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课程简介 教师队伍  

■ 课程简介
课程名称: 基础物理实验 一级学科:  07 理学
二级学科: 0702 物理学类 教学层次:  本科
负责教师: 朱鹤年 学校名称:  清华大学
院系名称:   申报状态:  已获奖
申报级别: 国家级 申报文件下载:  无下载文件
获奖名称: 获奖年度:  2005
主页地址: http://166.111.92.13/apply/teacher/course_preview_index.jsp?curid=74&coursename=基础物理实验&curstyle=peac 是否交换: 
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课程介绍:

课程教学内容与学时安排1(理科)
基础物理实验课程(1)内容和教学安排(32学时)
1.??? 课程春季学期开6组出研究性组合实验(主要用其基本部分)和引力常量测量等实验,组成基本循环实验。课表按照单双周排列。
每人做4~6个基本循环实验(4学时),完成3份完整的实验报告
2.??? 要求中学实验训练少部分同学自选开放式预修实验(课外开放时完成,不计学分学时)
3.??? 开放时间完成2~4的循环轮空的基本实验或其它任选实验(4学时)
4.??? 鼓励同学在基本实验完成后作研究性组合实验的研究层次内容。
5.??? 第1~2周为绪论课教学,同时自学教程第2、3、5章的指定小节内容,在第5周之前完成以误差分析、不确定度估计为主的数据处理练习。
基础物理实验课程(2)内容和教学安排(32学时)
6.??? 课程春季学期开9组出研究性组合实验(主要用其基本部分),组成基本循环实验。课表按照单双周排列。
每人做3~4个基本循环实验(4学时),完成2份完整的实验报告
7.??? 开放时间完成1~2个循环轮空的基本实验或其它任选实验(4学时)
8.??? 要求同学在现有近20组研究性组合实验中至少自选一的完成实验及研究性大报告(一般实验室时间约为10~14学时)
9.??? 第1~2周为大课教学(2学时),将误差理论的主要物理思想、多元回归提纲等,上一学期暑假前以布置自学教程第7、8章,要求开学后地5周前完成粗差及多元回归习题。
10.第11周左右大课教学(2学时)讲述系统误差分析概要。要求在学期末交一份不少于800字、不多于5页的有关系差分析及实验改进的小论文(物理专业除外)。
11.对个别实验技能优秀的同学开展因材施教。
基础物理实验课程(3)内容和教学安排(64学时)
12.每人完成3个左右任选实验(4组)
13.每人完成3组研究性组合实验,交两份大报告。
14.讲一次大课,关于测量实验设计问题,要求在学期末交一份不少于1200字、不多于5页的有关实验设计或系差分析及实验改进的小论文。
15.开始一系列大实验小课题研究,(容纳学生数目前约?20人,免做2组研究性组合实验及相应大报告),交小课题研究报告
16.安排学习较好且后续课不选修近代物理实验的基础科学班部分同学从教学计划中抽出?24学时左右上专门的近代物理实验(其它课内学时相应减少)
附录1. 部分研究性组合实验选题简介
??? 在多数研究性组合实验中包含有可以作为基本循环实验的内容与层次,基本实验与后续研究性实验层次的主要仪器设备相同。部分研究性组合实验或大报告实验内容的参考选题简介见下表。
? ?
