大物实验一级绪论.pptx

提提 纲纲 一一.实验物理在科学发展上的重要性实验物理在科学发展上的重要性 二二.实验物理教学的重要性实验物理教学的重要性 三三.怎样学好实验物理怎样学好实验物理第1页/共46页一一.实验物理在科学发展上的重要性实验物理在科学发展上的重要性物理学物理学:是一门自然科学，研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。探索分析大自然所发生的现象，以了解其规则。第2页/共46页人每时每刻都在呼吸着，所以并不觉得呼吸是一种幸福。但如果不能呼吸了，将会怎样？物理学对于我来说就像呼吸一样。李政道李政道“物理照耀世界物理照耀世界”20052005年定为年定为“世界物理年世界物理年”物理无处不在物理无处不在第3页/共46页 与其说是计算机改变了我们的社会，不如说是量子力学，或者Einstein改变了这一切。第4页/共46页物理学的概念、规律及公式等是物理学的概念、规律及公式等是以客观实验为基础，以客观实验为基础，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，是当今最精密的一门自然科学学科物理学是实验科学，实验是物理物理学是实验科学，实验是物理学的基础学的基础从诺贝尔物理奖来看从诺贝尔物理奖来看:19011901年，首届诺贝尔物理学奖年，首届诺贝尔物理学奖得主德国人伦琴，他因发现得主德国人伦琴，他因发现X X射线而获奖。射线而获奖。第5页/共46页1902年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853-1928）和荷兰阿姆斯特丹大学塞曼（Pieter Zeeman,1865-1943），以表彰他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊贡献。洛仑兹洛仑兹洛仑兹力演示器实验原理洛仑兹力演示器实验原理第6页/共46页光的粒子性光的粒子性光的波动性光的波动性光具有波粒二象性光具有波粒二象性第7页/共46页路易路易维克多维克多德布罗意德布罗意(Louis Victor de Broglie，法国著名，法国著名理论物理学家，在理论物理学家，在1924年提出物质波理论年提出物质波理论(波粒二重性波粒二重性)。1927年，美国科学家戴维孙在研究电子从封闭在真空管中的金属镍靶的反射。一次，电子管偶然破碎了，被加热的镍靶表面很快就形成了一层氧化膜，不能再当靶标用了。为了去除这层氧化膜，他只好把金属镍加热了很长一段时间。他发现，经过热处理之后，镍的反射性能改变了。研研究结果表明究结果表明，镍靶在受热前有许多微小的结晶面，加热后变成了几个大的结晶面。戴维孙抓住这个现象不放，终于得出正确的结论。后来，他用这种方法制成了一块单晶镍，作靶标使用。这时，他发现电子束不仅受到反 射，而且发生了衍射。而衍射乃是波的而非粒子的特征。就这样，电子的波动性被证实了，从而也证实了德布罗意的理论。1929年两人同获诺贝尔物理奖年两人同获诺贝尔物理奖 德布罗意美国物理学家戴维孙第8页/共46页1927年年 戴维逊戴维逊(C.J.Davisson)革末革末(L.H.Germer)第9页/共46页微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 电子衍射实验电子衍射实验1927年年 戴维逊戴维逊(C.J.Davisson)革末革末(L.H.Germer)X射线衍射实验射线衍射实验第10页/共46页法国科学家阿罗什阿罗什和美国科学家维因维因兰德兰德独立地发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行测量和操控的方法，而这在之前被认为是不能实现的。2012年诺贝尔物理学奖：突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能光是什么光是什么“非波非粒，亦波亦粒非波非粒，亦波亦粒”实现量子惠勒延迟选择实验，制备出了光的波-粒叠加状态第11页/共46页这些事实这些事实,表明了实验物理和理论物理之间的密切关系，相互激表明了实验物理和理论物理之间的密切关系，相互激励而共同推进物理学发展进程励而共同推进物理学发展进程。实验物理和理论物理是物理学的两大分支，实验事实是检验物实验物理和理论物理是物理学的两大分支，实验事实是检验物理模型确立物理规律的终审裁判理模型确立物理规律的终审裁判。理理论论物物理理 物物 理理 学学实实验验物物理理第12页/共46页但物理学的理论只有在实验上得到验证的才能真但物理学的理论只有在实验上得到验证的才能真正成为真理正成为真理历史上许多理论消声匿迹了，因为得不到实验的历史上许多理论消声匿迹了，因为得不到实验的证明或违背实验。