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大學物理實驗(第四版) 版權信息
- ISBN：9787030742872
- 條形碼：9787030742872 ; 978-7-03-074287-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
大學物理實驗(第四版) 內容簡介
本書是科學出版社“十四五”普通高等教育本科規劃教材，是編者在多年實驗講義的基礎上增加了研究性實驗的內容編寫而成的。全書共6章，包括物理實驗方法論、15個基礎性實驗、10個綜合性實驗、4個設計性實驗、6個研究性實驗及18個計算機仿真實驗。這53個實驗涵蓋了物理學領域內力學、熱學、電磁學、光學及近代物理的各個范疇。
大學物理實驗(第四版) 目錄
目錄
前言
第1章 物理實驗方法論 1
1.1 物理實驗方法的興起與發展 1
1.2 物理實驗中的實驗方法 4
1.3 測量誤差與數據處理 9
習題 34
第2章 基礎性實驗 37
2.1 力學基本測量 37
2.2 用拉伸法測量金屬絲的彈性模量 52
2.3 弦線上的駐波研究 57
2.4 轉動慣量的測定 60
2.5 測量金屬的比熱容 67
2.6 金屬線脹系數的測量 70
2.7 空氣的比熱容比的測量 74
2.8 電學基本測量 電磁學實驗基礎知識 86
2.9 用模擬法測繪靜電場 93
2.10 用惠斯通電橋測電阻 98
2.11 示波器的使用 104
2.12 用示波器觀測鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線 113
2.13 薄透鏡焦距的測量 122
2.14 分光計的調整與玻璃折射率的測定 127
2.15 用牛頓環測量透鏡的曲率半徑 135
第3章 綜合性實驗 141
3.1 玻爾共振實驗 141
3.2 霍爾效應及磁場強度的測量 150
3.3 諧振頻率的測量 159
3.4 半導體pn結的物理特性研究 161
3.5 測量光柵常量與光波的波長 166
3.6 邁克耳孫干涉儀 168
3.7 偏振光的產生與檢驗 173
3.8 弗蘭克-赫茲實驗 179
3.9 密立根油滴實驗 185
3.10 光電效應及普朗克常量的測定 190
第4章 設計性實驗 194
4.1 電表的改裝和校驗 195
4.2 激光全息照相 199
4.3 旋光法測定蔗糖溶液濃度 204
4.4 望遠鏡與顯微鏡的組裝 206
第5章 研究性實驗 209
5.1 傅里葉變換紅外光譜分析 209
5.2 超級電容器充電效率的測量 226
5.3 光的力學效應及光阱力的測量 229
5.4 稱重法測量顆粒物(實驗室內的PM2.5) 234
5.5 光纖熔接及光時域反射儀的使用 236
5.6 空間光調制實驗 239
第6章 計算機仿真實驗 242
6.1 大學物理仿真實驗的基本操作方法 242
6.2 三線擺法測剛體的轉動慣量 245
6.3 鋼絲彈性模量的測定 251
6.4 誤差配套 255
6.5 熱電偶特性及其應用研究 261
6.6 密立根油滴實驗 264
6.7 拉曼光譜實驗 272
6.8 塞曼效應實驗 281
6.9 邁克耳孫干涉儀 286
6.10 分光計實驗 292
6.11 傅里葉光學實驗 300
6.12 偏振光的研究 308
6.13 霍爾效應實驗 310
6.14 箱式直流電橋測量電阻實驗 315
6.15 自組直流電橋測量電阻實驗 319
6.16 示波器實驗 322
6.17 動態磁滯回線測量實驗 330
6.18 基于VR設備的虛擬仿真實驗操作方法 336
