专业基础课程补充教材 基础物理实验 本学期实验题目, 绪论 实验数据的处理.. 液氮比汽化热的测量,, 278 碰撞打靶. 用扭摆法测定物体转动惯量.. LR串联谐振电路, 直流电桥 圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场. 数字示波器的使用, 锑化铟磁阻传感器的特性测量, 二极管的伏安特性测量及应用.. 量子论实验一原子能量量子化的观察与测量 Ⅹ射线透视与NaCⅠ晶体结构分析 透镜焦距的测量. 牛顿环 光的衍射 计算机实测物理实验. 用计算机实测技术研究冷却规律, 用计算机实测技术研究声波和拍 复旦大学物理教学实验中心 http:/phvlab.fudan.edu.cn 2021年3 月
专业基础课程补充教材 基础物理实验 本学期实验题目..............................................1 绪 论......................................................2 实验数据的处理..............................................7 液氮比汽化热的测量.........................................18 碰撞打靶...................................................20 用扭摆法测定物体转动惯量...................................22 LCR 串联谐振电路 ...........................................25 直流电桥...................................................28 圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场.................................31 数字示波器的使用...........................................33 锑化铟磁阻传感器的特性测量.................................38 二极管的伏安特性测量及应用.................................41 量子论实验—原子能量量子化的观察与测量 .....................46 X 射线透视与 NaCl 晶体结构分析 ..............................50 透镜焦距的测量.............................................55 牛顿环.....................................................61 光的衍射...................................................68 计算机实测物理实验.........................................74 用计算机实测技术研究冷却规律...............................78 用计算机实测技术研究声波和拍...............................81 复旦大学物理教学实验中心 http://phylab.fudan.edu.cn 2021 年 3 月
本学期实验题目 恒隆物理楼201-207室 必做实验:液氮比汽化热的测量 选做实验:碰撞打靶 选做实验:用扭摆法测定物体转动惯量 恒隆物理楼213-19室 必做实验:LCR串联谐振电路 选做实验:直流电桥 选做实验:圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场 恒隆物理楼225-231室 必做实验:数字示波器的使用 选做实验:锑化铟磁阻传感器的特性测量 选做实验:二极管的伏安特性测量及应用 恒隆物理楼226-232室 必做实验:量子论实验——原子能量量子化的观察与测量 必做实验:Ⅹ射线透视与NaCl晶体结构分析 恒隆物理楼214-220室 必做实验:透镜焦距的测量 选做实验:牛顿环 选做实验:光的衍射 恒隆物理楼202208室 必做实验:计算机实测物理实验 选做实验:用计算机实测技术研究冷却规律 选做实验:用计算机实测技术研究声波和拍
