《大学物理实验（上、下）》课程教学大纲

Experiment of Physics （Ⅰ、Ⅱ）

主撰：屈光辉              审核：施卫               批准：马德明

一、课程基本信息

二、课程性质与目的

本课程是学生进行科学试验、研究基本训练的必修课程，是一门独立的基础课程，是一系列后继科学实验研究训练的重要起点，它重在培养学生具有科学素养和初步掌握进行科学实验研究的能力，是一系列科学实验训练的重要基础。具体地说，使学生能够：

1、学习历史上一些著名的物理实验，了解它们产生的历史背景，学习这些大师的深刻的物理思想和精巧的实验构思，以诱发和培养学生的创造性工作的自信和能力。培养学生的探索精神，创新意识和工程素质，培养学生的职业道德，社会责任感和社会主义核心价值观。
  2、掌握基本量（力学量、电学量、光学量、热学量，……）的测量方法，掌握多学科的基本仪器和装置的知识和操作技能，学习掌握各种科学研究的方法（如模拟法，比较法，平衡法，……）。
 3、研究物质的各种运动形式掌握它们的实验观察和测量方法。了解和熟悉对国民经济有广泛影响的多种高新技术，了解这些先进仪器和设备的结构和原理，了解它们的用途和引用范围，具有使用这些技术的知识和经验。
  4、通过综合性、设计性实验使学生获得创新精神、开拓工作的基础训练，提高学生的创造性工作的信心和能力。

5、提高世界的物质性，物质世界的统一性和对立统一的转化观念；建立实践是第一性的观点。培养学生严谨、细致的工作作风；积极创新、坚韧不拔的科学精神；善于合作易于相处的基本品质。

6、掌握实验数据处理方法。

三、教学目标及其对毕业要求的支撑

（一）教学目标

（1）要求掌握物理实验基本原理、基本方法、基本仪器和基本技能。

（2）要求掌握实验数据的综合处理能力。

（3）培养学生严肃认真、细致踏实、一丝不苟，实事求是的科学态度，克服困难、坚韧不拔的工作作风，初步形成科学实验、研究的能力。

（二）教学目标对毕业要求的支撑矩阵

《大学物理实验》提供了多个学科最基本的实验知识、技能和科学方法。物理实验研究物质世界的基本特点、它们的产生和演化。它提供了世界的物质性、物质世界的对立统一和转化，以及实践是第一性的广泛例证和知识，对形成学生的现代的宇宙观，形成辩证唯物主义的世界观，培养学生的探索精神和创新精神，使学生掌握科学的方法论具有奠基作用。物理实验提供各种对科学研究和国民经济有重大影响的高新技术的知识和实践经验，使学生具有高而广的科技视野。具体对毕业要求指标点的支持体现在：

四、教学内容

（一）教学内容结构关系图

   

（二）具体教学内容

1.弹性模量的测定

（1）教学内容

利用弹性模量仪、游标卡尺、千分尺等测量钢丝的杨氏弹性模量，掌握拉伸法测定弹性模量的原理以及光杠杆测量微小长度的原理。学会使用米尺、游标卡尺、千分尺及电子天平，并掌握其原理。练习用逐差法处理实验数据和学习标尺望远镜的调节和使用。

（2）课程思政育人要素

在实践中教学中，教师可以从胡克的弹簧定律讲起，然后引入《诗经》中的：骍骍角弓，翩其反矣。它的意思为：张弓时它产生弯曲变形，驰弓时它向相反方向变性。这应该是关于弹性形变的最早的记载。说明我国早在春秋战国时期就有测试弓力的相关实验，比胡克定律早了两千多年。在课堂讲解中，除了理论知识，还加入中华文化元素，不仅可以让学生在浩瀚的知识海洋中领略中华文化的博大精深，还可以激发学生的学习兴趣，弘扬大国工匠精神，树立文化自信。

2.用电流场模拟静电场

（1）教学内容

利用模拟场模型、真空管电压表等仪器对静电场进行描绘，使学生了解模拟实验方法及其使用条件，加深对静电场以及描述静电场的基本物理量E、U之间关系的理解。学习电路连接和真空毫伏表的使用，测定同轴电缆，平行输电线，聚焦电极静电场。

（2）课程思政育人要素

模拟法是科研或工程技术中一种重要的实验研究方法，属于间接测量法。它是指不直接研究某物理现象或物理过程的本身，而是用与该物理现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法。在讲解模拟法时，简单提及科学家用实验模拟几十亿年前地球形成初期，成功地论证了高山、海洋的形成原因。在科研中遇到直接解决不了的问题，我们会想到间接方法处理。这样可以培养学生广开思路，培养学生间接解决问题的思维方式，提升学生解决实际问题的能力。

