本书内容包括大学基础物理实验的误差理论和数据处理方法(第1章)、7个“力学热学实验”(第2章)、4个“电磁学实验”(第3章)和7个“光学实验”(第4章)。在第1章中介绍了测量不确定度的相关规定,并把它作为测量和数据处理的依据。第2章到第4章的内容注意了由浅入深、循序渐进的原则,几乎每个实验都设置了考査题、思考题及参考题,以便读者预习、复习及提高。本书可作为综合性大学本科非物理学类各专业的基础物理实验课程的教材,也可作为物理学类专业和高等师范院校及工科院校的有关课程的教学参考书。
物理学是一切自然科学的基础和先导。而物理学是实验科学,它是以实验为基础和先导的。物理实验如此之重要,越来越引起人们的重视。丁肇中教授在20世纪60年代末应聘到麻省理工学院( MIT)的实验室工作,1974年发现J粒子,1976年获诺贝尔物理学奖,当时年仅40岁。他在获奖时说:“自然科学理论不能离开实验的基础。特别是物理学,它是从实验中产生的。我希望由于我的这次得奖,能够唤起发展中国家的学生们的兴趣,使他们注意到实验工作的重要性,为自己国家的建设、科学的进步贡献出青春和力量。”
物理实验应该成为培养学生多种能力,使他们具备良好的实验素养、严谨的科学作风、求实的科学精神,并具备一定的独立工作能力和科学研究能力的有力手段,而不能把实验仅作为熟悉仪器设备、某种实验技术或技能的训练。
然而,纵观历史,近几十年来,科学技术有了一系列重大进展,当代以计算机科学和技术、空间科学、材料科学、分子生物学等为代表的许多活跃于科学前沿的研究,均有跨学科的特点,各学科之间的相互交叉和渗透,几乎都是以物理学为基础和纽带,与物理学的进展密切相关,并以物理学的长足发展为推动力的。有人总结了这样一条规律:19世纪人类科学知识每50年增加一倍,20世纪每10年增加一倍,当前则3—5年增加一倍。虽然以基础教学为宗旨的物理实验的发展不能与此规律完全同步,但是将与物理学密切相关的新内容、新技术、新方法及时充实到物理实验中,以打破物理实验长期以来千人一面的格局,与时俱进,构成新的物理实验课程体系和教学平台,却是对21世纪实验教学提出的新要求。
南开大学的物理实验教学有着优良的传统,经过一代代南开物理学人坚忍不拔和不懈的努力奋斗,曾经取得了一系列引人瞩目的成绩,获得了兄弟院校同行们的好评。在20世纪50年代我们就开始尝试“组合式实验”教学,60年代初,实验室前辈们自己动手制作了数百件仪器设备,并组编了近百个实验题目和考试题材,着手大面积的组合式实验建设。1978年以后恢复重建实验室,经过十年艰苦奋斗,全面建成了“自组式”(由学生自己组合)的实验教学体系,因而于1989年获国家级优秀教学成果奖。之后又经过20年的继续努力,我们的物理实验教学更上了一层楼。2006年,基础物理实验教学中心被评为“国家级实验教学示范中心”;2007年,“大学物理实验”课程被评为国家级精品课程;2009年,大学物理实验教学团队被评为国家级教学团队;2009年,“自制、自拟、自组、开放的基础物理实验教学体系和创新平台建设”荣获国家级教学成果二等奖。
经过长期的物理实验教学,教师们把组排的实验和讲义进行优选、优化,编写出版了《大学基础物理实验(力学、热学及分子物理分册)》《大学基础物理实验(电磁学分册)》《光学实验》三册书籍及一册《光学实验讲义》等物理实验教材。
过去,全国综合性高校的物理实验教学大致是这样安排的,物理系学生要学习“普通物理实验”、“中级物理实验”(现今改为“近代物理实验”)、“专门组实验”(即专业实验)。非物理系学生(如数学、化学、生物、医学、计算机等专业的学生)则只学习“普通物理实验”即可,这些学生做物理实验的要求会低一些,实验数目也少一些,这种状况一直延续至今。如前所述,当前随着科学技术的飞速发展,各学科之间的相互交叉和渗透迫使物理实验教学必须适应和赶上科学技术日新月异的发展和变化。例如,人体静力学、血流动力学、超声成像、眼睛的光学系统、光谱、激光、X射线、核磁共振、放射性核素成像等,这些基础医学及应用,它们与物理学之间的相互交叉和融合就是例证。还有,材料学科与物理、化学学科之间的交叉融合,数学、计算机与物理学科之间的融合,甚至当今有些人文学科与物理学科之间的某些密不可分的联系都说明了物理学在自然科学中的先导作用。
因此,物理实验作为物理学的基础课程受到了空前的重视,不少高校把一些近代物理实验和物理专业实验下放到非物理类专业作为基础实验开设,如北京大学物理系就把核磁共振、扫描隧道显微镜( STM)等实验面向生物系和化学系的学生开放。鉴于兄弟院校的经验,我们针对非物理学类专业学生的培养要求,精选上述原有的三册普通物理实验教材和一本光学实验讲义中针对性较强的实验题目编写成适合非物理学类专业学生特点的《大学基础物理实验》一书。本书包括大学基础物理实验的误差理论和数据处理方法,力学、热学及分子物理学实验,电磁学实验,光学实验等内容。本书在编排过程中注意了由浅人深、循序渐进的原则,几乎每个实验都设置了考查题、思考题及参考题,以便读者预习、复习及提高。
实验课教学不同于一般的理论课教学,它需要由实验教师和实验技术人员组成的一个团体共同承担教学任务,因此是一件集体事业。新编《大学基础物理实验》一书是南开大学半个世纪以来物理实验教材之集成,其间经历了好几代人的努力,是集体智慧的结晶。
第1章 误差理论和数据处理方法
§1-1 测量
§1-2 误差
§1-3 对直接测量物理量不确定度的估计
§1-4 对间接测量物理量不确定度的估计
§1-5 实验数据处理方法
§1-6 有效数字及其运算法则
第2章 力学热学实验
§2-1 长度的测量
§2-2 密度的测量
§2-3 碰撞
§2-4 弦振动
§2-5 用伸长法测定金属丝的杨氏模量
§2-6 用混合量热法测定冰的熔化热
§2-7 测定空气比热容比
§2-8 力学热学参量附录
第3章 电磁学实验
§3-1 伏安法测电阻
§3-2 直流单臂电桥(惠斯通电桥)
§3-3 直流双臂电桥(开尔文电桥)
§3-4 示波器的使用
第4章 光学实验
§4-1 牛顿环
§4-2 全息照相
§4-3 分光仪的原理和调节
§4-4 衍射光栅研究
§4-5 迈克耳孙干涉仪的调节与使用
§4-6 滤光片特性研究
§4-7 薄透镜焦距测量和自组显微镜