应用物理专业实验

Experiment of Applied Physics

主撰：刘如军  张 琴              审核：               批准：

一、课程基本信息

二、课程性质与目的

应用物理实验课是非常重要的课程。当学生系统地学习过普通物理实验和近代物理实验课之后，一般而言，已经掌握了基本实验方法和相关设备，懂得了如何处理数据，同时操作技能也得到一定的训练。但是，从人才全面培养的角度考虑，完成上述目标还不够，还需要对学生的创造性思维能力的进行培养。

应用物理专业实验的目的是在系统地完成普通物理实验和近代物理实验的基础上，以光电研究方向为指导，通过综合性、设计性物理实验来强化对学生创造性思维能力的培养，并为后序的毕业设计和科学研究打下坚实的基础。

三、教学目标及其对毕业要求的支撑

（一）教学目标

本课程是应用物理专业综合性设计性研究性实验。通过实验，使学生掌握现代物理基本的实验方法与技术以及现代高新技术。本门课程针对应用物理专业的特点，从近代物理主要领域中选取一些在物理学发展史上起过重要作用的著名实验，以及在实验方法与技术上有代表性的实验进行教学。在教学中，除注重对学生进行严格的实验素质训练之外，应着重培养学生用实验方法研究物理现象与规律，并注重与物理学有关历史的联系。因此，专业物理实验是培养学生“动手能力、适应新技术能力、创造性思维能力”的一门重要的综合课程。

教学目标具体要求如下：

（1）提高学生的职业素养，培养学生的工匠精神，不仅让学生思考专业课的知识，更深入思考作为一个“社会人”的责任与使命，培养有担当的时代精神。

（2）学习如何培养学生在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

（3）学习和掌握近代物理主要领域中的一些基本实验方法和技能。培养学生阅读参考资料、确定实验步骤、选用仪器、观察现象、独立操作、正确测量、处理数据以及分析与总结实验结果等方面的能力。

（4）学习用实验方法实现和研究物理现象与规律。了解实验物理学在物理学发展史上的作用，从而培养学生在方法检验理论的正确性，加深对物理概念和规律的理解。

（5）培养学生的创新意识、创造精神和坚韧不拔的工作作风。

（二）教学目标对毕业要求的支撑矩阵

四、教学内容

（一）教学内容结构关系图

   

（二）具体教学内容

1．光速测定（6学时）

（1）教学内容

本实验利用激光束通过声光移频器，获得具有较小频差的两束光，它们迭加则得到光拍;利用半透镜将这束光拍分成两路，测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差（当相位差为2π时光程差等于光拍的波长）和光拍的频率从而测得光速。掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法，并对声光效应有一初步了解。通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9起到很好的支撑作用

（3）课程思政育人要素

 通过光速测定三百多年的发展为线索，对光速发展中起到关键作用的实验进行一一梳理，使学生认识到，科学技术的每一点的进步都促使着物理学的发展。无论是微粒说与波动说争论的裁定, 还是狭义相对论的产生, 以至于长度单位“米”的定义, 都表达了科学家为追求真理，实事求是，不惧权威的科学精神。同时培养了学生探索未知、追求真理、乐于奉献，勇于创新的职业素养。

2．计算机采集衍射光强分布（6学时）

（1）教学内容

学习单缝,多缝,矩形和圆孔夫琅禾费衍射原理；学习用光传感器测量光强,用位移传感器测量位移的原理和方法；学习用计算机通过A/D转换测量光强分布的方法。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9起到很好的支撑作用

3．纳米材料制备(6学时)

（1）教学内容

学习和掌握利用蒸汽冷凝法制备金属纳米微粒的基本原理和实验方法，研究微粒尺寸与惰性

气体气压之间的关系。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9起到很好的支撑作用

4．微波光学实验仪(6学时)

（1）教学内容

了解微波分光仪的结构,学会调整并进行试验；验证反射规律；观察及了解微波经喇叭极化后的偏振现象；掌握微波的干涉特性，并计算微波波长；了解微波的驻波现象，并利用驻波来测量微波的波长；利用迈克尔孙干涉仪方法测量微波的波长；测量并验证单缝衍射的规律；掌握法布里-贝罗干涉仪原理，测量并计算微波波长。利用模拟晶体考察微波的布拉格衍射并测量晶格数。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9起到很好的支撑作用

（3）课程思政育人要素

通过1978年彭齐亚斯因为发现宇宙微波背景辐射获得诺贝尔物理学奖这一重要成果的介绍，然后引入人们日常生活中微波的例子，从微波炉入手，分析其加热原理，工作特性。对常用的雷达设备如何利用微波信号测定目标的方向、距离和速度,逐渐扩展到介绍微波在国防、导航、气象测量、等方面的应用,激发了学生的学习兴趣，使之在努力提高自身专业技能的基础上关注社会发展，同时培养了学生作为“社会人”的责任和使命，为保障国家的安全添砖加瓦！

5．光弹效应实验（6学时）

（1）教学内容

学习光弹效应，学习全息干涉原理在测量物体内部应力中的应用。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9起到很好的支撑作用。

6.纳米线的制备与表征（6学时）

（1）教学内容

学习用溶胶-凝胶法或CVD法制备纳米线，用SEM,TEM和XRD对其形貌和晶体结构进行表征。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9、起到很好的支撑作用。

