实验课程

《物理实验Ⅰ》教学大纲

课程编号：PY006003

课程名称：物理实验Ⅰ                            英文名称：Physics Experiments（Ⅰ）

学分/学时：1/27                                    课程性质：必修

适用专业：本科理工科各专业                  建议开设学期：第二学期

先修课程：大学物理                               开课单位：物理学院

一、课程的教学目标与任务

物理实验是学生进行科学实验基本训练而独立开设的一门必修课，是学生进入大学后接受系统实验技术训练的开端。它的任务不仅是验证物理理论，加深对物理现象和规律的认识，更重要的是培养学生的实验知识、实验方法和实验技能，提高学生从事科学实验的能力与素质。

二、课程具体内容及基本要求

1．通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。

2．培养与提高学生的科学实验能力。其中包括：

(1)能够通过阅读实验教材，作好实验前的准备工作；

(2)能够借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；

(3)能够运用物理学理论对实验现象进行初步分析判断；

(4)能够正确记录和处理实验数据，撰写合格的实验报告。

3．培养学生的科学实验素养。要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神，遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。

4．逐步学会观察实验现象、分析实验结果和排除一般性实验故障的能力。

本课程计划学时为27学时，本期实验开出前讲授一次绪论课，3学时。主要介绍物理实验的开课模式和流程，物理实验中涉及到的测量、误差、不确定度、有效数字的概念和计算以及数据处理的方法。本学期实验内容主要是基础性物理实验，学生均采取上网预约式选课方式。开设的实验如下：

实验1 电表的改装与校准实验

实验内容：

了解微安表头的结构和工作原理

学习仪表电气符号的含义

学习并掌握替代法在内阻测量中的特点和应用。

掌握将表头扩充量程并改装成电流表、电压表及欧姆表的方法。

要求掌握的知识点：

该实验包含了大学物理中稳恒电流、电磁学等知识点；

测量电路的双连线方法和技巧；

替代法在测量电路元件内阻的优势；

采用了滑动变阻器和限流电阻对电路精密器件双重保护的设计思路。

作图法数据处理方法的使用。

实验2 声速的测量实验

实验内容：

了解换能器的原理及工作方式。

掌握简谐振动的定义以及振动合成的基本规律，加强对驻波理论的理解。

学习使用示波器和信号源，掌握谐振频率的选择原则。

掌握用共振干涉法和相位比较法测量超声波在空气、水中的传播速度。

掌握用逐差法进行数据处理并计算相对误差。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中传感器、机械振动、振动合成等知识点；

（2）测量中体现了压电换能器利用压电效应和逆压电效应实现声波和电信号之间相互转换的设计理念；

（3）体现了通过声驻波的相邻波节来测量波长的测量方法；

（4）体现了通过行波的相位周期变化来测量波长的测量方法；

（5）隔项逐差法数据处理方法的使用。

实验3 灵敏电流计特性的研究

实验内容：

（1）了解灵敏电流计的结构和工作原理

（2）学习仪表电气符号的含义

（3）学习判断电流计线圈振动的三种阻尼状态，测量灵敏电流计的外临界电阻

（4）使用定偏法测量灵敏电流计的内阻和电流常数

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中机械振动、刚体力学、电磁学等知识点；

（2）测量中包含了电路的三回路连线方法和技巧；

（3）体现了精密测量中常用的光杠杆放大测量原理；

（4）体现了悬挂法减小阻力误差的精妙思想以及四段电阻的设计理念；

（5）采用二级分压法保障实验过程安全的思想。

（6）作图法数据处理方法的使用

实验4 电子元件伏安特性的测量实验

实验内容：

（1）学习测量线性电阻、非线性电阻及二极管元件的伏安特性的方法，并绘制其特性曲线。

（2）掌握运用伏安法判定电阻元件类型的方法。

（3）学习使用三位半数字万用表测量电压、电流，掌握其测量精度。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中半导体、PN结等知识点。

