内容简介
《大学物理实验》依据教 育部高等学校物理基础课程教学指导委员会的《理工类大学物理实验课程教学基本要求》，在燕山大学物理实验中心早年所编写的两版《大学物理实验》教材基础上改编而成，也是实验中心多年来物理实验教学改革集体智慧的结晶。
全书共6章，包括实验前必备的误差理论及数据处理的基本知识，按层次精选了9个典型的基础性实验、22 个综合性实验、9个近代物理实验和6个设计性实验。《大学物理实验》内容安排由浅人深、循序渐进，使学生逐步学会从选题、选配实验仪器到独立进行实验设计开展具有研究性内容的实验工作，培养学生的独立实验能力、实验设计能力和研究创新能力。
《大学物理实验》可作为理工类院校大学物理实验教学的 参考教材和相关实验技术人员的教学参考书。
精彩书摘
绪论
物理学是一门实验科学。物理学新概念新规律的发现和确立主要依赖于实验物理学上的新突破也常常是基于新的实验技术和方法的发现。物理实验的方法、思维、仪器以及技术已经被普遍地应用在各个自然科学领域，乃至自然科学之外的学科。
“教育是国之大计、党之大计”，“培养造就大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计”，在党的二十大报告中，习近平总书记强调“科教兴国战略”，要“加强基础学科建设”“加强基础研究”。大学物理实验课程作为学生科学实验的基础，理应承担起立德树人的根本任务，为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人出一份力。
“大学物理实验”是理工科院校各专业的一门独立设置的必修基础课程是学生进入大学以后接受系统实验方法和实验技能训练的开端。本课程中每个实验项目都经过精心设计、安排，在加深对理论知识理解的同时，可使学生获得基本的实验知识，并在实验方法和实验技能等诸多方面提供了较为系统、严格的训练，是大学生从事科学实验的入门向导。在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，大学物理实验课程也起着潜移默化的作用，是其他实践类课程难以替代的。
0.1 大学物理实验课的任务
本课程按照《高等学校理工科本科基础课程教学基本要求》，以循序渐进的原则，学习物理实验知识、方法和技能，了解科学实验的主要过程和基本方法，为今后学习和工作奠定良好的实验基础。其具体任务是：
1.通过对实验现象的观察分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。
2.培养与提高学生的科学实验能力，主要包括以下几个方面：
（1）能通过阅读实验教材或资料，做好实验前的准备。
（2）能借助教材或仪器说明书正确使用物理实验仪器。
（3）能运用物理学理论对实验现象进行初步分析判断。
（4）能正确记录和处理实验数据，绘制曲线分析实验结果，撰写合格的实验报告。
（5）能够完成简单的具有设计性内容的实验。
3.要求学生遵守纪律，遵守操作规程，团结协作，具有理论联系实际和实事求是的科学作风、严肃认真的工作态度、主动研究的探索精神和爱护公共财产的优良品德。
0.2 如何做好大学物理实验
简单来说，做好大学物理实验要抓好三个环节：实验预习、实验过程和实验报告。
1.实验预习
预习是实验的基础，是实验顺利进行和实验质量的保障。做好预习，首先应明确本次实验的目的，知道要“做什么”在此基础之上明确实验原理实验方法的特点，以及测量的内容和注意事项，了解实验“怎么做”，哪些是直接测量量，哪些是间接测量量，用什么仪器和方法来测量，结果的误差该如何估算等。想明白这些问题之后，制定合理的实验规划，在课堂实验过程中有的放矢有针对性地进行操作和观察，及时发现和解决问题，独立完成各项任务，实现各个目标。在此基础上，上课之前完成实验预习报告。
2.实验过程
（1）按时进入实验室，不迟到早退，注意课堂秩序，不交头接耳，独立完成实验。
（2）认真检查并熟悉测量仪器，记下主要测量仪器的型号及其主要技术参数（如测量范围和精度）。
（3）根据仪器使用说明，正确安装和调整仪器；检查无误后，按实验要求进行实验；如有问题，可联系指导教师协助解决。
