所在位置: 普通物理实验AI
Experiments in General Physics AI
【课程编号】GEN04136 | 【所属模块】 数理基础与科学素养 |
【学分数】2 | 【适用专业】 物理学/天文学/理科类专业 |
【开设学期（春季、秋季、夏季小学期）】 二 | |
【已开设次数】 36 | 【建议选课人数】 100-200 |
【授课教师职称】副教授/教授 | |
【授课教师联系方式】xwli@bnu.edu.cn （李晓文） | |
【开课单位】物理学系 | |
【先修课要求】 普通物理理论课 | |
一、课程简介
课程目的：
普通物理实验是一门重要的基础实验课程。其教学目的是为了让学生受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，养成良好的实验习惯。培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力。提高学生的科学素养，培养学生实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，积极向上的人生态度，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德。
基本要求：
通过基础实验，让学生学习基本物理实验方法和测量技术，熟悉基本物理实验仪器的工作原理和使用方法，学习实验数据处理和分析的基本方法。
通过实验预习，培养学生查阅文献、阅读资料，选择、拟定实验方案的能力。实验后，通过对实验现象的分析、实验数据的处理及对实验结果的综合等，培养学生撰写实验报告的能力。
通过综合实验，锻炼学生对物理实验知识的综合运用能力和独立工作的能力。
通过设计性实验，让学生学习物理实验设计的基本知识，锻炼学生分析和解决实际物理问题的能力，提高学生的科学素养。
通过一些物理学发展史上的重要实验，学习相关的物理实验史料以及物理实验在现代科学技术中的应用知识，开拓学生的视野，激发学生的创新意识。
主要内容：
普通物理实验课程属于实验教学体系中的基础课，涵盖力、热、电、光、声、磁等不同学科分支的内容。在普通物理实验安排的实验项目中，既重视传统实验技术在实验教学中的作用，又积极引进新的仪器、仪表和现代物理实验技术，注意调节传统实验技术和新的、先进的实验技术之间的比例，让学生了解不同实验技术的适用范围及其局限性，加强他们对具体问题具体分析的能力。
课程特色：
1 实验内容丰富，覆盖面广。
2以培养学生探索精神、科学思维、实践能力和创新能力为宗旨，分层次教学，重视基础，突出综合与创新。
3重视引进新技术，在国内较早引进Pasco实验平台及Labview虚拟仪器，开展学生自主实验。
4 重视教学研究，自制仪器，新实验开发，强化实验内容的丰富度，实验技术的先进性。
二、课程目标
物理学是一门实验科学。本课程的教学目标为：
让学生在实验操作技能、实验数据分析以及实验报告撰写等方面受到系统严格的训练，使他们掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，养成良好的实验习惯，为后续近代物理实验与专业研究实验的学习打下扎实的基础。
培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，特别是与科学技术的发展相适应的综合能力，适应时代发展、科技进步的创新能力。
提高学生的科学素养，培养学生实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，积极向上的人生态度，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德。
启发、引导学生去思考和挖掘物理中的人文思想，成长为科学、人文兼修，认同自身价值、关爱自然、关爱人类的有责任感的物理人。
三、教学内容和学时分配
本课程的教学内容包括：
测量误差的概念与实验数据处理；
数据的记录、分析与实验报告的撰写；
常用仪器的使用；
常用的物理实验方法与操作技术；
基本物理量的测量方法；
实验设计的基本知识；
相关的物理实验史料以及物理实验在现代科学技术中的应用知识。
物理实验的科学及人文思想。
本课程供64学时，包括绪论课和实验课，其中绪论课16学时，实验课48学时（学生选做19个实验中的12个基础性及综合性实验）具体学时分配如下：
绪论课 16学时：
主要内容：
课程介绍；实验误差理论；实验误差分类，随机误差，系统误差；不确定度；测量量的结果表示；有效数字；数据处理方法：图解法，列表法，最小二乘法等。实验报告的正确撰写；实验中可能存在的问题。
教学要求：
要求学生掌握数据处理的方法，不确定度的评定。
重点、难点：误差的产生原因及不确定度的评定。
其它教学环节：课后习题。
（二）实验一 ：长度测量的基本练习4学时（基础性实验）
教学内容：测量长方体铁块的长度、宽度和高度，计算体积并评定其不确定度(要求体积有4位有效数字)；测量小球的体积；测量所给工件的体积。
教学要求：列表法记录数据；掌握米尺、游标卡尺、螺旋测微计的正确使用方法；运用误差知识，针对不同物理量合理选用测量仪器；评定直接测量与间接测量结果的不确定度。
重点、难点：根据不确定度理论，合理选择测量仪器；基本测量仪器使用规范。
课前学习要求： 复习不确定度评定方法和有效数字。
其它教学环节：课后完成实验报告和习题。
