大学物理实验

“十四五”普通高等学校规划教材

大学物理实验

主编王继国

副主编王振彪刘虎

内容简介

本书融合了近年来大学物理实验教学研究的新成果在编者团队多年物理实验教学基础上编写

,

而成全书共分章主要内容包括基本实验理论基本实验技术与方法基础性实验综合性实验

。9,、、、、

设计性实验和物理实验基本仪器等实验项目覆盖了力热声光电以及近代物理的实验内容使

。、、、、,

用时可结合具体情况加以取舍增加内容或提高要求等以适应不同层次的教学需要

。,。

本书适合作为普通高等学校理工科各专业的物理实验教材也可供相关工程技术人员参考

,

使用

。

图书在版编目(CIP)数据

大学物理实验王继国主编北京中国铁道出版社有限

/.—:

公司

,2020.8

十四五普通高等学校规划教材

“”

ISBN978-7-113-27152-7

大王物理学实验高等学校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①---

教材

Ⅳ.①O4-33

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2020)145542

书名:大学物理实验

作者:王继国

策划:李小军编辑部电话:

(010)63549508

责任编辑:陆慧萍徐盼欣

封面设计:刘颖

责任校对:张玉华

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

/51eds/

印刷:北京铭成印刷有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202081202081

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1615351

书号:

