章 緒論

節 物理實驗的重要性和課程要求

第二節 測量誤差和不確定度

第三節 其他常用數據處理方法

第四節 電學實驗基礎知識

第二章 基礎實驗

節 預備實驗

實驗一 長度的測量

實驗二 單擺測重力加速度

實驗三 萬用表的使用

第二節 普通基礎實驗

實驗一 慣性秤

實驗二 物質密度的測定

實驗三 基於氣墊導軌驗證牛頓第二定律

實驗四 彈性楊氏模量的測定伸長法

實驗五 弦振動的研究

實驗六 用波爾共振儀研究振動現像

實驗七 測定冰的熔解熱

實驗八 伏安法測二極管的特性

實驗九 惠斯通電橋測電阻

實驗十 數字萬用表的工作原理和使用

實驗十一 半導體熱敏電阻溫度特性的研究

實驗十二 霍爾效應及其應用

實驗十三 磁電阻效應

實驗十四 巨磁電阻效應

實驗十五 低電阻的測量

實驗十六 交流電橋

實驗十七 電子束的偏轉和聚焦

實驗十八 示波器的使用

實驗十九 空氣中超聲波聲速的測量

實驗二十 RLC串聯電路的暫態過程研究

實驗二十一 薄透鏡焦距的測定

實驗二十二分光計的調節及稜鏡折射率的測定

實驗二十三 生物顯微鏡

實驗二十四 牛頓環與劈尖干涉

實驗二十五用透射光柵測量光波波長

實驗二十六 邁克耳孫干涉儀的調節和使用

實驗二十七 全息照相

實驗二十八 彩虹全息

實驗二十九 偏振現像的觀察與分析

實驗三十 微波的布拉格衍射

第三章 綜合設計實驗

實驗一 金屬線膨脹繫數的測量

實驗二 雙光柵測量微弱振動位移量

實驗三 PN結的物理特性及其參數的測定

實驗四 示波器黑盒子

實驗五 液體折射率的測定

實驗六 阿貝成像原理和空間濾波

實驗七 硅光電池的性能研究

實驗八 金屬電子逸出功的測定

實驗九 密立根油滴實驗

實驗十 弗蘭克-赫茲實驗

實驗十一 利用虛擬儀器技件的伏安特性

第四章 探究實驗

節 演示儀器的制作

實驗一 手機投影儀的制作

實驗二 全息投影成像實驗裝置的制作

實驗三 飛機機翼升力實驗儀制作

實驗四 開爾文滴水起電機的制作

實驗五 電磁炮

實驗六 超遠程遙控炸彈

第二節 綜合應用

實驗一 懸浮在空中的乒乓球

實驗二 水波特性研究

實驗三 斯特林熱機的制作及其性能研究

實驗四 霍爾器件的特性及應用

實驗五 基於虛擬儀器的溫度傳感器性能測試繫統的設計

實驗六 烹飪機器人

第三節 光電應用

實驗一 He-Ne激光器的模式測量與分析

實驗二 基於光纖的視頻信號雙向傳輸

實驗三 基於全光纖馬赫-曾德爾干涉儀的性能研究

實驗四 混合物的太赫茲/遠紅外光譜分析與識別

實驗五 太赫茲遠紅外光譜對於藥物分子的探測和分析

實驗六 基於光電導航的智能移動測量小車

第四節 計算機應用

專題1 計算機繫統性能的優化與整合

實驗一 CPU超頻特性研究

實驗二 顯卡超頻、內存超頻、主板超頻和硬盤提速

實驗三 計算機軟件繫統的優化與整合

專題2 聲音的音質測定與音響設備改裝專題

實驗一 音質測試平臺的搭建

實驗二 聲音在傳輸過程中的失真研究

實驗三 音箱的制作與改裝

前    言

普通物理實驗是學生進入大學以後接觸的門實驗課，是學生進入大學後接受繫統實驗方法和實驗技能訓練的開端。它是一門基礎、綜合設計和應用性的實驗課。它與物理理論課程有著緊密的聯繫，但又是一門獨立的課程。它不僅給學生以嚴格的實驗基礎訓練，還要使學生受到具有綜合和設計實驗能力的訓練，以及實踐應用和初步研究能力的訓練。這本教材，是作者近10年來進行多次教學改革和課程建設積累的成果。

在教學改革中，我們強調了加強基礎。當然，隨著物理學和現代科學技術的發展，“基礎”的內涵也在發生改變，過去的一些舊的測量技術和手段，例如光電檢流計和電位差計，雖然有很好的設計思想，但是由於使用方法煩瑣，早已被新的技術取代，因而教學中應予以刪除。而像微波布拉格衍射、弗蘭克-赫茲實驗和核磁共振實驗這些原本屬於近代物理實驗的題目，有的由於其方法簡單，難度小，有的則由於其概念已被人們廣泛接受，因而充實到普通物理實驗中也是適宜的。

