本書內(nèi)容包括大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗的誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法(第1章)、7個“力學(xué)熱學(xué)實驗”(第2章)、4個“電磁學(xué)實驗”(第3章)和7個“光學(xué)實驗”(第4章)。在第1章中介紹了測量不確定度的相關(guān)規(guī)定,并把它作為測量和數(shù)據(jù)處理的依據(jù)。第2章到第4章的內(nèi)容注意了由淺入深、循序漸進的原則,幾乎每個實驗都設(shè)置了考査題、思考題及參考題,以便讀者預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)及提高。本書可作為綜合性大學(xué)本科非物理學(xué)類各專業(yè)的基礎(chǔ)物理實驗課程的教材,也可作為物理學(xué)類專業(yè)和高等師范院校及工科院校的有關(guān)課程的教學(xué)參考書。
物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。而物理學(xué)是實驗科學(xué),它是以實驗為基礎(chǔ)和先導(dǎo)的。物理實驗如此之重要,越來越引起人們的重視。丁肇中教授在20世紀60年代末應(yīng)聘到麻省理工學(xué)院( MIT)的實驗室工作,1974年發(fā)現(xiàn)J粒子,1976年獲諾貝爾物理學(xué)獎,當(dāng)時年僅40歲。他在獲獎時說:“自然科學(xué)理論不能離開實驗的基礎(chǔ)。特別是物理學(xué),它是從實驗中產(chǎn)生的。我希望由于我的這次得獎,能夠喚起發(fā)展中國家的學(xué)生們的興趣,使他們注意到實驗工作的重要性,為自己國家的建設(shè)、科學(xué)的進步貢獻出青春和力量!
物理實驗應(yīng)該成為培養(yǎng)學(xué)生多種能力,使他們具備良好的實驗素養(yǎng)、嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、求實的科學(xué)精神,并具備一定的獨立工作能力和科學(xué)研究能力的有力手段,而不能把實驗僅作為熟悉儀器設(shè)備、某種實驗技術(shù)或技能的訓(xùn)練。
然而,縱觀歷史,近幾十年來,科學(xué)技術(shù)有了一系列重大進展,當(dāng)代以計算機科學(xué)和技術(shù)、空間科學(xué)、材料科學(xué)、分子生物學(xué)等為代表的許多活躍于科學(xué)前沿的研究,均有跨學(xué)科的特點,各學(xué)科之間的相互交叉和滲透,幾乎都是以物理學(xué)為基礎(chǔ)和紐帶,與物理學(xué)的進展密切相關(guān),并以物理學(xué)的長足發(fā)展為推動力的。有人總結(jié)了這樣一條規(guī)律:19世紀人類科學(xué)知識每50年增加一倍,20世紀每10年增加一倍,當(dāng)前則3—5年增加一倍。雖然以基礎(chǔ)教學(xué)為宗旨的物理實驗的發(fā)展不能與此規(guī)律完全同步,但是將與物理學(xué)密切相關(guān)的新內(nèi)容、新技術(shù)、新方法及時充實到物理實驗中,以打破物理實驗長期以來千人一面的格局,與時俱進,構(gòu)成新的物理實驗課程體系和教學(xué)平臺,卻是對21世紀實驗教學(xué)提出的新要求。
南開大學(xué)的物理實驗教學(xué)有著優(yōu)良的傳統(tǒng),經(jīng)過一代代南開物理學(xué)人堅忍不拔和不懈的努力奮斗,曾經(jīng)取得了一系列引人矚目的成績,獲得了兄弟院校同行們的好評。在20世紀50年代我們就開始嘗試“組合式實驗”教學(xué),60年代初,實驗室前輩們自己動手制作了數(shù)百件儀器設(shè)備,并組編了近百個實驗題目和考試題材,著手大面積的組合式實驗建設(shè)。1978年以后恢復(fù)重建實驗室,經(jīng)過十年艱苦奮斗,全面建成了“自組式”(由學(xué)生自己組合)的實驗教學(xué)體系,因而于1989年獲國家級優(yōu)秀教學(xué)成果獎。之后又經(jīng)過20年的繼續(xù)努力,我們的物理實驗教學(xué)更上了一層樓。2006年,基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)中心被評為“國家級實驗教學(xué)示范中心”;2007年,“大學(xué)物理實驗”課程被評為國家級精品課程;2009年,大學(xué)物理實驗教學(xué)團隊被評為國家級教學(xué)團隊;2009年,“自制、自擬、自組、開放的基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)體系和創(chuàng)新平臺建設(shè)”榮獲國家級教學(xué)成果二等獎。
