大物实验2013一级绪论.ppt

欢迎各位同学进入物理教学实验中心学习!,提 纲,一. 实验物理在科学发展上的重要性 二. 实验物理教学的重要性 三. 怎样学好实验物理,一. 实验物理在科学发展上的重要性,物理学: 是一门自然科学，研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。探索分析大自然所发生的现象，以了解其规则。,人每时每刻都在呼吸着，所以并不觉得呼吸是一种幸福。但如果不能呼吸了，将会怎样？物理学对于我来说就像呼吸一样。,李政道,“物理照耀世界”,2005年定为“世界物理年”,物理无处不在,与其说是计算机改变了我们的社会，不如说是量子力学，或者Einstein改变了这一切。,物理学的概念、规律及公式等是以客观实验为基础，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，是当今最精密的一门自然科学学科 物理学是实验科学，实验是物理学的基础,从诺贝尔物理奖来看:,1901年，首届诺贝尔物理学奖得主德国人伦琴，他因发现X射线而获奖。,1902年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853 -1928）和荷兰阿姆斯特丹大学塞曼（Pieter Zeeman , 1865-1943），以表彰他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊贡献。,洛仑兹,洛仑兹力演示器实验原理,光的粒子性,光的波动性,光具有波粒二象性,路易维克多德布罗意(Louis Victor de Broglie，法国著名理论物理学家，在1924年提出物质波理论(波粒二重性)。,1927年，美国科学家戴维孙在研究电子从封闭在真空管中的金属镍靶的反射。 一次，电子管偶然破碎了，被加热的镍靶表面很快就形成了一层氧化膜，不能再当靶标用了。 为了去除这层氧化膜，他只好把金属镍加热了很长一段时间。他发现，经过热处理之后，镍的反射性能改变了。研究结果表明，镍靶在受热前有许多微小的结晶面，加热后变成了几个大的结晶面。 戴维孙抓住这个现象不放，终于得出正确的结论。后来，他用这种方法制成了一块单晶镍，作靶标使用。这时，他发现电子束不仅受到反 射，而且发生了衍射。而衍射乃是波的而非粒子的特征。就这样，电子的波动性被证实了，从而也证实了德布罗意的理论。 1929年两人同获诺贝尔物理奖,德布罗意,美国物理学家戴维孙,1927年 戴维逊(C.J.Davisson) 革末(L.H.Germer),微观粒子的波粒二象性,电子衍射实验,1927年 戴维逊(C.J.Davisson) 革末(L.H.Germer),X射线衍射实验,法国科学家阿罗什和美国科学家维因兰德独立地发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行测量和操控的方法，而这在之前被认为是不能实现的。,2012年诺贝尔物理学奖： 突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能,光是什么 “非波非粒，亦波亦粒”,实现量子惠勒延迟选择实验，制备出了光的波-粒叠加状态,这些事实,表明了实验物理和理论物理之间的密切关系，相互激励而共同推进物理学发展进程。 实验物理和理论物理是物理学的两大分支，实验事实是检验物理模型确立物理规律的终审裁判。,理论物理,物 理 学,实验物理,但物理学的理论只有在实验上得到验证的才能真正成为真理 历史上许多理论消声匿迹了，因为得不到实验的证明或违背实验。（天体物理: 两暗一黑),实验物理在物理学中占据了非常重要的地位，许多诺奖获得者都是因为在实验方面的突破性贡献。 近30年的诺奖中：理论占30%，实验70%，理论家占28%，实验家占72%.,物理实验在物理学研究与发展中的作用,从物理学史看物理实验的重要性 经典物理学的建立： 力学（伽利略） 电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦） 光学（杨氏、菲涅尔） 近代物理学的建立： 三大发现（X光、放射性、电子） 从宏观到微观 两朵乌云（黑体辐射、迈莫实验） 从经典到近代,物理实验对物理学在其他 学科中的应用意义,材料：物性测试、新材料的发现（高温超导材料）、新材料制 备方法的研究（激光蒸发） 化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素、量子化学 生物：各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X光显微镜、 原子力显微镜）分辨力越来越高 DNA操纵、切割、重组以及双螺旋结构的分析 医学：诊断X光、CT、核磁共振、超声波 治疗放射性、激光、微波等,结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁,实验在物理研究中具有突出地位，但理论也非常重要。