（三）实验二：伸长法测钢丝的杨氏模量 4学时（基础性实验）
教学内容：用伸长法测定钢丝的杨氏模量。
教学要求：掌握用光杠杆放大微小长度变化的原理与方法；用逐差法处理数据并评定测量结果的不确定度。
重点、难点：光杠杆法测量微小长度的变化；力学实验操作规范。
课前学习要求：阅读网上讲义，观看《杨氏模量实验》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
（四）实验三：用弯曲法和振动法测量杨氏模量的测定 4学时（基础性实验）
教学内容：使用弯曲法和振动法测量金属丝杨氏模量。
教学要求：学习使用弯曲法和振动法测量金属丝杨氏模量；巩固数据处理和误差分析知识。
重点、难点：数据处理和误差分析。
课前学习要求： 阅读网上教学资料及该实验讲义。
（五）实验四：刚体转动惯量的测定 4学时（基础性实验）
教学内容：利用刚体转动定律测定刚体转动惯量。
教学要求：掌握利用通用计时器测量（或计算）时间、速度与加速度的方法；学会用pasco传感器测量基本力学量；用线性拟合法处理实验数据并计算测量不确定度；
重点、难点：学习测量角加速度的方法；消除实验系统的摩擦误差。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义；观看《转动惯量实验》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题
（六）实验五：弹簧振子周期经验公式的总结 4学时（基础性实验）
教学内容：研究弹簧振子周期对弹性系数与质量的依赖关系，总结周期经验公式。
教学要求：掌握气垫导轨和焦力氏秤的使用方法；学习曲线的直化和一元线性回归法处理数据。
重点、难点：弹簧有效质量的理解；一元线性回归法的学习。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义，观看《简谐振动》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
（七）实验六：复摆实验4学时（基础性实验）
教学内容：利用复摆周期与悬点位置的关系测量重力加速度。
教学要求：掌握复摆的调节方法；运用作图法和最小二乘法处理实验数据；比较不同方法的精度，分析误差的来源。
重点、难点：复摆的物理特性测量重力加速度。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题.
（八）实验七： 三线摆实验 4学时（基础性实验）
教学内容：利用三线摆的周期测量刚体转动惯量，验证平行轴定理。
教学要求：掌握三线摆的调节方法；掌握根据三线摆的周期计算刚体转动惯量的方法；利用最小二乘法处理实验数据。
重点、难点：平行轴定理。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
（九）实验八 ：空气密度的测定 4学时（基础性实验）
教学内容：空气密度测量。
教学要求：正确使用低真空系统与电子天平；能够根据温度与湿度修正水蒸汽影响。
重点、难点：真空的获得；误差修正。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
（十）实验九： 用混合法测固体比热 4学时（基础性实验）
教学内容：分别测定铜和铝的比热，根据冷热补偿法的原则，选择合适的实验条件。
教学要求：正确使用量热器及水银温度计；掌握冷热补偿法修正系统误差。
重点、难点：冷热补偿法确定量热器内冰水混合物初、终温度。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
(十一) 实验十：水的汽化热的测定 4学时（基础性实验）
教学内容：测量水的汽化热。
教学要求：掌握测定水汽化热的方法；正确使用量热器及水银温度计；学会选定实验条件和选择实验仪器；学会冷热补偿法修正系统误差。
重点、难点：冷热补偿法确定初、终温度。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
(十二）实验十一、黏性系数的测定（4学时）（综合性实验）
教学内容：利用落球法与转桶法测定相同液体的黏性系数。
教学要求：掌握落球法测定黏性系数的方法；掌握转桶法测定黏性系数的方法；比较不同方法的测量结果，分析误差来源；掌握剔除异常数据的3σ原则。
重点、难点：温度对液体粘滞系数的影响，比较两种测量方法。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题
(十三) 实验十二: 非线性元件伏安特性曲线测量 4学时（基础性实验）
教学内容：利用伏安法测量非线性元件伏安特性曲线。
教学要求：学会利用滑线变阻器连接分压电路和制流电路的方法；掌握简单电路的接线与检查方法；掌握根据曲线特点合理选择测量点的方法；掌握电表接入误差修正方法。
重点、难点：电学实验操作规范；电表使用；内接、外接法系统误差修正。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义，观看《安伏法》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
(十四) 实验十三: 惠斯通电桥测电阻4学时（基础性实验）
教学内容：组装惠斯通电桥测量电阻阻值及电桥灵敏度，评定不确定度；用成品桥测电阻样品的阻值，剔除不合格产品。