ISBN978-7-113-27152-7

定价:元

36.00

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书如有印制质量问题请与本社教材图书营销部联系调换电话

,,。:(010)63550836

打击盗版举报电话

:(010)51873659

本书是在四十余年来石家庄铁道大学历届从事物理实验的教师们不断积累、演进的基

础上形成的,凝结了物理实验中心历届教师的心血,尤其是体现了近年来教学改革的趋势、

新技术的应用成果。

本书的实验项目覆盖了力、热、声、光、电以及近代物理的实验内容,涵盖了比较法、放

大法、换测法、模拟法、补偿法、干涉法等重要的实验技术。大学生通过物理实验课程的学

习,能够在实验能力方面有较大的提高,在科学、严谨的实验素养方面也有大幅度提高,为

后续其他专业课程的学习奠定基础。

全书共章,第章为实验理论,介绍数据处理和实验方法;第、章为前一个学期

91~345

的实验操作安排,其中的个基础性实验设置是实现学生从中学到大学实验的过渡,以适

4

应大学的要求;第章为后一个学期的实验操作安排,其中的设计性实验项目可以选择

6~8

性地设置为学生操作考试的内容;第章为实验学习资料,为学生自主学习内容,内容包括

9

常用物理实验用仪器仪表的介绍等。附录中选录了几个常用的基本常数表。本书结合网

络预约系统组织教学效果更好。

本书适合作为普通高等学校理工科各专业的物理实验教材,也可供相关工程技术人员

参考使用。建议学时为学时。

48~64

本书由石家庄铁道大学物理实验中心全体教师集体编写,由王继国任主编,王振彪、

刘虎任副主编。参加编写的人员还有:高永浩、王艳召、崔建坡、赵金翠、张变芳、李国科、

冀建利、齐立倩、王维、李月晴、李婧、刘宝、刘天元、申俊杰等。全书由刘虎定稿。

因编者水平所限,加之时间仓促,本书难免有不妥和疏漏之处,恳请广大师生批评

指正。

编者

年月

20206

第1章绪论…………………………1

1.1大学物理实验的地位、作用和任务…………

1

1.2大学物理实验课的基本程序…………………

2

1.2.1实验预习………………

2

1.2.2实验操作………………

2

1.2.3编制实验报告…………

2

1.3大学物理实验预约说明………………………

3

1.4实验规则………………………

5

第2章不确定度评定及实验数据处理方法……………………6

2.1测量与误差的基本概念………………………

6

2.1.1测量的定义和分类……………………

6

2.1.2误差……………………

7

2.1.3误差的分类……………

7

2.2偶然误差的统计规律…………

8

2.3测量结果的不确定度评定……………………

9

2.3.1测量不确定度的基本概念……………

9

2.3.2不确定度的两类分量………………

10

2.3.3合成标准不确定度…………………

11

2.3.4扩展不确定度………………………

12

2.3.5直接测量量的不确定度评定………

12

2.3.6间接测量量的不确定度评定………

14

2.4有效数字的记录与运算……………………

17

2.4.1有效数字的概念……………………

17

2.4.2直接测量量的有效数字读取………

17

2.4.3有效数字尾数的舍入法则…………

18

2.5系统误差的分析与处理……………………

19

2.5.1系统误差的发现……………………

19

2.5.2系统误差的消除……………………

20

2.6实验方案的选择原则………………………

21

Ⅰ

大学物理实验

2.6.1测量仪器的选择……………………

21

2.6.2测量最佳条件的确定………………

22

2.6.3测试环境的选择……………………

23

2.7知识巩固练习………………

23

第3章物理实验技术与方法……………………25

3.1物理实验基本实验技术……………………

25

3.2物理实验基本实验方法……………………

26

3.2.1比较法………………

26

3.2.2放大法………………

27

3.2.3换测法………………

27

3.2.4模拟法………………

27

3.2.5干涉法………………

28

3.3数据处理常用方法…………

28

3.3.1列表法………………

28

3.3.2作图法………………

29

3.3.3逐差法………………

31

3.3.4最小二乘法…………

32

3.4计算机或手机在实验数据处理中的应用…………………

34

3.4.1Excel或WPS在数据处理中的应用………………

34

3.4.2利用WPSOffice手机软件进行数据处理…………

37

3.4.3利用手机APP进行数据处理………

38

第4章基础性实验…………………40

实验4.1固体密度测量———测量结果的不确定度评定………

40

实验4.2基本电路的检测………………………

42

实验4.3示波器基础实验………………………

48

实验4.4分光仪的调节和三棱镜顶角测定……………………

55

第5章综合性实验Ⅰ……………60

实验5.1刚体转动惯量的测量…………………

60

实验5.2声速测量………………

66

实验5.3单臂电桥测电阻………………………

70

实验5.4直流非平衡电桥的应用………………

75

实验5.5用示波器观测二极管伏安特性………

79

实验5.6杨氏模量测量…………

81

Ⅱ

目录

实验5.7静电场模拟……………

86

实验5.8电位差计校准毫安表…………………

89

实验5.9迈克尔逊干涉仪的调节及使用………

92

实验5.10稳态法测量不良导体的导热系数…………………

101

实验5.11磁滞回线研究………………………

105

实验5.12偏振光实验…………

109

第6章综合性实验Ⅱ……………116

实验6.1磁场测量……………

116

实验6.2牛顿环和劈尖干涉…………………

120

实验6.3全息照相……………

124

实验6.4法布里-珀罗干涉仪的调节和使用…………………

129

实验6.5液体表面张力测量…………………

132

实验6.6普朗克常量测量……………………

135