一个实验物理学家对理论一定要有深刻的了解，他做每一个实验都要寻求理论依据。 但是理论又依赖于实验，再好的理论没有实验证明都是无效的。 理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。 理论是认识事物的依据，实验是事实。,丁肇中在中山大学谈实验与理论,Top 10 Most Beautiful Experiments in Physics A poll of the Robert P Crease reported, Sept 2002 1 Youngs 双缝实验用于单个电子的干涉(开放) 2 Galileos 自由落体实验 (1600s) (随时随地) 3 Millikans 油滴实验 (1910s) (一级) 4 Newtons 三棱镜分解阳光 (1665-1666)(二级) 5 Youngs 光干涉实验 (1801) (一级) 6 Cavendishs 扭摆实验 (1798) (开放) 7 Eratosthenes 测量地球周长 (3rd century BC) 8 Galileos 斜面上滚动球实验 (1600s) (开放) 9 Rutherfords 背散射 (1911) (三级) 10 Foucaults 摆 (1851)(开放),1. Youngs double-slit experiment applied to the interference of single electrons,2. Galileos experiment on falling bodies (1600s),3. Newtons decomposition of sunlight with a prism (1665-1666),4. Millikans oil-drop experiment Robert A Millikan(1910s),5. Youngs double slit light-interference experiment Thomas Young (1801),6 Cavendishs torsion-bar experiment (1798) Henry Cavendish,7 Eratosthenes measurement of the Earths circumference (3rd century BC),8 Galileos experiments with rolling balls down inclined planes (1600s),9 Rutherfords discovery of the nucleus (1911) Ernest Rutherford,埃拉托色尼 地理学之父 第一个提出设想在夏至日那天，分别在两地同时观察太阳的位置，并根据地物阴影的长度之差异，加以研究分析，从而总结出计算地球圆周的科学方法。,10. Foucault pendulum Jean Bernard Leon Foucault to demonstrate the spin of earth,The first Foucault pendulum exhibited to the public was in 1851, suspended a 28 Kg bob by a 67 metre wire from the dome of the Pantheon (先哲祠)in Paris,万向节,演示出地球的自转现象,地球转动缓慢，需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异 因为空气阻力，这个系统必须拥有足够的机械能 悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动,科学实验,确定课题,构思模型，设计实验方案,制作或选择实验装置，准备实验设备,观测和测量数据，进行实验操作，记录数据,分析、整理数据结果，得出结论,研讨实验结果，是否支持原设计课题思想，或部分确定，或尚需改进?,科学实验的目标在于探索, 科学实验的成功会揭示自然界的奥秘,教学实验,教师精心准备课题，设计实验方案,教师选择实验装置，准备实验设备,观测和测量数据，进行实验操作，记录数据,分析、整理数据结果，得出结论,教学实验的目标在于培养人才。 