天津理工大学

《近代物理实验》实验教学大纲

 

课程代码：1580116（I）、1580126（II）

课程名称：近代物理实验/Modern Physics Experiments

开课学院、实验室：理学院物理实验中心

适用专业：应用物理学

实验指导书名称：《大学物理实验》

 

一、学时、学分

学时：I：48学时    II：48学时

学分：I：1.5学分   II：1.5学分  

 

二、课程简介

近代物理实验是为物理专业高年级学生开设的一门综合性实验课。内容包括原子物理、原子核物理、激光与近代光学、真空、X射线和电子衍射、磁共振、微波、低温、半导体等领域，其中很多是获诺贝尔奖的著名实验。在实验安排上尽可能让学生接触到真空、低温、微波、衍射、取样、弱信号检测（如单光子计数、锁相放大）等近代物理实验中常用的技术，使理论与实验做到有机结合。

课程的设置注重学生独立分析和处理问题的能力。通过学生对近代物理学前沿知识的阅读、学习和调研，结合实验仪器设备的使用说明，自主地开展实验测试与问题分析。坚持以实践训练为主，讲授答疑为辅的教学模式，创造良好的实验条件，强化学生独立实践，引导学生学会观察、分析、归纳、总结与联想，锻炼学生的动手能力，培养学生的创新思维。

 

三、实验课程目标

知识目标：学习近代物理某些主要领域中的一些基本实验方法和技术，掌握有关的仪器的性能和使用。适当引入边缘学科、前沿学科和交叉学科，让科研进课堂、进教材，增强学生知识面的深度和广度，通过实验掌握时代技术的脉搏，了解现代检测技术，体会相关理论基础课与电子技术、计算机原理等技术基础课之间的联系。

能力目标：通过实验着重培养学生阅读参考资料、选择测量方法和仪器、观察现象、独立操作、正确测量、处理实验数据以及分析和总结实验结果等方面的能力。训练培养学生对物理现象的观察能力和分析能力的同时，引导他们了解实验物理在物理概念的产生、形成和发展过程中的作用，进一步培养正确的和良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使学生获得一定程度的独立工作能力，为学生掌握、应用和发展新技术打好坚实的物理实验基础。

素质及德育目标：培养实事求是、踏实细致、严肃认真的科学态度、克服困难的坚韧决心，严谨客观的工作风格以及科学素质。

 

四、实验方式与基本要求

（一）实验室安全准入要求

为了顺利地做好物理实验，保证实验成功，保护实验仪器设备，维护每个师生的安全，防止一切实验事故，师生必须遵守以下安全操作规程。

一、未进实验室时，就应对本次实验进行预习，掌握操作过程及原理，弄清所有仪器的性能。估计可能发生危险的实验，在操作时注意防范。

二、学生实验时，实验设备和电路按要求连接好后，经老师检查无误，统一供电后方可进行实验。使用电器时要谨防触电，不要用湿的手、物接触电源。实验后应教师应立即统一切断电源。

三、若发生触电现象，首先切断电源，采取必要的救护措施。

四、学生要遵守纪律，严格按规程操作，发现异常现象立即向老师报告。

五、严禁在实验室内吸烟或饮食。

六、实验完毕后教师离开实验室前，要认真检查门窗和水电，一切无误后方可离开实验室。

（二）实验要求

近代物理实验每项内容都有一定的综合性和设计性。，每学期开设8个实验项目，整学年开设16个实验项目。每项实验6学时分为：课内预习（到实验室）和讨论2学时；实验操作4学时。

课外要求学生通过查找资料和阅读实验指导书了解实验原理、实验背景、实验意义、完成部分预习报告等。课内预习要求学生阅读实验仪器说明书、了解实验设备原理、根据实验内容自拟操作步骤、了解注意事项、学生与教师讨论问题、作出完整的实验方案等。实验后完成数据处理、实验报告，总结实验体会。

为避免少数学生在预习和实验中的依赖性，每套实验仪器每次安排两个学生（有条件时应1人/组），要求每个学生分别独立测出一组数据。

 

