《近代物理实验》课程实验教学大纲
课程编号 |
1151473 |
第一撰写人 |
吕蓬 |
第二撰写人 |
陈宏斌 |
课程名称 |
近代物理实验 |
课程性质 |
专业基础课 |
开设学期 |
5 |
英文名称 |
Experiments of Modern Physics |
课程总学时 |
72 |
实验学时 |
72 |
选用教材 |
《近代物理实验指导书》.自编教材.2014 |
面向专业 |
应用物理学 |
一、实验教学目标
本课程是在学过普通物理实验和电子学实验的基础上,从近代物理主要领域中选取一些基本的实验,许多选题来自物理学发展史上起过重大作用的物理学家们的研究课题,覆盖了原子物理、激光、光电子学与光信息处理、X射线和电子衍射、半导体物理学、光谱学、微波技术、电子技术、空气动力学等多个物理学科领域。它是培养学生的创新思维和实践能力的一个重要教学环节,是应用物理类专业的必修课。它涉及基础知识面广,对各方面近代技术的要求高,是大学生学习如何将基础知识和近代先进技术相结合的重要基础实验课程。要求学生独立完成实验的全过程。并通过实验了解近代物理学发展中具有代表性的科学实验,使学生在实验技术、方法及实验思想上受到启发,为今后的学习和研究工作奠定良好的基础。
本课程的教学目标是:1、通过近代物理实验的操作观察、研究有关的物理过程,培养学生的独立工作能力,学习如何应用实验方法研究物理现象和规律,加深对物理现象及其规律的理解。2、通过实验,初步掌握近代物理一些主要领域的基本实验方法、技术、技能和知识。培养科学实验能力,包括查阅参考资料、拟订实验步骤、正确使用仪器、测量、处理数据和分析实验结果等方面的能力。3、培养学生理论联系实际、实事求是的科学作风,严肃认真的工作态度,主动研究探索的精神和独立工作的能力。
二、实验基本要求
1、对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论的教育,使学生了解科学实验的重要性。
2、掌握近代物理学发展史上具有典型性和重要作用的实验。
3、掌握近代物理中某些主要领域的基本实验方法与技术。
4、熟悉掌握相关仪器的使用及CCD、计算机等现代技术。
5、培养学生理论与实际相结合,综合理论应用及创新精神。
6、培养学生查阅参考资料,拟订实验方案,选配测量仪器能力。
7、培养学生观察分析现象,独立操作,判断实验中尚存问题的能力。
8、巩固和加强有关数据处理,误差分析等方面的训练。
9、要求学生自行完成预习、实验操作和撰写实验报告等。
三、主要仪器设备
法拉第-塞曼效应综合实验仪、电子顺磁共振谱仪、徕宝X射线装置、空气动力学实验仪器、微波光学综合实验装置、智能夫兰克—赫兹实验仪、普朗克常量实验装置、CCD密立根油滴仪、手动型椭圆偏振光测厚仪、PN结正向特性综合试验仪、迈克尔逊干涉仪、声光效应实验仪、NCE-1型非线性电路混沌实验仪,多普勒效应综合实验仪,光速的测定仪等等。
四、主要消耗材料
导线、三棱镜、开关、滑动变阻器、电阻、铅块、电子天平、物理天平、温度计、刻度尺、千分尺、游标卡尺,等等。
五、成绩评定方法
平时实验成绩(包括作业、预习报告及实验操作及数据处理)60%,考试(出卷考试)40%
六、参考书
1. 高立模.《近代物理实验》.天津:南开大学出版社,2006
2.吴思诚 王祖铨.《近代物理实验》.北京:高等教育出版社,2008
七、实验项目设置
序号 |
实验 项目名称 |
实验目的及内容 |
学时 |
实验 类型 |
实验要求 |
每组人数 |
台套数 |
1 |
迈克耳逊干涉仪的调节和使用 |
目的:了解迈克尔逊干涉仪的原理,学会该仪器的使用方法和测定相关激光波长的方法。 内容:1. 学会迈克尔逊干涉仪的使用方法。2. 测定氦氖激光的波长。 |
6 |
验证 |
必做 |
2 |
5 |
2 |
密立根油滴法测定电子电荷 |
目的:理解密立根油滴实验的设计思想、实验方法和实验技巧。 内容:1.观测带电油滴在重力和静电场中的运动,验证电荷的不连续性并测量元电荷电量。2.了解CCD传感器、光学系统成像原理及视频信号处理技术的工程应用。 |
6 |
综合 |
必做 |
2 |
5 |
3 |
夫兰克-赫兹实验 |
目的:通过测定氩原子等元素的第一激发电位,证明原子能级的存在。 内容:1.弗兰克-赫兹实验仪自动挡测定氩元素在93伏内的UG2K与IA间关系;用手动挡提取数据。2.调试示波器,观察弗兰克-赫兹曲线。3.描绘弗兰克-赫兹曲线,分析处理数据,计算氩的第一激发电位及电磁辐射频率。 |
6 |
综合 |
必做 |
2 |
5 |
4 |
利用光电效应测定普朗克常量 |
目的:通过实验研究理解光电效应的规律,加深对光的量子性的认知。 内容:1.测量光电管的弱电流特性,找出不同光频率下的截止电压。2.验证爱因斯坦方程,测量普朗克常数。 |
6 |
综合 |
必做 |
2 |
5 |
5 |
塞曼效应实验 |
目的:掌握观测塞曼效应的方法,加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解。 内容:1.用CCD和肉眼观测法观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象及它们偏振状态,由塞曼裂距计算电子荷质比。2.学习法布里-珀罗标准具的调节方法。3.学习CCD器件在光谱测量中的应用以及通过计算机自动处理光谱数据的实验方法。 |
6 |
综合 |