（3）课程思政育人要素

纳米材料在现代科技中具有重要的科学研究意义和应用研究价值。材料基础科学的研究和应用关系到我国科技发展的未来，对我国国防、民生等诸多领域都有重要的意义。因此在本课程的学习中应给学生强调纳米材料等新型材料对我国以及世界科技发展的重要作用。培养学生热爱材料研究，培养爱祖国，爱世界，有担当的新型材料学人。

7.生物光子技术实验（6学时）
（1）教学内容

学习单光子探测的基本原理，调节光电倍增管至合适的参数，实现对生物超弱光子辐射的探测。观察植为物叶片和萌发种子的自发光子辐射及受激光子辐射。

（2）本实验内容对毕业设计指标4、5、9、起到很好的支撑作用。

8.应用太赫兹波检测材料的光电参数（6学时）

（1）教学内容

很多材料与太赫兹波作用后能够在太赫兹波谱中表现出明显的吸收峰，因此利用太赫兹技术可以作为材料的分析和检测的一种方法，其中太赫兹时域光谱系统具有较高的信噪比和光谱分辨率，是一种非常有效的测试手段。通过本实验，让学生掌握典型的太赫兹时域光谱实验系统的基本构造、工作原理和关键实验仪器如超快脉冲激光器、光电导天线、锁相放大器、电动平移台、平衡探测器的使用方法；并通过对乳糖、聚乙烯等材料进行测试，学会利用太赫兹时域波形提取材料光电参数（如：折射率、吸收系数、介电常数等）的方法。

（2）本实验内容对毕业设计指标4、5、9、起到很好的支撑作用。

（3）课程思政育人要素

太赫兹科学技术是21世纪高新技术的前沿科学技术，因此美国等对我国做出了很多的科技限制等，比如关键仪器部件的出口限制等，由此可以看出太赫兹科学技术的重要性。通过本实验课程的学生，可以教育同学们热爱祖国，掌握太赫兹核心科学技术对于我国国防、民生等都有重要的意义，激发同学们科技创新的动力。

9.连续太赫兹波成像（6学时）

（1）教学内容

太赫兹波可以穿透电介质材料，因此可以对隐藏的物体进行成像，已经在安全检查、生物医学等领域初步发挥出其独特的应用价值。本实验采用连续太赫兹源和探测器搭建4f透射式成像系统，并对物体进行逐点扫描成像。通过本实验，让学生学会透射式成像系统的光路原理、搭建方法、图像处理方法，并能够对获取的太赫兹图像从分辨率、对比度等方面进行评估，并提出提高图像质量的方法。

（2）本实验内容对毕业设计指标4、5、9、起到很好的支撑作用。

10.马赫增德干涉仪实验（6学时）

（1）教学内容

掌握马赫增德干涉仪的原理；学会调节马赫增德干涉仪；掌握两相干光的光强对干涉条纹对比度的影响；掌握偏振光干涉的特点。

（2）对毕业要求的支撑

本实验内容对毕业设计指标4、5、9起到很好的支撑作用。

11. 光电导开关超快特性研究（6学时选做）

（1）教学内容

光电导开关在超快电脉冲领域和太赫兹科学技术等领域都有重要的应用。特别太赫兹科学技术是目前科技的前沿研究热点。本实验在深入学习半导体和光电子技术的基础上，通过实验研究砷化镓光电导开关的超快特性。通过该实验掌握高功率超快电脉冲的测试方法；深入了解砷化镓复杂能带结构对砷化镓电脉冲输出特性的影响；学会科学研究课题的实验方法和综合分析方法。

（2）本实验内容对毕业设计指标4、5、9、起到很好的支撑作用。

（3）课程思政育人要素

砷化镓光电导开关产生的超快电磁脉冲在国防和航空航天领域都有重要的应用。通过电磁炮弹以及条纹相机等关键应用的讲解，激发同学们对高科技的热情和新的认识。同时激发同学们对国防和航空航天事业的热爱，做一个有理想，有作为的新型科技爱国青年。

五、教学方法

该实验内容：首先，学生每次课前要求预习，完成预习报告，学习实验内容的基本原理及注意事项；正式实验内容前，老师用简短的语言强调实验内容的难点和注意事项；之后学生做实验，老师指导，解决学生难以克服的苦难。

六、考核及成绩评定

课程成绩由平时成绩（平时成绩包括预习、做实验表现、实验报告）、期终课程结题论文两个环节的成绩综合评定产生。各评价环节所占比例及对教学目标的支撑如下表所示。其中，期终课程结题论文采取开卷形式，内容围绕课程的基本概念和基本方法，在所学应用物理专业实验的基础上写作一篇具有一定创造性的结课论文。

通过实验预习、随堂操作实验仪器、课后处理实验报告、期终结课论文对学生物理专业核心知识、应用物理知识的能力，分析物理过程的能力，解决问题的能力，相互协作的能力，写作研究报告的能力等进行考核，即对毕业要求4、5、9的相关指标点的达成度进行评估。

七、实验项目的设置及学时分配

实验教学：60学时，实验项目见下表

八、教材及参考书

自编教材《应用物理专业实验》

九、执行大纲应注意的问题     

1、自编教材由老师提供给学生电子版。

2、绪论课之后，由于实验仪器套数所限，做实验过程中，根据人数多少分组进行，每个学生做实验顺序，由老师安排。