（2）测量中包含了电路内接法和外接法的选择。

（3）了解数字万用表的结构和性能。

（4）采用固定电阻为限流电阻，保护电子元件。

（5）作图法数据处理方法的使用

实验5 简谐振动的合成实验

实验内容：

（1）掌握振动方法的表达与物理意义

（2）掌握同频同向的运动合成以及李萨茹图的形成

（3）掌握信号源与示波器的实验方法

（4）掌握用信号源的电压量模拟振子的位移的实验方法

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中机械振动、简谐振动、运动合成等知识点；

（2）运动合成与李萨茹图的物理意义；

（3）掌握利用李萨茹图测量信号的相位、频率、幅度的方法；

实验6 静电场描绘实验

实验内容：

（1）学会用模拟法测量和研究二维静电场

（2）加深对电场强度和电场线、电位等概念的理解

（3）描绘同轴电缆和平行线电极的稳恒电流场的分布曲线及场量的分布特点

要求掌握的知识点：

(1)大学物理中静电场、稳恒电流场、电场强度、电势、等势面、电场线等知识点；

(2)实验中通过先分析电场分布的对称性，合理选择电极系的剖面模型，形象的模拟二维电场；

(3)实验中可描绘平行电极静电场，观察“同行相吸”，描绘尖端电极。观察“尖端放电”，描绘聚焦电极，观察“边缘效应”。

(4)作图法数据处理方法的使用。

实验7 单缝衍射光强分布实验

实验内容：

（1）通过实验深刻理解光的衍射理论。

（2）掌握利用光具座设计、调节、观察、测量单缝衍射条纹及数据记录、处理方法。

（3）学习以光具座为系统的设计、调节、光路搭建技能。

（4）拓展研究单缝衍射在材料应变、高分子材料表面特征、纤维合成等领域的精密测量应用。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中光的波动性、光的衍射、光电转换等知识点；

（2）测量中包含了光路调节中常用的同轴、等高的调节方法和技巧；

（3）采用光电管对衍射条纹光强分布均匀取样的测量原理；

（4）体现了利用光衍射原理测量微小物体精细结构的设计理念；

（5）数据处理方法作图法的使用

实验8 薄透镜焦距测量实验

实验内容：

（1）了解薄凸透镜和薄凹透镜成像规律；

（2）学习光路调节同轴等高的基本方法；

（3）学习判断成像清晰程度的方法；

（4）掌握自准法、物像法、共轭法测量焦距。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了几何光学、成像规律等知识点；

（2）测量中包含光路调节同轴等高、自准法、物像法、共轭法成像规律；

（3）通过实验观察思考几种测量焦距方法的优劣点。

（4）数据处理中包含剔除坏值、计算不确定度、测量结果标准表示等知识点。

实验9 利用牛顿环测平凸透镜曲率半径实验

实验内容：

（1）了解并掌握测量显微镜的正确使用方法

（2）观察牛顿环等厚干涉条纹，加深对光的等厚干涉原理的理解

（3）学习用牛顿环测量透镜曲率半径的方法

要求掌握的知识点：

（1）波动光学、几何光学、以及光学精密机械仪器和长度测量等知识点

（2）利用光波动理论的等厚干涉现象测量宏观微小几何量

（3）测量显微镜的正确使用

（4）显微镜十字叉丝横轴方位调节

（5）牛顿环清晰度的优化

实验10 三棱镜顶角的测量实验

实验内容：

（1）了解分光计的结构和工作原理；

（2）学习分光计的读数方法；

（3）学习分光计测量三棱镜顶角的原理；

（4）使用分光计测量三棱镜顶角的方法。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中望远镜成像、几何光学等知识点；

（2）分光计的调节，尤其是目测粗调：使望远镜和平行光管对直，并都对准分光计中心轴；将载物台、望远镜和平行光管大致调水平；

（3）游标读取角度的读数方法；

（4）直接测量物理量数据处理方法的使用。

实验11 三线摆测量刚体转动惯量实验

实验内容：

（1）了解三线摆的结构和工作原理。

（2）学习掌握对长度和时间的较精确的测量。

（3）学习用三线摆法测定物体的转动惯量。

（4）通过实验深刻理解刚体转动惯量，刚体转动定律等内容。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中机械振动、刚体力学等知识点；