?? ????部分研究性层次或内容的简介或特色(一般未介绍基本实验内容)
1
波耳共振仪实验
??? 实验研究、理论分析三种方法(振幅衰减法和幅、相频方程直线化拟合法)测阻尼比 的结果之间的差异(最佳估值不同、区间 交叠),探讨物理特性、测量条件、模型近似和算法近似造成这些差异的原因;
??? 小阻尼时部分幅、相频曲线的延拓。
2
质量热容的测量
??? 设计一种或两种实验方法对两种对流散热模型(5/4次方与牛顿模型)比较研究,探讨在具体实验装置下的最佳散热模型方程;
??? 基本用现有仪器设计一种不同的质量热容测量方法;
??? 用蒙特卡洛法理论探讨散热模型误差影响,散热方程中的常量的测量误差影响;
3
用传感器测空气相对压力系数
??? 实验用两种温度传感器(铜和铂)特性的比较研究;
??? 玻泡内含水滴对实验结果影响的理论分析和实验;
??? 初始压较高时漏气速率估测及其对实验结果的影响分析。
4
伏安特性测量与戴维南定理的实验研究
??? 因仪器限制伏安法测12kΩ的相对不确定度 。探讨在相同仪器条件下(不限仪器数量)的不同改进测量方法和最佳测量条件。能否将 降到5%、2%、1%以下,甚至降到0.5%、0.2%以下?(设电源的短期稳定性优于0.05%)
5
冲击法测电容与磁通密度
??? 电流计的阻尼特性测量与机电特性关系的研究,探讨、比较测量内阻及外临界电阻的不同方法。
??? 用冲击法测量不同初始动量钢球与平板碰撞的碰撞时间,半定量讨论实验结果与所查阅的碰撞理论模型之间的关系。
6
用测角仪测棱镜顶角与折射率
??? 非最小偏向角法与基本实验方法的测量比较与理论比较;
??? 多种顶角测量方案的实验比较与不确定度的比较分析(部分方案要考虑平行光管等的像差影响)?
7
光栅衍射与氢光谱测量
多级衍射测量数据的加权拟合,用高品质光栅测氢光谱求里德堡常量(用参考光谱非线性内插以提高波长测量准确度)。
旋转样片干涉法测量液晶空盒盒厚(用半导体激光光源,用回归数据处理方法)
8
内调焦物镜组与变倍显微镜的原理实验
??? 用平行光管测量凸、凹透镜的焦距;实验研究、学习内调焦物镜组与变倍显微镜的原理与调整变化规律;研究调焦误差(由视差、不同调节判据、调节细度等引起)对透镜焦距测量的影响;(实验研究照相物镜景深与光圈、物距的关系)。
9
光栅单色仪测钕玻璃的吸收曲线
??? 观测相距0.2nm两谱线,选用一定判据与测量方法,研究单色仪标称分辨率、理论极限分辨率与实测估算分辨率之间的关系。通过外特性粗测深入了解单色仪正弦机构等结构参数与原理。
10
钨带灯的特性研究
? ??用单色仪、光点探测器等测量、研究不同电流下钨带灯的电流?电阻?温度特性(含伏?安特性)、温度?相对光谱特性等,考虑高温测量中探测器与仪器的综合光谱特性的影响,初步建立阅钨带灯的简化散热模型。
11
迈克尔逊干涉仪实验
??? 用白光条纹法测量玻璃片的折射率;
??? 傅立叶光谱仪的原理与光源光谱测量(套用EXCEL中的FFT程序计算)
12
半导体热敏电阻的特性研究
??? 详见下文的教材提纲
13
用比较法研究测量三种温度传感器的特性
??? 基本内容:用恒温槽、稳定电源、电阻及多只数字面板表作比较法测量,包括微差法与零差法(补偿法)。由纯水冰点及铂电阻高次方程确定温度,测量热电偶与温敏二极管电压,计算它们的一次与二次回归方程的参数,讨论二次模型的优点。
??? 研究性内容有比较测量方法的深入实验研究;二极管温度特性与电流参量的关系与建模探索、定内阻稳压源供电能改善二极管输出线性的实验与理论初析。我们还将增加其它热电效应的实验环节。
14
功函数的测量
??? 可以替代里查逊直线法的多种数据处理方法的比较;实验室用电流?温度经验关系的问题及改进探讨;实验中阳极电压的合理取值范围探讨;测量功函数的其它方法的实践与探索。
15
自组交流电桥实验与PZT导纳圆的测量
??? 由简要提示查阅文献或教材搭建几种类型的交流电桥,研究不同被测对象的最佳电桥形式与参量,分析频率、电容寄生参数等对测量的影响;
??? 用示波器测量PZT的导纳圆,比较对静态电容多种不同测量方法的结果。
16