实验6.7高温超导材料临界转变温度的测定………………

140

实验6.8密立根油滴仪实验…………………

149

实验6.9金属钨电子逸出功的测量…………

153

实验6.10超声探测实验………………………

159

实验6.11弗兰克-赫兹实验……………………

164

实验6.12微波光学实验………………………

167

第7章设计性实验I……………173

实验7.1冲击电流计测电容…………………

175

实验7.2电位差计测电阻……………………

175

实验7.3双臂电桥测电阻……………………

176

实验7.4热敏电阻热电特性研究……………

177

实验7.5二极管伏安特性研究………………

177

实验7.6环形电流磁场研究…………………

178

实验7.7用迈克尔逊干涉仪实现白光干涉…………………

179

实验7.8用迈克尔逊干涉仪测量空气折射率………………

179

实验7.9用分光仪测量三棱镜折射率………

180

实验7.10使用光栅测量光波波长……………

181

实验7.11用分光仪测量光栅常数……………

183

实验7.12时差法测定声速……………………

184

实验7.13用平衡电桥测量铜电阻温度特性…………………

184

实验7.14用双臂电桥测金属棒的电阻率……………………

185

Ⅲ

大学物理实验

第8章设计性实验Ⅱ……………187

实验8.1金属材料的导热系数测量…………

187

实验8.2传感器实验:光纤传感器测量静态位移……………

188

实验8.3传感器实验:光纤传感器测量振动型………

(998)188

实验8.4传感器实验:光纤传感器测量转速…………………

189

实验8.5光学实验平台上的实验……………

190

实验8.6三线摆实验…………

193

实验8.7偏振光的起偏和检偏………………

195

实验8.8RC串联电路暂态过程研究…………

195

实验8.9温度的测量与报警…………………

198

实验8.10助听器的设计与制作………………

199

实验8.11红外防盗报警器的设计与制作……………………

200

实验8.12水位自动控制系统的设计…………

201

第9章物理实验常用仪器仪表及使用………203

9.1力学和热学实验常用仪器及使用…………

203

9.2电磁学实验常用仪器、仪表及使用………

207

9.2.1电源…………………

208

9.2.2直流电表……………

208

9.2.3示波器………………

210

9.2.4电阻器………………

215

9.2.5常用的电气元件符号………………

217

9.2.6箱式电桥———QJ60教学单双两用电桥…………

218

9.2.7标准电池……………

220

9.3光学实验常用仪器、元件及使用…………

221

9.3.1光学元件和仪器的使用规则………

221

9.3.2操作光学仪器的注意事项…………

221

9.3.3常用光源及其他器件………………

222

9.3.4分光仪………………

224

附录A基本常数表………………227

参考文献………………232

Ⅳ

第1章

绪论

物理学是研究物质的基本结构基本运动形式相互作用及其转化规律的学科物理学展现了

、、。

一系列科学的世界观和方法论深刻影响着人类对物质世界的基本认识人类的思维方式和社会生

,、

活是人类文明的基石

,。

物理学本质上是一门实验科学实验和理论的相互作用都是一种内在的根本动力这种作用

。。

引起量的渐进积累和质的突变飞跃的交替进行推动着科学进程一浪接一浪地不断前行年

,。1923

诺贝尔物理学奖获得者密立根曾经说过科学是在用理论和实验这两只脚前进的有时是这只脚

:“。

先迈出一步有时是另一只脚先迈出一步但是前进要靠两只脚先建立理论然后做实验或者是先

,,,,

在实验中得出新的关系然后再迈出理论这只脚并推动实验前进如此不断交替进行

,,,。”

在物理学发展过程中结晶出的实验思想实验方法数据处理方法成为了人类思想宝库的重要

、、,

组成内容开设大学物理实验的重要目的就是要通过实验过程的学习训练使学生体会掌握实验

。、,、

思想实验方法数据处理方法提升学生的动手能力科学实验素养为未来的科学研究工程实践

、、,、,、

奠定基础

。

1.1大学物理实验的地位、作用和任务

大学物理实验是大学生进入高等院校后首门实验课程是对大学生进行系统的科学实验方法和

,

技能训练的重要必修课是大学生从事科学实验的起步大学物理实验课程的学习是后续专业课

,。,

的基础同时对大学生毕业后从事科学研究和工程技术实践也必将产生深远的影响通过该课程的

,。

学习不仅要培养大学生的实验操作能力更主要的是培养他们的创造性思维能力以及分析问题解

,,、

决问题的能力

。

大学物理实验课覆盖面广包括力学热学电磁学光学和近代物理学等多方面的实验内容是

,、、、,

一系列科学实验训练的重要基础具有丰富的实验思想方法手段同时能提供综合性很强的基本

。、、,

实验技能训练是培养学生科学实验能力提高科学素质的重要基础它在培养学生严谨的治学态

,、。

度活跃的创新意识理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不

、、

可替代的作用

。

因此大学物理实验教学是为科学和技术培养训练有素的人才为培养创新型工程技术人才搭

,,

1

大学物理实验

建在实践教学环节中的第一级台阶

。

大学物理实验课程的具体任务是

:

培养学生的基本科学实验技能提高学生的科学实验基本素质使学生初步掌握实验科学的

(1),,

思想和方法

。

培养学生的科学思维和创新意识使学生掌握实验研究的基本方法提高学生的分析能力和

(2),,

创新能力

。

提高学生的科学素养培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风认真严谨的科学态

(3),,

度积极主动的探索精神遵守纪律团结协作爱护公共财产的优良品德

,,、、。

1.2大学物理实验课的基本程序

大学物理实验课的基本程序一般可分实验预习实验操作和编制实验报告三个阶段

、。

1.2.1实验预习

大学物理实验课前学生应该仔细阅读实验教材或有关资料明确实验目的弄清实验原理和方法

,。