了得網研究生_大學物理實驗——提高篇（第三版）

編輯推薦

李端勇等編著的《大學物理實驗——提高篇(第3版）》是在第二版的基礎上，結合近幾年來的教學實踐完成的。本書對第二版的內容進行調整和增減，繫統地介紹了大學物理實驗常用的實驗測量方法，按照實驗技能和物理知識的漸進性提高過程，在設計性實驗項目安排上，將設計性實驗編寫成引導設計性實驗和研究設計性實驗，比較符合低年級學生的學習狀態。在反映物理新成就方面，安排了一定數量的近代物理實驗內容，目的在於通過實驗學習近代物理若干領域的知識和實驗方法。所有這些，均有助於學生進一步理解物理實驗的設計思想和實驗方法，培養學生的創新思維和創新能力。本書可作為高等工科院校、高等職業學校和高等專科學校工科各專業的大學物理實驗提高課程的教材。

內容簡介

《大學物理實驗提高篇（第三版）》按照教育部《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》，根據普通工科院校大學物理實驗教育教學的特點與任務，在對《大學物理實驗——基本篇》和《大學物理實驗——提高篇》修訂、調整、更新與補充的基礎上修編而成，仍保留兩冊的原名。

《大學物理實驗提高篇（第三版）》為提高篇，是與《大學物理實驗——基本篇》融為一體的姐妹篇，側重於近代物理現像實驗、設計性實驗，並繫統地介紹大學物理實驗常用的實驗測量方法及其相關知識。

