基础物理实验(物理实验教学示范中心系列教材)

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第一篇 绪论
　　第1章 基础物理实验课程的教学目的和要求
　　1.1 基础物理实验课程的定位
　　1.1.1 基础物理实验课程的定位和教学内容
　　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自然科学。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的各个方面，是其他自然科学和工程技术的基础。物理学本质上是一门实验科学，物理实验是物理学的基础。人们借助于一定的测量仪器，运用一定的测量方法，通过实验来探索各种物理量之间的数量关系，再运用推理的方法，发现变化规律，建立物理理论。新理论要不断接受科学和生产实践的检验，当发现新的观测结果与现有物理理论相矛盾时，人们就以新的观点重新审查原有的理论，根据实验结果界定原有理论的适用范围，并通过实验建立更加完善的理论和定律。在过去人类探索自然的漫长岁月中，物理学就是经过不断反复的“实践-理论-实践”的过程才发展到今天的水平。毫无疑义，物理学今后仍将经历元数次这样的“实践-理论-实践”的过程。所以，物理实验既是物理学发展的基础，又是研究物理学的基本手段。
　　基础物理实验（也称为普通物理实验、大学物理实验）涵盖了力学、热学、电磁学、光学和原子物理学的重要内容，与大学物理理论课程紧密结合，是许多理、工、农、医科学生在本科阶段最早接触的必修实验课之一。基础物理实验是学生从高中阶段的“应试学习”向本科阶段的“研究学习”过渡的重要课程，在培养学生的科学实验能力和科学素质，严谨的治学态度、辩证唯物主义的世界观、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较难替代的作用。
　　1.1.2 基础物理实验课程的教学要求
　　经过长期的发展和完善，实验物理已形成了自己独立的内容体系。学生通过实验物理课的学习，将学到很多物理理论课上不能学到的实验知识、方法和技能。物理实验的重要性使它成为一门独立开设的基础课，基础物理实验是实验物理系列课程中的第一门课程。学生通过独立完成一定数量的实验，学习物理实验的一般规律，掌握物理实验的基本知识、基本技能和基本方法。物理类专业的学生将通过基础物理实验的学习，为后续的近代物理实验和各种专业实验课程打下良好基础。由于以物理学为基础的现代测量方法已广泛应用于自然科学的各个领域，对于非物理类专业的学生来说，基础物理实验对于在他们各自的学习和研究领域中提高运用现代测量手段的能力无疑是十分重要的。为实现上述教学目的，基础物理实验课程的教学要求是：
　　（1）掌握测量误差和不确定度的基本知识和评估方法，包括直接测量和间接测量的误差以及不确定度的评估方法，能分析测量误差和不确定度的来源及大小并作出正确估计，对实验结果的可靠程度和存在问题作出判断，对提高实验结果可靠程度的可能途径提出建议。
　　（2）具有正确处理实验数据的基本能力，包括有效数字的运算法则、列表法、作图法、最小二乘法以及应用计算机通用软件处理实验数据的基本方法。
　　（3）掌握基本物理量的测量和控制方法及技术，如长度、质量、时间、温度、电流、电压、磁感应强度、发光强度、电子电荷、普朗克常量等常用物理量及物性参数的测控，并注意加强传感器技术、数字化测量技术和计算机技术在物理实验教学中的应用。
　　（4）掌握实验室常用仪器和设备的使用方法，学会正确装配、调整、标定和操作仪器和设备的一般规律，进而学会根据要求设计和制定简单的实验方案，选择仪器设备，进行实验，并能排除实验中出现的小故障。
　　（5）了解并逐步掌握常用的物理实验方法和实验操作技术，如比较法、转换法、放大法、模拟法、补偿法、平衡法、干涉法、衍射法以及近代科学研究和工程技术中广泛应用的其他方法。掌握零位调节、水平/铅直调节、光路的共轴调节、消视察调节、逐次逼近调节等实验调节方法。
　　（6）通过预习报告和正式实验报告的书写，了解科学文献的写作要求和图表的制作方法，学会用科学的语言描述实验目的、实验过程、实验现象和实验结果，为今后科学论文的写作打下基础。