（4）严肃认真，胆大心细，独立操作，有条不紊。
（5）实事求是，正确记录实验数据和实验现象，需特别注意数据的有效数字。
（6）实验中要及时分析和整理数据，如有问题，应重测或补测错误的数据用一条水平线段划掉即可。原始数据整理后送指导教师签字，没有问题将电源关闭，仪器规整好，填写实验运行记录本，记录仪器设备损坏情况。
实验中强调规范操作，注意操作的安全性；学会边做实验、边检查、边分析，避免实验结束时才发现实验过程有误的现象发生。实验中出现故障时应立即控制现场（如断电、降温等），及时报告老师，分析原因，排除故障，切不可有意回避、推诿责任、擅自调换别组的仪器。因操作不当造成仪器损坏，将视情节酌情赔偿。
3.实验报告
实验报告不只是一份学生的作业，更是实验者所做的工作和成果展示。阅读者要从报告中了解实验者做了什么，根据什么做的取得了哪些观测资料，得到了什么样的实验结果，取得了什么成果或结论。实验报告应能反映实验者对所做实验的完整思路，其中特别注意实验目的、实验原理、实验结论的和谐一致，即实验中的结论应该是在原理的指导下取得的结果，来显示实验目的的达成度。
撰写实验报告字体要端正，文字要简练，数据要齐全，图表要规范，计算要准确，分析要充分、具体。要按时提交实验报告，过时无故不交者没有分数，如发现有抄袭数据或报告现象的，一律按作弊严肃处理。
0.3 关于实验报告的说明
本课程中，实验报告分为预习报告课上数据记录
目录
绪论 1
0.1 大学物理实验课的任务 1
0.2 如何做好大学物理实验 2
0.3 关于实验报告的说明 2
第1章 误差理论 4
1.1 测量与误差 4
1.1.1 测量的基本概念及分类 4
1.1.2 误差的基本概念及分类 4
1.2 系统误差 5
1.2.1 系统误差的来源 5
1.2.2 系统误差的发现 6
1.2.3 系统误差的减少和消除 6
1.3 随机误差及其数学处理 7
1.3.1 随机误差的正态分布规律 8
1.3.2 直接测得量误差的估算 9
1.3.3 异常值的剔除 10
1.3.4 间接测得量误差的估算 12
1.3.5 测量结果的表达式 12
1.4 有效数字及其运算规则 13
1.4.1 有效数字的概念 13
1.4.2 运算后的有效数字 13
1.4.3 使用有效数字运算规则的几点说明 15
1.4.4 数值的修约规则 15
1.5 测量不确定度评定 16
1.5.1 不确定度的建立 16
1.5.2 测量不确定度的概念与分类 16
1.5.3 直接测量结果不确定度的评定 16
1.5.4 测量结果的不确定度表示 17
1.5.5 直接测得量结果表达式书写示例 17
1.5.6 间接测量结果不确定度的评定· 18
1.5.7 间接测得量结果表达式书写示例 19
第2章 数据处理的基本方法 21
2.1 列表法 21
2.2 作图法 21
2.2.1 作图法的步骤与规则 21
2.2.2 用作图法求直线的斜率、截距和经验公式 22
2.2.3 曲线的改直 23
2.3 逐差法 24
2.4 最小二乘法 25
第3章 物理实验基本仪器的使用与训练 27
实验3.1 长度测量仪器与训练 27
实验3.2 复摆的研究 32
实验3.3 电学基本仪器与训练 36
实验3.3.1 电表的改装与校准 36
实验3.3.2 惠斯通电桥测中值电阻 41
实验3.3.3 直流单双臂电桥的使用 45
实验3.3.4 交流电桥的应用 51
实验3.4 光学基本仪器与训练 57
实验3.4.1 分光仪的调整及三棱镜顶角的测量 57
实验3.4.2 光栅衍射及钠光波长的测量 63
实验3.4.3 用超声光栅测定液体中的声速 66
第4章 综合及应用型实验 72
实验4.1 用扭摆法测定刚体的转动惯量 72
实验4.2 杨氏模量的测量 76
实验4.2.1 弯曲法测量横梁的杨氏模量 76
实验4.2 拉伸法测量金属丝的杨氏模量 80
实验4.3 弦音振动的研究 86
实验4.4 波尔共振的研究 90
实验4.5 液体表面张力系数的测量 97
实验4.6 介质导热系数的测定 101
实验4.7 用冷却法测金属的比热容 104