（2）转动惯量测量转换为长度和时间的测量。

（3）作图法数据处理方法的使用

实验12 扭摆法测量钢丝切变模量实验

实验内容：

（1）学习利用扭摆法测钢丝的切变模量；

（2）学习理解数据记录处理中的有效数字概念；

（3）掌握各种测量工具的正确使用方法

（4）学会误差分析（不确定度的计算）方法以及结果的正确表达

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中材料力学、刚体力学、机械振动（简谐振动）等知识点；

（2）测量中包含了多次测量降低测量误差的放大法测量思想；

（3）体现了测量中常用的间接测量方法；

（4）体现了遮挡光路形成计数触发脉冲的设计理念；

（5）采用光电门和计数器实现周期数和转动时间自动测量的思想。

（6）误差分析中间接测量不确定度的计算方法的使用；

三、教学安排及方式

总学时27学时，其中：讲授3学时，实验24学时，上机0学时，实践0学时，线上0学时。

序号	课程内容	学时	教学方式
1	绪论	3	讲授
2	12个实验任选8个，每个实验3学时	24	实验
3
…

注：教学方式填写“讲授、实验或实践、上机、综合练习、多种形式”。

四、考核及成绩评定方式

该课程为考查课，没有期中考试和期末笔试环节，成绩主要由学生的预习（预习报告）、课堂操作和撰写实验报告三部分组成，每完成一个实验对应就有一个实验成绩（百分制），9个成绩平均即作为最终实验成绩。

五、教材及参考书目

教材：

《大学物理实验》，2022年9月第1版，吴兴林等主编，西安电子科技大学出版社。

参考书目：

1、《大学物理学》，吴百诗主编，西安交通大学出版社。

2、《大学物理学》，马文蔚主编，高等教育出版社。

3、《普通物理学》，程守株主编，高等教育出版社。

4、《大学物理》，张三慧主编，高等教育出版社。

六、说明

（一）与相关课程的分工衔接

1、该课程应该比《大学物理1》晚一学期开设

2、学生应该具备高等数学微积分的基本知识，以及概率论和数理统计的基本概念，具备基本的电路知识。

（二）其他说明

无

（执笔人：吴兴林 审核人：李平舟）

2023年6月15日

《物理实验Ⅱ》课程教学大纲

课程编号：PY006004

课程名称：物理实验Ⅱ 英文名称：Physics Experiments（Ⅱ）

学分/学时：1/27 课程性质：必修

适用专业：本科工科各专业 建议开设学期：第三学期

先修课程：大学物理 开课单位：物理学院

一、课程教学目标及任务

物理实验是学生进行科学实验基本训练而独立开设的一门必修课，是学生进入大学后接受系统实验技术训练的开端。它的任务不仅是验证物理理论，加深对物理现象和规律的认识，更重要的是培养学生的实验知识、实验方法和实验技能，提高学生从事科学实验的能力与素质。具体的目标和任务如下：

1．通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。

2．培养与提高学生的科学实验能力。其中包括：

(1)能够通过阅读实验教材，作好实验前的准备工作；

(2)能够借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；

(3)能够运用物理学理论对实验现象进行初步分析判断；

(4)能够正确记录和处理实验数据，撰写合格的实验报告。

3．培养学生的科学实验素养。要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神，遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。

4．逐步学会观察实验现象、分析实验结果和排除一般性实验故障的能力。

二、课程教学内容及基本要求

本课程计划学时为27学时，本期内容是主要是设计性物理实验。学生均采取上网预约式选课方式。开出的实验如下：

实验1 电子的偏转特性测量实验

实验内容：

（1）了解示波管的结构和工作原理

（2）学习仪表电气符号的含义

（3）学习并了解示波管中电子束的产生、电聚焦和磁聚焦原理。

（4）掌握电子束电偏转和磁偏转灵敏度的测量方法。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了牛顿运动学、静电场、稳恒磁场等知识点；

