大学物理实验

本书是依据教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会制定的\"理工科类大学物理实验课程教学基本要求”编写的通识课程教材，体现新工科建设的成果。 突出对学生基本能力的训练和创新思维、创新方法、创新能力的培养，内容涵盖测量误差与数据处理的基本知识、基础性实验、综合性及应用性实验、演示实验、大型仪器实验、计算机仿真实验等，共6个部分。

金立，浙江理工大学高级实验师，主要讲授普通物理实验（实验A、实验B）、近代物理应用实验、LED专业实验。曾参与过以下项目：1）浙江省级虚拟仿真实验项目，组合式综合光学虚拟仿真实验，2021―20222）浙江省在线开放课程《普通物理实验》（第三批在建），2019―20203）浙江省教育规划课题，基于\"模式+平台”的虚实结合的普通物理实验教学改革与实践，2018-20194）浙江理工大学校级重点教改项目，与工程专业认证接轨的普通物理实验

绪论 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.1 第1 章 测量误差与数据处理的基本知识 ???????????????????????????????????????????????????????????????.7 1.1 测量与有效数字 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.7 1.2 误差分类与处理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.9 1.3 测量不确定度的估算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.12 1.4 实验数据的处理方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.17 第2 章 基础性实验 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 2.0 预备知识 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.22 2.0.1 力学预备知识 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.22 2.0.2 电磁学预备知识 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????.26 2.0.3 光学预备知识 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.32 2.1 拉伸法测定金属材料的杨氏模量 ?????????????????????????????????????????????????????????????.35 2.2 气垫导轨实验 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.39 2.3 扭摆法测定物体的转动惯量 ???????????????????????????????????????????????????????????????????.45 2.4 三线摆法测定物体的转动惯量 ????????????????????????????????????????????????????????????????.49 2.5 气体比热容比的测定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.53 2.6 稳恒电流场模拟静电场 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????.56 2.7 电表改装及校准 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.61 2.8 直流电桥测电阻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.65 2.9 双臂电桥测低值电阻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.70 2.10 示波器的原理和应用 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????.75 2.11 声速的测量 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.82 2.12 铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的测量 ???????????????????????????????????????????????????.86 2.13 霍尔效应的原理与应用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????.92 2.14 电磁感应法测量磁场分布 ???????????????????????????????????????????????????????????????????.101 2.15 温度传感器的原理与应用 ???????????????????????????????????????????????????????????????????.107 2.16 波尔共振 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.112 2.17 光的等厚干涉 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.118 2.18 迈克尔逊干涉仪的调节和使用 ?????????????????????????????????????????????????????????????.123 2.19 分光计的调整及光栅衍射 ???????????????????????????????????????????????????????????????????.128 2.20 导热系数的测定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.136 2.21 PN 结特性和玻尔兹曼常数的测定 ????????????????????????????????????????????????????????.142 第3 章 综合性及应用性实验 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????.149 3.1 PASCO 动力学实验 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.149 3.1.1 碰撞中的动量守恒 ????????????????????????????????????????????????????????????????????.149 3.1.2 斜面上的振动 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.151 3.2 固体线膨胀系数的测定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????.155 3.3 PASCO 基础光学实验 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????.157 3.3.1 光的单缝衍射 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.157 3.3.2 光的双缝干涉 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.159 3.4 电介质介电常数的测定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????.161 3.5 密立根油滴实验 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.163 3.6 弗兰克―赫兹实验 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.167 3.7 光电效应测普朗克常数 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????.172 3.8 玻璃折射率的测定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.178 3.9 太阳能电池特性的研究 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????.180 3.10 多普勒效应综合实验 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????.185 3.11 理想真空二极管综合实验 ???????????????????????????????????????????????????????????????????.189 3.11.1 金属电子逸出功的测定 ???????????????????????????????????????????????????????????.189 3.11.2 电子在径向电场和轴向磁场中的运动（磁控法测量电子荷质比） ?????.194 3.11.3 费米―狄拉克分布的研究 ????????????????????????????????????????????????????????.199 3.11.4 理想真空二极管的伏安特性 ?????????????????????????????????????????????????????.203 3.12 传感器综合实验 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.205 3.12.1 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验 ??????????????????????????????????????.205 3.12.2 霍尔传感器的测速实验 ???????????????????????????????????????????????????????????.207 3.12.3 铂热敏电阻温度特性测试实验 ??????????????????????????????????????????????????.208 3.13 表面等离子体共振实验 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????.210 3.14 超声光栅 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.213 第4 章 演示实验 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.217 4.1 傅科摆?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.217 4.2 科里奥利力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.218 4.3 弹性碰撞球 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.218 4.4 飞机升力 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.219 4.5 滚柱式转动惯量 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.220 4.6 茹可夫斯基凳 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.221 4.7 直升机角动量 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.222 4.8 角动量守恒转台 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.222 4.9 昆特管?