6.19 熱輻射與紅外掃描成像實驗 338
6.20 巨磁電阻效應實驗 342
前言
第1章 物理實驗方法論 1
1.1 物理實驗方法的興起與發展 1
1.2 物理實驗中的實驗方法 4
1.3 測量誤差與數據處理 9
習題 34
第2章 基礎性實驗 37
2.1 力學基本測量 37
2.2 用拉伸法測量金屬絲的彈性模量 52
2.3 弦線上的駐波研究 57
2.4 轉動慣量的測定 60
2.5 測量金屬的比熱容 67
2.6 金屬線脹系數的測量 70
2.7 空氣的比熱容比的測量 74
2.8 電學基本測量 電磁學實驗基礎知識 86
2.9 用模擬法測繪靜電場 93
2.10 用惠斯通電橋測電阻 98
2.11 示波器的使用 104
2.12 用示波器觀測鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線 113
2.13 薄透鏡焦距的測量 122
2.14 分光計的調整與玻璃折射率的測定 127
2.15 用牛頓環測量透鏡的曲率半徑 135
第3章 綜合性實驗 141
3.1 玻爾共振實驗 141
3.2 霍爾效應及磁場強度的測量 150
3.3 諧振頻率的測量 159
3.4 半導體pn結的物理特性研究 161
3.5 測量光柵常量與光波的波長 166
3.6 邁克耳孫干涉儀 168
3.7 偏振光的產生與檢驗 173
3.8 弗蘭克-赫茲實驗 179
3.9 密立根油滴實驗 185
3.10 光電效應及普朗克常量的測定 190
第4章 設計性實驗 194
4.1 電表的改裝和校驗 195
4.2 激光全息照相 199
4.3 旋光法測定蔗糖溶液濃度 204
4.4 望遠鏡與顯微鏡的組裝 206
第5章 研究性實驗 209
5.1 傅里葉變換紅外光譜分析 209
5.2 超級電容器充電效率的測量 226
5.3 光的力學效應及光阱力的測量 229
5.4 稱重法測量顆粒物(實驗室內的PM2.5) 234
5.5 光纖熔接及光時域反射儀的使用 236
5.6 空間光調制實驗 239
第6章 計算機仿真實驗 242
6.1 大學物理仿真實驗的基本操作方法 242
6.2 三線擺法測剛體的轉動慣量 245
6.3 鋼絲彈性模量的測定 251
6.4 誤差配套 255
6.5 熱電偶特性及其應用研究 261
6.6 密立根油滴實驗 264
6.7 拉曼光譜實驗 272
6.8 塞曼效應實驗 281
6.9 邁克耳孫干涉儀 286
6.10 分光計實驗 292
6.11 傅里葉光學實驗 300
6.12 偏振光的研究 308
6.13 霍爾效應實驗 310
6.14 箱式直流電橋測量電阻實驗 315
6.15 自組直流電橋測量電阻實驗 319
6.16 示波器實驗 322
6.17 動態磁滯回線測量實驗 330
6.18 基于VR設備的虛擬仿真實驗操作方法 336
6.19 熱輻射與紅外掃描成像實驗 338
6.20 巨磁電阻效應實驗 342
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大學物理實驗(第四版) 節選