气体、液体与固体中的声速测量
??? 基本内容:准行波相位法与振幅极值法测量空气中的声速。
??? 研究性内容有脉冲法测声速;小容器中液体声速的多种测量方法、频率与测量结果的关系探讨、噪声与异常现象(等效声源反向、寄生震荡等)的观察与初步分析;对不同长度的同直径固体棒测量声速、查阅文献并学习短圆柱中不同振动模式(有不同的声速规律)的简要理论、分析测量结果。
17
偏振光学系列实验
??? 偏振光学原理的学习与基本实验(包括消光比的测量,反射时的偏振面旋转);
??? 椭圆偏振法测量波片透射特性与金属表面反射特性;
??? 旋转晶体法测量晶体光轴与表面的夹角。
18
多种电阻的测量方法比较研究
??? 用多种限定类型的测量方案测微安表内阻; 测量废标准电池内阻、稳压电源准静态(和动态)内阻、稳流源内阻、开关接触电阻的分布特征、材料的电阻率、ITO玻璃的方块电阻等。测量研究数字面板表“视在内阻”与外电路参量有关的现象。
19
粘度测量方法的比较与研究
??? 用旋转法、毛细管法与落球法测量甘油、盐水等的粘度或对粘度计定度;测量甘油的粘度温度关系并用回归方法建立合理的粘温方程;分析研究不同对象、不同方法、不同条件或参量下的粘度测量的误差分量、修正系统误差、估计不确定度。
20*
赛曼效应(待开出)
??? 限非物理专业学生选,在研究中,待开出。
21*
恒定电流场模拟的实验(待开出)
平面二维直角坐标中及三维的静电场模拟(基本部分);
导体圆柱接地电阻和电场分布的模拟测量。用稳恒电流场模拟几种轴对称或特殊的二、三维稳态导热热流场与不可压缩流体的流速场分布。探针球形电极假定下的压陷效应及其对半导体电阻率(四探针法或两探针法)测量结果的影响分析。
柱坐标中二维稳态导热场的测量研究与模拟。(准备开出)
附录2 其它任选实验实验题目及说明
?
题目
简介或说明
1
弹簧振子的研究
??? 结合实验数据处理,自学教材,学会一般直线拟合、过原点直线拟合、加权直线拟合的概念与方法。
2
弦振动实验
学习正交设计的初步方法。准备再排出非线性柔弦振动的实验观测内容
3
扭称法测引力常量
???
4
密立根油滴试验
?
5
空间滤波与光学信息处理的应用
?
6
数码相机实验
??? 数码相机的使用;实验室测量物镜孔径、物距与景深的关系;被测色块的初步色度分析。
7
阿贝成像实验
?
8
弹性模量的拉伸法与动态测量方法
??? 借用工科实验资源
附录3 部分初级或预修实验 (每组摆出2~4套)
?
题目
简介或说明
1
直流电桥测电阻
?
2
示波器的初步使用与李萨如园观测
?
3
锡熔点温度的测量
?
4
基本长度测量、质量测量与时间测量的仪器与器具
?
5
单缝衍射光强分布的观测
?
6
直线拟合法测量材料的线胀系数
部分借用工科实验资源
7
牛顿环的观测实验
借用工科实验资源
8
三线摆与转动惯量的测量
借用工科实验资源
9
凸透镜焦距的测量
部分借用工科实验资源
附录4 近三年提出的部分小实验物理研究课题 (每组约可容2名学生)
?
题目
补充说明
200101
研究弹性模量动态测法中激励点偏离节点的影响
教学改进研究
200102
交流电子稳压器的原理及维修
?
200103
弦振动非线性模式的激发观测和计算分析
为开出研究性组合实验作准备
200104
测温二极管时变信号的计算机实时采集接口及程序
?
200105
比热实验中不同传热物理模型的比较研究
为开出研究性组合实验作准备
200106
半导体热敏电阻自热效应的模型改进与等效参量条件研究
为开出研究性组合实验作准备
200107
“冷聚变”可能性探索中微温差测量方法的改进研究
?
200108
分光计度盘、照(瞄)准、估读3误差分量的规律研究
教学改进研究
200109
(LCD)液晶用PI导电膜厚度与复折射率的测量方法探索
?
200110
液晶高折射率测量方法的初步探索
?
200111
清华园地区噪声分布部分规律的调研与探索
?
200112
水中常见矿物质含量与电导率的关系,现有检测法的调研
?
200113
清华园地区放射性情况的初步测量统计(涉核实验室除外)
?
200114
高精度稳流电源的研制与测试
?