1 本学期实验题目 恒隆物理楼 201-207 室 必做实验：液氮比汽化热的测量 选做实验：碰撞打靶 选做实验：用扭摆法测定物体转动惯量 恒隆物理楼 213-219 室 必做实验：LCR 串联谐振电路 选做实验：直流电桥 选做实验：圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场 恒隆物理楼 225-231 室 必做实验：数字示波器的使用 选做实验：锑化铟磁阻传感器的特性测量 选做实验：二极管的伏安特性测量及应用 恒隆物理楼 226-232 室 必做实验：量子论实验——原子能量量子化的观察与测量 必做实验：X 射线透视与 NaCl 晶体结构分析 恒隆物理楼 214-220 室 必做实验：透镜焦距的测量 选做实验：牛顿环 选做实验：光的衍射 恒隆物理楼 202-208 室 必做实验：计算机实测物理实验 选做实验：用计算机实测技术研究冷却规律 选做实验：用计算机实测技术研究声波和拍
绪论 第一节物理实验的重要性 物理学是一门实验科学,特别是普通物理,更与实验密不可分。在物理学的发展过程中,实验 是决定性的因素。发现新的物理现象,寻找物理规律,验证物理定律等等,都只能依靠实验。离开 了实验,物理理论就会苍白无力,就会成为“无源之水,无本之木”,不可能得到发展。 正是16世纪伟大的实验物理学家伽利略,用他出色的实验工作把古代对物理现象的一些观察和 研究引上了当代物理学的科学道路,使物理学发生了革命性的变化。力学中的许多基本定律,如自 由落体定律、惯性定律等,都是由伽利略通过实验发现和总结出来的。电磁学的硏究,也是从库仑 发明扭秤并用来测量电荷之间的作用力开始的 牛顿对理论和实验的关系阐述得很明白。他在1672年给奥尔登堡的信中说:“探求事物属性的 准确方法是从实验中把他们推导出来。考察我的理论的方法就在于考虑我所提出的实验是否确实证 明了这个理论;或者提出新的实验去验证这个理论。”事实上,牛顿提出过许多理论,其中,万有引 力定律被海王星的发现和哈雷彗星的准确观测等实践所证明;而他关于光的本性的学说却被杨氏干 涉实验和许多衍射实验所推翻 经典物理学的基本定律几乎全部是实验结果的总结与推广。在十九世纪以前,没有纯粹的理论 物理学家。所有物理学家,包括对物理理论的发展有重大贡献的牛顿、菲涅耳、麦克斯韦等,都亲 自从事实验工作。近代物理的发展则是从所谓“两朵乌云”和“三大发现”开始的。前者是指当时经典 物理学无法解释的两个实验结果,即黑体辐射实验和迈克耳孙一莫雷实验;后者是指在实验室中发 现了X光、放射性和电子。由于物理学的发展越来越深入、越来越复杂,而人的精力有限,才有了 以理论研究为主和以实验研究为主的分工,出现了“理论物理学家”。然而,即使理论物理学家也绝 对不能离开物理实验。爱因斯坦无疑是最著名的理论物理学家,而他获得诺贝尔奖是因为他正确解 释了光电效应的实验;他当初提出的相对论是以“光速不变”的假设为基础的,只是经过长期大量的 实验后,相对论才成为一个被人们普遍接受的理论。 总之,物理学的理论来源于物理实验又必须最终由物理实验来验证。因此,要从事物理学的研 究,必须掌握物理实验的基本功。正因为如此,我国物理学界的前辈们对物理实验都十分重视。创 办复旦大学物理系的王福山先生亲自从一个弹簧开始筹措实验仪器设备,为建立物理教学实验室倾 注了大量的心血;创办清华大学物理系的叶企孙先生对李政道这样优秀的学生,仍规定:“理论课可 以免上,只参加考试;但实验不能免,每个必做。” 物理实验不仅对于物理学的研究工作极其重要,对于物理学在其它学科的应用也十分重要。