大学物理实验教程（修订版）.pdf

普通高等教育“十三五”规划教材 广东省精品课程“大学物理实验”配套教材 广东省高等学校物理实验教学示范中心建设成果 大学物理实验教程大学物理实验教程（修订版）（修订版）主 编 黄义清 李 斌 周有平 副主编 陈国杰 谢嘉宁 张潞英 李 娜 内 容 简 介 本书是广东省精品课程“大学物理实验”配套教材和广东省高等学校物理实验教学示范中心建设成果。全书分为 4 章，共 37 个实验，包括力学、热学、声学、光学、电学、磁学、光纤通信、光电检测等实验。第 1 章介绍误差、不确定度和数据处理的基本知识，第 2 章为基础性实验，第 3 章为综合与应用性实验，第 4 章为设计与研究性实验。实验项目实用性和新颖性较强，插图（包括仪器接线图）清晰且美观。叙述浅显易懂，且便于教学。本书可作为本科院校“大学物理实验”课程教材，也可作为广大物理实验爱好者的学习参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 大学物理实验教程/黄义清，李斌，周有平主编修订本北京：电子工业出版社，2016.3 ISBN 978-7-121-28227-0 I大 II黄 李 周 III物理学实验高等学校教材 IVO4-33 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2016）第 040303 号 策划编辑：戴晨辰 责任编辑：戴晨辰 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：12.75 字数：326.4 千字 版 次：2012 年 6 月第 1 版 2016 年 3 月第 2 版 印 次：2016 年 3 月第 1 次印刷 定 价：25.50 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。III 前 言 我们每个人无时无刻不用到物理知识，例如我们上网利用光纤通信、打手机利用电磁波、照镜子利用光反射等。然而，物理学不是凭空想象的，而是以实验和测量为依据的，正如著名物理学家丁肇中教授所说：“实验是自然科学的基础。实验可以推翻理论，理论不可以推翻实验。”大学物理实验是高等学校理工科学生必修的一门重要基础课，它对培养大学生严谨的科学态度和工作作风、提高实验技能、加深对物理知识的理解起着十分重要的作用。其基本任务是让学生用实验的方法去发现问题、分析问题和解决问题，培养学生的实验能力和科学素质。本书是 2009 年由陈国杰、谢嘉宁、黄义清主编的大学物理实验和 2012 年由黄义清、李斌、周有平主编的大学物理实验教程的修订版，本书反映了近年来全国大学物理实验的改革趋势，是“大学物理实验”广东省精品课程、广东省高等学校物理实验教学示范中心建设成果。本书有如下特点：根据学生的认知和能力培养规律，建立了由基础性实验、综合与应用性实验、设计与研究性实验组成的结构体系；注重实验内容的新颖性、综合性和应用性，删除了一些与中学物理实验重叠或过时的实验项目，更新了光调制法测量光速实验，修改了声速测量、RLC 串联电路的稳态特性、分光计的调节及棱镜折射率的测定、光的等厚干涉、霍尔效应与应用、磁化曲线和磁滞回线测量等实验，并增加了白光 LED 特性测量、太阳能电池特性测量等一批综合性、设计性实验项目，自主开发了一批反映科研成果的提高型实验；实验原理叙述简练，突出物理思想；在介绍实验原理之前，增加了“预备问题”，让学生带着问题去预习实验和做实验，以提高教学质量；实验插图用专业软件绘制，清晰且美观；增加了诺贝尔物理学奖的介绍，以激发学生学习物理的兴趣。全书共 4 章，包含 37 个实验。第 1 章介绍误差、不确定度和数据处理的基本知识。第 2 章为基础性实验，包含 12 个实验，强调基本实验原理、基本实验技能、基本数据处理方法。第 3 章为综合与应用性实验，包含 17 个实验，着重培养学生的综合应用知识能力和综合实验技能。