（天体物理证明或违背实验。（天体物理:两暗一黑两暗一黑)实验物理在物理学中占据了非常重要的地位，许实验物理在物理学中占据了非常重要的地位，许多诺奖获得者都是因为在实验方面的突破性贡献。多诺奖获得者都是因为在实验方面的突破性贡献。近近3030年的诺奖中：理论占年的诺奖中：理论占30%30%，实验，实验70%70%，理论家，理论家占占28%28%，实验家占，实验家占72%.72%.第13页/共46页物理实验在物理学研究与发展中物理实验在物理学研究与发展中的作用的作用 从物理学史看物理实验的重要性从物理学史看物理实验的重要性 经典物理学的建立：经典物理学的建立：力学（伽利略）力学（伽利略）电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦）电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦）光学（杨氏、菲涅尔）光学（杨氏、菲涅尔）近代物理学的建立：近代物理学的建立：三大发现（三大发现（X光、放射性、电子）光、放射性、电子）从宏观到微观从宏观到微观 两朵乌云（黑体辐射、迈两朵乌云（黑体辐射、迈莫实验）莫实验）从经典到近代从经典到近代 第14页/共46页物理实验对物理学在其他物理实验对物理学在其他 学科中的应用意义学科中的应用意义 材料：材料：物性测试、新材料的发现（高温超导材料）、新材料制物性测试、新材料的发现（高温超导材料）、新材料制 备方法的研究（激光蒸发）备方法的研究（激光蒸发）化学：化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素、量子化学光谱分析、放射性测量、激光分离同位素、量子化学生物：生物：各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X光显微镜、光显微镜、原子力显微镜）分辨力越来越高原子力显微镜）分辨力越来越高 DNA操纵、切割、重组以及双螺旋结构的分析操纵、切割、重组以及双螺旋结构的分析医学：医学：诊断诊断X光、光、CT、核磁共振、超声波、核磁共振、超声波 治疗治疗放射性、激光、微波等放射性、激光、微波等结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁第15页/共46页 实验在物理研究中具有突出地位，但理论也非常重要。一个实验物理学家对理论一定要有深刻的了解，他做每一个实验都要寻求理论依据。但是理论又依赖于实验，再好的理论没有实验证明都是无效的。理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。理论是认识事物的依据，实验是事实实验是事实。丁肇中在中山大学谈实验与理论丁肇中在中山大学谈实验与理论第16页/共46页Top 10 Most Beautiful Experiments in PhysicsA poll of the Robert P Crease reported,Sept 20021 Youngs 双缝实验用于单个电子的干涉(开放)2 Galileos 自由落体实验(1600s)(随时随地)3 Millikans 油滴实验(1910s)(一级)4 Newtons 三棱镜分解阳光(1665-1666)(二级)5 Youngs 光干涉实验(1801)(一级)6 Cavendishs 扭摆实验(1798)(开放)7 Eratosthenes 测量地球周长(3rd century BC)8 Galileos 斜面上滚动球实验(1600s)(开放)9 Rutherfords 背散射(1911)(三级)10 Foucaults 摆(1851)(开放)第17页/共46页1.Youngs double-slit experiment applied to the interference of single electrons 2.Galileos experiment on falling bodies(1600s)3.Newtons decomposition of sunlight with a prism(1665-1666)4.Millikans oil-drop experiment Robert A Millikan(1910s)第18页/共46页5.Youngs double slit light-interference experimentThomas Young(1801)6 Cavendishs torsion-bar experiment(1798)Henry Cavendish第19页/共46页7 Eratosthenes measurement of the Earths circumference(3rd century BC)8 Galileos experiments with rolling balls down inclined planes(1600s)9 Rutherfords discovery of the nucleus(1911)Ernest Rutherford 埃拉托色尼埃拉托色尼地理学之父地理学之父 第一个提出设想在夏至日那天，分别在两地同时观察太阳的位置，并根据地物阴影的长度之差异，加以研究分析，从而总结出计算地球圆周的科学方法。