1.  塞曼效应实验
实验目的：掌握观测塞曼效应的实验方法；观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态；由塞曼裂距计算电子的荷质比。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：直流稳流电源，直流电磁铁，偏振检测，汇聚透镜，干涉滤光片，纵向可调滑座，成像透镜，法布里-泊罗标准具，读数显微镜。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

2.  红外通信特性实验

实验目的：了解红外通信的原理及基本特征；测量部分材料的红外特性，红外发射管的伏安特性、电光转换特性、角度特性；测量红外接收管的伏安特性；了解基带调制传输及副载波调制传输的特性。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：红外通信特性实验仪（红外发射装置、红外接收装置、测试平台（轨道）、发射管、接收器），信号发生器，示波器。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

3．晶体声光效应

实验目的：了解声光效应的原理；观察喇曼-奈斯衍射和布拉格衍射现象；测量声光偏转和声光调制曲线。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：半导体激光器及相应的激光电源，声光器件，功率信号源，准直屏，线阵CCD光电转换器，示波器，导轨等。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

4、巨磁电阻效应及其应用

实验目的：了解巨磁电阻（GMR）效应的原理；测量GMR模拟传感器的词典转换特性曲线；测量GMR的磁阻特性曲线；测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线；用GMR传感器测量电流；用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理；通过实验了解磁记录与读出的原理。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：巨磁阻实验仪，基本特性组件。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

5、密立根油滴实验测电子电荷

   实验目的：验证电荷的不连续性，测量基本电荷电量；了解CCD传感器、光          学系统成像原理及视频信号处理技术的工程应用等；用逐差法、作图法或验证法求出电子电荷的e值。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：主机，喷雾器，油滴盒，CCD成像系统，监视器等。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

6、混沌通信原理及应用实验

实验目的：调节并观察非线性电路震荡周期分岔现象和混沌现象；调试并观察混沌同步波形；用混沌电路方式传输键控信号；用混沌电路方式实现传输信号的掩盖和解密。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：混沌原理及应用实验仪，双通道示波器，信号发生器，电缆连接线。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

7、光电效应与普朗克常数测定

实验目的：了解光的量子性和光电效应的基本规律；利用爱因斯坦方程测量普朗克常数；学习对光电管伏安特性曲线的处理方法。
    实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：光电效应测试仪，汞灯及电源，滤色片、光阑，光电管、测试仪。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

8、LED综合特性实验

实验目的：通过实验测试各种LED特性，分析实验结果，从而进一步了解LED工作原理及相关应用。测量LED的伏安特性、电光转换特性及光输出空间分布特性。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：LED光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪，LED试件盒等

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

9、太阳能电池特性实验

实验目的：了解太阳能电池的工作原理；了解描述太阳能电池特性的重要参数；测量太阳能电池的暗伏安特性；测量太阳能电池的开路电压、短路电流与光强之间的关系；测量太阳能电池的输出特性。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：碘钨灯光源、测试仪、可变负载、导轨、太阳能电池板、光强探头、导线等。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

10、核磁共振实验

    实验目的：观察H、F核的核磁共振现象，验证共振频率与磁场的关系；测定H、   F核的g因子、旋磁比及核磁矩；改变振荡幅度，观察共振信号幅度与振荡幅度的关系，从而了解饱和过程；通过变频扫场，观察共振信号与扫场频率的关系，从而了解消除饱和的方法。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：专业级边限振荡器核磁共振实验仪，信号检测器，匀强磁场组件、观测试剂等。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

11、弗兰克—赫兹实验

实验目的：研究弗兰克—赫兹管中电流变化的规律；通过对氩原子第一激发  电位的测量，证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；了解微观世界中电子与原子的碰撞概率。
实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：弗兰克—赫兹实验仪（F-H管区，激励电压区、测试电流区、测试电压区、测试信号输出区、调整按键区、工作状态指示区）。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

12、CCD特性实验

实验目的：学习掌握CCD的基本工作原理；测量曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响，并根据实验原理对输出进行说明；测量CCD的光电转换特性曲线，根据曲线得到CCD的灵敏度、饱和输出电压及饱和曝光量；比较CCD输出信号经AD转换和二值化处理后输出信号的差异。

实验设备：线阵CCD，CCD驱动电路，CCD信号处理电路，接口电路，专用软件，照度计，减光镜，柔光镜，灰度板等。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

