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《物理实验》课程教学大纲

  课程名称:物理实验
  课程类别:公共基础实验
  适用专业(方向):理工科专业
  总学时数:48
  学  分:2
  编制部门:数理学院物理实验中心
  
  一、课程的性质与任务
  物理实验是对高等院校学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础实验课程,是学生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练开端,是培养和提高科学实验素质,重点突出实验设计思想、方法培养和实验创新意识训练的重要基础。
  物理学是一门实验科学。物理实验教学和物理理论教学具有同等重要的地位。它们既有深刻的内在联系和配合,又有各自的任务和作用。
  本课程内容在中学物理及实验的基础上,按照循序渐进的原则,学习物理实验思想原理及方法,得到科学实验素质的训练,从而初步掌握科学实验的主要过程与基本实验技巧和方法,尤其是实验创新思维能力的入门,为后续课程的学习和工作奠定良好的实验基础。本课程的具体任务是:
  1、通过对物理实验现象的观测,分析和对物理量的测量,学习物理实验思想,原理及方法,加深对物理实验设计创新思维理解。
  2、培养与提高学生科学实验基本素质,其中包括:
  (1) 能够通过阅读实验教材或资料(含网上资源),基本掌握实验原理及方法,为进行实验作准备。
  (2) 能够借助实验材料和仪器说明书,在老师指导下,正确使用常用仪器及辅助设备,完成各分层次的实验内容,尤其是对实验设计思想和实验方法的理解。
  (3) 能够融合实验原理、思想、方法及相关的物理理论知识对实验现象进行初步的分析判断,逐步学会提出问题、分析问题和解决问题的方法。
  (4) 能够正确记录和处理实验数据、绘制曲线,分析实验结果,撰写合格的实验报告。
  (5) 能够完成符合规范要求的设计性内容的实验。
  (6) 在老师指导下,能够查阅有关方面科技文献,用实验原理、方法、能够进行基础的具有研究性或创意性内容的实验,并写出相应研究型实验的论文。
  二、课程教学基本要求
  1.在教学中要适当地介绍一些物理实验史料和物理实验在工程技术及现代科学技术中的应用知识,对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论教育,以培养研究型学习能力是创新能力重要基础的这一主线,使学生了解研究型实验的重要性,明确物理实验课程的地位、作用和任务。
  2. 整个实验教学过程中,要教育学生养成良好的实验习惯,爱护公共财产,遵守安全制度,树立优良的学风。
  3. 要求学生基本掌握物理实验测量误差的基本知识,具有正确处理实验数据的基本能力。其中包括下列内容:测量误差的基本概念,直接测量和间接测量的误差估算,用不确定度方法对误差进行估算和评定;处理实验数据的一些重要方法,例如列表法、作图法和一元函数的最小二乘法等。
  在教学中要注意系统误差的分析,让学生了解系统误差消减方法。
  (a) 通过物理实验基本训练,要求学生做到:
  (1) 能够自行完成预习,进行实验和撰写报告等主要实验程序。
  (2) 能够调整常用实验装置,并基本掌握常用的操作技术。例如零位调整:水平、铅直调整;光路的共轴调整;消视差调节;逐次逼近调节;根据给定的电路图正确接线等。
  (3) 了解或基本掌握物理实验中常用的实验和测量方法。例如比较、放大、转换、模拟、补偿、平衡和干涉等方法。
  (4) 能够或掌握进行常用物理量的一般测量,例如长度、质量、时间、热量、温度、电流强度、电压、电阻、磁感应强度、折射率、能量、物性参数的测量等。
  (5) 了解或基本掌握常用仪器的性能,并学会使用方法。测量仪器、计时仪器、测温仪器、变阻器、电表、电桥、示波器、激光器、光纤和传感器,低频信号发生器、分光计、光谱仪、常用电源等。
  在进行以上各项基本训练的过程中,要重视对物理现象的观察和分析,尤其是用实验设计思想去引导学生敢于思维,敢于创新,解决实验中的问题。
  (b) 要开设一定数量及比例的基础性实验(50%),综合性实验(30%),设计性或研究型实验(20%)(根据专业特点,其比例可做适当调整)。
其中,
  基础性实验:主要为基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能的训练和基本测量方法与误差及数据处理理论与方法等,涉及到力、热、电、光、近代物理各个学科,为普及性实验。
  综合性实验:开设综合应用力、热、电、光、近代物理各领域的物理实验方法和技术的实验。并根据各专业的情况分层次开设涉及现代物理技术和方法的实验。
  设计性或研究型实验:为使学生进一步深入理解物理实验的设计思想和实验方法,了解物理实验技术应用,培养学生的创新思维和理论与实践相结合能力,激发学生主动学习的热情,开设学生自主设计的实验和组织若干个围绕基础物理实验课题的研究型实验。
  ①建议积极创建网络教学,以丰富教学资源,拓宽教学的时间和空间,提供学生自主学习的平台,师生交互的平台,以满足个性化的教育和全面培养学生的科学实验素质。
  ②加强实验室开放力度,开设预备性实验和提高性实验,满足各层次学生求知、探索和创新的欲望,侧重对学生创新精神与能力培养。建议物理实验课程学时数原则上不少于理论课时的1/2。