第1章物理實驗方法論 1.1物理實驗方法的興起與發展 物理學是一門研究物質間相互作用及運動規律的學科，是整個自然科學中*基礎、*活躍的學科之一。從本質上講，物理學是一門以實驗為基礎的學科，物 理學不能脫離實驗而獨立發展。因此，實驗是物理學科發展的基礎，也是物理知識的源泉。 1.1.1伽利略實驗探索的思想和方法 在物理學發展的漫長歷程中，前人對自然界做過不計其數的觀測。通過這些觀測，人們提出了各種理論去解釋這些現象，還制造出很多儀器，用于進一步觀 測。例如，古巴比倫人發明了梁式天平，古希臘人阿里斯托芬有過利用透鏡點火熔化石蠟的記述，歐幾里得記載過用凹面鏡聚焦太陽光的實驗，阿利斯塔克** 次測定了太陽、地球、月亮之間的相對距離，等等。在這些觀測的基礎上，人們慢慢地提高了對自然界的認識，逐漸發展出了物理學的雛形。 早在公元前，阿基米德就做過杠桿、滑輪等實驗。除此以外，他還做了浮力實驗，建立了浮力定律。他在《論浮體》一書中曾這樣敘述：“浸人靜止流體中 的物體受到一個浮力，其大小等于該物體所排開流體的重量，方向垂直向上并通過所排開流體的形心。”這就是一個從實驗總結為理論的定量實驗，即迄今仍被 普遍使用的“阿基米德原理”。 上述這些實驗，無論從系統的觀測和記錄，還是在人為的條件下重現物理現象來看，都能夠稱得上是物理實驗，但是這些實驗畢竟還是零星且不系統的。定 量的實驗很少，而定性的實驗較多，大多數實驗沒有提升概括出理論，而只是現象的描述。或者只做了一般的解釋而沒有形成系統的理論，即使形成了一些理論 ，也沒有用其他實驗去檢驗它。因此，這并不能成為物理學真正的開端。直到公元16～17世紀，伽利略等科學家開始運用實驗來認識規律，具體地講，伽利略在 物理學研究方面把實驗和邏輯推理（包括數學推演）有機地統一起來，有力地推進了人類科學認識的發展，這標志著物理學的真正開端。這些科學家對物理學的 發展做出了劃時代的貢獻，伽利略便是其中*杰出的代表之一。 伽利略曾經做了兩個擺長完全相等的單擺，測量它們的周期，測量結果表明，擺長相等時，兩個單擺的周期相等，與其所懸掛的物體重量無關。接著，他又 做了十幾個擺長不同的單擺，逐個測量它們的周期。實驗表明：擺長越長，周期也越長。在此實驗的基礎上，伽利略通過嚴密的邏輯推理，證明了單擺的周期與 擺長的平方根成正比，而與擺的質量和材料無關；也曾做了斜面實驗，驗證了物體在重力作用下做勻加速運動的性質，總結出物體從靜止開始做勻加速運動時， 運動的距離與時間的平方成正比的普遍公式，并且利用幾何關系建立了勻加速運動的平均速度與末速度關系的數學表達式。他還根據實驗事實，進行演繹推理， 得出了許多物理學的理論結論。他采用了一套對近代科學發展很有效、很具體的程序，即對現象的一般觀察一實驗觀測一提出假設一運用數學和邏輯的手法演繹 、推理得出推論一通過物理實驗對推論進行檢驗一對假設進行修正和推廣。伽利略的科學思想方法有以下幾個特點。 1.運用科學推理和抽象分析 亞里士多德在他的著作《論天》中闡述：“兩個不同質量的物體做自由落體運動時，較重的物體速率比較大，較輕的物體速率比較小。”伽利略用著名的邏 輯推理反駁了這個論述，他指出：“如果亞里士多德的論斷成立，即重物比輕物下落的速率大，那么將一輕一重兩個物體拴在一起，下落快的重物會由于被下落 慢的輕物拖著而減速，而下落慢的輕物會由于被下落快的重物拖著而加速，因而兩個拴在一起的物體的下落速率將比兩個中較重的物體下落速率小。但兩個物體 拴在一起又要比原來較重的物體更重，下落速率應更大。”這樣亞里士多德的論斷陷于自相矛盾的困境。這個流傳了千余年的落體運動的謬誤終于被伽利略糾正 。 亞里士多德的另一論斷：“作用于物體上的力一旦終止，物體就隨即靜止。”伽利略經過獨立思考、推理，用抽象方法針對消除摩擦的極限情況來說明慣性 運動，發現了慣性原理，糾正了統治物理界兩千年之久的“力是維持速度的原因”的謬誤。 2.重視觀察和實驗 以哥白尼為代表的日心說和以亞里士多德為代表的地心說爭論的焦點是，地心說認為如果地球做高速運動，為什么地面上的人一點也感覺不出來呢?為此伽 利略親自到船上做了十分細致的觀察、實驗，揭示了一條極為重要的真理，即從一個做勻速直線運動的船中發生的任何一種現象，是無法判斷該船究竟是在運動 還是停著不動。