本書是根據(jù)教育部高等院校物理學與天文學教學指導委員會通過的高等理科物理學專業(yè)(四年制)近代物理實驗課程教學基本要求編寫的,內容包括:原子物理學、激光與現(xiàn)代光學、微波技術、原子光譜學、磁共振技術、真空技術、光纖通訊技術、光電子技術和顯微檢測技術等領域的40個近代物理實驗。全書共分七章,40個實驗項目。本書著重闡述實驗的物理思想和方法,注重培養(yǎng)學生的實驗能力和科學素養(yǎng),在內容安排和闡述形式上加強對學生創(chuàng)新思維和綜合能力的培養(yǎng),調動學生學習的主動性和創(chuàng)造性,提高學生的綜合實驗能力和創(chuàng)新意識。本書具有如下特點:一是把傳授知識與培養(yǎng)能力相融合;科學教育與人文教育相融合;二是是創(chuàng)造性地提出并實施了滲透式雙語教學模式,給出相應的物理實驗各級題目對應的英文表述和關鍵詞,不間斷的進行英語專業(yè)詞匯的滲透,使之成為課堂教學的一部分.
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當今世界處于信息時代,科學技術迅猛發(fā)展、日新月異,高新技術層出不窮,而近代物理學是技術的基礎。沒有20世紀以來以相對論和量子力學作為理論基礎的近代物理學的巨大發(fā)展,就沒有今天的微型計算機、激光和光通信、核能、納米科學和技術等各種各樣的高新技術。
近代物理實驗是繼大學物理實驗后為物理學及相關專業(yè)高年級學生開設的一門承前啟后的重要基礎實驗課程,所涉及的物理知識面很廣,具有較強的綜合性和技術性。
近代物理實驗的內容,反映現(xiàn)代科學技術發(fā)展的巨大成就和進步,而這一點恰恰是物理學的優(yōu)勢。理論的基礎是實驗。量子論的建立與黑體輻射、光電效應、固體比熱相關。為什么在19世紀與20世紀之交發(fā)生這場物理學的革命?為什么量子的概念從熱輻射這一特殊領域首先產生?重要原因就是當時的實驗已達到相當?shù)乃,能夠反映微觀世界的特性,如光譜學、電磁波、真空低溫和電磁測量等技術發(fā)展使人們能夠進行熱輻射、光電效應、低溫下固體比熱等方面的實驗研究,從而得到一系列經(jīng)典物理學無法解釋的新結果。又如電磁學的發(fā)展,麥克斯韋的電磁場理論建立在庫侖、安培、奧斯特、法拉第等大量實驗研究的基礎上。光速的不斷精確測定,使愛因斯坦思考“追光”,從而誕生狹義相對論。電磁現(xiàn)象的大量實驗,使人們發(fā)現(xiàn)電磁感應的不對稱性。人們對以太的長期探索,肯定了絕對坐標系不存在……實驗對理論太重要了,也許不僅在物理學上。
選擇著名實驗,介紹其設計思想、實驗結果和歷史沿革,培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。有時這些介紹給學生的印象遠超過實驗本身和一般知識性的內容。如密立根證實了愛因斯坦的光電效應方程正確無誤,并且應用光電效應直接計算出普朗克常量,這個實驗的意義是什么?他解決了什么技術關鍵?里德伯常量至今還在測,只是由于激光光譜學的發(fā)展,這個常量越測越精。一代物理宗師葉企蓀曾對普朗克常量進行了反復測量,得到了20世紀20年代最精確的普朗克常量數(shù)據(jù),給物理學深入研究原子結構、粒子、反物質等微觀結構提供了更加精確的能量子自然單位。
在近代物理實驗課程的建設中以堅持傳授知識與培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力相結合,堅持近代物理實驗虛擬和實物儀器相結合,堅持滲透式的雙語教學原則,建立了近代物理實驗課程立體化、信息化的體系,包括近代物理實驗教學資源庫的建立,近代物理實驗虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的建設,開放性網(wǎng)絡教學平臺的建設,明顯地提高了教學質量,取得了一定的成績。大連民族大學近代物理實驗教材是學校的校本特色教材,大學物理實驗中心取得了遼寧省示范中心和遼寧省首批虛擬仿真實驗示范中心。本教材的編寫,是我們多年來教學改革成果的總結。
本教材具有以下幾點主要編寫特點。
(1)本教材做到傳授知識與培養(yǎng)創(chuàng)新能力相融合、物理思想教育與科學素養(yǎng)教育相融合。該課程精選其首先完成者獲得諾貝爾物理學獎的著名實驗和在近代物理實驗技術中廣泛應用的典型實驗為教學內容,通過這些代表人類智慧的創(chuàng)新范例,培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新意識,讓他們了解科學家如何繼承前人,如何發(fā)現(xiàn)問題,如何巧妙構思,如何改進提高技術,如何創(chuàng)新。這些實驗不僅使學生直觀生動地學習在近代物理學發(fā)展中起重要作用的實驗,領會大師們的物理思想和實驗設計思想,進一步鞏固理解已經(jīng)學的理論知識,掌握近代物理的基本原理、科學儀器的使用和典型的現(xiàn)代實驗技術,而且可以掌握科學實驗中一些不可缺少的現(xiàn)代實驗技術,了解近代實驗技術在許多科學研究領域與工程實踐中的廣泛應用。通過這些實驗的訓練,還有助于開闊學生的視野,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學研究能力以及嚴謹認真的科學精神。在教材中闡述基本實驗內容時,如遇到物理學史上的重要人物和重大事件,向學生作簡要介紹,目的是使學生對于相關物理實驗的背景資料有更進一步的了解,以激發(fā)同學們學習的動力和興趣。
(2)近代物理實驗實物儀器和虛擬仿真相結合開展教學。虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容,是實驗教學示范中心建設的內涵延伸。虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡通信等技術,通過構建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象,使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的實驗。這種基于虛擬現(xiàn)實的實訓過程具有形象生動、可操作性強、高效和安全等特點,大大增強了學生自主學習的熱情,是提高教育質量的一個有效方法和途徑。