在教學改革中，也加強了綜合性、設計性實驗。過去的普通物理實驗主要分為力熱、電磁和光學幾部分，現在很多實驗采用了傳感器，從方法和內容上具有一定的綜合性，例如用光拍法測物體振動的微小位移，這一實驗本身是力學實驗，用到了光拍的方法，利用示波器顯示振動波形，而弗蘭克-赫茲實驗中則用計算機采集和處理數據等。另外還安排了一定比例的設計性實驗，利用現有的儀器，學生可以做一些更接近實際應用的題目。此外，在介紹實驗內容上，通過所給資料和思考題，引導學生學習建立與實驗方法和測試相關的思路，使學生的綜合設計能力得到提高，有利於培養學生解決實際問題的能力。

在教學改革中，注意突出一個“新”字：實驗的內容和思路力求新一些，例如增加了硅光電池特性和巨磁效應的測量及應用等新內容的實驗，開闊了學生的眼界；所用的儀器的設計思想力求新一些，例如開設了數字萬用表的設計性實驗，用虛擬儀器代替傳統的測試方法等，加深了學生對現代化測量儀器的認識和理解；實驗的方法和技術力求新一些，例如在測量金屬的線脹繫數時使用了光的干涉法，這些新的實驗方法和技術，使學生加深對新方法和新技術的了解，使他們學會用實驗手段研究和解決問題，為將來在工作中接受和應用新技術打下基礎。

另一方面，還考慮到要從現實出發，師範院校的一些畢業生要到邊遠地區工作，那裡的實驗條件比較落後，實驗器材比較陳舊，先進實驗器材的使用要掌握，傳統的、經典的實驗裝置也要會用。因此本書也收入了一些如伏安法測二極管的特性等使用傳統儀器的實驗。一些傳統的、經典的實驗，隻要我們賦予它新的意義，也是具有生命力的。例如，電子束線的聚焦和偏轉的實驗，看起來就是一個普通的驗證性實驗，它除了出現在大多數示波器的示波管中，還與電子發現這一歷史事件有關，它提供了電子荷質比測量的一種方法。

現在的普通物理實驗中，有邁克耳孫干涉儀、全息照相、微波布拉格衍射和弗蘭克-赫茲實驗等獲得諾貝爾獎的著名實驗；也有惠斯通電橋、霍爾效應、分光計的調整和用透射光柵測定光波波長等經典實驗。體會了這些實驗的巧妙構思，學生也往往會對這些著名物理學家的研究思路、創新過程感興趣。為此，本書在重點介紹各個實驗的原理、內容的同時，還扼要介紹了這些實驗的背景，如邁克耳孫如何在研究以太漂移過程中，在賈民干涉儀的基礎上發明了他的干涉儀；伽伯怎樣在研究提高電子顯微鏡的分辨率時提出了相干成像原理；以及惠斯通如何自學成纔，研究出電橋法測電阻；夫瑯禾費怎樣從一個學徒工成為卓越的光學家，研制出早的分光計和實用的光柵等。希望這部分內容可以起到激勵學生的創新意識、啟迪學生創新思路的作用。

探究實驗是為大學三年級以上的學生開設的實驗選修課。通過這一教學形式，不僅可以充分利用閑置的儀器，提高實驗中心儀器的利用率，為實驗中心開發充足的實驗教學內容；可以調動學生學習的積極性和主動性，提高綜合應用所學知識處理和解決科學問題的能力；而且可以活躍教師和實驗員進行教學和實驗研究的氣氛。探究實驗是對常規教育方式的良好補充，同時也為研究這種新的教學模式構建了實踐平臺。

人非生而知之，學要有一個過程。人的能力也是有差異的，常聽到一些同學說，自己比別的同學笨，因此實驗做得也慢。這裡，我們想用著名物理學家霍爾（Edwin Herbert Hall，1855—1938）的一段話與大家共勉：“在我所有致力於科學的努力中，在一些方面遇到了明顯的障礙，動手不熟練，理解問題緩慢。另一方面，我能夠堅持不懈，喜歡用我不緊不慢的方式與困難、問題拼搏；我獲得的所有成功都可以歸結為這兩個特點。”霍爾不認為自己有聰明過人的纔智，相反認為自己“理解問題緩慢”，“動手不熟練”，但是這沒有阻礙他進行研究，由於他堅持一步一步地解決困難、問題，總是能夠戰勝困難取得成功。這對我們也是一個很好的啟發，不可能每個人都那麼纔思敏捷，但是隻要堅持努力，克服困難，深入鑽研問題，就能夠取得成功。

本書、第二和第三章由劉維、董巧燕、施宇蕾、劉戰存、劉麗峰、張波、王福合、左劍、尹曉鼕和張盛博編寫；第四章由易向東、闫海濤、蘇波、劉維、施宇蕾、左劍、張盛博、孫文峰和何敬鎖編寫。

在教學改革中，我們曾到北京大學、清華大學、北京交通大學、復旦大學、同濟大學等院校參觀學習，得到過許多專家的指導，受到很多啟發，獲益匪淺，開闊了我們的眼界，為我們編寫這本教材拓寬了思路，在此我們向這些專家表示真摯的謝意。教學改革以來，將近十屆同學在實驗教學中對所用教材和教學內容提出了寶貴的意見和建議，促成了這本教材的編寫，我們也向他們表示衷心的感謝。