　　1.2 基础物理实验课程的教学环节和要求
　　1.2.1 一个完整科学实验需经历的基本环节
　　一个完整的科学实验需要经历如下几个基本环节：①寻找并提出问题；②资料检索；③拟定实验方案；④模拟和仿真实验；⑤确定方案并组建实验系统；⑥实验操作，客观记录；⑦处理数据、表达结果；③撰写实验报告；⑨撰写论文。在实验过程中还可能会出现各种各样的问题而需要多次重复其中的某几个环节，直至论文发表。整个本科阶段的实验教学目的就是使学生在上述各环节得到全面良好的训练，切实提高学生的实践能力和创新精神。
　　作为主要向本科一、二年级学生开设的基础物理实验课程，教学重点在第5～8环节，并部分涉及第③和④环节，其他环节的教学应在高年级的其他实验课程中逐步完成。
　　1.2.2 物理教学实验的分类
　　1.力、热、电磁、光学等实验
　　按学科分支分类，物理实验可分为力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、原子核物理学实验等，这是实验传统的分类方法，也是目前欧美、中国香港等大部分地区采用的分类方法。这种分类方法使得实验课和理论课紧密结合，对加深对理论的理解有着积极的促进作用。但这种分类方法使得学生都是在学习了相关的理论知识后再去完成相关的实验内容，实验项目以验证性实验为主，容易使实验课成为理论课的附属。
　　2.演示、开放、课堂、科研训练型实验
　　按实验过程中教师和学生的参与程度分类，可分为演示实验、开放实验、课堂实验、科研训练型实验。
　　（1）演示实验：通常由任课教师在课堂上操作，数分钟内就可完成，并通过大量有趣的现象激发学生的学习兴趣学生只是观察现象，并不动手操作，有利于学生加深对理论的理解。
　　（2）开放实验：学生根据实验室提供的操作说明就可自己完成的实验，该类实验简单、安全，30min内即可完成，教师不需在现场指导。
　　（3）课堂实验：要求学生在限定时间内完成，通常为数小时，实验过程中有教师和助教全程指导。该类实验难度适中，适合大量学生的循环教学，是本科物理实验教学的主体
　　（4）科研训练型实验：以研究项目的形式开展，学生可一人或若干人组成一个团队完成实验，题目可由教师给定或学生自选，实验的时间往往持续若干星期、一个学期甚至更长。实验过程中，学生需要自行完成从查阅资料、拟定实验方案和步骤直至撰写实验报告的全部环节，此过程中教师定期或不定期地与学生进行讨论，给予指导。此类实验适合于学生根据个人的兴趣爱好、人生规划进行提高性的训练，也是教学实验和科研进行衔接的一座桥梁。
　　上述多种实验与生产实习有机结合，就可构成一个完整的本科实验教学体系。
　　3.验证性、设计性、研究性实验
　　按实验前是否知道实验的规律和理论分类，可分为验证性实验、设计性实验、研究性实验。
　　（1）验证性实验：若已知实验原理、规律和公式，确定实验条件和参数，并确定实验装置和方法步骤，只是通过实验的方法检验公式的正确性，进而检验实验结果与标准值的偏差，加深对理论的理解，此类实验称为验证性实验。
　　（2）设计性实验：若已知实验原理、规律和公式，但需要按要求自己确定实验条件和参数，并确定实验装置和方法步骤，完成实验并检验实验结果与要求之间的偏差，此类实验称为设计性实验。
　　（3）研究性实验：若实验原理、规律和公式未知，需要通过实验的方法探索物理量之间的变化关系，并找出函数关系，此类实验称为研究性实验。
　　以测量重力加速度的实验为例，如果要求采用单摆来测重力加速度，并给出计算公式，给定摆长和摆动次数，则实验是验证性实验；如果只给出测量精度，并要求学生根据测量精度采取适当方法确定摆长和摆动次数等实验参数，则实验是设计性实验；如果学生不知道计算公式，也不知道重力加速度的具体数值，只知道该实验中重力加速度、摆长、摆动周期三个物理量之间存在一定的函数关系，要求学生通过实验找出这一函数，写出公式，则实验是研究性实验。可见，任何一个实验，只要任课教师有目的性地设置一些要求，都可以开设成验证性、设计性或研究性的实验，教师在教学过程中应根据专业特点和教学需 物理学、材料物理学、微电子学、光信息科学等物理类专业和理、工、农、医科专业本科生，从事大学物理实验和基础物理实验教学的教育工作人员