本書是根據(jù)教育部高等院校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)通過(guò)的高等理科物理學(xué)專業(yè)(四年制)近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求編寫的,內(nèi)容包括:原子物理學(xué)、激光與現(xiàn)代光學(xué)、微波技術(shù)、原子光譜學(xué)、磁共振技術(shù)、真空技術(shù)、光纖通訊技術(shù)、光電子技術(shù)和顯微檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域的40個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)。全書共分七章,40個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本書著重闡述實(shí)驗(yàn)的物理思想和方法,注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng),在內(nèi)容安排和闡述形式上加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合能力的培養(yǎng),調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性,提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新意識(shí)。本書具有如下特點(diǎn):一是把傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力相融合;科學(xué)教育與人文教育相融合;二是是創(chuàng)造性地提出并實(shí)施了滲透式雙語(yǔ)教學(xué)模式,給出相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)各級(jí)題目對(duì)應(yīng)的英文表述和關(guān)鍵詞,不間斷的進(jìn)行英語(yǔ)專業(yè)詞匯的滲透,使之成為課堂教學(xué)的一部分.
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當(dāng)今世界處于信息時(shí)代,科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展、日新月異,高新技術(shù)層出不窮,而近代物理學(xué)是技術(shù)的基礎(chǔ)。沒(méi)有20世紀(jì)以來(lái)以相對(duì)論和量子力學(xué)作為理論基礎(chǔ)的近代物理學(xué)的巨大發(fā)展,就沒(méi)有今天的微型計(jì)算機(jī)、激光和光通信、核能、納米科學(xué)和技術(shù)等各種各樣的高新技術(shù)。
近代物理實(shí)驗(yàn)是繼大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)后為物理學(xué)及相關(guān)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門承前啟后的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,所涉及的物理知識(shí)面很廣,具有較強(qiáng)的綜合性和技術(shù)性。
近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,反映現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的巨大成就和進(jìn)步,而這一點(diǎn)恰恰是物理學(xué)的優(yōu)勢(shì)。理論的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)。量子論的建立與黑體輻射、光電效應(yīng)、固體比熱相關(guān)。為什么在19世紀(jì)與20世紀(jì)之交發(fā)生這場(chǎng)物理學(xué)的革命?為什么量子的概念從熱輻射這一特殊領(lǐng)域首先產(chǎn)生?重要原因就是當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)已達(dá)到相當(dāng)?shù)乃,能夠反映微觀世界的特性,如光譜學(xué)、電磁波、真空低溫和電磁測(cè)量等技術(shù)發(fā)展使人們能夠進(jìn)行熱輻射、光電效應(yīng)、低溫下固體比熱等方面的實(shí)驗(yàn)研究,從而得到一系列經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的新結(jié)果。又如電磁學(xué)的發(fā)展,麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論建立在庫(kù)侖、安培、奧斯特、法拉第等大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上。光速的不斷精確測(cè)定,使愛(ài)因斯坦思考“追光”,從而誕生狹義相對(duì)論。電磁現(xiàn)象的大量實(shí)驗(yàn),使人們發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的不對(duì)稱性。人們對(duì)以太的長(zhǎng)期探索,肯定了絕對(duì)坐標(biāo)系不存在……實(shí)驗(yàn)對(duì)理論太重要了,也許不僅在物理學(xué)上。
選擇著名實(shí)驗(yàn),介紹其設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和歷史沿革,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。有時(shí)這些介紹給學(xué)生的印象遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)驗(yàn)本身和一般知識(shí)性的內(nèi)容。如密立根證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程正確無(wú)誤,并且應(yīng)用光電效應(yīng)直接計(jì)算出普朗克常量,這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義是什么?他解決了什么技術(shù)關(guān)鍵?里德伯常量至今還在測(cè),只是由于激光光譜學(xué)的發(fā)展,這個(gè)常量越測(cè)越精。一代物理宗師葉企蓀曾對(duì)普朗克常量進(jìn)行了反復(fù)測(cè)量,得到了20世紀(jì)20年代最精確的普朗克常量數(shù)據(jù),給物理學(xué)深入研究原子結(jié)構(gòu)、粒子、反物質(zhì)等微觀結(jié)構(gòu)提供了更加精確的能量子自然單位。