這就是說，地球本身的運動對居住在地球上的人們來說是覺察不出來的。這個結論從根本上否定了地心說對日心說的非難，現在人們稱這個論斷 為伽利略相對性原理，這個重要原理后來也成為狹義相對論的兩個基本原理之一。 伽利略還用自身的脈搏跳動作計時器，證明了擺的等時性，計算了擺的周期，并證明了擺的周期與擺的長度的平方根成正比，而與擺錘的重量無關。這個實 驗的結論糾正了亞里士多德的“擺幅小需時少”的錯誤說法。 此外，伽利略還研究了勻加速運動，并用實驗來驗證他推出的公式，即從靜止開始的勻加速運動，運動距離和時間的平方成正比，還把這一結果推廣到自由 落體運動。 3.把實驗探索和理論有機地結合起來 伽利略所發現的許多*基本的定理都是通過了實驗和理論的雙重證明并把兩者有機地結合起來，從而既克服了實驗不精確的缺陷，又摒棄了“萬物皆數”的 唯心主義對科學研究的不良影響。值得注意的是，在伽利略的著作里所描述的實驗都是理想化的，他所寫出的實驗數據都同理論有很好的符合，這很可能是因為 他對數據進行了篩選。這表明伽利略并沒有被實驗的表面現象束縛，能正確地對待和解釋實驗誤差。在他看來，實驗結果與理想的簡單規范之間的偏差只是某些 次要因素干擾的結果。 綜上所述，伽利略把科學的實驗方法發展到了一個全新的高度。從此，物理學的一個新時代開始了，物理學走上了真正科學的道路。 1.1.2物理實驗在物理學發展中的作用 在物理學發展的歷程中，實驗和理論互為依賴、相輔相成。下面，我們從它們的相互關系來討論物理實驗在物理學發展中的作用。 1.物理學理論是實驗事實的總結 有許多物理學的理論規律是直接從大量實驗事實中總結概括出來的。例如，經典物理學中的開普勒三定律是依據第谷 布拉赫所積累的大量觀測資料，采納 了哥白尼體系，又把哥白尼體系中的圓軌道修改為橢圓軌道而得到的。牛頓是在伽利略、開普勒、胡克、惠更斯等的工作基礎上，經過歸納總結，提出牛頓三大 定律的。 不僅經典物理的規律是這樣，近代物理的發展中也不乏這種例子。例如，粒子物理中的奇異粒子就是1947年首先在宇宙射線中被觀察到的。后來，20世紀 50年代在加速器實驗中發現了一批粒子，它們協同產生，非協同衰變，而且是產生快、衰變慢。經研究，需要引進一個新的守恒量來對其進行概括，于是提出了 一個新的量子數一奇異數。普通粒子的奇異數為零，奇異粒子的奇異數不為零。這是完全從實驗規律中總結而來的。 2.物理學中的爭論需要用實驗去判定 在物理學中，對某一問題的看法常常會產生幾種不同意見。而這些意見的對錯往往并不直觀，*終還要靠實驗做出判斷。 比如，在對光本質認識的歷史過程中，微粒說和波動說的爭論持續過很長一段時間。*初，由于光的成像和直線傳播的事實，人們很自然地支持了微粒說。 可是，光的獨立傳播，即兩束光交叉后，還是各自按原來的方向和強度傳播，又給惠更斯的波動說提供了有力的佐證。楊氏雙縫干涉實驗證明光是一種波，馬呂 斯發現的光的偏振也證明光是一種橫波。1905年3月，愛因斯坦在德國《物理年報》上發表了題為《關于光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文，他認為對 于時間的平均值，光表現為波動性；對于時間的瞬間值，光表現為粒子性。這是歷史上**次揭示微觀客體波動性和粒子性的統一，即波粒二象性。這一科學理 論*終得到了學術界的廣泛接受。1921年，康普頓在實驗中證明了X射線的粒子性。1927年，杰默爾和后來的喬治 湯姆孫在實驗中證明了電子束具有波的性質 。同時人們也證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線具有波的性質。