当 代物理学的发展已使我们的世界发生了惊人的改变,而这些改变正是物理学在各行各业中应用的结 果 电子物理、电子工程、光源工程、光科学信息工程等系科都显然是以物理学为基础的,当然有 大量物理学的应用;在材料科学中,各种材料的物性测试、许多新材料的发现(如C6、高温超导材 料等)和新材料制备方法的研究(如离子束注入、激光蒸发等),都离不开物理的应用;在化学中, 从光谱分析到量子化学、从放射性测量到激光分离同位素,也无不是物理的应用;在生物学的发展 史中,离不开各类显微镜(光学显微镜、电子显微镜、Ⅹ光显微镜、原子力显微镜)的贡献,近代 生命科学更离不开物理学,DNA的双螺旋结构就是美国遗传学家和英国物理学家共同建立并为Ⅹ光 衍射实验所证实的,而对DNA的操纵、切割、重组也都需要实验物理学家的帮助;在医学中,从X 光透视、B超诊断、CT诊断、核磁共振诊断到各种理疗手段,包括放射性治疗、激光治疗、γ刀等 等都是物理学的应用。物理学正在滲透到各个学科领域,而这种渗透无不与实验密切相关。显然
2 绪 论 第一节 物理实验的重要性 物理学是一门实验科学，特别是普通物理，更与实验密不可分。在物理学的发展过程中，实验 是决定性的因素。发现新的物理现象，寻找物理规律，验证物理定律等等，都只能依靠实验。离开 了实验，物理理论就会苍白无力，就会成为“无源之水，无本之木”，不可能得到发展。 正是 16 世纪伟大的实验物理学家伽利略，用他出色的实验工作把古代对物理现象的一些观察和 研究引上了当代物理学的科学道路，使物理学发生了革命性的变化。力学中的许多基本定律，如自 由落体定律、惯性定律等，都是由伽利略通过实验发现和总结出来的。电磁学的研究，也是从库仑 发明扭秤并用来测量电荷之间的作用力开始的。 牛顿对理论和实验的关系阐述得很明白。他在 1672 年给奥尔登堡的信中说：“探求事物属性的 准确方法是从实验中把他们推导出来。考察我的理论的方法就在于考虑我所提出的实验是否确实证 明了这个理论；或者提出新的实验去验证这个理论。”事实上，牛顿提出过许多理论，其中，万有引 力定律被海王星的发现和哈雷彗星的准确观测等实践所证明；而他关于光的本性的学说却被杨氏干 涉实验和许多衍射实验所推翻。 经典物理学的基本定律几乎全部是实验结果的总结与推广。在十九世纪以前，没有纯粹的理论 物理学家。所有物理学家，包括对物理理论的发展有重大贡献的牛顿、菲涅耳、麦克斯韦等，都亲 自从事实验工作。近代物理的发展则是从所谓“两朵乌云”和“三大发现”开始的。前者是指当时经典 物理学无法解释的两个实验结果，即黑体辐射实验和迈克耳孙－莫雷实验；后者是指在实验室中发 现了 X 光、放射性和电子。由于物理学的发展越来越深入、越来越复杂，而人的精力有限，才有了 以理论研究为主和以实验研究为主的分工，出现了“理论物理学家”。然而，即使理论物理学家也绝 对不能离开物理实验。爱因斯坦无疑是最著名的理论物理学家，而他获得诺贝尔奖是因为他正确解 释了光电效应的实验；他当初提出的相对论是以“光速不变”的假设为基础的，只是经过长期大量的 实验后，相对论才成为一个被人们普遍接受的理论。 总之，物理学的理论来源于物理实验又必须最终由物理实验来验证。因此，要从事物理学的研 究，必须掌握物理实验的基本功。正因为如此，我国物理学界的前辈们对物理实验都十分重视。创 办复旦大学物理系的王福山先生亲自从一个弹簧开始筹措实验仪器设备，为建立物理教学实验室倾 注了大量的心血；创办清华大学物理系的叶企孙先生对李政道这样优秀的学生，仍规定：“理论课可 以免上，只参加考试；但实验不能免，每个必做。” 物理实验不仅对于物理学的研究工作极其重要，对于物理学在其它学科的应用也十分重要。当 代物理学的发展已使我们的世界发生了惊人的改变，而这些改变正是物理学在各行各业中应用的结 果。 电子物理、电子工程、光源工程、光科学信息工程等系科都显然是以物理学为基础的，当然有 大量物理学的应用；在材料科学中，各种材料的物性测试、许多新材料的发现（如 C60、高温超导材 料等）和新材料制备方法的研究（如离子束注入、激光蒸发等），都离不开物理的应用；在化学中， 从光谱分析到量子化学、从放射性测量到激光分离同位素，也无不是物理的应用；在生物学的发展 史中，离不开各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X 光显微镜、原子力显微镜）的贡献，近代 生命科学更离不开物理学，DNA 的双螺旋结构就是美国遗传学家和英国物理学家共同建立并为 X 光 衍射实验所证实的，而对 DNA 的操纵、切割、重组也都需要实验物理学家的帮助；在医学中，从 X 光透视、B 超诊断、CT 诊断、核磁共振诊断到各种理疗手段，包括放射性治疗、激光治疗、γ 刀等 等都是物理学的应用。物理学正在渗透到各个学科领域，而这种渗透无不与实验密切相关。显然