第20页/共46页10.Foucault pendulum Jean Bernard Leon Foucault to demonstrate the spin of earthThe first Foucault pendulum exhibited to the public was in 1851,suspended a 28 Kg bob by a 67 metre wire from the dome of the Pantheon(先哲祠)in Paris万向节演示出地球的自转现象 地球转动缓慢，需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异因为空气阻力，这个系统必须拥有足够的机械能悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动第21页/共46页科学实验 确定课题确定课题,构思模型，设计实验方案构思模型，设计实验方案 制作或选择实验装置，准备实验设备制作或选择实验装置，准备实验设备观测和测量数据，进行实验操作，记录数据观测和测量数据，进行实验操作，记录数据 分析分析、整理数据结果，得出结论整理数据结果，得出结论 研讨实验结果，是否支持原设计课题思想，研讨实验结果，是否支持原设计课题思想，或部分确定，或尚需改进或部分确定，或尚需改进?科学实验科学实验的目标在的目标在于探索于探索,科学实验科学实验的成功会的成功会揭示自然揭示自然界的奥秘界的奥秘第22页/共46页教学实验 教师精心准备课题，设计实验方案教师精心准备课题，设计实验方案 教师选择实验装置，准备实验设备教师选择实验装置，准备实验设备观测和测量数据，进行实验操作，记录数据观测和测量数据，进行实验操作，记录数据 分析分析、整理数据结果，得出结论整理数据结果，得出结论教学实验的教学实验的目标在于培目标在于培养人才。养人才。担负培养学担负培养学生实验能力生实验能力和科研素质和科研素质的任务。的任务。基础实验只做第三、四两过程基础实验只做第三、四两过程高年级学生实验要经历全过程高年级学生实验要经历全过程第23页/共46页二二.物理教学实验的重要性物理教学实验的重要性学生学习阶段要学习多门功课，目标都是积累知识，学生学习阶段要学习多门功课，目标都是积累知识，提高能力，培养素质。提高能力，培养素质。物理实验课是一门基础实验课，是知识的底层，这物理实验课是一门基础实验课，是知识的底层，这底层的重要性更是不言而喻的底层的重要性更是不言而喻的。科学高峰正如一座金字塔，有着广阔的宽厚基础和高耸的塔尖。科学高峰正如一座金字塔，有着广阔的宽厚基础和高耸的塔尖。基础愈宽厚，塔尖可以愈高。基础愈宽厚，塔尖可以愈高。在科大基础物理课程和物理实验（数理）是我校的在科大基础物理课程和物理实验（数理）是我校的“核心课程核心课程”，核心，核心课程是体现学校特色的课程，它不是专业的主干课程而是通识课程，是博雅课程是体现学校特色的课程，它不是专业的主干课程而是通识课程，是博雅教育的内涵。教育的内涵。核心课程面向的是全体学生，即凡是科大的学生，都要学物理实验课程。核心课程面向的是全体学生，即凡是科大的学生，都要学物理实验课程。第24页/共46页核心课程是培养学生的核心能力，或者说可携带能力，这是核心课程是培养学生的核心能力，或者说可携带能力，这是一种普通的、可迁移的，对学生的未来发展起关键性作用的一种普通的、可迁移的，对学生的未来发展起关键性作用的能力。能力。就是说，学生一进校，都要学这几门核心课程，然后就形成就是说，学生一进校，都要学这几门核心课程，然后就形成了一个学校学生的风格。了一个学校学生的风格。一接触，就能判断这是北大的学生，这是清华的学生，那是一接触，就能判断这是北大的学生，这是清华的学生，那是南大的学生，这种风格的形成，就是通过核心课程的教育和南大的学生，这种风格的形成，就是通过核心课程的教育和校园氛围的养成。校园氛围的养成。核心课程它体现一个学校的核心能力，体现一个学校的风格，核心课程它体现一个学校的核心能力，体现一个学校的风格，这种课程也是校园特色氛围的组成部分。这种课程也是校园特色氛围的组成部分。第25页/共46页科大是以本科为本，所有本科生，都必须学普通物理，做物科大是以本科为本，所有本科生，都必须学普通物理，做物理实验，因为一个理科为主的学校，它必须有理科的背景。