教学要求：掌握惠氏桥测电阻的原理与方法；学会测量电桥的灵敏度、了解提高电桥灵敏度的几种方法；掌握剔除异常数据的3σ原则。
重点、难点：电学实验操作规范；合理选择桥臂阻值；评定结构误差引起的B类不确定度；评定电桥灵敏度引起的不确定度。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义， 观看《惠氏桥》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
(十五) 实验十四: 赛电桥综合实验 4学时（综合性实验）
教学内容：双电桥测量未知电阻，计算不确定度；用直接比较法(电阻比等于电压比)测量不同的未知电阻，计算不确定度；测量室温下金属丝的电阻率。
教学要求：掌握测量不同大小电阻值的不同方法。
重点、难点：电学实验操作规范；根据阻值大小选择测量方法。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
(十六) 实验十五: 模拟示波器的使用 4学时（基础性实验）
教学内容：观察 不同频率的正弦波，测量周期、峰峰值；观察 不同频率的方波，测量周期、峰峰值、占空比；观察不同频率比正弦信号的李萨如图；测量二极管伏安特性曲线。
教学要求：掌握利用示波器观察波形、测量电压、频率的基本方法；学习信号发生器的使用。
重点、难点：示波器的工作原理，示波器稳定显示波形的条件。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义，观看《示波器使用》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题。
(十七) 实验十六: RLC电路稳态特性的研究 4学时（综合、设计性实验）
教学内容：测量RLC串联电路的共振频率，幅频曲线与相频曲线；设计电路并测量品质因素；设计滤波电路。
教学要求：掌握—种用示波器测量相位差的方法；会应用RLC稳态特性设计滤波器。
重点、难点：串联电路的搭建；用示波器测量相位差。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义，复习示波器的使用。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题
(十八) 实验十七: 利用存储示波器研究暂态现象 4学时（综合性实验）
教学内容：测量RC串联电路充电或放电波形，确定时间常数；观察RLC串联电路欠阻尼、阻尼、临界阻尼三种状态波形，测量衰减振荡的时间常数；
教学要求：掌握利用存储示波器观察单次信号的方法；掌握RC电路充放电时间常数的测量方法；学会确定RLC振荡电路的临界阻尼；了解不同光电元件响应时间的差异。
重点、难点：示波器的触发电平的选择。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，并回答课后问题
（十九）实验十八：夫琅禾费衍射研究 4学时（基础、设计性实验）
教学内容：定性观察各种物体的夫琅禾费衍射图案；测量单缝衍射的光强分布，与理论曲线比较；根据衍射条纹宽度计算狭缝宽度，与实测值比较；测量细丝直径。
教学要求：掌握光路调整的方法；掌握夫琅禾费衍射成立的条件；学会利用衍射测量细小物体。
重点、难点：光学实验操作规范；等高共轴调节。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，调研光的衍射现象的发现、衍射理论的建立如何影响人们对光的本质的认识。
（二十）实验十九: 光电效应测定普朗克常数 4学时（综合性实验）
教学内容：利用光电效应测量红、黄、绿、蓝和紫色光的光电流随电压的关系曲线，对由关系曲线得到的遏止电压与相应的频率做回归分析，得到遏止电压随频率线性变化曲线的斜率，计算普朗克常数。
教学要求：结合实验了解光的量子性，加深对爱因斯坦光电效应方程物理意义的理解；掌握利用光电效应方程测定普朗克常数的方法。
重点、难点：合理分布测量数据，遏止电压的确定。
课前学习要求：阅读网上教学资料及该实验讲义，观看《光电效应》视频。
其它教学环节：课后完成数据分析和实验报告撰写，调研光电效应的应用。
四、教材与学习资源
教材：
1.自编讲义。
2.曹惠贤主编.普通物理实验.北京:北京师范大学出版社,2007.
参考书：
曾贻伟等主编.普通物理实验教程.北京:北京师范大学出版社,1989.
吕斯骅等主编.新编基础物理实验.北京:高等教育出版社,2006.
霍剑青等主编.大学物理实验(1-4册).北京:高等教育出版社,2002.
沈元华主编.设计性研究性物理实验教程.上海:复旦大学出版社,2004.
网络资源:http://bb.bnu.edu.cn
五、教学策略与方法建议
本着“因材施教”的原则，教师对不同实验水平、不同知识背景的学生采用指导式、启发式、自主式等不同的实验教学方法，培养学生的实验技能，启发学生的思维，激励和发挥学生的创新性。
六、考核方式
每个实验按预习、操作与实验报告给出成绩，三者的比例为20%：50%：30%。
每学期必须完成的实验项目的平均成绩做为平时成绩。
期末考试采用笔试、操作、设计实验、口试中的一种形式。
总评成绩中平时成绩与期末考试成绩的比例为70%：30%
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