在近代物理實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)中以堅(jiān)持傳授知識(shí)與培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力相結(jié)合,堅(jiān)持近代物理實(shí)驗(yàn)虛擬和實(shí)物儀器相結(jié)合,堅(jiān)持滲透式的雙語(yǔ)教學(xué)原則,建立了近代物理實(shí)驗(yàn)課程立體化、信息化的體系,包括近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)的建立,近代物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè),開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè),明顯地提高了教學(xué)質(zhì)量,取得了一定的成績(jī)。大連民族大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)教材是學(xué)校的校本特色教材,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心取得了遼寧省示范中心和遼寧省首批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示范中心。本教材的編寫,是我們多年來(lái)教學(xué)改革成果的總結(jié)。
本教材具有以下幾點(diǎn)主要編寫特點(diǎn)。
。1)本教材做到傳授知識(shí)與培養(yǎng)創(chuàng)新能力相融合、物理思想教育與科學(xué)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(xué)獎(jiǎng)的著名實(shí)驗(yàn)和在近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的典型實(shí)驗(yàn)為教學(xué)內(nèi)容,通過(guò)這些代表人類智慧的創(chuàng)新范例,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新意識(shí),讓他們了解科學(xué)家如何繼承前人,如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,如何巧妙構(gòu)思,如何改進(jìn)提高技術(shù),如何創(chuàng)新。這些實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生直觀生動(dòng)地學(xué)習(xí)在近代物理學(xué)發(fā)展中起重要作用的實(shí)驗(yàn),領(lǐng)會(huì)大師們的物理思想和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想,進(jìn)一步鞏固理解已經(jīng)學(xué)的理論知識(shí),掌握近代物理的基本原理、科學(xué)儀器的使用和典型的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù),而且可以掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一些不可缺少的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù),了解近代實(shí)驗(yàn)技術(shù)在許多科學(xué)研究領(lǐng)域與工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練,還有助于開(kāi)闊學(xué)生的視野,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)研究能力以及嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)精神。在教材中闡述基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí),如遇到物理學(xué)史上的重要人物和重大事件,向?qū)W生作簡(jiǎn)要介紹,目的是使學(xué)生對(duì)于相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)的背景資料有更進(jìn)一步的了解,以激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。
(2)近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)物儀器和虛擬仿真相結(jié)合開(kāi)展教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的內(nèi)涵延伸。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)。這種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)訓(xùn)過(guò)程具有形象生動(dòng)、可操作性強(qiáng)、高效和安全等特點(diǎn),大大增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情,是提高教育質(zhì)量的一個(gè)有效方法和途徑。
在遼寧省首批大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)立項(xiàng)的基礎(chǔ)上,加大近代物理仿真虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)力度,開(kāi)發(fā)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)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(xùn)練等情況時(shí),提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,如v能譜實(shí)驗(yàn)、電子自旋共振實(shí)驗(yàn)等。
(3)進(jìn)行滲透式雙語(yǔ)教學(xué)。針對(duì)絕大部分本科生目前不適應(yīng)英文原版教材教學(xué),而未來(lái)就業(yè)發(fā)展和終生教育又要求他們具有一定雙語(yǔ)能力的實(shí)際問(wèn)題,提出并實(shí)施了滲透式雙語(yǔ)教學(xué)模式,給出相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)的各級(jí)題目的英文對(duì)應(yīng)表述和關(guān)鍵詞,使學(xué)生都能在符合自己水平的雙語(yǔ)模式中受益,實(shí)現(xiàn)了學(xué)生專業(yè)英文語(yǔ)匯附帶習(xí)得。將滲透式雙語(yǔ)教學(xué)貫穿于教材始終,不間斷地進(jìn)行英語(yǔ)專業(yè)詞匯的滲透,使之成為課堂教學(xué)的一部分,對(duì)每節(jié)課所滲透的專業(yè)語(yǔ)匯數(shù)量而言是分散式的;對(duì)不增加學(xué)時(shí)也不影響學(xué)科進(jìn)度而言是高效式的;對(duì)學(xué)生習(xí)得方法而言是沐浴式的。既能豐富學(xué)生的專業(yè)詞匯,又能增強(qiáng)學(xué)生的注意力,也能加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解記憶,可達(dá)到教與學(xué)質(zhì)量的雙重提高。