在遼寧省首批大學物理虛擬仿真實驗教學中心建設立項的基礎上,加大近代物理仿真虛擬實驗建設力度,開發(fā)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高危或極端環(huán)境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時,提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目,如v能譜實驗、電子自旋共振實驗等。
。3)進行滲透式雙語教學。針對絕大部分本科生目前不適應英文原版教材教學,而未來就業(yè)發(fā)展和終生教育又要求他們具有一定雙語能力的實際問題,提出并實施了滲透式雙語教學模式,給出相應的物理實驗的各級題目的英文對應表述和關鍵詞,使學生都能在符合自己水平的雙語模式中受益,實現(xiàn)了學生專業(yè)英文語匯附帶習得。將滲透式雙語教學貫穿于教材始終,不間斷地進行英語專業(yè)詞匯的滲透,使之成為課堂教學的一部分,對每節(jié)課所滲透的專業(yè)語匯數(shù)量而言是分散式的;對不增加學時也不影響學科進度而言是高效式的;對學生習得方法而言是沐浴式的。既能豐富學生的專業(yè)詞匯,又能增強學生的注意力,也能加深學生對物理知識的理解記憶,可達到教與學質量的雙重提高。
本書精選了原子物理學和原子光譜學、激光與現(xiàn)代光學、微波技術、磁共振技術、真空技術、光纖通信技術、光電子技術和顯微檢測技術等領域的40個近代物理實驗真實實驗和虛擬實驗。在這些實驗中,有些是在近代物理學發(fā)展中起過重要作用的著名實驗,甚至有的其首先完成者獲得了諾貝爾物理學獎,它們能使學生了解前人的物理思想和探索過程,并從中受到很大啟發(fā)。
本書的每一個實驗都詳細介紹了實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗內容及注意事項,以便學生清楚地了解該實驗的物理思想,能自己擬出實驗步驟,獨立進行實驗。但是由于近代物理實驗和普通物理實驗相比有一定的難度,內容也涉及比較多,一個實驗需要學生在實驗室內工作4~8小時,所以同學在做實驗之前,一定要認真預習,查閱資料,做到實驗之前心中有數(shù),以便順利地完成實驗,收到預期效果。
目錄
前言
第1章 緒論1
Chapter 1Introduction
1.1 如何學好近代物理實驗課1
1.1 How to learn modern physics experiments
1.1.1近代物理實驗課程的目的和任務(Objective and task of modern physics experiments)1
1.1.2近代物理實驗課程教學內容及特點(Teaching content and characteristics of modern physics experiments)1
1.1.3怎樣做好近代物理實驗(How to do modern physics experiments)2
第2章 誤差理論與數(shù)據(jù)處理基礎知識8
Chapter 2 Error theory and basic knowledge of experiment data processing
2.1 測量誤差8
Section 2.1 Measurement error
2.2 隨機變量的概率分布11
Section 2.2 Probability distribution of random variable
2.3 隨機誤差的統(tǒng)計分析15
Section 2.3 Statistical analysis of random error
2.4 不確定度17
Section 2.4 Uncertainty
2.5 數(shù)據(jù)處理——最小二乘法擬合19
Section 2.5 Data processing——least square method
第3章 原子物理23
Chapter 3Atomiz physizs
實驗 3.1 光譜分析基本知識23
Experiment 3.1 Basic knowledge of spectral analysis
實驗 3.2 氫、氘原子光譜實驗26
Experiment 3.2 Hydrogen and deuterium atom spectra experiment
實驗 3.3 傅里葉變換光譜實驗30
Experiment 3.3 Fourier transform spectroscopy experiment
實驗 3.4 用電視顯微油滴儀測電子電荷36
Experiment 3.4 Electron charge determination using Millikan oil-drop apparatus
實驗 3.5 塞曼效應實驗44
Experiment 3.5 Zeeman effect experiment
實驗 3.6 法拉第效應51
Experiment 3.6Faraday effect
實驗 3.7 弗蘭克-赫茲實驗55
Experiment 3.7Frank-Hertz experiment
實驗 3.8 拉曼光譜實驗59
Experiment 3.8 Raman spectroscopy experiment
實驗 3.9 黑體輻射實驗65
Experiment 3.9Blackbody radiation experiment
實驗 3.10 光電效應法測普朗克常量71
Experiment 3.10 Planck constant determination by photoelectric effect
實驗 3.11材料形貌的掃描電子顯微鏡觀測實驗78
Experiment 3.11Materials morphology observation byscanning electron microscope
實驗 3.12 原子力顯微鏡的材料表面形貌表征實驗81
Experiment 3.12 Materials surface morphology characterization by atomic force microscope
實驗 3.13 NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀與γ能譜測量88