《大學物理實驗提高篇（第三版）》可作為高等學校本專科及高職高專工科各專業的大學物理實驗提高課程教材，也可作為相關人員的參考用書。

作者簡介

李端勇、張昱

第一章物理實驗的基本測量
第一節長度量測量
一、比較法測量長度
二、遊標法測量長度
三、螺旋法測量長度
四、放大法測量長度
五、光學干涉法測量長度
六、光機電方法測量長度
七、角度單位
八、角遊標
九、幾何光學法測量小角度
十、干涉法測量微小角度
第二節壓強測量
一、壓強的表壓及壓強的單位第一章物理實驗的基本測量
第一節長度量測量
一、比較法測量長度
二、遊標法測量長度
三、螺旋法測量長度
四、放大法測量長度
五、光學干涉法測量長度
六、光機電方法測量長度
七、角度單位
八、角遊標
九、幾何光學法測量小角度
十、干涉法測量微小角度
第二節壓強測量
一、壓強的表壓及壓強的單位
二、壓力計測壓
三、電學式壓力傳感器
第三節質量測量
一、質量定義及質量基準
二、杠杆天平方法
三、壓力傳感方法(電子秤)
第四節時間和頻率測量
一、頻率基準與秒的定義
二、秒表
三、數字毫秒表
四、模擬電路測量頻率的方法
五、電子計數器測頻率
六、示波器測頻率
七、掃頻儀
第五節溫度測量
一、溫度與溫標
二、溫度測量原理與方法
三、溫度計及溫度傳感器
四、膨脹式溫度計
五、電阻溫度計(熱電阻)
六、氣體溫度計
七、熱電偶溫度計
第六節電流測量
一、電流測量的基本器具及實現原理
二、常用電流測量儀表及裝置
第七節電壓測量
一、電壓測量基準量具及實現原理
二、常用電壓儀表與裝置
第二章近代物理實驗與綜合實驗
第一節物理效應實驗
實驗一塞曼效應
實驗二光電管特性研究
實驗三掃描隧道顯微鏡的原理及其應用
實驗四多普勒效應綜合實驗
實驗五法拉第效應
實驗六熱聲熱機
實驗七磁光效應
實驗八磁阻效應及磁阻傳感器的特性研究
第二節電磁學、光學、原子物理學綜合實驗
實驗九等離子體實驗
實驗十微波鐵磁共振實驗
實驗十一光柵單色儀的調整與應用
實驗十二熱輻射與紅外掃描成像
實驗十三色度實驗
實驗十四紫外可見分光光度計的原理及使用
實驗十五光拍的傳播和光速的測量
實驗十六全息照相
實驗十七發光二極管(光源)的照度標定
實驗十八用光學多道分析器研究氫原子光譜
實驗十九夫蘭克-赫茲實驗
實驗二十電子電荷的測定——密立根油滴實驗
實驗二十一核磁共振實驗
實驗二十二順磁共振實驗
實驗二十三傅裡葉變換光譜
第三節一般應用實驗
實驗二十四橢圓偏振光測薄膜厚度
實驗二十五偏振光實驗
實驗二十六太陽能電池基本特性測定
實驗二十七大氣物理探測
實驗二十八多媒體光纖傳輸
實驗二十九彩色編碼攝影及彩色圖像解碼
實驗三十硅光電池實驗
實驗三十一光敏電阻實驗
實驗三十二交直流激勵時霍爾傳感器位移特性實驗
實驗三十三氣敏濕敏傳感器實驗
實驗三十四超聲波探傷
第三章引導設計性實驗
第一節自組儀器實驗
實驗三十五箱式電位差計測電阻
實驗三十六伏安法測線性電阻、非線性電阻
實驗三十七惠斯通電橋測電阻
實驗三十八測微安表內阻
第二節仿真實驗
實驗三十九單擺測重力加速度
實驗四十半導體溫度計的設計
實驗四十一雙臂電橋測低電阻
實驗四十二光學設計實驗
第四章研究設計性實驗
第一節力學實驗
實驗四十三測量速度和加速度
實驗四十四重力加速度測量與計算機處理
實驗四十五用力學傳感器研究踫撞過程
實驗四十六測偏心輪繞定軸的轉動慣量
實驗四十七壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗
實驗四十八傳感器的位移特性實驗
第二節熱學實驗
實驗四十九熱電偶測溫性能及標定實驗
實驗五十熱敏電阻溫度開關
實驗五十一半導體溫度計的設計
實驗五十二半導體溫度傳感器溫度特性測量
實驗五十三金屬線膨脹繫數測量
實驗五十四金屬箔式應變片的溫度影響實驗
第三節電學實驗
實驗五十五簡易萬用電表的設計及校準
實驗五十六測量電阻絲的電阻率
實驗五十七用兩種方法測電容器的電容
實驗五十八測量地磁強度的水平分量
實驗五十九周期函數的傅裡葉分解
實驗六十交直流全橋的應用實驗
實驗六十一壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗
實驗六十二用霍爾位置傳感器測量橫梁的楊氏模量
第四節光學實驗
實驗六十三內調焦望遠鏡的組裝及放大倍率測定
實驗六十四光敏傳感器的光電特性研究
實驗六十五光電開關實驗
實驗六十六邁克耳孫干涉儀的組裝和應用
實驗六十七用雙稜鏡測量光波波長
實驗六十八綜述測定光波波長的各種方法
實驗六十九用偏振光測定玻璃相對空氣的折射率
實驗七十用分光儀測定液體(水)的折射率
實驗七十一測定細絲的直徑
實驗七十二測定空氣折射率
參考文獻

在線試讀

第一章物理實驗的基本測量

第一節長度量測量

長度是基本物理量之一，長度的測量在科學實驗中被廣泛使用，許多非力學量的測量也轉化為長度進行讀數，因此長度測量顯得十分重要。

長度量要依據標準器具度量，長度的測量原理是依據標準器具可復制多種測量工具，將待測長度與測量工具比較，從而得出測量結果。長度測量工具包括量規、量具和量儀。習慣上常把不能指示量值的測量工具稱為量規；把能指示量值，拿在手中使用的測量工具稱為量具；把能指示量值的座式和上置式測量工具稱為量儀。測量工具按用途分為通用測量工具、專類測量工具和專用測量工具三類；按工作原理分為機械、光學、氣動、電動和光電等類型。