3.霍尔效应法测磁场

（1）教学内容

通过霍尔效应仪，UJ36a型直流电位差计，安培表等实验仪器的使用，了解霍尔效应原理，了解霍尔效应测磁场的方法，学会使用电位差计。要求学生利用霍尔效应法测定赫姆赫兹线圈磁场及其分布。

（2）课程思政育人要素

在实践教学中，从霍尔效应中的霍尔片是半导体材料引入，讲解半导体材料与现代电子工业的快速发展的关系。从日常生活中的手机，数码相机到计算机CPU，从通讯设备到智能化生活，这些电子设备只是电子工业的一小部分，这个工业基础就是半导体物理。从霍尔效应出发，介绍2013年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。引入这些例子，不仅可以提升学生对专业的认可度，还可以提升学生的民族自豪感，愿意投身到中华民族的伟大复兴这项任务中。

4.用惠斯登电桥测电阻

（1）教学内容

利用指针式检流计、箱式单臂电桥、金属电阻及热敏电阻等电子元件，连接测量电路，掌握平衡电桥和非平衡电桥测电阻的的原理和方法，进一步了解平衡电桥的测量误差及灵敏度。研究热敏电阻的温度特性，并了解电阻温度计的原理。学习用作图法处理实验数据。

5.电子和场实验

（1）教学内容

主要了解电子发射的基本规律，验证肖脱基效应。学习用理查森直线法处理数据。测定钨的逸出功。

6.电子示波器的原理及应用

（1）教学内容

了解电子示波器的基本结构和工作原理。学习使用示波器观察各种电信号的波形，学习测量电压信号的大小及频率。学习低频信号发生器的使用。

7.迈克尔逊干涉仪的调整与使用

（1）教学内容

学习使用迈克尔逊干涉仪，并利用He-Ne激光器、扩束镜等来掌握迈克尔逊干涉仪的原理、结构、使用方法。用迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光的波长。

（2）课程思政育人要素

在实践中教学中，通过迈克尔逊干涉实验对“以太漂移”的否定，以及对牛顿力学的时空观的强烈冲击，同时为爱因斯坦相对论提供实验依据。通过此实验过程，让学生在感受科学探究的过程中，认识到迈克尔逊独到的眼光，坚强的毅力，再加上科学的方法和手段是他取得成功的要素。通过物理学史可以拓展他们的思维，开阔他们的视野，使他们的实验素养和创新能力得到了培养。

8.等厚干涉

（1）教学内容

观察等候干涉实验现象，了解等候干涉的原理和特点，进一步了解牛顿环、劈尖干涉的原理。利用牛顿环测定透镜的曲率半径及用劈尖干涉测微小角度。正确使用读数显微镜，学习用逐差法处理数据。

9.用光栅测量光波波长

（1）教学内容

熟悉分光计的结构及各调节要求。学会使用分光计，并且观察透射式平面光栅的衍射现象。测量钠光光波波长。

（2）课程思政育人要素

在实践教学中，通过光的衍射现象的研究过程是以牛顿代表的微粒说和惠更斯代表的波动说的光的本质的争论，通过这一段物理学历史发展过程，说明物理学的发展是曲折的，进步的，也是很精彩的。在很多问题的研究中都彰显了格物穷理的精神，通过物理学发展过程的讲授，可以培养学生的探索精神和创新精神。

10.万用表设计

（1）教学内容

利用1000μA微安表，电阻，电池等电子元件，设计具有5mA电流表，5V电压表，欧姆表功能的万用表，并对所设计的电流表和电压表进行精度校验，对欧姆表进行表盘描绘。

11.光电效应

（1）教学内容

通过实验深刻理解爱因斯坦的光电子理论，了解光电效应的基本规律掌握光电管进行光电效应研究的方法。利用高压汞灯、滤色片、光电管、微电流放大器测量并绘制光电管伏安特性曲线，进一步测量普朗克常数。

（2）课程思政育人要素

在光电效应实验内容的讲解中，由于学生未接触量子力学，要引导学生对光的波粒二象性的理解。光既是波，也是粒子，他们之间可以相互转换。在本实验中，光表现出来的是“粒子性”，但“波动性”仍然存在，两者看似矛盾，实质上是统一的。通过这样的“对立统一”思想，可以培养学生站在哲学的高度，运用对立统一的思想辩证地去思考和解决问题的能力。