13、液晶电光效应综合实验

实验目的：掌握液晶光开关的基本工作原理，测量液晶光开关的电光特性曲线，；测量液晶光开关的时间响应曲线，计算液晶的上升时间和下降时间；测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度；

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：液晶光开关电光特性综合实验仪（模式转换开关，供电电压调节，透过率校准，发射装置，发射器，液晶转盘，液晶板，接收装置，接收器，液晶驱动输出，光功率输出，扩展接口，开关矩阵，电源开关等）

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

14、霍尔传感器实验

   实验目的：了解半导体中霍尔效应的产生原理；了解用霍尔传感器测量磁场    的原理和方法；熟悉霍尔传感器的特性和直、交流测量电路。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：传感器综合实验仪（实验台、激励源、显示面板、处理电路）。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

15、电阻应变式传感器特性的研究

实验目的：了解电阻应变式传感器的基本原理、结构、基本特性和使用方法；研究比较电阻应变式传感器配合不同转换和测量电路的灵敏度特性，从而掌握电阻应变式传感器的使用方法和使用要求。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：传感器实验综合实验仪（实验台，激励源，显示面板，处理电路）。

完成时间：6学时

16、色度测量和计算

实验目的：掌握色度学的一些基本原理；了解色度的测量和计算方法；熟悉WGS-9型色度实验装置的使用方法。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：色度实验系统（光栅单色仪（光谱仪），接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机及打印机等组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机等）。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

17、光栅光谱仪实验

实验目的：了解光栅光谱仪的结构与工作原理，掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术；验证氢同位素的存在。用光栅光谱仪测量氢、氘原子光谱巴耳末线系的前四对谱线波长(410～650nm左右)，计算氢、氘里德伯常数；通过实验计算氢和氘的原子核质量比。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：组合式多功能光栅光谱仪（光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元），计算机，汞灯，氢氘灯。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

18、金属电子逸出功的测定

实验目的：了解热电子发射的基本规律，用里查孙直线法测定钨的逸出功，学习直线测量法，外延测量法和补偿测量法等基本实验方法，进一步学习数据处理的方法，培养学生举一反三，扩展联想的思想方法。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：钨的逸出功实验仪，数字示波器，信号发生器。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

19、高温超导实验

实验目的：学习和掌握高温超导的基本原理；了解FD-RT-II高温超导转变温度测定仪的结构及使用方法；观测高温超导体的零电阻效应；测定氧化物超导体YBa₂Cu₃O的超导临界温度（转变温度）。

实验方式：教师讲解后分组实验，教师巡回指导。

实验设备：高温超导转变温度测量仪（测量仪主机、低温液氮杜瓦。探棒和前级放大器）。

实验分组：1-2人/组

完成时间：6学时

 

实验项目

 

五、考核方式与实验报告要求

1. 综合成绩

实验课成绩采用平时成绩，平时成绩占100%，由每次实验成绩总和折合成百分制评定。

2. 单次实验成绩

（1）预习情况（20%）

是否按要求写好预习报告；从提问讨论中，看学生对实验原理的理解及对实验内容的掌握。

（2）实验操作（40%）

仪器设备使用和操作过程是否规范（如仪器的调零、实验电路连接顺序、光路调整是否正确等）；能否按要求独立操作；遇到问题能否迅速判断和处理；测量数据是否正确；能否在规定时间完成实验内容；实验结束时是否能按要求将仪器复位；课上是否能主动探索和研究问题。

（3）实验报告（40%）

是否符合实验报告要求的格式，叙述是否清楚；数据处理中的有效数字、单位、作图、思考题回答是否正确。是否讨论实验中遇到问题，分析数据，得出有效结论。

 

六、开放实验室的要求：

  物理实验中心采用预约登记形式开展实验室开放，具体开放内容如下：

1）  参观；  

2）  学生科技活动：学生将想法形成文字材料上报实验中心，指导教师审阅其可行性后与学生约定时间；

3）  校内外协作；

4）  实验培训。

 

七、本课程各教学环节对课程目标的支撑度

 

撰写人：于丹                     审定人：孙士帅

教学院长：李洪国

                                                      编写系（部）：物理实验中心

                                                            2019年12月