（2）实验操作包含了示波管的电子束产生、电聚焦、磁导引、电偏转和磁偏转等多项操作。

（3）体现了真空电子管作为显示器件的工作原理；

（4）作图法数据处理方法的使用

实验2 冲击法测量螺线管磁场实验

实验内容：

（1）了解光电式冲击电流计的结构和光杠杆放大原理

（2）学习磁场的测量方法以及螺线管的磁场分布理论

（3）使用冲击电流计实现定标，测量螺线管的磁场分布

（4）拓展学习利用冲击电流计测量高电阻、电容和电感等方面的应用

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中机械振动、刚体力学、电磁学等知识点；

（2）精密测量中常用的光杠杆放大测量原理；

（3）悬挂法减小阻力误差的精妙思想；

（4）仪器设计制作中定标的思想

（5）用感应法测量恒定磁场的方法。

实验3 低电阻的测量实验

实验内容：

（1）学习低电阻的测量方法。

（2）了解四端引线法的意义及双臂电桥的结构。

（3）学习使用双臂电桥测量低电阻，学习测量导体的电阻率。

要求掌握的知识点：

(1)该实验包含了大学物理中恒定电流、基尔霍夫定律和电阻率等知识。

(2)测量中包含了四端引线法消除接线电阻和接触电阻。

(3)惠斯登电桥的测量原理。

(4)双臂电桥的测量原理。

(5)采用正向和反向接通换向开关，两次调节电桥平衡取平均值，减小接触电阻和热电势对测量的影响。

(6)螺旋测微器的使用。

(7)不确定度的计算。

实验4 霍尔效应实验

实验内容：

（1）了解霍尔片的结构和工作原理

（2）掌握电位差计的结构与测量原理

（3）熟练掌握用电位差计测量霍尔电压

（4）学习判断半导体导电类型

要求掌握的知识点：

(1)该实验包含了大学物理中洛伦兹力、静电场力、半导体导电类型等知识点；

(2)电位差计刻度与待测电压直接逐步逼近的调节技巧；

(3)体现了精密测量中常用的电压补偿法测电压的原理与方法；

(4)作图法数据处理方法的使用

实验5 冲击电流计测电容和高阻测量实验

实验内容：

(1)了解冲击电流计的结构和工作原理，掌握冲击电流计的使用方法。

(2)比较法测量电容。

(3)掌握RC放电法测量高阻的原理。

(4)学习用作图法和最小二乘法处理数据。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了电量与电流、电压、电容、电阻等物理量的关系，及其相互转换测量的方法；

（2）掌握冲击电流计的工作原理，并学会用冲击电流计测量电量迁移、静电电量等，进一步间接测量相关的物理量如电容，高阻，磁感应强度等；

（3）实验中RC冲放电过程的测量中，标准量及待测量数值选取变化，则测量数据间隔及时间长短会随之变化，则相应的曲线改直中数据处理方法变化，实验中可锻炼学生的应变能力；