12.密立根油滴实验

（1）教学内容

利用OM99CCD微机密立根油滴仪测定电子的电荷值。从实验结果验证电荷的量子性。

13.夫兰克-赫兹实验

（1）教学内容

掌握夫兰克-赫兹管的结构及工作原理。通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能及的存在。分析温度、灯丝电流等因素对夫兰克-赫兹实验曲线的影响。了解计算机实时测控系统的一般原理和使用方法。

14.传感器综合实验

（1）教学内容

学习光纤传感器的原理，掌握用光纤传感器测量位移和转速的方法。学习半导体应变片的测试原理，掌握半导体应变片的应用方法。

15.计算机仿真实验

（1）教学内容

通过实验熟悉计算机仿真中常用到的通过实验熟悉计算机仿真中常用到的Matlab指令的使用方法，掌握常微分方程求解指令和模型表示及转换指令，为进一步从事有关仿真设计和研究工作打下基础。

16.导热系数测定

（1）教学内容

掌握稳态法测量不良导体热导率的基本原理。利用FD-TC-B型热导率测定仪学习物体散热速率求传导速率的实验方法。

17.铁磁性材料特性研究

（1）教学内容

掌握用示波器观察磁滞回线以及基本磁化曲线的测绘方法。利用磁滞回线测试仪、双踪示波器、居里点实验仪等初步了解铁磁性材料在居里温度点由铁磁性变为顺磁性，从而了解整个磁性材料参数变化的微观原理。观察磁滞现象，加深对铁磁材料主要物理量的理解。用感应法测定磁性材料的ε_eff(B)-T曲线，并求出其居里温度。

（2）课程思政育人要素

在实践教学中，在铁磁材料的讲解中，引入最新的科研热点：铁基超导体材料。新型超导材料是超导电工技术发展的基础，到目前为止，虽然科学家发现了上千种超导材料，但绝大部分材料只有在极低的温度或者极端条件下才能维持超导状态，不利于实用化研究。中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。他们虽然默默无闻，但所做的杰出贡献都在铁基超导体的研究中熠熠闪光。让学生明白在建设社会主义现代化强国的过程中，有很多人为此做出了和正在做出努力，正是由于他们在祖国建设中的付出和努力，才使得“科技强国”成为可能。通过讲述物理学家的爱国故事，坚定学生的理想信念和爱国情怀。

18.空气中声速的测定

（1）教学内容

了解超生振动的产生，超声波的发射、传播和接收。通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能。用共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速，并加深对共振、振动合成、波的干涉等理论知识的理解。进一步掌握示波器、低频信号发生器和数字频率计的使用。

（三）对毕业要求的支撑

物理实验提供了多个历史上著名实验通过这些实验的训练和熏陶，诱发、培养学生的创造性工作的能力和信心。

其教学目标（1）（2）（3）点能够支撑毕业要求“1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”，“4-1掌握坚实的应用物理学基础理论、较深入的应用物理专门知识、以及应用物理学的基本实验方法和技能”，“4-2能够基于物理学原理、物理机制机理等对复杂的科学及应用技术等问题进行研究，包括设计实验、分析与处理数据，并能对实验结果进行评价并得到合理有效的结论。具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文”；“5-3具备运用先进的仪器和设备发现物理规律和物理现象的能力，并能概括和总结，得到有效结论”。

 

五、教学方法

本实验课程为物理学专业学生进行科学实验进一步训练的一门必修课，与理论课具有同等重要的地位。主要实行教师课堂上讲解实验原理，由学生自己独立进行实验，老师对有问题的学生进行当堂指导。本课程旨在培养学生的科学实验素质。包括：自学教材，查阅资料，理解原理，独立进行实验并能完成实验。借助说明书及有关资料，正确使用一般量具及仪器。能使用量具及仪器正确测量常用物理量。能正确分析实验过程中的物理现象。能正确记录和处理实验数据，能写合格的实验报告。

六、考核及成绩评定

本课程的考核，根据平时成绩和操作考试成绩考核。平时成绩由实验预习、纪律、操作、报告综合评价。

成绩评定	评价环节	教学目标
平时成绩（40%）	预习、考勤、操作、报告	1，2，3，4, 5, 6。
报告及答辩成绩（60%）	操作考试	1，2， 6。

七、教学进程（详见授课日历）

八、教材及参考书

（1）施卫. 大学物理实验[M]. 机械工业, 2006.

九、执行大纲应注意的问题

1、实验教学中应注重理论知识、基本原理的讲授，注意精讲多练。

2、做好实验指导工作，重视学生实践能力的培养。要求学生亲自动手进行实验，并认真完成实验报告。

3、教学内容的顺序及其安排仅供参考，教师可根据情况作适当调