第 4 章为设计与研究性实验，包含 8 个实验，着重培养学生自主设计实验、进行科学研究和实验创新的能力。本书由黄义清、李斌、周有平任主编，由陈国杰、谢嘉宁、张潞英、李娜任副主编。由于本书编写时间仓促，书中难免出现错漏之处，恳请读者批评指正。编 者 V 目 录 绪论 1 第 1 章 误差、不确定度和数据处理的基本知识 4 第 1 节 测量与误差 4 第 2 节 测量不确定度和测量结果的报道 9 第 3 节 有效数字及其运算 15 第 4 节 常用数据处理方法 18 第 2 章 基础性实验 24 实验 1 基本测量 24 实验 2 示波器的原理与应用 29 实验 3 液体粘滞系数的测定 39 实验 4 刚体转动惯量的测定 43 实验 5 光杠杆法测金属丝的杨氏模量 48 实验 6 声速测量 52 实验 7 用非平衡直流电桥研究热电阻的温度特性 56 实验 8 用双臂电桥测低电阻 60 实验 9 RLC 串联电路的稳态特性 68 实验 10 分光计的调节及棱镜折射率的测定 72 实验 11 迈克尔逊干涉仪测光波波长 80 实验 12 光的等厚干涉 84 第 3 章 综合与应用性实验 89 实验 13 不同材料导热系数的测定 89 实验 14 温度传感与测量 92 实验 15 霍尔效应与应用 97 实验 16 用霍尔传感器测杨氏模量 102 实验 17 音频信号光纤传输技术 106 实验 18 磁化曲线和磁滞回线测量 113 实验 19 大功率白光 LED 特性测量 119 实验 20 太阳能电池特性的测量 123 实验 21 用非线性电路研究混沌现象 128 实验 22 光调制法测量光速 133 实验 23 双光栅测量微弱振动位移量 140 实验 24 偏振光的研究 145 实验 25 用分光计测光栅常数及角色散率 150 实验 26 激光全息照相 154 VI 实验 27 调制传递函数的测量与透镜像质评价 159 实验 28 光电效应与普朗克常数的测定 163 实验 29 电光调制 169 第 4 章 设计与研究性实验 176 实验 30 用单摆测量重力加速度 176 实验 31 电路元件伏安特性的研究 176 实验 32 电阻测量的设计 178 实验 33 电表的设计与校准 179 实验 34 全息光栅的制作 180 实验 35 水波多普勒效应的研究 183 实验 36 不规则面积的非接触测量 185 实验 37 基于计算机声卡的电机转速测量 187 附录 A 常用物理量表 189 附录 B 诺贝尔物理学奖与物理实验 196 绪 论 我们每个人无时无刻不用到物理知识，例如我们上网利用光纤通信、打手机利用电磁波、照镜子利用光反射等。因此，物理学是一门重要的基础科学，是现代技术的支柱。然而，物理学不是凭空想象的，而是以实验和测量结果为依据的，许多理论和规律都是以实验的新发现为依据被提出来而又被进一步实验所验证的，因此物理实验对物理学概念的形成、定律的建立和发展起着十分重要的作用，正如著名物理学家丁肇中教授所说：“实验可以推翻理论，理论不可以推翻实验。”1物理实验的目的与要求 高等学校物理实验课程的目的是通过实验课的预习、仪器使用、实验操作、现象观察、数据记录及处理、实验结果分析等环节，使学生掌握实验的基本知识和基本方法。通过实验使学生感知物理现象及其演变过程，加深对物理知识的理解，在实验技能技巧等方面受到系统而严格的训练；实验中出现的物理现象、异常结果和仪器故障有利于培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力；实验课严格的要求和规范的管理可以培养学生严谨的科学态度和工作作风。物理实验是学生进入大学后最早接触的实验课程，因此对学生专业素质的培养起着重要的作用，也将为学习后续课程打下良好的基础。