实验4.8 小型制冷装置制冷功率和制冷效率的测量 109
实验4.9 声速测量 112
实验4.10 热电偶定标与金属冷却过程的测量 116
实验4.11 通电圆线圈和亥姆霍兹线圈磁场的测量 118
实验4.12 几何光学的应用与研究 121
实验4.13 等厚干涉的研究与应用 126
实验4.14 单缝衍射的研究 131
实验4.15 光的偏振 135
实验4.16 多普勒效应的研究与应用 140
实验4.17 PN结正向电压温度特性研究 144
实验4.18 铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线 146
实验4.19 霍尔效应的研究 153
实验4.20 巨磁电阻效应及其应用 160
实验4.21 太阳能电池特性实验 166
第5章 近代物理实验 173
第6章 设计性实验 214
附录 220
参考文献 225
试读
绪论
物理学是一门实验科学。物理学新概念新规律的发现和确立主要依赖于实验物理学上的新突破也常常是基于新的实验技术和方法的发现。物理实验的方法、思维、仪器以及技术已经被普遍地应用在各个自然科学领域，乃至自然科学之外的学科。
“教育是国之大计、党之大计”，“培养造就大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计”，在党的二十大报告中，习近平总书记强调“科教兴国战略”，要“加强基础学科建设”“加强基础研究”。大学物理实验课程作为学生科学实验的基础，理应承担起立德树人的根本任务，为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人出一份力。
“大学物理实验”是理工科院校各专业的一门独立设置的必修基础课程是学生进入大学以后接受系统实验方法和实验技能训练的开端。本课程中每个实验项目都经过精心设计、安排，在加深对理论知识理解的同时，可使学生获得基本的实验知识，并在实验方法和实验技能等诸多方面提供了较为系统、严格的训练，是大学生从事科学实验的入门向导。在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，大学物理实验课程也起着潜移默化的作用，是其他实践类课程难以替代的。
0.1 大学物理实验课的任务
本课程按照《高等学校理工科本科基础课程教学基本要求》，以循序渐进的原则，学习物理实验知识、方法和技能，了解科学实验的主要过程和基本方法，为今后学习和工作奠定良好的实验基础。其具体任务是：
1.通过对实验现象的观察分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。
2.培养与提高学生的科学实验能力，主要包括以下几个方面：
（1）能通过阅读实验教材或资料，做好实验前的准备。
（2）能借助教材或仪器说明书正确使用物理实验仪器。
（3）能运用物理学理论对实验现象进行初步分析判断。
（4）能正确记录和处理实验数据，绘制曲线分析实验结果，撰写合格的实验报告。
（5）能够完成简单的具有设计性内容的实验。
3.要求学生遵守纪律，遵守操作规程，团结协作，具有理论联系实际和实事求是的科学作风、严肃认真的工作态度、主动研究的探索精神和爱护公共财产的优良品德。
0.2 如何做好大学物理实验
简单来说，做好大学物理实验要抓好三个环节：实验预习、实验过程和实验报告。
1.实验预习
预习是实验的基础，是实验顺利进行和实验质量的保障。做好预习，首先应明确本次实验的目的，知道要“做什么”在此基础之上明确实验原理实验方法的特点，以及测量的内容和注意事项，了解实验“怎么做”，哪些是直接测量量，哪些是间接测量量，用什么仪器和方法来测量，结果的误差该如何估算等。想明白这些问题之后，制定合理的实验规划，在课堂实验过程中有的放矢有针对性地进行操作和观察，及时发现和解决问题，独立完成各项任务，实现各个目标。在此基础上，上课之前完成实验预习报告。
2.实验过程
（1）按时进入实验室，不迟到早退，注意课堂秩序，不交头接耳，独立完成实验。
（2）认真检查并熟悉测量仪器，记下主要测量仪器的型号及其主要技术参数（如测量范围和精度）。