理实验，因为一个理科为主的学校，它必须有理科的背景。学工科的学物理，是为他更好的理解工程的原理。学工科的学物理，是为他更好的理解工程的原理。这是核心课程的作用，它的作用是隐性的，潜在的。这是核心课程的作用，它的作用是隐性的，潜在的。物理实验教学是为了提高学生的能力，提高科学研究的能物理实验教学是为了提高学生的能力，提高科学研究的能力，一定意义上也是提高学生进入社会的能力，进入工作岗力，一定意义上也是提高学生进入社会的能力，进入工作岗位的能力。位的能力。第26页/共46页不能把物理实验简简单单地看成是对理论知识的补不能把物理实验简简单单地看成是对理论知识的补充或者验证，而必须看到实验教学藴含着一种思维充或者验证，而必须看到实验教学藴含着一种思维能力、一种工作能力，还有一种道德能力，它是三能力、一种工作能力，还有一种道德能力，它是三个方面的结合。个方面的结合。现在对学术腐败讲的很多，我们的实验教学过程中现在对学术腐败讲的很多，我们的实验教学过程中让学生感悟到一种科学的严谨、学术的敬畏、诚信让学生感悟到一种科学的严谨、学术的敬畏、诚信的尊严的尊严,今后他就不会作假。今后他就不会作假。第27页/共46页通过基础物理实验课：通过基础物理实验课：让学生受到严格的、系统的实验技能训练、掌握让学生受到严格的、系统的实验技能训练、掌握科学实验的基本知识、基本方法和基本技巧；科学实验的基本知识、基本方法和基本技巧；培养学生严谨的科学思维能力、动手能力、良好培养学生严谨的科学思维能力、动手能力、良好的科研习惯；的科研习惯；培养学生理论联系实际、提出问题、分析问题和培养学生理论联系实际、提出问题、分析问题和解决实际问题的能力解决实际问题的能力；培养学生与科学技术的发展相适应的综合能力。培养学生与科学技术的发展相适应的综合能力。打破了传统的各学科独立的课程体系，建立学科打破了传统的各学科独立的课程体系，建立学科交叉，由浅入深的物理实验课程体系。交叉，由浅入深的物理实验课程体系。大学物理实验是大学物理实验是:独立设课，独立的学分独立设课，独立的学分第28页/共46页 一一二二年年级级三三四四年年级级知识、能力、素质并重的实验教学体系知识、能力、素质并重的实验教学体系开放实验自主设计创新性实验论文竞赛教学实验第29页/共46页 基础物理实验是大学生进入大学的第一门进基础物理实验是大学生进入大学的第一门进行科学实验的课程，是同学们受到系统的实验思行科学实验的课程，是同学们受到系统的实验思想方法和技能训练的开端，也是后续实验课程的想方法和技能训练的开端，也是后续实验课程的基础。基础。一级物理实验（基础物理实验）的内容主要：一级物理实验（基础物理实验）的内容主要：基本基本物理量的测量；物理量的测量；基本基本实验仪器的使用；实验仪器的使用；基本基本实验技能的训练；实验技能的训练；基本基本测量方法与数据处理、分析；测量方法与数据处理、分析；涉及到力、热、电、光、近代物理的各个知识点，涉及到力、热、电、光、近代物理的各个知识点，为普及性实验。为普及性实验。三三.怎样学好物理实验怎样学好物理实验第30页/共46页基础物理实验前瞻基础物理实验前瞻10个实验室、安排个实验室、安排22个实验、个实验、上上12周实验课。周实验课。学生：学生：1838人人 15 位教师位教师 37 位位TA力（热）学实验力（热）学实验8个个u 液体表面张力液体表面张力u 液体黏滞系数液体黏滞系数u 天平测量质量天平测量质量u 拉伸法测量杨氏模量拉伸法测量杨氏模量u 测量切变模量测量切变模量u 固体比热容测量固体比热容测量u 直线运动与碰撞直线运动与碰撞u 声速的测量声速的测量第31页/共46页电学实验电学实验6个个u热敏电阻特性热敏电阻特性u半导体温度计制作半导体温度计制作u螺线管磁场螺线管磁场u直流电路直流电路u示波器测量时间示波器测量时间u整流滤波电路整流滤波电路光学实验光学实验4个个u 透镜参数测量透镜参数测量u 牛顿环牛顿环u 分光计调节分光计调节u 分光计测量棱镜顶角分光计测量棱镜顶角第32页/共46页下周绪论课后每位同学必做实验（下周绪论课后每位同学必做实验（2个）：个）：1.单摆的设计和研究单摆的设计和研究2.时间测量中随机误差的分布规律时间测量中随机误差的分布规律u 光电效应测量普朗克常数光电效应测量普朗克常数u 密歇根油滴实验（测量电子电荷）密歇根油滴实验（测量电子电荷）近代物理实验近代物理实验2个个第33页/共46页预习预习:预习报告包括实验名称、实验目的、实验原理、自己组预习报告包括实验名称、实验目的、实验原理、自己组织语言织语言简述简述实验原理，不能抄书实验原理，不能抄书，手写手写 不写预习报告不允许做实验！不写预习报告不允许做实验！实验实验：原始数据需要老师签字。原始数据需要老师签字。不能抄数据、凑数据，按零分计算不能抄数据、凑数据，按零分计算！