基準量具主要有飽和吸收穩頻激光輻射、線紋尺、量塊、角度量塊和多面稜體等。常用量具有鋼卷尺、正弦規、遊標卡尺、千分尺（螺旋測微器）、百分表、千分表、多齒分度臺、讀數顯微鏡、比較儀、阿貝比長儀、電感式測微儀、電容式測微儀、線位移光柵、感應同步器、磁尺、電柵（容柵）、單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀等。

專類測量工具主要是用於測量某一類幾何參數、形狀和位置誤差等的測量工具。用於直線度和平面度測量的有直尺、平尺、平晶、水平儀、自準直儀等；用於表面粗糙度測量的有表面粗糙度樣塊、光切顯微鏡、干涉顯微鏡和表面粗糙度測量儀等；用於圓度和圓柱度測量的有圓度儀、圓柱度測量儀等；用於齒輪測量的有齒輪綜合檢查儀、漸開線測量儀、周節測量儀、導程儀等；用於螺紋測量工具等。

專用測量工具是僅適用於測量某特定工件的尺寸、表面粗糙度、形狀和位置誤差等的測量工具。常見的有自動檢驗機、自動分選機、單尺寸和多尺寸檢驗裝置等。
第一章物理實驗的基本測量

第一節長度量測量

長度是基本物理量之一，長度的測量在科學實驗中被廣泛使用，許多非力學量的測量也轉化為長度進行讀數，因此長度測量顯得十分重要。

長度量要依據標準器具度量，長度的測量原理是依據標準器具可復制多種測量工具，將待測長度與測量工具比較，從而得出測量結果。長度測量工具包括量規、量具和量儀。習慣上常把不能指示量值的測量工具稱為量規；把能指示量值，拿在手中使用的測量工具稱為量具；把能指示量值的座式和上置式測量工具稱為量儀。測量工具按用途分為通用測量工具、專類測量工具和專用測量工具三類；按工作原理分為機械、光學、氣動、電動和光電等類型。

基準量具主要有飽和吸收穩頻激光輻射、線紋尺、量塊、角度量塊和多面稜體等。常用量具有鋼卷尺、正弦規、遊標卡尺、千分尺（螺旋測微器）、百分表、千分表、多齒分度臺、讀數顯微鏡、比較儀、阿貝比長儀、電感式測微儀、電容式測微儀、線位移光柵、感應同步器、磁尺、電柵（容柵）、單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀等。

專類測量工具主要是用於測量某一類幾何參數、形狀和位置誤差等的測量工具。用於直線度和平面度測量的有直尺、平尺、平晶、水平儀、自準直儀等；用於表面粗糙度測量的有表面粗糙度樣塊、光切顯微鏡、干涉顯微鏡和表面粗糙度測量儀等；用於圓度和圓柱度測量的有圓度儀、圓柱度測量儀等；用於齒輪測量的有齒輪綜合檢查儀、漸開線測量儀、周節測量儀、導程儀等；用於螺紋測量工具等。

專用測量工具是僅適用於測量某特定工件的尺寸、表面粗糙度、形狀和位置誤差等的測量工具。常見的有自動檢驗機、自動分選機、單尺寸和多尺寸檢驗裝置等。

不同的測量器具測量精度不相同，米尺的精度為1mm，遊標卡尺的精度為

0．02mm，千分尺的精度為0．001mm。以下介紹幾種長度的測量方法。

一、比較法測量長度

將待測物體的兩端與標準長度進行比較，就是最簡單的長度測量，緊貼、正視和對準讀數是測量時的要領和關鍵。用不同精度的標準尺去測量同一待測物體，所測得結果的有效數字的位數是不同的。尺子的精度越高，測得的量值的有效數字的位數也越多。