Experiment 3.13 NaI(Tl) single crystal γ-ray scintillation spectrometer and γ energy disperse spectroscopy measurement
第4章 激光技術與近代光學96
Chapter 4 Laser technology and modern optics
4.1 激光原理預備知識96
Section 4.1 Basic knowledge of laser principle
實驗 4.2 半導體泵浦激光原理實驗103
Experiment 4.2 Semiconductor pump laser principle experiment
實驗 4.3 氦氖激光器高斯光束光強分布與發(fā)散角測量109
Experiment 4.3 Measurement of He-Ne laser Gaussian beams light intensity distribution and divergence angle
實驗 4.4 共焦球面掃描干涉儀與氦氖激光束的模式分析123
Experiment 4.4 Confocal spherical mirror scanning interferometer and analysis of He-Ne laser beam mode
實驗 4.5 YAG激光器的電光調Q實驗130
Experiment 4.5 YAG laser electro-opticQ-switching experiment
實驗 4.6 Nd3+:YAG激光器的倍頻實驗134
Experiment 4.6Nd3+:YAG laser frequency doubling experiment
實驗 4.7 激光相位測距實驗141
Experiment 4.7 Laser phase distance measurement
實驗 4.8 晶體的電光效應實驗147
Experiment 4.8 Crystal electro-optic effect experiment
實驗 4.9 準分子激光器實驗157
Experiment 4.9 Excimer laser experiment
實驗 4.10 激光打標實驗162
Experiment 4.10Laser marking experiment
實驗 4.11表面磁光克爾效應實驗171
Experiment 4.11 Surface magneto-optic Kerr effect experiment
第5章 微波實驗183
Chapter 5Microwave experiments
5.1 微波技術基礎知識183
Section 5.1 Basic knowledge of microwave technology
實驗 5.2 微波測量系統(tǒng)及駐波比的測量188
Experiment 5.2Microwave measurement system and standing-wave ratio (SWR) measurement
實驗 5.3 用諧振腔微擾法測量微波介質特性193
Experiment 5.3 Microwave dielectric properties measurement by resonant cavity perturbation method
第6章 磁共振技術196
Chapter 6 Magnetic resonance technique
實驗 6.1 核磁共振196
Experiment 6.1Nuclear magnetic resonance
實驗 6.2 脈沖核磁共振實驗203
Experiment 6.2 Pulsed nuclear magnetic resonance experiment
實驗 6.3 電子順磁共振實驗213
Experiment 6.3 Electron paramagnetic resonance experiment
第7章 真空技術225
Chapter 7Vacuum technology
7.1 真空技術基本知識225
Section 7.1 Basic knowledge of vacuum technology
實驗 7.2 真空的獲得與測量230
Experiment 7.2 Obtain and measurement of vacuum
實驗 7.3 真空蒸發(fā)鍍膜實驗238
Experiment 7.3 Vacuum evaporation coating experiment
第8章 光纖通信技術246
Chapter 8 Optical fibre communication technology
8.1 光纖通信簡介246 Section 8.1
Introduction of optical fibre communication
實驗 8.2 音頻信號光纖傳輸技術實驗250
Experiment 8.2 Audio signal optical fiber transmitting technology experiment
實驗 8.3 數(shù)字信號光纖傳輸技術實驗259
Experiment 8.3 Digital signals optical fiber transmitting technology experiment
第9章 微弱信號檢測技術及顯微觀測技術269
Chapter 9 Weak signal detecting technique and micro-observation technology
實驗 9.1 鎖相放大器原理及應用實驗269
Experiment 9.1 Principle and application of lock-in amplifier experiment
實驗 9.2 單光子計數(shù)實驗272
Experiment 9.2 Single photon counting experiment
實驗 9.3 掃描隧道顯微鏡(STM)282
Experiment 9.3 Scanning tunneling microscope (STM)
實驗 9.4 雙光柵微弱振動測量儀288
Experiment 9.4 Double grating weak vibration measuring instrument
附錄294
Appendix