本書精選了原子物理學(xué)和原子光譜學(xué)、激光與現(xiàn)代光學(xué)、微波技術(shù)、磁共振技術(shù)、真空技術(shù)、光纖通信技術(shù)、光電子技術(shù)和顯微檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域的40個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中,有些是在近代物理學(xué)發(fā)展中起過(guò)重要作用的著名實(shí)驗(yàn),甚至有的其首先完成者獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),它們能使學(xué)生了解前人的物理思想和探索過(guò)程,并從中受到很大啟發(fā)。
本書的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及注意事項(xiàng),以便學(xué)生清楚地了解該實(shí)驗(yàn)的物理思想,能自己擬出實(shí)驗(yàn)步驟,獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是由于近代物理實(shí)驗(yàn)和普通物理實(shí)驗(yàn)相比有一定的難度,內(nèi)容也涉及比較多,一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作4~8小時(shí),所以同學(xué)在做實(shí)驗(yàn)之前,一定要認(rèn)真預(yù)習(xí),查閱資料,做到實(shí)驗(yàn)之前心中有數(shù),以便順利地完成實(shí)驗(yàn),收到預(yù)期效果。
目錄
前言
第1章 緒論1
Chapter 1Introduction
1.1 如何學(xué)好近代物理實(shí)驗(yàn)課1
1.1 How to learn modern physics experiments
1.1.1近代物理實(shí)驗(yàn)課程的目的和任務(wù)(Objective and task of modern physics experiments)1
1.1.2近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)(Teaching content and characteristics of modern physics experiments)1
1.1.3怎樣做好近代物理實(shí)驗(yàn)(How to do modern physics experiments)2
第2章 誤差理論與數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)知識(shí)8
Chapter 2 Error theory and basic knowledge of experiment data processing
2.1 測(cè)量誤差8
Section 2.1 Measurement error
2.2 隨機(jī)變量的概率分布11
Section 2.2 Probability distribution of random variable
2.3 隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn) 3.1 光譜分析基本知識(shí)23
Experiment 3.1 Basic knowledge of spectral analysis
實(shí)驗(yàn) 3.2 氫、氘原子光譜實(shí)驗(yàn)26
Experiment 3.2 Hydrogen and deuterium atom spectra experiment
實(shí)驗(yàn) 3.3 傅里葉變換光譜實(shí)驗(yàn)30
Experiment 3.3 Fourier transform spectroscopy experiment
實(shí)驗(yàn) 3.4 用電視顯微油滴儀測(cè)電子電荷36
Experiment 3.4 Electron charge determination using Millikan oil-drop apparatus
實(shí)驗(yàn) 3.5 塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)44
Experiment 3.5 Zeeman effect experiment
實(shí)驗(yàn) 3.6 法拉第效應(yīng)51
Experiment 3.6Faraday effect
實(shí)驗(yàn) 3.7 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)55
Experiment 3.7Frank-Hertz experiment
實(shí)驗(yàn) 3.8 拉曼光譜實(shí)驗(yàn)59
Experiment 3.8 Raman spectroscopy experiment
實(shí)驗(yàn) 3.9 黑體輻射實(shí)驗(yàn)65
Experiment 3.9Blackbody radiation experiment
實(shí)驗(yàn) 3.10 光電效應(yīng)法測(cè)普朗克常量71
Experiment 3.10 Planck constant determination by photoelectric effect
實(shí)驗(yàn) 3.11材料形貌的掃描電子顯微鏡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)78
Experiment 3.11Materials morphology observation byscanning electron microscope
實(shí)驗(yàn) 3.12 原子力顯微鏡的材料表面形貌表征實(shí)驗(yàn)81
Experiment 3.12 Materials surface morphology characterization by atomic force microscope
實(shí)驗(yàn) 3.13 NaI(Tl)單晶γ閃爍譜儀與γ能譜測(cè)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(shù)與近代光學(xué)96
Chapter 4 Laser technology and modern optics
4.1 激光原理預(yù)備知識(shí)96
Section 4.1 Basic knowledge of laser principle
實(shí)驗(yàn) 4.2 半導(dǎo)體泵浦激光原理實(shí)驗(yàn)103