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.223 4.10 共振演示 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.224 4.11 拍的合成 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.225 4.12 看得见的声波 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.226 4.13 记忆合金水车 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.226 4.14 斯特林热机 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.227 4.15 双向翻转伽尔顿板 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.228 4.16 神奇的辉光球 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.229 4.17 神奇的辉光盘 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.229 4.18 手触电池 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.230 4.19 静电高压 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.231 4.20 雅各布天梯 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.232 4.21 三相旋转磁场 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.232 4.22 电磁炮 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.233 4.23 亥姆霍兹线圈 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.233 4.24 汤姆逊电磁铁 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.234 4.25 能量转换轮 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.235 4.26 光学分形 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.235 4.27 光学幻影 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.236 4.28 电子火焰 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.237 4.29 视觉暂留 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.238 4.30 梦幻点阵 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.239 4.31 留影板演示仪 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.239 4.32 神秘的普氏摆 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.240 4.33 互补色图像 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.241 4.34 台式皂膜 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.242 4.35 偏振光干涉 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.243 4.36 旋光色散 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.244 4.37 光栅视镜 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.245 4.38 透射光栅变换画 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.245 4.39 透射光栅立体画 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.246 4.40 磁力转盘 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.247 4.41 激光琴 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.248 4.42 手摇发电 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.249 4.43 无形的力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.249 4.44 空中成像 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.250 4.45 穿墙而过 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.251 4.46 窥视无穷 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.252 4.47 一笔画 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.253 4.48 液晶玻璃 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.254 4.49 会导电的布 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.255 4.50 意念弯勺 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.256 4.51 太阳能发电 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.257 4.52 锥体上滚 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.258 4.53 看谁滚得快 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.259 4.54 听话的小球 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.260 4.55 小球的足迹 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.261 4.56 曲柄滑块机构 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.262 4.57 常用减速机构 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.263 4.58 槽轮机构 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.264 4.59 异形齿轮 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.265 4.60 最速降线 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.266 4.61 双曲狭缝 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.267 4.62 方轮车 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.268 4.63 滚出直线 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.269 4.64 红外热像仪 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.270 第5 章 大型仪器实验 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.272 5.1 原子力显微镜 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.272 5.2 热重分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.277 5.3 傅里叶红外光谱仪 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.279 5.4 共焦拉曼光谱仪 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.282 5.5 紫外可见吸收光谱 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.284 5.6 稳态―瞬态荧光寿命光谱 ????????????????????????????????????????????????????????????????????.291 5.7 3D 激光扫描共聚焦显微镜 ???????????????????????????????????????????????????????????????????.295 5.8 X 射线衍射 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.298 5.9 扫描隧道显微镜 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.302 第6 章 计算机仿真实验 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.307 6.1 仿真实验软件简介 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.307 6.1.1 启动平台 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.307 6.1.2 基本操作 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.309 6.1.3 仿真实验项目 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????.311 6.2 电子荷质比的测定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.312 6.2.1 磁聚焦法测电子荷质比 ??????????????????????????????????????????????????????????????.312 6.2.2 磁控管法测电子荷质比 ??????????????????????????????????????????????????????????????.313 6.3 塞曼效应实验 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.315 6.3.1 垂直磁场方向观察塞曼分裂 ????????????????????????????????????????????????????????.315 6.3.2 平行磁场方向观察塞曼分裂 ????????????????????????????????????????????????????????.318 6.4 虚拟仿真实验中心 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.319 6.4.1 Pasco 组合光学虚拟仿真实验 ??????????????????????????????????????????????????????.320 6.4.2 传感器虚拟仿真实验 ?????????????????????????????????????????????????????????????????.320 6.4.3 近代物理仿真实验 ????????????????????????????????????????????????????????????????????.322 参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.324