实验正是从物理基础理论到其它学科广泛应用之间的桥梁。只有真正掌握了物理实验的基本功,才 能顺利地把物理原理应用到各其它学科而产生质的飞跃, 综上所述,要研究与发展物理学,要把物理理论应用到各行各业的实际中去,都必须重视物理 实验,学好物理实验 然而,对物理实验的重要性却往往被忽视。中国社会长期以来重理论轻实践的错误观念至今仍 有影响。杨振宁先生1982年在《光明日报》上发表“谈人才培养”的文章语重心长地指出:“象我这 样有了一点名气的人也有不好的影响。在国内有许多青年人都希望搞我这一行(指搞理论),但是, 象我这样的人,中国目前不是急需。要增加中国的社会生产力需要的是很多会动手的人。”另一位获 诺贝尔物理学奖的华裔实验物理学家丁肇中先生则说:“我是一个做实验的工程师。希望通过我的得 奖,能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现代科学技术。”据统计,1901年以来,实验物 理学家得诺贝尔奖的人数是理论物理学家人数的两倍;而近30年来,前者的人数超过后者的六倍以 上。由此可见,物理实验的重要性正在越来越明显的被认识到。我们必须摒弃旧观念,解放思想, 面对现实,摆正理论与实践的关系,才能真正造就高素质的有创新精神的一代新人,使我们中华民 族能真正昂首屹立于世界先进民族之林。 第二节物理实验课的要求 物理实验既然那么重要,怎样才能通过物理实验课教学使学生掌握物理实验的基本功,达到培 养高素质创新人才的目的呢?概括起来,应通过物理实验课程达到以下三个基本要求 在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能方面得到严格而系统的训练,这是做好物理实 验的基础 a.基本知识包括实验的原理、各类仪器的结构与工作机理、实验的误差分析与不确定度评定、 实验结果的表述方法、如何对实验结果进行分析与判断等 b.基本方法包括如何根据实验目的和要求确定实验的思路与方案、如何选择和正确使用仪器、 如何减少各类误差、如何采用一些特殊方法来获得通常难以获得的结果等 c.基本技能包括各种调节与测试技术(粗调、微调、准直、调零、读数、定标 ),真空 技术(真空获得、维持、测量、应用…),电工技术(识别元件、焊接、排除故障、安全用电…), 电子技术(微电流检测、弱信号放大 传感器技术(力传感器、位移传感器、温度传感器、磁 传感器、光传感器),金工技术(机械制图及基本的车工和钳工技术等)以及查阅文献的能力 自学能力、协作共事的能力、总结归纳能力、口头表达能力等。 这三种基本训练有时可能会比较枯燥,却是完全必要的,它体现了最基本的实际动手能力,因 而必须首先保证这一要求的实现。没有这种严格的基本训练,很难成为高素质的人才。 2.学习用实验方法硏宄物理现象、验证物理规律,加深对物理理论的理解和掌握,加强学生物 理建模思维的培养,并在实践中提高发现问题、分析问题和解决问题的能力 实验前,学生应明确该实验的物理模型及测量模型,了解在建立物理模型时用了哪些近似、假 设,并对实验结果做出预期。比如,根据物理模型算出预期值或者査询到公认值或经验值。实验中 学生对测得的数据要学会如何判断,比较实验结果与预期结果是否相符?相符的话,说明实验达到 了预期的目的:不符的话,要分析如何改进。是改进理论模型给出新的预期值,还是改进测量模型 再次实验获得新的测量结果。将新的预期值与实验结果(或原预期值与新的实验结果)进行比较, 直到两者相符为止。如图1所示,这样一个模型建立、检测、修正的过程可以很好的培养学生发现、 分析、解决问题的能力,也是将来从事科研工作所必备的技能