Experiment 4.2 Semiconductor pump laser principle experiment
實(shí)驗(yàn) 4.3 氦氖激光器高斯光束光強(qiáng)分布與發(fā)散角測(cè)量109
Experiment 4.3 Measurement of He-Ne laser Gaussian beams light intensity distribution and divergence angle
實(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn) 4.5 YAG激光器的電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)130
Experiment 4.5 YAG laser electro-opticQ-switching experiment
實(shí)驗(yàn) 4.6 Nd3+:YAG激光器的倍頻實(shí)驗(yàn)134
Experiment 4.6Nd3+:YAG laser frequency doubling experiment
實(shí)驗(yàn) 4.7 激光相位測(cè)距實(shí)驗(yàn)141
Experiment 4.7 Laser phase distance measurement
實(shí)驗(yàn) 4.8 晶體的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)147
Experiment 4.8 Crystal electro-optic effect experiment
實(shí)驗(yàn) 4.9 準(zhǔn)分子激光器實(shí)驗(yàn)157
Experiment 4.9 Excimer laser experiment
實(shí)驗(yàn) 4.10 激光打標(biāo)實(shí)驗(yàn)162
Experiment 4.10Laser marking experiment
實(shí)驗(yàn) 4.11表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)171
Experiment 4.11 Surface magneto-optic Kerr effect experiment
第5章 微波實(shí)驗(yàn)183
Chapter 5Microwave experiments
5.1 微波技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)183
Section 5.1 Basic knowledge of microwave technology
實(shí)驗(yàn) 5.2 微波測(cè)量系統(tǒng)及駐波比的測(cè)量188
Experiment 5.2Microwave measurement system and standing-wave ratio (SWR) measurement
實(shí)驗(yàn) 5.3 用諧振腔微擾法測(cè)量微波介質(zhì)特性193
Experiment 5.3 Microwave dielectric properties measurement by resonant cavity perturbation method
第6章 磁共振技術(shù)196
Chapter 6 Magnetic resonance technique
實(shí)驗(yàn) 6.1 核磁共振196
Experiment 6.1Nuclear magnetic resonance
實(shí)驗(yàn) 6.2 脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)203
Experiment 6.2 Pulsed nuclear magnetic resonance experiment
實(shí)驗(yàn) 6.3 電子順磁共振實(shí)驗(yàn)213
Experiment 6.3 Electron paramagnetic resonance experiment
第7章 真空技術(shù)225
Chapter 7Vacuum technology
7.1 真空技術(shù)基本知識(shí)225
Section 7.1 Basic knowledge of vacuum technology
實(shí)驗(yàn) 7.2 真空的獲得與測(cè)量230
Experiment 7.2 Obtain and measurement of vacuum
實(shí)驗(yàn) 7.3 真空蒸發(fā)鍍膜實(shí)驗(yàn)238
Experiment 7.3 Vacuum evaporation coating experiment
第8章 光纖通信技術(shù)246
Chapter 8 Optical fibre communication technology
8.1 光纖通信簡(jiǎn)介246 Section 8.1
Introduction of optical fibre communication
實(shí)驗(yàn) 8.2 音頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)250
Experiment 8.2 Audio signal optical fiber transmitting technology experiment
實(shí)驗(yàn) 8.3 數(shù)字信號(hào)光纖傳輸技術(shù)實(shí)驗(yàn)259
Experiment 8.3 Digital signals optical fiber transmitting technology experiment
第9章 微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及顯微觀測(cè)技術(shù)269
Chapter 9 Weak signal detecting technique and micro-observation technology
實(shí)驗(yàn) 9.1 鎖相放大器原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)269
Experiment 9.1 Principle and application of lock-in amplifier experiment
實(shí)驗(yàn) 9.2 單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)272
Experiment 9.2 Single photon counting experiment
實(shí)驗(yàn) 9.3 掃描隧道顯微鏡(STM)282
Experiment 9.3 Scanning tunneling microscope (STM)
實(shí)驗(yàn) 9.4 雙光柵微弱振動(dòng)測(cè)量?jī)x288
Experiment 9.4 Double grating weak vibration measuring instrument
附錄294
Appendix