙金翠、張變芳、李國科、

冀建利、齊立倩、王維、李月晴、李婧、劉寶、劉天元、申俊杰等。全書由劉虎定稿。

因編者水平所限,加之時間倉促,本書難免有不妥和疏漏之處,懇請廣大師生批評

指正。

編者

年月

20206

第1章緒論…………………………1

1.1大學物理實驗的地位、作用和任務…………

1

1.2大學物理實驗課的基本程序…………………

2

1.2.1實驗預習………………

2

1.2.2實驗操作………………

2

1.2.3編制實驗報告…………

2

1.3大學物理實驗預約說明………………………

3

1.4實驗規(guī)則………………………

5

第2章不確定度評定及實驗數據處理方法……………………6

2.1測量與誤差的基本概念………………………

6

2.1.1測量的定義和分類……………………

6

2.1.2誤差……………………

7

2.1.3誤差的分類……………

7

2.2偶然誤差的統(tǒng)計規(guī)律…………

8

2.3測量結果的不確定度評定……………………

9

2.3.1測量不確定度的基本概念……………

9

2.3.2不確定度的兩類分量………………

10

2.3.3合成標準不確定度…………………

11

2.3.4擴展不確定度………………………

12

2.3.5直接測量量的不確定度評定………

12

2.3.6間接測量量的不確定度評定………

14

2.4有效數字的記錄與運算……………………

17

2.4.1有效數字的概念……………………

17

2.4.2直接測量量的有效數字讀取………

17

2.4.3有效數字尾數的舍入法則…………

18

2.5系統(tǒng)誤差的分析與處理……………………

19

2.5.1系統(tǒng)誤差的發(fā)現……………………

19

2.5.2系統(tǒng)誤差的消除……………………

20

2.6實驗方案的選擇原則………………………

21

Ⅰ

大學物理實驗

2.6.1測量儀器的選擇……………………

21

2.6.2測量最佳條件的確定………………

22

2.6.3測試環(huán)境的選擇……………………

23

2.7知識鞏固練習………………

23

第3章物理實驗技術與方法……………………25

3.1物理實驗基本實驗技術……………………

25

3.2物理實驗基本實驗方法……………………

26

3.2.1比較法………………

26

3.2.2放大法………………

27

3.2.3換測法………………

27

3.2.4模擬法………………

27

3.2.5干涉法………………

28

3.3數據處理常用方法…………

28

3.3.1列表法………………

28

3.3.2作圖法………………

29

3.3.3逐差法………………

31

3.3.4最小二乘法…………

32

3.4計算機或手機在實驗數據處理中的應用…………………

34

3.4.1Excel或WPS在數據處理中的應用………………

34

3.4.2利用WPSOffice手機軟件進行數據處理…………

37

3.4.3利用手機APP進行數據處理………

38

第4章基礎性實驗…………………40

實驗4.1固體密度測量———測量結果的不確定度評定………

40

實驗4.2基本電路的檢測………………………

42

實驗4.3示波器基礎實驗………………………

48

實驗4.4分光儀的調節(jié)和三棱鏡頂角測定……………………

55

第5章綜合性實驗Ⅰ……………60

實驗5.1剛體轉動慣量的測量…………………

60

實驗5.2聲速測量………………

66

實驗5.3單臂電橋測電阻………………………

70

實驗5.4直流非平衡電橋的應用………………

75

實驗5.5用示波器觀測二極管伏安特性………

79

實驗5.6楊氏模量測量…………

81

Ⅱ

目錄

實驗5.7靜電場模擬……………

86

實驗5.8電位差計校準毫安表…………………

89

實驗5.9邁克爾遜干涉儀的調節(jié)及使用………

92

實驗5.10穩(wěn)態(tài)法測量不良導體的導熱系數…………………

101

實驗5.11磁滯回線研究………………………

105

實驗5.12偏振光實驗…………

109

第6章綜合性實驗Ⅱ……………116

實驗6.1磁場測量……………

116

實驗6.2牛頓環(huán)和劈尖干涉…………………

120

實驗6.3全息照相……………

124

實驗6.4法布里-珀羅干涉儀的調節(jié)和使用…………………

129

實驗6.5液體表面張力測量…………………

132

實驗6.6普朗克常量測量……………………

135

實驗6.7高溫超導材料臨界轉變溫度的測定………………

140

實驗6.8密立根油滴儀實驗…………………

149

實驗6.9金屬鎢電子逸出功的測量…………

153

實驗6.10超聲探測實驗………………………

159

實驗6.11弗蘭克-赫茲實驗……………………

164

實驗6.12微波光學實驗………………………

167

第7章設計性實驗I……………173

實驗7.1沖擊電流計測電容…………………

175

實驗7.2電位差計測電阻……………………

175

實驗7.3雙臂電橋測電阻……………………

176

實驗7.4熱敏電阻熱電特性研究……………

177

實驗7.5二極管伏安特性研究………………

177

實驗7.6環(huán)形電流磁場研究…………………

178

實驗7.7用邁克爾遜干涉儀實現白光干涉…………………

179

實驗7.8用邁克爾遜干涉儀測量空氣折射率………………

179

實驗7.9用分光儀測量三棱鏡折射率………

180