利用比較法進行測量的長度測量工具稱為比較儀，比較儀一般由測微儀和比較儀座組成。按測微儀所采用的放大原理，比較儀可分為機械式比較儀、光學比較儀和電學比較儀三種。機械式比較儀常用百分表、千分表、杠杆齒輪式測微儀或扭簧測微儀等機械式指示表作為放大、指示部件。機械式比較儀常用於測量工件外徑和厚度等。光學比較儀是利用光學測微儀作為放大指示部件。常見的有立式、臥式和影屏式三種。立式光學比較儀，又稱立式光學計，其分度值為1μm，示值範圍為0．1mm，適宜在計量室使用，測量範圍為0～180mm，常用於檢定量塊和光滑量規以及測量工件的外徑、厚度；臥式光學比較儀，又稱臥式光學計，測量範圍為0～500mm，適用於在計量室測量較大的或在立式光學計不易定位的工件，如圓盤等；影屏式光學比較儀，又稱投影光學計，分度值有1μm、0．2μm等。分度值為

0．2μm的光學繫統采用多次反射以增大光學杠杆的放大比。此外，還有用光波干涉法測量的接觸式干涉比較儀，其分度值為0．05μm、0．1μm和0．2μm；電學比較儀常用電感式或電容式測微儀作為放大、指示部件，如電感式比較儀，其分辨率有1μm、0．1μm和0．01μm等幾種。

二、遊標法測量長度

米尺的最小刻度為1mm，它隻能測到精度為毫米的估計位。為了提高對於標準米尺（主尺）估讀最小刻度的精度，通常在主尺上附帶一個可以沿尺身移動的小尺（稱副尺或遊標），組成遊標尺，如圖1-1-1所示。

圖1-1-1主尺和副尺示意圖

常用的三種遊標尺有n＝10、20、50，即精度各為0．1mm、0．05mm、0．02mm。讀數方法參見基本篇第三章。

三、螺旋法測量長度

螺旋法測量長度的原理是利用螺旋將直線位移變為套管的角位移而加以放大。分度值為0．001mm的稱“千分尺”；分度值為0．01mm的稱“百分尺”。

千分尺分為機械式千分尺和電子千分尺兩類。機械式千分尺，簡稱千分尺，也稱螺旋測微器，是利用精密螺紋原理測長的手攜式通用長度測量工具。千分尺的品種很多，改變千分尺測量面形狀和尺架等就可以制成不同用途的千分尺，如用於測量內徑、螺紋中徑、齒輪公法線或深度等的千分尺。利用精密螺紋原理測長的儀器還有讀數顯微鏡、邁克耳孫干涉儀等。

千分尺的構成是在一根帶有毫米刻度的測杆上，加工出高精度的螺紋（又稱絲杠），並配上與之相應的精制螺母套筒，在套筒周界上準確地刻以等分的刻度，就構成了測微螺旋。根據螺旋推進的原理，套筒每轉過一周（360°），測杆就前進一個螺距。隻要螺距準確相等，則按照套筒轉過的角度，就可以用遊標原理構成的尺準確地估計出測杆端部前進的位移尺寸。

螺旋測微器量限有10mm、25mm、50mm、75mm、100mm，刻度通常為0．01mm，另外還有刻度值為0．002mm和0．005mm的絲杆千分尺。

四、放大法測量長度

把已知長度中的最小單位長度放大細分，使之能準確地分辨出已知長度與被測長度的微小差值，主要有機械、光學、氣動、電學和光電等類型。其中機械型采用斜楔、杠杆、齒輪、扭簧等的放大機構和利用遊標原理的細分機構等。光學型有讀數顯微鏡的顯微鏡光學繫統、投影儀的投影光學繫統和自準直儀的自準直光學繫統等。光電型采用光學方法和電學方法先後將被測尺寸轉換、放大、細分，以得到所需要的分辨率，常用於光柵測量繫統、激光干涉儀、固體陣列測量繫統等。