在新的事實與理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕 。 3.實驗是修正錯誤的依據和發展理論的起點 實驗常常成為糾正錯誤理論的依據和發展理論的新起點。例如，古希臘的亞里士多德曾經斷言：體積相等的兩個物體，較重的下落較快。他認為，物體下落 的快慢精確地與它們的重量成正比。這種理論曾經影響了人們1800多年。但以后的無數實驗事實以及伽利略的邏輯分析，都無可爭辯地否定了亞里士多德的觀點 。 1911年，昂內斯在觀察低溫下水銀的電導變化時，在4。2K附近發現電阻突然消失的現象，后來又觀察到許多金屬在低溫下都存在超導狀態（即電阻率為0 ）。由此產生了一個新的物理學分支領域一超導物理。 以上我們強調了實驗在物理學發展中的重要作用，但是，并沒有絲毫輕視理論的意思。在物理學的發展史上，理論的發展往往有其相對的獨立性。在一個相 當長的時期內，理論可以獨立于實驗而發展，而且這種獨立的趨勢還可能隨著物理學的進一步發展而擴展。然而，歸根結底，新理論的提出還是需要一定的實驗 事實來支撐，并且絕不能違背已有的實驗事實。 物理學發展到今天，在理論指導下進行實驗就變得更加重要了。因為除了天文現象以外，已經很少有在一般條件下就可以觀察到的新的、具有前所未有的理 論價值的實驗現象了。現代物理實驗往往要用大型或非常精密的儀器，花費很多人力、物力和時間，在一定的特殊條件下去探索，并且經過大量數據處理才可能 獲得結果。 1.2物理實驗中的實驗方法 在物理學中，基本物理量包括長度、質量、時間、熱力學溫度、電流強度與發光強度以及物質的量等。除此之外，電動勢、電壓及電阻也是物理實驗中十分 重要的物理量。本章將分別介紹上述這些物理量的基本實驗方法。 1.2.1實驗方法 物理學是一門實驗科學。包羅萬象的物理規律，是通過對現象的觀察分析，對物理量的反復測量而建立的。物理量的測量方法種類繁多，在大學物理實驗中 ，歸納起來，可以概括出以下基本實驗方法，分別為：比較法、模擬法、放大法、平衡法、補償法和仿真法等。 1.比較法 比較法是將被測量與標準量進行比較而得出測量值的測量辦法。例如，用米尺測量長度，就是將被測長度與標準長度（m、cm、mm等）進行比較；用天平測 質量，就是將被測質量與標準質量（kg、g、mg等）進行比較；又如測量光柵衍射的各級衍射角，也是用比較法通過分光計上已刻好分度的圓游標測出的。由此 可見，所有的測量廣義上來講都屬于比較法。比較法是物理測量中*普通、*基本、*常用的測量方法，分為直接比較法和間接比較法。 2.模擬法 人們在研究物質運動規律、各種自然現象和進行科學研究以及解決工程技術問題中，常會遇到一些由于研究對象過于龐大、變化過程太迅速或太緩慢、所處 環境太惡劣太危險以及直接測量會對待測量發生干擾等情況，致使對這些研究對象難以進行直接研究或實地測量。于是，人們以相似理論為基礎，不直接研究自 然現象或過程本身，而是在實驗室中，模仿實驗情況，制造一個與研究對象的物理現象或過程相似的模型，使現象重現、延緩或加速等來進行研究和測量，這種 方法稱為模擬法。模擬法可分為物理模擬和數學模擬兩類。 物理模擬就是人為制造的模型與實際研究對象保持相同物理本質的物理現象或過程的模擬。例如，為研制新型飛機，必須掌握飛機在空中高速飛行時的動力 學特性，通常先制造一個與實際飛機幾何形狀相似的模型，將此飛機模型放人風洞（高速氣流裝置），創造一個與原飛機在空中實際飛行相似的狀態，通過對飛 機模型受力情況的測試，便可方便地在較短的時間內以較小的代價取得可靠的有關數據。
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