經(jīng)過長期的物理實驗教學(xué),教師們把組排的實驗和講義進行優(yōu)選、優(yōu)化,編寫出版了《大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗(力學(xué)、熱學(xué)及分子物理分冊)》《大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗(電磁學(xué)分冊)》《光學(xué)實驗》三冊書籍及一冊《光學(xué)實驗講義》等物理實驗教材。
過去,全國綜合性高校的物理實驗教學(xué)大致是這樣安排的,物理系學(xué)生要學(xué)習(xí)“普通物理實驗”、“中級物理實驗”(現(xiàn)今改為“近代物理實驗”)、“專門組實驗”(即專業(yè)實驗)。非物理系學(xué)生(如數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、計算機等專業(yè)的學(xué)生)則只學(xué)習(xí)“普通物理實驗”即可,這些學(xué)生做物理實驗的要求會低一些,實驗數(shù)目也少一些,這種狀況一直延續(xù)至今。如前所述,當(dāng)前隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,各學(xué)科之間的相互交叉和滲透迫使物理實驗教學(xué)必須適應(yīng)和趕上科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和變化。例如,人體靜力學(xué)、血流動力學(xué)、超聲成像、眼睛的光學(xué)系統(tǒng)、光譜、激光、X射線、核磁共振、放射性核素成像等,這些基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)及應(yīng)用,它們與物理學(xué)之間的相互交叉和融合就是例證。還有,材料學(xué)科與物理、化學(xué)學(xué)科之間的交叉融合,數(shù)學(xué)、計算機與物理學(xué)科之間的融合,甚至當(dāng)今有些人文學(xué)科與物理學(xué)科之間的某些密不可分的聯(lián)系都說明了物理學(xué)在自然科學(xué)中的先導(dǎo)作用。
因此,物理實驗作為物理學(xué)的基礎(chǔ)課程受到了空前的重視,不少高校把一些近代物理實驗和物理專業(yè)實驗下放到非物理類專業(yè)作為基礎(chǔ)實驗開設(shè),如北京大學(xué)物理系就把核磁共振、掃描隧道顯微鏡( STM)等實驗面向生物系和化學(xué)系的學(xué)生開放。鑒于兄弟院校的經(jīng)驗,我們針對非物理學(xué)類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求,精選上述原有的三冊普通物理實驗教材和一本光學(xué)實驗講義中針對性較強的實驗題目編寫成適合非物理學(xué)類專業(yè)學(xué)生特點的《大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗》一書。本書包括大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗的誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法,力學(xué)、熱學(xué)及分子物理學(xué)實驗,電磁學(xué)實驗,光學(xué)實驗等內(nèi)容。本書在編排過程中注意了由淺人深、循序漸進的原則,幾乎每個實驗都設(shè)置了考查題、思考題及參考題,以便讀者預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)及提高。
實驗課教學(xué)不同于一般的理論課教學(xué),它需要由實驗教師和實驗技術(shù)人員組成的一個團體共同承擔(dān)教學(xué)任務(wù),因此是一件集體事業(yè)。新編《大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗》一書是南開大學(xué)半個世紀以來物理實驗教材之集成,其間經(jīng)歷了好幾代人的努力,是集體智慧的結(jié)晶。
第1章 誤差理論和數(shù)據(jù)處理方法
§1-1 測量
§1-2 誤差
§1-3 對直接測量物理量不確定度的估計
§1-4 對間接測量物理量不確定度的估計
§1-5 實驗數(shù)據(jù)處理方法
§1-6 有效數(shù)字及其運算法則
第2章 力學(xué)熱學(xué)實驗
§2-1 長度的測量
§2-2 密度的測量
§2-3 碰撞
§2-4 弦振動
§2-5 用伸長法測定金屬絲的楊氏模量
§2-6 用混合量熱法測定冰的熔化熱
§2-7 測定空氣比熱容比
§2-8 力學(xué)熱學(xué)參量附錄
第3章 電磁學(xué)實驗
§3-1 伏安法測電阻
§3-2 直流單臂電橋(惠斯通電橋)
§3-3 直流雙臂電橋(開爾文電橋)
§3-4 示波器的使用
第4章 光學(xué)實驗
§4-1 牛頓環(huán)
§4-2 全息照相
§4-3 分光儀的原理和調(diào)節(jié)
§4-4 衍射光柵研究
§4-5 邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)與使用
§4-6 濾光片特性研究
§4-7 薄透鏡焦距測量和自組顯微鏡