（4）作图法数据处理方法的使用

实验6 迈克尔逊干涉仪实验

实验内容：

（1）通过实验深刻理解光的干涉理论。

（2）掌握利用迈克尔逊干涉仪设计、调节、观察、测量光波波长及数据记录、处理方法。

（3）学习迈克尔逊干涉仪系统的机械、光学设计技巧。

（4）拓展研究迈克尔逊干涉仪在光纤传感器、光谱仪设计中的应用。

要求掌握的知识点：

（1）大学物理中光的波动性、光的干涉、蜗轮蜗杆传动系统原理等知识点；

（2）分振幅获得相干光实现干涉，且两路相干光垂直方向的设计便于改变光程差的精巧设计理念；

（3）迈克尔逊干涉仪的调节方法和技巧；

（4）实实验数据有效数字位数和仪器精度的关系，不确定度的计算方法。

实验7 光的偏振特性测量实验

实验内容：

（1）了解光的偏振的基本规律；

（2）学习产生和检验偏振光的基本方法；

（3）学习光学系统调节过程中共轴等高的调节技巧和各种微调光学仪器的使用方法；

（4）熟悉马吕斯定律的验证方法。

要求掌握的知识点：

（1）大学物理中简谐振动合成与分解、光的偏振等知识点；

（2）大学物理中马吕斯定律的理解及验证；

（3）利用光功率代替光强分布，光功率计的调节应用；

（4）四分之一波片产生圆与椭圆偏振光的方式方法；

（5）作图法数据处理方法的使用。

实验8 劈尖干涉实验

实验内容：

（1）了解并掌握测量显微镜的正确使用方法。

（2）学习等厚干涉原理，观察劈尖干涉条纹。

（3）学习用劈尖干涉测量微小厚度。

要求掌握的知识点：

（1）波动光学、几何光学、以及光学精密机械仪器和长度测量等知识点

（2）测量显微镜的正确使用

（3）劈尖干涉条纹清晰度的优化

（4）光学工件表面质量（平整度等）的检测方法

实验9 理想气体状态方程实验

实验内容：

（1）了解并掌握理想气体状态方程实验装置正确使用方法

（2）验证波义尔-马略特定律和查理定律。

（3）学习温度传感器和气压传感器的使用。

（4）利用理想气体状态方程实验估算一定气体的物质的量。

要求掌握的知识点：

（1）热力学、传感器应用、半导体应用以及电子类器件等知识点

（2）常温常压下空气可以作为理想气体， 并以此验证了波义尔马略特定律和查理定律。

（3）玻璃管的气密性检查方法

（4）如何验证玻璃管气体和环境气体压强相同

实验10 光栅衍射实验

实验内容：

（1）了解分光计的结构和工作原理；

（2）学习分光计的读数方法；

（3）学习光栅常数及波长的计算原理；

（4）使用分光计测量光栅光谱位置的方法。

要求掌握的知识点：

（1）该实验包含了大学物理中望远镜成像、波动光学等知识点；

（2）游标读取角度的读数方法；

（3）间接测量物理量数据处理方法的使用。

实验11 复摆法测量重力加速度实验

实验内容：

(1)了解复摆的结构和工作原理。

(2)学习掌握对长度和时间的较精确的测量。

(3)学习用复摆法测定重力加速度。

(4)通过实验深刻理解刚体转动惯量，刚体转动定律等内容。

要求掌握的知识点：

(1)该实验包含了大学物理中机械振动、刚体力学等知识点；

(2)重力加速度测量转换为长度和时间的测量。

(3)复摆质心位置测量

(4)作图法数据处理方法的使用。

实验12 拉伸法测量钢丝杨氏弹性模量实验

实验内容：

(1)学会用拉伸法测量金属丝的杨氏模量

(2)掌握光杠杆法测量微小伸长量的原理

(3)掌握各种测量工具的正确使用方法

(4)学会用逐差法或最小二乘法处理实验数据

(5)学会不确定度的计算方法，结果的正确表达

要求掌握的知识点：

(1)物理学中的材料力学、光学成像、杠杆原理等知识点；

(2)测量中望远镜成像清晰的调焦方法；

(3)体现了精密测量中常用的光杠杆放大测量原理；

(4)体现了利用反射原理将光路由水平改换为竖直方向从而降低空间占用、以及将读数改由望远镜观察记录的设计理念；

(5)采用定位螺丝保障不超过拉力计最大拉力限制、确保设备安全的思想。

(6)逐差法或最小二乘法数据处理方法的使用。

三、教学安排及方式

总学时27 学时，其中：讲授 0 学时，实验 27 学时，上机 0 学时，实践 0 学时，线上0 学时。

序号	课程内容	学时	教学方式
1	12个实验任选9个，每个实验3学时	27	实验
2

注：教学方式包括面授和线上，其中面授包括：讲授、实验、上机、实践。

四、考核及成绩评定方式

由于该课程为考查课，因此没有期中和期末笔试环节，成绩主要由学生的预习（预习报告）、课堂操作和撰写实验报告三部分组成，每完成一个实验对应就有一个实验成绩（百分制），期末9个实验成绩平均作为最终成绩。

五、教材及参考书目

教材：

《大学物理实验》，2022年9月，第一版，吴兴林等主编，西安电子科技大学出版社。

参考书目：

1、《大学物理学》，吴百诗主编，西安交通大学出版社。

2、《大学物理学》，马文蔚主编，高等教育出版社。

3、《普通物理学》，程守株主编，高等教育出版社。

4、《大学物理》，张三慧主编，高等教育出版社。

六、说明

（一）与相关课程的分工衔接

1、该课程应该比《大学物理2》晚一学期开设。

2、学生应该具备高等数学微积分的基本知识，和概率论及数理统计的基本概念。

（二）其他说明

无

（执笔人：吴兴林 审核人：李平舟）

2022年月15日

使用教材：