實驗7.10使用光柵測量光波波長……………

181

實驗7.11用分光儀測量光柵常數……………

183

實驗7.12時差法測定聲速……………………

184

實驗7.13用平衡電橋測量銅電阻溫度特性…………………

184

實驗7.14用雙臂電橋測金屬棒的電阻率……………………

185

Ⅲ

大學物理實驗

第8章設計性實驗Ⅱ……………187

實驗8.1金屬材料的導熱系數測量…………

187

實驗8.2傳感器實驗:光纖傳感器測量靜態(tài)位移……………

188

實驗8.3傳感器實驗:光纖傳感器測量振動型………

(998)188

實驗8.4傳感器實驗:光纖傳感器測量轉速…………………

189

實驗8.5光學實驗平臺上的實驗……………

190

實驗8.6三線擺實驗…………

193

實驗8.7偏振光的起偏和檢偏………………

195

實驗8.8RC串聯電路暫態(tài)過程研究…………

195

實驗8.9溫度的測量與報警…………………

198

實驗8.10助聽器的設計與制作………………

199

實驗8.11紅外防盜報警器的設計與制作……………………

200

實驗8.12水位自動控制系統(tǒng)的設計…………

201

第9章物理實驗常用儀器儀表及使用………203

9.1力學和熱學實驗常用儀器及使用…………

203

9.2電磁學實驗常用儀器、儀表及使用………

207

9.2.1電源…………………

208

9.2.2直流電表……………

208

9.2.3示波器………………

210

9.2.4電阻器………………

215

9.2.5常用的電氣元件符號………………

217

9.2.6箱式電橋———QJ60教學單雙兩用電橋…………

218

9.2.7標準電池……………

220

9.3光學實驗常用儀器、元件及使用…………

221

9.3.1光學元件和儀器的使用規(guī)則………

221

9.3.2操作光學儀器的注意事項…………

221

9.3.3常用光源及其他器件………………

222

9.3.4分光儀………………

224

附錄A基本常數表………………227

參考文獻………………232

Ⅳ

第1章

緒論

物理學是研究物質的基本結構基本運動形式相互作用及其轉化規(guī)律的學科物理學展現了

、、。

一系列科學的世界觀和方法論深刻影響著人類對物質世界的基本認識人類的思維方式和社會生

,、

活是人類文明的基石

,。

物理學本質上是一門實驗科學實驗和理論的相互作用都是一種內在的根本動力這種作用

。。

引起量的漸進積累和質的突變飛躍的交替進行推動著科學進程一浪接一浪地不斷前行年

,。1923

諾貝爾物理學獎獲得者密立根曾經說過科學是在用理論和實驗這兩只腳前進的有時是這只腳

:“。

先邁出一步有時是另一只腳先邁出一步但是前進要靠兩只腳先建立理論然后做實驗或者是先

,,,,

在實驗中得出新的關系然后再邁出理論這只腳并推動實驗前進如此不斷交替進行

,,,。”

在物理學發(fā)展過程中結晶出的實驗思想實驗方法數據處理方法成為了人類思想寶庫的重要

、、,

組成內容開設大學物理實驗的重要目的就是要通過實驗過程的學習訓練使學生體會掌握實驗

。、,、

思想實驗方法數據處理方法提升學生的動手能力科學實驗素養(yǎng)為未來的科學研究工程實踐

、、,、,、

奠定基礎

。

1.1大學物理實驗的地位、作用和任務

大學物理實驗是大學生進入高等院校后首門實驗課程是對大學生進行系統(tǒng)的科學實驗方法和

,

技能訓練的重要必修課是大學生從事科學實驗的起步大學物理實驗課程的學習是后續(xù)專業(yè)課

,。,

的基礎同時對大學生畢業(yè)后從事科學研究和工程技術實踐也必將產生深遠的影響通過該課程的

,。

學習不僅要培養(yǎng)大學生的實驗操作能力更主要的是培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維能力以及分析問題解

,,、

決問題的能力

。

大學物理實驗課覆蓋面廣包括力學熱學電磁學光學和近代物理學等多方面的實驗內容是

,、、、,

一系列科學實驗訓練的重要基礎具有豐富的實驗思想方法手段同時能提供綜合性很強的基本

。、、,

實驗技能訓練是培養(yǎng)學生科學實驗能力提高科學素質的重要基礎它在培養(yǎng)學生嚴謹的治學態(tài)

,、。

度活躍的創(chuàng)新意識理論聯系實際和適應科技發(fā)展的綜合應用能力等方面具有其他實踐類課程不

、、

可替代的作用

。

因此大學物理實驗教學是為科學和技術培養(yǎng)訓練有素的人才為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術人才搭

,,

1

大學物理實驗

建在實踐教學環(huán)節(jié)中的第一級臺階

。

大學物理實驗課程的具體任務是

:

培養(yǎng)學生的基本科學實驗技能提高學生的科學實驗基本素質使學生初步掌握實驗科學的

(1),,

思想和方法

。

培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識使學生掌握實驗研究的基本方法提高學生的分析能力和

(2),,

創(chuàng)新能力

。

提高學生的科學素養(yǎng)培養(yǎng)學生理論聯系實際和實事求是的科學作風認真嚴謹的科學態(tài)

(3),,

度積極主動的探索精神遵守紀律團結協(xié)作愛護公共財產的優(yōu)良品德

,,、、。

1.2大學物理實驗課的基本程序

大學物理實驗課的基本程序一般可分實驗預習實驗操作和編制實驗報告三個階段

、。

1.2.1實驗預習

大學物理實驗課前學生應該仔細閱讀實驗教材或有關資料明確實驗目的弄清實驗原理和方法

,。