200115
实验室四台550 mm平行光管的状态调整与参量检查
教学改进研究
200116
万有引力常量实验中的问题研究
为实验改进作准备
200117
用斩波稳零运放的冲击电流计过载保护装置
教学改进研究
200118
格拉布斯判据优点的蒙特卡洛方法比较和理论推演
?
200119
均匀分布合成的一般公式与覆盖因子
?
200201
“冷聚变” 可能性探索中的部分传热学模型的建立与测量
继续题目
200202
甘油温度、含水率与密度、折射率、粘度、表面张力、相对介电常数的综合物性关系研究?
为开出研究性组合实验作准备
200203
数码相机的a图像分辨率测量;b景深、焦距、光圈关系实验;c准备色度学测量和训练的方法和条件,d低频振动的动态图像获得
通过课题排出的新实验
200204
付立叶光谱试验的编码器件信号采集与处理;光电接收信号转换,FFT数据的处理准备
改造实验
200205
a气浮转盘扭摆、最小阻尼比测与探索;b设计调试步进电机控制的周期驱动方案;c气浮扭摆法测内耗的部分探索实验研究
排新实验
200206
固体柱坐标系准一维非稳态导热的实验、数值计算及b数据采集准备; c液体中热丝法,d对称圆盘法测λ与C .
排新实验
200207
稳定的弦振动非线性模式的获取条件研究
改造实验
200208
a钨带灯实验中多元回归算法和病态矩阵的解决
改造实验
200209
逸出功灯丝温度的准确标定
改造实验
200210
a不可压缩流体场的电模拟和流速测量探索,b在原有基础上进一步排出静电模拟实验,交大江潮模型的改进
?
200211
冰箱中的杯中水的结冰过程和温度分布? 1-
?
200212
比较法测量硬水(矿泉水)的密度(方法研究和改进)、电导率和有关指标的关系
?
200213
热敏电阻动态信号的自动采集和处理的探索
实验改造用
200301
半导体二极管特性的深入研究
?
200302
斩波稳零运放作可部分取代冲击电流计的高精密度电子积分器
实验改造用
200303
热水冷水谁先结冰?姆贝巴效应是伪科学吗?
继续探索
200304
付立叶变换的数据采集与实验条件确定
实验改造用
200305
功函数电子管的阴极温度的规律探讨与其它测量方法
实验改造用
200306
数字滤波一(多元回归或FFT)-编程为主
结合科研中的问题
200307
液体中声速测量的异常现象(等效声源反向)及最佳选用频率的研究
实验改造用
200308
锗半导体电阻率的测量(四探针法与边界条件的关系;点电极与半球电极的关系;静电模拟)??????
实验改造用
200309
热敏电阻动态信号的自动采集和处理的探索
实验改造用
200310
赛曼效应实验仪器的改进研究;自动圆坐标的获得与拟合
实验改造用
200311
213~216数据量的教学用FFT程序
实验改造用
??
课程教学内容与学时安排2(工科)
说明:
1.物理实验课程每学期开出14?18组物理实验,学生应做8组(第一学期加一次绪论课)。每学期开出的14?18组实验中,6?8组为必修,组成大循环作为跟班实验,学生做其中的5个左右,其余全部为选修实验,由学生一学期内在网上自由选课。选修实验分两类:限选和任选。一般限选实验仪器套数较多,实验内容比较系统。任选实验自主性研究性内容较多,有些仪器套数较少。
2.每组实验基本内容是课内必须完成的内容,设计性研究性内容则开放程度较高,学生和任课教师有一定选择性,且不同学期实验内容会有所变更。
3.第一、第二学期实验不可跨学期选课。目前第一学期为秋季学期,第二学期为春季学期。
4.学分数:物理实验(1)2学分,物理实验(2)2学分。另外两学期中对于愿意多选实验和参与自主性研究性实验强化训练的同学自动设置物理实验(选)1~2学分,课程号为30430031,30430042。
物理实验课程内容(第一学期)
序号
实验名称
类型
学时
实验基本内容
设计性、研究性内容
0
物理实验绪论
必修
3-4
绪论;测量误差、数据处理和不确定度估算的基础知识。
?