當被測物很小或觀測視場較遠時，可以借助於顯微鏡或望遠鏡將待測物體的像放大或移近到人眼能觀測的適當距離（人眼明視距離約為25cm），然後與標準米尺、長度規（刻度經過嚴格校準的尺）或精密測微絲杆等進行比較，通過換算獲得測量結果。測量精確與標準米尺、長度規和絲杆的精度有關，利用顯微鏡、望遠鏡、投影儀等光學儀器來測量長度時的讀數準確度可達1μm。

物理實驗中常用放大法構成的儀器有光杠杆、讀數顯微鏡、阿貝比長儀等。

光杠杆是一種利用放大法測量微小長度變化的常用儀器，光杠杆原理及應用參見基本篇第三章。

五、光學干涉法測量長度

利用光的干涉現像測量長度是長度測量的最精密的實驗方法，大學物理實驗中有牛頓環干涉法、邁克耳孫干涉法等。設有兩束具有相同頻率、相位和振動方向的光波S1、S2經過不同的光程後相遇，在空間形成光強的穩定分布的現像是干涉現像。利用干涉法測量位移的原理如圖1-1-2所示。從光源發出的光，經分光鏡分為兩路：一路透過分光鏡射向可動反射鏡Μ1，另一路由分光鏡反射到固定反射鏡Μ2並分別從Μ1和Μ2反射回來，經過分光鏡疊加在接受屏上。每當Μ1移動1／2波長，時，接受屏上的干涉條紋就會出現一次由暗到亮或者由亮到暗的變化。計算這些明暗變化次數就可以計算出Μ1的移動量。利用這一原理測量位移的光學繫統稱為邁克耳孫干涉繫統。激光干涉儀就是用這個繫統來測長的。

圖1-1-2干涉法測量位移的原理圖

在邁克耳孫干涉法的基礎上，法布裡和珀羅又作了改進，逐漸構成了現在各種類型、不同用途的干涉比長儀。使用干涉儀，長度測量可精確到光波長的數量級10-7 m 。

激光器的普遍使用、近代光學技術的發展，使得一些測量長度的新方法、新技術和儀器不斷湧現，最有代表性的是激光散斑全息干涉法、莫爾條紋技術等，所測位移可準確到10-8 m 。

激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳孫干涉繫統測量位移的長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。

六、光機電方法測量長度

利用機械放大機構與光學方法的組合儀器，讀數顯微鏡是典型的光機儀器。

讀數顯微鏡是利用顯微鏡光學繫統對線紋尺的分度進行放大、細分和讀數的長度測量工具。按細分的原理不同，讀數顯微鏡通常分為直讀式、標線移動式和影像移動式三種。常被用作比長儀、測長機和工具顯微鏡等的讀數部件，也可單獨用於測量較小的尺寸，如線紋間距、硬度測試中的壓痕直徑、裂縫和小孔直徑等。其分度值有10μm、1μm和0．5μm幾種。物理實驗中的牛頓環實驗的讀數繫統就是采用了讀數顯微鏡。

七、角度單位

角度和長度是構成幾何量的兩個基本要素。角度可以用長度的比值來表示，所以有時人們就把角度和長度等幾何量測量統稱為長度測量。角度測量在物理實驗中常常遇到，特別是在光學實驗中，需要精確測量角度。

習慣上，角度的單位沿用了六十分制，又稱為秒角度制。六十分制將整個圓周分成360等份，每等份弧長所對應的圓心角為1“度”（1°）；1“度”分成60等份，每等份為1“分”（1′）；1“分”再分成60等份，每等份為1“秒”（1″）。整個圓周對應的圓心角為360°：360°＝21600′＝1296000″秒是六十分制的最小單位，小於1秒時，按十進制計算，如十分之六秒可寫為0．6″。小於1度的“分”值，也可按十進制計算，如30′可寫為0．5°。科學計算中常用弧度單位，在一個圓內，如圓心角φ所對應的弧長AB恰好等於該圓的半徑R，則該圓心角φ稱為1弧度，記為rad（圖1-1-3）。用弧長作單位來衡量角度大小的單位制度稱為弧度制。弧度單位主要是用於