  三、实验项目、类型、教学内容与学时分配
  (一)预备实验项目
  1.教学内容
  游标卡尺和螺旋测微计的原理和使用;物理天平的使用方法;稳压电源、滑线变阻器、电阻箱、电流表、电压表、万用表等的使用;仪器布置和简单线路的连接方法;电路简单故障的诊断方法;列表记录和处理实验数据;直接测量和间接测量的实验结果表示方法;检流计的使用方法等。
  2.学时分配
  9学时(其中实验理论9学时;实验操作采用开放实验室教学形式,不占计划学时)。
  (二)基本实验项目
  1.教学内容
  光杠杆法测量微小变化量的原理;逐差法处理数据;误差均分原理;测量结果的不确定度评定;望远镜的结构及原理;图解法剔除粗差;测量仪器选择的理论依据,仪器、电路和测量条件的选择;伏安法测电阻的方法,电表内阻给测量带来的系统误差;用图线表示实验结果;晶体二极管的单向导电特性;惠斯登电桥及电桥灵敏度;电路连线和排除简单线路故障的技能;电位差计的设计思想、工作原理和结构特点;电位调平衡的技能;补偿法测电位差的原理;标准电池的结构性能;单踪示波器的结构和工作原理和基本使用方法;信号发生器的使用;模拟法描绘静电场的依据及方法;聚焦电场的结构;电子枪工作机制、示波管结构;电子束在电场中的运动规律;图解法验证理论公式的实验方法;霍耳效应;磁场测量的原理与方法;通电长螺线管内磁场的分布;电路连接综合技能;分光计构造;分光计调整与测量;最小偏向角的测量方法;测棱镜玻璃的折射率;等厚干涉现象及特点;干涉法测透镜的曲率半径、微小直径(或厚度);读数显微镜构造原理;钠光灯。
  2.学时分配
  30学时,常规教学形式(实验室不采用开放实验室的教学形式,占计划学时)。
  (三)选修实验项目
  a. 必选实验项目
  1.教学内容
  共振干涉法和相位比较法测量声速;电脑通用计数器;晶体管毫伏表的使用方法;双踪示波器的结构原理和使用方法;相位与相位差的观测设计;设计方案观察光的偏振现象;产生和检验偏振光的基本原理和方法;用示波器设计XY图示仪观二极管伏安特性等;设计用电桥测量微安表内阻和二极管正向伏安特性的实验方案;
  2.学时分配
  9学时(实验操作采用开放实验室教学形式,占计划学时9学时,开放时间不占计划学时)。
  b. 其它选修实验项目
  1.教学内容
  单摆;液体表面张力系数的测定;高压火花打点计时法;一般物体的密度测定;平均速度和瞬时速度;牛顿第二定律;动量守恒定律;简谐振动;刚体转动惯量的测量。
  液体比热容的测定;理想气体状态方程的研究;水的汽化热的测定;固体线膨胀系数的测定。
  旋光法测定糖溶液的浓度;光学表面的形状的光检法;光检法对头发丝直径测量的设计;色散现象;玻璃折射率的测量方法设计;汞灯光谱分布测量;液体折射率测量设计;观察光的偏振现象的实验方案设计;光杠杆应用设计;双缝干涉;光栅衍射;暗室技术;迈克耳逊干涉仪的调整与使用。
  密粒根油滴实验;夫兰克一赫兹实验;光电效应;电子比荷测量设计。
  铁磁材料的磁滞回线测量设计;信号叠加现象观测的实验方案设计;相互垂直振动合成现象观测的实验方案设计;用电子和场仪改做成简单的示波器的设计;电子束的磁偏转;地磁场测量设计;电真空实验;电子束在纵向磁场中的运动;欧姆表组装设计;电源的伏安特性及输出功率研究;直流电机;单相变压器; RLC电路;获取三次谐波的实验方案设计;功率的测量;三相异步电机及其起动设备;三相电度表,单相交流电动机,单相电度表;照明电路等。
  2.学时分配
  不占计划学时(实验操作采用全面开放实验室的教学形式,不占计划学时,注重分层次教学)。
  四、有关说明
  实验绪论计划9学时,基本实验13个实验项目计划39学时,计划总计48学时。预备实验与选修实验的开放实验教学不占计划学时,实验理论考试与实验操作考试和面试不占计划学时。
  1.预备实验是正式实验前开设的。物理实验课开始时,先用2~3周时间讲实验理论或绪论等,这期间,物理实验室将采用开放实验室的形式有次序地组织学生进行预备实验训练,让学生能熟悉、理解测量与数据记录等基本实验规范,学生要重点掌握基本仪器的使用方法,为后面正式实验打下基础。学生根据相关实验内容和知识准备,实验前充分自学相关内容,实验中要求掌握实验内容提出的各项要求。实验室开放期间,要求学生自觉遵守纪律,每次做实验要登记,听从老师的安排。这部分实验对写实验报告不作要求。
  2.基本实验要求学生按照物理实验课的基本要求完成各实验项目。做基本实验时采用常规教学方式进行,即不采用开放实验的教学形式。
  3.选修实验的在必修实验完成后的实验室开放期间进行的,实验内容有强化基本实验的内容,有基本实验的深入部分内容,有设计性实验和综合性实验等。重在拓宽学生的实验思路,重视提高学生的综合实验能力。这部分实验不占计划学时。
  五、教学参考书
  1.眭永兴 许雪芬主编.普通物理实验(第二版).南京:南京大学出版社,2004.
  2.刘智敏.测量统计标准及其在认可论证中的应用.北京:中国标准出版社,2001.
  3.辛益军.方差分析与实验设计.北京:中国财政经济出版社,2002.
  4.陆廷济等.物理实验教程.上海:同济大学出版社,2000.
  5.李平.大学物理实验教程.北京:机械工业出版社,2001.
  6.杨述武.普通物理实验(第一、二、三册)(第三版).北京:高等教育出版社,2000.