3 实验正是从物理基础理论到其它学科广泛应用之间的桥梁。只有真正掌握了物理实验的基本功，才 能顺利地把物理原理应用到各其它学科而产生质的飞跃。 综上所述，要研究与发展物理学，要把物理理论应用到各行各业的实际中去，都必须重视物理 实验，学好物理实验。 然而，对物理实验的重要性却往往被忽视。中国社会长期以来重理论轻实践的错误观念至今仍 有影响。杨振宁先生 1982 年在《光明日报》上发表“谈人才培养”的文章语重心长地指出：“象我这 样有了一点名气的人也有不好的影响。在国内有许多青年人都希望搞我这一行（指搞理论），但是， 象我这样的人，中国目前不是急需。要增加中国的社会生产力需要的是很多会动手的人。”另一位获 诺贝尔物理学奖的华裔实验物理学家丁肇中先生则说：“我是一个做实验的工程师。希望通过我的得 奖，能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现代科学技术。”据统计，1901 年以来，实验物 理学家得诺贝尔奖的人数是理论物理学家人数的两倍；而近 30 年来，前者的人数超过后者的六倍以 上。由此可见，物理实验的重要性正在越来越明显的被认识到。我们必须摒弃旧观念，解放思想， 面对现实，摆正理论与实践的关系，才能真正造就高素质的有创新精神的一代新人，使我们中华民 族能真正昂首屹立于世界先进民族之林。 第二节 物理实验课的要求 物理实验既然那么重要，怎样才能通过物理实验课教学使学生掌握物理实验的基本功，达到培 养高素质创新人才的目的呢？概括起来，应通过物理实验课程达到以下三个基本要求： 1．在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能方面得到严格而系统的训练，这是做好物理实 验的基础。 a. 基本知识包括实验的原理、各类仪器的结构与工作机理、实验的误差分析与不确定度评定、 实验结果的表述方法、如何对实验结果进行分析与判断等。 b. 基本方法包括如何根据实验目的和要求确定实验的思路与方案、如何选择和正确使用仪器、 如何减少各类误差、如何采用一些特殊方法来获得通常难以获得的结果等。 c. 基本技能包括各种调节与测试技术（粗调、微调、准直、调零、读数、定标、……），真空 技术（真空获得、维持、测量、应用……），电工技术（识别元件、焊接、排除故障、安全用电……）， 电子技术（微电流检测、弱信号放大……），传感器技术（力传感器、位移传感器、温度传感器、磁 传感器、光传感器……），金工技术（机械制图及基本的车工和钳工技术等）以及查阅文献的能力、 自学能力、协作共事的能力、总结归纳能力、口头表达能力等。 这三种基本训练有时可能会比较枯燥，却是完全必要的，它体现了最基本的实际动手能力，因 而必须首先保证这一要求的实现。没有这种严格的基本训练，很难成为高素质的人才。 2．学习用实验方法研究物理现象、验证物理规律，加深对物理理论的理解和掌握，加强学生物 理建模思维的培养，并在实践中提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。 实验前，学生应明确该实验的物理模型及测量模型，了解在建立物理模型时用了哪些近似、假 设，并对实验结果做出预期。比如，根据物理模型算出预期值或者查询到公认值或经验值。实验中， 学生对测得的数据要学会如何判断，比较实验结果与预期结果是否相符？相符的话，说明实验达到 了预期的目的；不符的话，要分析如何改进。是改进理论模型给出新的预期值，还是改进测量模型， 再次实验获得新的测量结果。将新的预期值与实验结果（或原预期值与新的实验结果）进行比较， 直到两者相符为止。如图 1 所示，这样一个模型建立、检测、修正的过程可以很好的培养学生发现、 分析、解决问题的能力，也是将来从事科研工作所必备的技能
测量体系 物理系统 测量抽象 抽象 [ 原理,概念 跟定,假设 测量模型 物理模型 限定,假设 参数 处理数据得出实验结果 理论预期 比较二者是否相符 否 停止实验 提出改进建议 改进测量横型改进测量体系」改进物理系统改进物理模型 图1实验中物理建模的过程 在实验中往往会遇到一些意想不到的问题。这些问题虽然可能不是实验研究的主要对象,但也 不应轻易放过。这常常是提高分析问题、解决问题能力的好机会。要注意观察、及时记录、认真分 析,有必要时可以进行深入研究。实际上,科学史上不少重要发现都是在意想不到的情况下“偶然 出现的 3.养成实事求是的科学态度和积极创新的科学精神。 这是在整个教学过程中都要贯彻的要求,而在物理实验教学中是特别重要的。