必做 |
3 |
3 |
6 |
法拉第效应实验 |
目的:通过实验研究理解法拉第效应的原理,并利用该效应测定相关光学物理量。 内容:1.会用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度,分析励磁电流与磁感应强度的关系;2.掌握消光法测量样品的费尔德常数;3.运用法拉第效应测算介质的色散率; |
6 |
综合 |
必做 |
3 |
3 |
7 |
椭圆偏振法测介质薄膜厚度和折射率 |
目的:学习、了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理,掌握整套实验仪器的基本结构、使用方法和数据处理方法。 内容:1.学习椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理;2.初步掌握椭圆偏振仪的使用方法,并对纳米量级薄膜(如:硅基二氧化硅薄膜)厚度进行测量。3.学会利用微机相关数据处理软件处理数据。 |
6 |
综合 |
必做 |
2 |
5 |
8 |
PN结正向压降与温度关系的研究和应用 |
目的:实验研究PN结正向压降与温度关系,学会处理数据计算材料的禁带宽度及玻尔兹曼常数的方法。 内容:1.测量同一温度下,正向电压随正向电流的变化关系,绘制伏安特性曲线; 2.在同一恒定正向电流条件下,测绘PN结正向压降随温度的变化曲线,确定其灵敏度,估算被测PN结材料的禁带宽度;3.学习运用数据处理软件(如EXECL)处理数据,计算玻尔兹曼常数,估算反向饱和电流。 |
6 |
综合 |
必做 |
2 |
5 |
9 |
微波段电子顺磁共振 |
目的:掌握微波段电子顺磁共振观测的方法,加深对电子顺磁共振概念及相关原理的理解。 内容:1.理解电子自旋共振现象;2.学习用微波频段检测电子自旋共振信号的方法;并且测量电子的朗德因子大小。3.观察吸收或色散波形;4.用计算机记录实验结果。 |
6 |
综合 |
必做 |
3 |
3 |
10 |
微波光学综合实验 |
目的:学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性,并通过实验加深对微波相关光学性质的理解。 内容:1.观测微波干涉、衍射、偏振等实验现象。2.观测模拟晶体的微波布拉格衍射现象。3.通过迈克耳逊实验测量微波波长。 |
6 |
综合 |
必做 |
2 |
5 |
11 |
空气动力学实验 |
目的:学习、了解整套实验仪器的基本结构和使用方式;验证流体力学的基本规律。 内容:1.测定空气阻力和风速的关系,作FW~△p关系图、FW~v关系图。2.测定空气阻力与物体面积的关系,作FW~A关系图。3.测量计算不同形状物体的阻力系数CW。4.用流体管测算流体管中部分气流的速度。5.实验验证伯努利方程,根据实验所得的数据作v —S-1图线,判断拟合图线的线性化特征,求斜率k=v S,得出相应的实验结论。 6.机翼的动力学效应研究——机翼的水平力和竖直升力的测量,根据实验所得的数据作FW —α和FA —α关系图线(选)。 |
6 |
设计 |
必做 |
3 |
2 |
12 |
利用X射线衍射测定单晶体的晶面常数 |
目的:理解X射线实验的设计原理、实验方法和实验技巧,并初步学会利用X射线衍射仪进行晶体结构的测量。 内容:1.理解掌握X射线衍射原理,学会使用X射线衍射仪;2.测量X射线通过NaCl或LiF单晶的布拉格衍射曲线。 |
6 |
综合 |
必做 |
3 |
1 |
13 |
利用干涉仪测定透明介质折射率 |
目的:掌握利用迈克尔逊干涉仪测定气体折射率的方法和原理。 内容:测量并数据处理计算空气的折射率。 |
3 |
综合 |
选做 |
2 |
5 |
14 |
声光效应实验 |
目的:了解声光效应的原理,理解喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。 内容:1. 通过对声光效应器件衍射效率和带宽等的测量,加深对其概念的理解。2. 测量光偏转和光调制曲线。 |
3 |
综合 |
选做 |
2 |
5 |
15 |
微波极化实验 |
目的:理解电磁波极化的概念;了解利用极化天线和栅网实现波极化的原理。 内容:1.三种极化波(圆极化)的产生、检测。2.圆极化波反射和折射、左旋/右旋特性的实验测定。 |
3 |
综合 |
选做 |
2 |
5 |
16 |
多普勒效应综合实验研究 |
目的:理解多普勒效应,并运用该效应设计实验测定空气中的声速、研究物体的运动。 内容:1、测量匀速运动的速度与频率的关系,验证多普勒效应;2、设计性实验:用多普勒效应测量运动物体的未知速度;3、用多普勒效应研究匀速直线运动、匀加速、匀减速直线运动等;4、用多普勒效应测量空气中的声速;5、用驻波法、相位法、时差法测量空气中的声速,且测量角度可变; |
6 |
综合 |
选做 |
2 |
5 |
17 |
光速的测定 |
目的:1.通过实验可加深对光的传播速度的感性认识,同时了解调制和差频技术。2.采用差频检相法测量光速。 内容:采用差频检相法测量光速。 |
6 |
综合 |
选做 |
2 |
5 |
18 |
近代物理仿真系列实验 |
实验:闪烁计数器及γ能谱测量;实验:G—M计数管和核衰变的统计规律;实验:真空技术实验;实验:扫描电镜实验;实验:塞曼效应;实验:密里根油滴实验;实验:拉曼光谱实验;等 |
6 |
综合 |
选做 |
1 |
10 |