（3）根据仪器使用说明，正确安装和调整仪器；检查无误后，按实验要求进行实验；如有问题，可联系指导教师协助解决。
（4）严肃认真，胆大心细，独立操作，有条不紊。
（5）实事求是，正确记录实验数据和实验现象，需特别注意数据的有效数字。
（6）实验中要及时分析和整理数据，如有问题，应重测或补测错误的数据用一条水平线段划掉即可。原始数据整理后送指导教师签字，没有问题将电源关闭，仪器规整好，填写实验运行记录本，记录仪器设备损坏情况。
实验中强调规范操作，注意操作的安全性；学会边做实验、边检查、边分析，避免实验结束时才发现实验过程有误的现象发生。实验中出现故障时应立即控制现场（如断电、降温等），及时报告老师，分析原因，排除故障，切不可有意回避、推诿责任、擅自调换别组的仪器。因操作不当造成仪器损坏，将视情节酌情赔偿。
3.实验报告
实验报告不只是一份学生的作业，更是实验者所做的工作和成果展示。阅读者要从报告中了解实验者做了什么，根据什么做的取得了哪些观测资料，得到了什么样的实验结果，取得了什么成果或结论。实验报告应能反映实验者对所做实验的完整思路，其中特别注意实验目的、实验原理、实验结论的和谐一致，即实验中的结论应该是在原理的指导下取得的结果，来显示实验目的的达成度。
撰写实验报告字体要端正，文字要简练，数据要齐全，图表要规范，计算要准确，分析要充分、具体。要按时提交实验报告，过时无故不交者没有分数，如发现有抄袭数据或报告现象的，一律按作弊严肃处理。
0.3 关于实验报告的说明
本课程中，实验报告分为预习报告课上数据记录
前言/序言
物理学是研究物质最一般的运动规律和物质基本结构的学科，研究内容包括大至宇宙、小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律。物理学是一门实验科学，同时也是一门逻辑推理演绎的科学，是一门拥有众多分支的重要基础自然科学。
习近平总书记在党的二十大报告中指出：“教育、科技人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”实验环节在理工科人才培养过程中，起着重要作用。实验教学工作，对于人才的顺利成长创新驱动发展具有重要影响。大学物理实验作为非物理专业理工类本科生的一门实验课程，是理工科专业学生在大学接受系统实验方法和实验技能训练的开端，是提高实验能力增加对基本物理实验技能掌握的重要课程，有利于提升学生严谨的态度、科学的思想方法、分析能力和创造力对理工类的人才培养具有重要意义。通过实验训练，学生可以获得关于物理规律的感性认知，加深对物理概念、原理和定律的理解。学生在做实验的过程中，可以锻炼自己的动手能力、思维能力，验证物理假说的正确性，培养实事求是的科学态度，实验在学生培养过程中具有独特和不可替代的重要作用。
本书是在燕山大学物理实验中心所编写的前两版《大学物理实验》教材基础上，结合学校人才培养的定位和近年来实验教学的实际运行情况，加入了新的实验项目，去除了部分老旧项目，完善了部分现有仪器项目，对教材内容作了较大调整。本书共分6章，第1章和第2章重点论述了贯穿整个实验课全过程所必备的误差理论和数据处理的基本方法，统一了误差理论中对实验数据处理方法的要求。第3章为物理实验基本仪器的使用与训练，编选了9个实验项目。第4章为综合及应用型实验，编选了22个实验项目。第5章为近代物理实验，编选了9个实验项目。第6章为设计性实验，编选了6个实验项目。全书由浅人深、循序渐进，涵盖了力学、热学、声学、电磁学光学、近代物理等多方面的实验项目。对于部分难懂的实验项目，采用附录的方式对实验原理仪器结构、仪器界面操作、软件使用等予以补充说明。删除、简化了对实验原理内容理解帮助不大的知识点，力求公式推导过程简洁清晰，便于学生课下预习时能更好地理解实验测量方法，进而提高教材的整体可读性。
本书在出版过程中得到了燕山大学教务处、出版社和理学院的大力支持与帮助，得到了实验中心所有实验教师的全力支持。在此，向他们表示由衷的感谢。
由于编者的水平所限，难免存在不足和错误之处，恳请广大读者予以批评和指正。
编者
2024年10月