1
电桥法测电阻和铜丝电阻温度系数
必修
4
电桥法测电阻和铜丝电阻温度系数;双桥测小电阻、测金属棒电阻率
热敏电阻电阻温度特性研究;设计电阻温度计。
2
示波器的原理和使用、声速测量
必修
4
示波器工作原理,波形测量基本方法,利萨如图测量;用相位法或共振法测量空气中的声速。
根据电容充放电原理,研究方波与三角波、尖脉冲之间的关系;共振法测电感、电容等。
3
灵敏电流计
3、4
二选一
4
观测电流计阻尼运动特性、估测临界电阻;用不同方法测量电流计的内阻;测电流计电流分度值。
利用所研究的电流计设计电路测量一高阻的阻值。
4
电学元件伏安特性的测量
3、4
二选一
4
线性元件、非线性元件伏安特性的测量;分压电路及其调节特性的研究;伏安法测电阻时内接、外接电路的选择。
多元件有源电路伏安特性、等效电源定理等。
5
透镜焦距的测定
5、6
二选一
4
物距像距法(共轭法)、平行光管法(焦距仪)测凸透镜焦距;自准法测凹透镜焦距;凹透镜成像规律的研究。
用焦距仪测凹透镜的焦距的实验方法设计与研究;组合透镜的焦距测量。
6
望远镜和显微镜
5、6
二选一
4
望远镜的组装与视放大率的测量;显微镜的设计与视放大率的测量。
望远镜实验中两种视放大率与物距的关系研究。
7
分光计的调节和色散曲线的测定
必修
4
分光计的调节;最小偏向角测三棱镜材料的折射率、色散曲线。
三棱镜顶角的测量;极限折射角方法测材料的折射率。
8
用传感器测空气相对压力系数
必修
4
电阻温度传感器、压力传感器的定标;测量室温到水沸点之间定容气体压强与温度变化的直线,进行直线拟合求空气相对压力系数
空气相对压力系数仪器常数v/V的测定方法研究。
9
弹性模量的测量、动力学法测杨氏模量
限选
4
用静态拉伸法、动力学法(测样品弯曲振动基频共振频率)测杨氏模量并估算不确定度;基本仪器(游标卡尺、螺旋测微计、天平、测微目镜)的使用。
动力学法二次谐波的观察、修正系数的确定。
10
线胀系数的测量、三线摆和扭摆
限选
4
金属杆状样品的线胀系数的测量;用三线摆测物体的转动惯量;基本仪器(游标卡尺、游标高度尺、天平)的使用、光杠杆的调整。
用扭摆法测定的转动惯量和切变模量。
11
阻尼振动与受迫振动
限选
4
波尔共振仪的使用;测量不同阻尼时的阻尼比及固有角频率;测定受迫振动的幅频特性和相频特性曲线。
振动系统过渡过程的观测。
12
比热容的测量
限选
4
测量液体的比热容;传热和控温的研究。
?
13
黑白摄影与放大
限选
4
了解照相机的原理、构造,使用方法;初步掌握黑白摄影、放大和暗室技术。
?
14
数字电阻温度计设计研究
任选
4
碳膜电阻、铂电阻电阻温度特性参数测量;设计和组装非平衡电桥,参数选择使输出线性化,实现电子数字温度计功能并分析其准确性。
?
15
传感器特性研究
任选
4
测温二极管、电阻温度传感器、压力传感器等温度特性、伏安特性的研究。
?
16
液体粘度的测量
任选
4-8
了解、研究、比较用四种不同方法(落球法、旋转法、毛吸管法等)测定蓖麻油的粘度或粘温特性等。
?
17
液体中的声速的测量
任选
4-8
了解超声光栅的形成原理;研究利用光栅衍射法、阿贝成像法测液体中的声速等。
?
18
比热容比的测量
任选
4-8
设计实验方案进行空气比热容比的测量;研究温度传感器AD590、硅压力传感器的定标和线性。
?