实验完成必须整理仪器！实验完成必须整理仪器！实验报告实验报告：实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理、实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理、数据处理、思考题。数据处理、思考题。计算要有过程计算要有过程。手写手写物理实验课的基本程序和要求物理实验课的基本程序和要求第34页/共46页完整报告完整报告预习报告预习报告实验前实验前15%原始数据原始数据实验中实验中45%实验结果实验结果实验后实验后40%一级物理实验成绩评定一级物理实验成绩评定第35页/共46页实验报告姓名姓名 班级班级 年年 月月 日日 实验名称实验目的实验仪器实验原理实验原理 (简要、一页纸简要、一页纸)测量记录数据处理与结果分析 误差分析、思考讨论原始数据，教师签字原始数据，教师签字预习报告部分预习报告部分第36页/共46页报告提交与批阅 实验前检查预习报告 实验后一周内交完整的实验报告 再往后一周由老师批阅报告，上传成绩到教学信息平台，请自己核查分数是否有误。请自己核查分数是否有误。学生要按时交报告，老师要按时批阅报告学生要按时交报告，老师要按时批阅报告,欢迎就欢迎就实验中的科学问题与老师交流。实验中的科学问题与老师交流。到哪个实验室做实验到哪个实验室做实验就在该实验室交报告就在该实验室交报告第37页/共46页下午：下午：2:00-5:00晚上：晚上：7:00-10:00 整点点名、实验报告点评：整点点名、实验报告点评：下午：下午：2:002:15晚上：晚上：7:007:15上课时间上课时间迟到扣分标准：迟到扣分标准：超过超过15分钟，不允许做实验！分钟，不允许做实验！2分分/5分钟；分钟；5分分/10分钟；分钟；10分分/15分钟分钟第38页/共46页1310 黄环黄环郑虹郑虹1422浦其荣浦其荣胡勇胡勇1424黄双安黄双安郭强郭强1413梁燕梁燕郭华菊郭华菊1322赵霞赵霞甄素贞甄素贞1423代如成代如成胡勇胡勇1409陶小平陶小平郭华菊郭华菊1327黄环黄环郑虹郑虹1421陆红琳陆红琳汪启昕汪启昕1417蒋作宏蒋作宏郭强郭强1.分光计分光计的调节的调节使用使用2.分光计分光计的调节的调节和使用和使用1.切变模切变模量的测量量的测量 2.固体比固体比热容的测热容的测量量1.交流电交流电及整流滤及整流滤波电路波电路2.用热敏用热敏电阻测量电阻测量温度温度1.光电效光电效应法测普应法测普朗克常数朗克常数2.密立根密立根油滴实验油滴实验测电子电测电子电荷荷1.直线运直线运中速度的中速度的测量测量2.碰撞过碰撞过程中守恒程中守恒定律的研定律的研究究1.测量螺测量螺线管的磁线管的磁场场2直流直流电表和直电表和直流测量电流测量电路路1.用天平用天平测量质量测量质量2.钢丝杨钢丝杨氏模量的氏模量的测量测量1.干涉法干涉法测微小量测微小量2.透镜参透镜参数的测量数的测量1.半导体温半导体温度计的设度计的设计与制作计与制作2.用示波器用示波器测量时间测量时间1.落球法落球法测定液体测定液体的粘度的粘度2.表面张表面张力系数的力系数的测定测定 一级物理实验课表一级物理实验课表第39页/共46页名 单名 单第一个实验第一个实验第二个实验第二个实验预习 每个实验室做两周实验 两周实验后循环到下一个实验室第40页/共46页物理实验教学信息平台物理实验教学信息平台http:/第41页/共46页本人学号本人学号123学生属性学生属性第42页/共46页第43页/共46页实验纪律实验纪律无预习报告或迟到无预习报告或迟到15分钟以上不得做实验分钟以上不得做实验不能擅自调课不能擅自调课病假要有医院证明，事假要有病假要有医院证明，事假要有系教学主任和教系教学主任和教务处处长务处处长签字的假条。以后可另行补做，否则签字的假条。以后可另行补做，否则按旷课处理。补做实验需插空补。按旷课处理。补做实验需插空补。院系级活动不得影响教学院系级活动不得影响教学。保持实验室卫生、不吃零食、不穿拖鞋、避免大声喧哗报告抄袭按零分处理报告点评完后收回！报告点评完后收回！第44页/共46页实验答疑:1.信息平台2.找老师答疑：(第五周开始第五周开始)周一下午周一下午3:305:00 张增明张增明 房间：房间：1238 63607671周二下午周二下午3:305:00 轩植华轩植华 房间：房间：1419 63606943周三下午周三下午3:305:00 轩植华轩植华 房间：房间：1419 63606943周四下午周四下午3:305:00 王中平王中平/张宪锋张宪锋 1235 636018503、课程负责：张宪锋、王中平 电话：63601850 办公室：1235Email： 第45页/共46页接下来：接下来：不确定度分析不确定度分析第46页/共46页