計算，在角度測量中，很少直接作為角度單位使用，因為圓圖1-1-3弧度定義圖示周角為無理數，實驗儀器上不能實現，所以實驗測量中隻用度、分、秒作為角度的單位。但在進行理論計算時，一般又要換算成以弧度為單位。實際上隻是在度、分、秒之間的換算使用六十分制，在單獨的度（或分、或秒）上仍然使用十進制。因此，角度的乘除、開方運算隻需將角度化成以度為單位的數（或者以分為單位的數，或者以秒為單位的數，是單一的分數），按十進制計算。

半徑為R的圓周的周長為2πR，所以整個圓周對應的圓心角為2π弧度。當某圓心角φ對應的圓周弧長為S，則有

φ＝ RS （rad）

弧度制和六十分制的換算如下：360°＝2π（rad）＝6．2832（rad）2π

1° ＝ 360（rad）＝0．0174533（rad）

2π

1′＝ 360×60（rad）＝0．000291（rad）

2π

1″＝ 360×60×60（rad）＝0．000004848（rad）

而1rad＝57．295779°≈57．3°≈3438′≈206265″≈（2×105 ）″在角度測量中，當被測角小於2°時，常用近似的簡易計算式。

八、角遊標

大多數的精密測角儀都是由望遠鏡和刻度盤組成的，由於用途不同，增加了不同的附件而名稱各異，如經緯儀、分光計等。物理實驗中常用的分光計又叫分光測角儀，它是專門用來測量角度的儀器，為了提高測量角度的精度，在分格為0．5度的度盤上附加了一個可以滑動的角遊標，如圖1-1-4所示。角遊標分成30格，這樣測角儀的精度為1′。

生產中常用角度規來測量角度工件，角度規是一種輕便的通用角度量具，由於結構簡單，使用方便，在生產中得到了廣泛的應用。角度規按結構可分為遊標角度規、光學角度規和正弦尺角度規。

圖1-1-4度盤與遊標

常用的測角方法和儀器還有傾斜儀測角、光學分度頭及分度臺測角、多齒分度臺測角、在工具顯微鏡上測角、螺紋牙型半角的測量。

九、幾何光學法測量小角度

小角度的測量，一般待測角隻有幾分，小者則隻有幾十秒甚至幾秒，而且要求精度高。實現小角度測量的方法大體上可分為三種。第一，對平面度誤差與粗糙度參數值均較小、反射率也較高的被測物表面可采用光學自準直方法，使用的儀器是光學自準直儀或光電自準直儀等。第二，對水平或垂直安放的被測件，測量相對於水平面或鉛垂直面的傾斜角，再換算為待求的被測量，使用的儀器是各種水平儀，如框式水平儀、電子水平儀等。第三，利用正弦原理，在正弦臂為定長的情況下，其轉過的小角度與其端點的位移成正比，激光小角度測量儀就是應用正弦原理測量小角度的。

十、干涉法測量微小角度

利用劈尖干涉測微小角度，可以進一步間接計算微小物件的線度，在兩塊光學平板之間的一端夾住微小物件，在兩平板之間形成空氣劈尖，一束波長為λ的單色平行光垂直入射到空氣劈尖上將發生干涉，形成干涉條紋。相鄰暗條紋（或明條紋）間空氣膜厚度差為λ／2。裝置如圖1-1-5所示，設n條條紋寬度為d，則有

θ＝ 2 nd λ 式中λ是已知的。隻要用讀數顯微鏡測出n條條紋寬度d，就可以得到微小角度的測量值。

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