20
6A509选修实验
任选
4
约10-15个实验,包括固体热导率测量、 静电场模拟、电子积分器测电容、阿贝折射仪、光纤传感器、微波光学、光电效应测普朗克常数等
每次实验4学时。每个实验1~2套仪器。
物理实验课程内容(第二学期)
序号
实验名称
类型
学时
实验基本内容
设计性、研究性内容
1
电学设计性实验
必修
4
设计方案研究、比较用不同方法(电桥法、替代法、比较法、自组变形桥法)测微安表内阻;进行微安表的双量程改装并校表。
自己设计实验方案;数字表头的阻抗测量与扩程。
2
冲击电流计测磁化曲线、用示波器测量动态磁滞回线
3、7
二选一
4
冲击电流计的原理与使用及铁磁材料磁化曲线的测定;动态饱和磁滞回线的测量与B、H的标定。
用电子积分器测磁化曲线等。
3
压电元件阻抗导纳圆的测量
必修
4
确定压电元件等效电路,测量压电元件在共振频率附近的导纳圆,测定压电元件的R、C、L、Q等值。
互感耦合电路中副边回路对原边影响的研究。
4
弗兰克?赫兹实验
4、5
二选一
4
测量汞或氩原子第一激发电位;学习用计算机进行数据采集的方法。
研究实验参数改变对激发电位的影响;研究第一峰位与第一激发电位的关系。
5
逸出功的测量
4、5
二选一
4
了解、掌握利用热电子发射里查逊直线法测钨电子逸出功的方法,学会用半对数坐标纸画图、求逸出功。
自己进行实验线路设计与比较等;研究保护极对测量结果的影响。
6
光栅衍射实验
必修
4
巩固分光计的调整、垂直入射时的光栅衍射知识;测量光栅常数、光波波长。
利用斜入射光栅衍射方程或最小偏向角法测量光波波长。
7
用牛顿环测曲率半径、双棱镜干涉实验
3、7
二选一
4
用分波阵面法、分振幅法实现干涉;了解等厚干涉并掌握用牛顿环测曲率半径;用双棱镜干涉测量光波波长。
等厚干涉的其它应用;研究准确测量双虚光源间距的方法等。
8
磁场分布测量、用霍尔元件测磁场
限选
4
研究圆电流的磁场、亥姆霍兹线圈的磁场;用霍耳元件测电磁铁磁场。
剩磁的测量;不等位效应对测量的影响和消除方法的研究。
9
氢原子光谱的研究
限选
4
通过测量氢的巴尔末系谱线测量里德堡常数;掌握棱镜光谱仪的调整和使用;学习非线性拟合的方法。
用光谱方法测量其它元素的灵敏线。
10
吸收光谱实验
限选
4
光学材料吸收光谱的测量、吸收系数的确定;光栅单色仪的使用和调整;单色仪外光路的设计。
用比较法测量钕玻璃片的厚度。
11
偏振光学实验
限选
4-8
理解偏振光的几种形态与描述方法;进行偏振片器件特性与位相延迟波片器件特性的研究等;掌握不同偏振光的产生与检测方法。
观察反射光偏振面的旋转现象;研究用椭偏法测相延。
12
迈克尔逊干涉仪调整、测空气折射率
限选
4
了解迈克尔逊干涉仪的结构特点、学习迈克尔逊干涉仪的调整方法;利用等倾干涉条纹测钠光波长;用迈克尔逊干涉仪测空气折射率。
调出白光干涉条纹、测量玻璃片厚度等
13
霍耳效应实验及核磁共振法测磁场
限选
4
霍耳电压的测量,霍耳元件电导率的测量;核磁共振法标定磁场;不确定度的计算。
霍耳片载流子类型的判别。
14
音频信号光纤通信原理
限选
4
光电二极管SPD和发光二极管LED的工作特性测量;光纤通信系统调整、幅频特性测量等。
光纤通信系统工作点和信号失真研究。
15
CT技术原理实验
任选
4
γ射线与物质的作用、γ能谱的测量;CT实验装置调整与成像。
图像重建的算法过程。
16
相对论效应
任选
4
γ能谱仪的调整和使用;快速电子动量能量关系的测量
γ能谱测量的相关应用。
17
低温超导实验
限选
4
氧化物超导导线临界温度的两种测量方法;低温技术在实验中的应用;低温温度计的特性和校正方法。
感应法测量材料不同的超导相的方法;Si二极管温度计和能隙。
18
6A509选修实验
任选
4
10-15个实验,包括CCD光栅光谱仪、电光效应、声光效应、电路中的混沌现象、He-Ne激光器纵横模频率间隔的测量、激光点光源干涉法测量微小平行差、F-P干涉仪测波长差等。
每次实验4学时。每个实验1~2套

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