担负培养学生实验能力和科研素质的任务。,基础实验只做第三、四两过程 高年级学生实验要经历全过程,二.物理教学实验的重要性,学生学习阶段要学习多门功课，目标都是积累知识，提高能力，培养素质。 物理实验课是一门基础实验课，是知识的底层，这底层的重要性更是不言而喻的。,科学高峰正如一座金字塔，有着广阔的宽厚基础和高耸的塔尖。基础愈宽厚，塔尖可以愈高。,在科大基础物理课程和物理实验（数理）是我校的“核心课程”，核心课程是体现学校特色的课程，它不是专业的主干课程而是通识课程，是博雅教育的内涵。 核心课程面向的是全体学生，即凡是科大的学生，都要学物理实验课程。,核心课程是培养学生的核心能力，或者说可携带能力，这是一种普通的、可迁移的，对学生的未来发展起关键性作用的能力。 就是说，学生一进校，都要学这几门核心课程，然后就形成了一个学校学生的风格。 一接触，就能判断这是北大的学生，这是清华的学生，那是南大的学生，这种风格的形成，就是通过核心课程的教育和校园氛围的养成。 核心课程它体现一个学校的核心能力，体现一个学校的风格，这种课程也是校园特色氛围的组成部分。,科大是以本科为本，所有本科生，都必须学普通物理，做物理实验，因为一个理科为主的学校，它必须有理科的背景。学工科的学物理，是为他更好的理解工程的原理。 这是核心课程的作用，它的作用是隐性的，潜在的。,物理实验教学是为了提高学生的能力，提高科学研究的能力，一定意义上也是提高学生进入社会的能力，进入工作岗位的能力。,不能把物理实验简简单单地看成是对理论知识的补充或者验证，而必须看到实验教学藴含着一种思维能力、一种工作能力，还有一种道德能力，它是三个方面的结合。 现在对学术腐败讲的很多，我们的实验教学过程中让学生感悟到一种科学的严谨、学术的敬畏、诚信的尊严,今后他就不会作假。,通过基础物理实验课： 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、基本方法和基本技巧； 培养学生严谨的科学思维能力、动手能力、良好的科研习惯； 培养学生理论联系实际、提出问题、分析问题和解决实际问题的能力； 培养学生与科学技术的发展相适应的综合能力。 打破了传统的各学科独立的课程体系，建立学科交叉，由浅入深的物理实验课程体系。,大学物理实验是: 独立设课，独立的学分,一二年级,三四年级,知识、能力、素质并重的实验教学体系,开放实验自主设计,创新性实验论文竞赛,教学实验,基础物理实验是大学生进入大学的第一门进行科学实验的课程，是同学们受到系统的实验思想方法和技能训练的开端，也是后续实验课程的基础。 一级物理实验（基础物理实验）的内容主要： 基本物理量的测量； 基本实验仪器的使用； 基本实验技能的训练； 基本测量方法与数据处理、分析； 涉及到力、热、电、光、近代物理的各个知识点，为普及性实验。,三. 怎样学好物理实验,基础物理实验前瞻,10个实验室、安排22个实验、 上12周实验课。 学生：1838人 15 位教师 37 位TA,力（热）学实验8个,液体表面张力 液体黏滞系数 天平测量质量 拉伸法测量杨氏模量 测量切变模量 固体比热容测量 直线运动与碰撞 声速的测量,电学实验6个,热敏电阻特性 半导体温度计制作 螺线管磁场 直流电路 示波器测量时间 整流滤波电路,光学实验4个,透镜参数测量 牛顿环 分光计调节 分光计测量棱镜顶角,下周绪论课后每位同学必做实验（2个）： 单摆的设计和研究 时间测量中随机误差的分布规律,光电效应测量普朗克常数 密歇根油滴实验（测量电子电荷）,近代物理实验2个,预习: 预习报告包括实验名称、实验目的、实验原理、自己组织语言简述实验原理，不能抄书，手写 不写预习报告不允许做实验！ 实验： 原始数据需要老师签字。 不能抄数据、凑数据，按零分计算 ！ 实验完成必须整理仪器！ 实验报告： 实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理、 数据处理、思考题。计算要有过程。手写,物理实验课的基本程序和要求,一级物理实验成绩评定,实验报告,姓名 班级 年 月 日,实验名称,实验目的,实验仪器,实验原理 (简要、一页纸),测量记录,数据处理与结果分析,误差分析、思考讨论,原始数据，教师签字,预习报告部分,报告提交与批阅 实验前检查预习报告 实验后一周内交完整的实验报告 再往后一周由老师批阅报告，上传成绩到教学信息平台，请自己核查分数是否有误。 学生要按时交报告，老师要按时批阅报告,欢迎就实验中的科学问题与老师交流。,到哪个实验室做实验 就在该实验室交报告,下午：2:00-5:00 晚上：7:00-10:00 整点点