因为物理学研究 物”之“理”,就是从“实事”中去求“是”,所以严肃认真的物理学工作者都坚持“实践是检验真理的唯 一标准”。物理学中的“实践”主要就是物理实验,在物理实验课中最能培养实事求是、严谨踏实的科 学态度。任何弄虚作假,篡改甚至伪造数据的行为都是绝对不能允许的,也是比较容易发现的。在 物理实验课中,严格规定了记录数据不准用铅笔,不能用涂改液,误记或错记数据的更改要写明理 由并经指导教师认可等,都是为了帮助学生养成实事求是的良好习惯。实际上,实验结果是什么就 是什么,没有“好”、“坏”之分。与原来预想不一致的实验结果不仅不应随便舍弃,还应特别重视: 它可能是某个新发现的开端。历史上许多新的物理理论都是由于旧理论无法解释某些实验现象而建 立起来的。因此,实事求是的严谨态度与积极创新的科学作风是相联系的。在严谨的实验中才能发 现真正的问题,而解决这些问题往往就需要坚韧不拔的毅力和积极创新的思维。实际上,只要认真 去做实验,一定会发现许多问题,其中有些问题是教师也未必已经解决的。所以,实验室应当而且 可以成为培养学生求实态度和创新精神的最好场所。 第三节如何进行物理实验 预习 预习是上好实验课的基础和前提。没有预习,或许可以听好一堂理论课,但不可能完成好一堂 实验课。预习的基本要求是仔细阅读教材,了解实验的目的和要求及所用到的原理、方法和仪器设 备。一些实验有供预习的视频,学生可以在实验中心网站相应的实验页面找到链接。由于视频的更 新需要时间,并不是每个视频内容都与目前的实验要求完全一样,学生还可以在每周二实验室开放 的时间去实验室看一下实验的仪器设备状况。有些实验还需要翻阅参考书或査阅文献。通过预习, 应对将做的实验有一个初步的大致了解,写好预习报告(包括实验目的、完成实验前应回答的问题 步骤、电路或光路图及数据表格等)。有些实验不要求另写正式报告的,预习报告就是正式报告了
4 在实验中往往会遇到一些意想不到的问题。这些问题虽然可能不是实验研究的主要对象，但也 不应轻易放过。这常常是提高分析问题、解决问题能力的好机会。要注意观察、及时记录、认真分 析，有必要时可以进行深入研究。实际上，科学史上不少重要发现都是在意想不到的情况下“偶然” 出现的。 3．养成实事求是的科学态度和积极创新的科学精神。 这是在整个教学过程中都要贯彻的要求，而在物理实验教学中是特别重要的。因为物理学研究 “物”之“理”，就是从“实事”中去求“是”，所以严肃认真的物理学工作者都坚持“实践是检验真理的唯 一标准”。物理学中的“实践”主要就是物理实验，在物理实验课中最能培养实事求是、严谨踏实的科 学态度。任何弄虚作假，篡改甚至伪造数据的行为都是绝对不能允许的，也是比较容易发现的。在 物理实验课中，严格规定了记录数据不准用铅笔，不能用涂改液，误记或错记数据的更改要写明理 由并经指导教师认可等，都是为了帮助学生养成实事求是的良好习惯。实际上，实验结果是什么就 是什么，没有“好”、“坏”之分。与原来预想不一致的实验结果不仅不应随便舍弃，还应特别重视： 它可能是某个新发现的开端。历史上许多新的物理理论都是由于旧理论无法解释某些实验现象而建 立起来的。因此，实事求是的严谨态度与积极创新的科学作风是相联系的。在严谨的实验中才能发 现真正的问题，而解决这些问题往往就需要坚韧不拔的毅力和积极创新的思维。实际上，只要认真 去做实验，一定会发现许多问题，其中有些问题是教师也未必已经解决的。所以，实验室应当而且 可以成为培养学生求实态度和创新精神的最好场所。 第三节 如何进行物理实验 一、预习 预习是上好实验课的基础和前提。没有预习，或许可以听好一堂理论课，但不可能完成好一堂 实验课。预习的基本要求是仔细阅读教材，了解实验的目的和要求及所用到的原理、方法和仪器设 备。一些实验有供预习的视频，学生可以在实验中心网站相应的实验页面找到链接。由于视频的更 新需要时间，并不是每个视频内容都与目前的实验要求完全一样，学生还可以在每周二实验室开放 的时间去实验室看一下实验的仪器设备状况。有些实验还需要翻阅参考书或查阅文献。通过预习， 应对将做的实验有一个初步的大致了解，写好预习报告（包括实验目的、完成实验前应回答的问题、 步骤、电路或光路图及数据表格等）。有些实验不要求另写正式报告的，预习报告就是正式报告了， 图 1 实验中物理建模的过程 1