通过本课程的学习，应达到如下要求：掌握实验原理和实验方法；了解常用实验仪器的结构、工作原理，能熟练使用仪器，操作规范，读数正确；掌握误差的基本理论及实验结果的评价方法；掌握实验数据表格的设计和数据记录、处理方法，如作图法、逐差法、回归法等；具备科学研究的初步能力和科学素养。2物理实验的教学环节 物理实验的教学包括课前预习、实验操作和实验报告三个环节。（1）课前预习 预习是实验的基础，不预习做不好实验，边预习边实验也不科学。学生要发挥自己的主动性，不能依赖和满足于教师的一般性介绍。该环节要求如下：认真阅读教材，了解实验目的和要求，理解实验原理、实验方法和实验步骤，完成预习思考题。到实验室认识仪器，阅读仪器使用说明书，了解仪器的结构、工作原理、主要性能、使用方法和操作注意事项；练习仪器的调整、量程的选择、读数方法等。写出预习报告。预习报告应包括：I实验名称；II原理摘要（包括原理扼要说明、主要公式、电路图、光路图，不要照抄实验指导书）；III主要仪器设备；IV注意事项摘要；V列出数据记录表格，其中，要标明实验条件和实验参数，以及各物理量的符号、单位和数量级；VI回答预习思考题。大学物理实验教程（修订版）2（2）实验操作 实验操作环节是实验的主体，要求学生在教师指导下独立完成实验操作的全过程。该环节要求如下：对照实验图正确连接实验仪或实验装置，仪器摆设要合理，便于检查、操作和读数。仔细检查无误后才开始做实验。按仪器操作规程调整仪器，合理选择量程。细心操作，注意观察实验现象，认真记录测量数据，正确表示测量值的有效数字和单位。要注意思考分析，看是否有异常现象或数据，如有应及时找出原因并加以解决。记录实验条件和仪器的主要参数、型号、编号，以及实验组别。如实记录实验中遇到的问题、故障及可疑现象。要科学分析实验数据和结果。实验数据与标准数据有所差别，不能笼统地说实验结果不好。因为任何实验结果都是有误差的，问题是误差有多大？是否合理？如果误差在允许范围内，那就正常。如果误差太大，就要分析产生误差的原因，首先要检查自己操作和读数是否正确？实验条件是否满足？其次检查仪器和装置是否工作正常？千万不要拼凑数据。（3）实验报告 实验报告是实验工作的总结，是实验课的重要组成部分。实验报告一般包括以下几个部分。实验名称。实验原理摘要。扼要地叙述实验的物理思想和实验方法，计算公式及成立条件，画出实验原理图。数据记录及处理。合理设计数据表格，填入有关原始数据，进行数据整理和计算，绘制图线，计算及分析误差，求出实验结果，要特别注意有效数字和单位的正确表达。讨论。讨论是实验的升华，它包括实验是否达到实验目的和要求？实验中观察到哪些物理现象？怎样解释这些现象？实验误差的主要原因及对实验结果的影响如何？等等。体会。包括通过实验取得了哪些收获？对实验过程及结果的评价如何？对实验方法或实验装置有哪些改进建议？等等。实验课是学生在教师指导下充分发挥能动性的学习过程，因此必须强调学习的自觉性和主动性，要将教师的要求变成自己的追求。实验前要认真预习，思考如何做好这个实验，应该注意哪些问题；实验后要对实验进行总结和评价。在整个实验过程中一定要既动手又动脑，这样才能提高实验能力，培养科学素质。3用 MATLAB、Excel、曲线专家（Curve Expert）等软件处理实验数据 数据处理是物理实验的组成部分和重要环节。在基础物理实验中，通常采用手工方法（如列表法、作图法、逐差法等）来处理数据和误差，这对于掌握误差理论和培养严谨的科学精神是必要的。由于物理实验的数据多、计算公式多，在设计性和研究性物理实验中，用手工方法来处理实验数据不仅烦琐、效率低，而且容易引入人为误差，难以准确绘制流畅、美观的图线。MATLAB 是20 世纪80 年代美国Mathworks 公司推出的一种工程计算语言，集矩阵运算、数值分析、信号处理和图形显示于一体，其丰富的库函数和各种工具箱使之简单易学，已成为许多高等学校本科生和研究生必须掌握的工具软件。在设计性和研究性物理实验中，用MATLAB 软件处理实验数据简单、快捷、美观，是值得鼓励和有益的。有关 MATL