《近代物理实验》教学大纲

《近代物理实验》教学大纲

实验名称：近代物理实验

学 时：90学时

学 分：4.5

适用专业：物理教育专业

执 笔 人：李军

审 订 人：程庆华

一、实验目的与任务

近代物理实验是高等师范学校物理专业的一门重要的必修课程。它是在普通物理实验和电子学实验基础上开设的一门综合性实验技术与实验方法课程。通过本课程的学习，使学生掌握一些较先进的和综合性的实验方法和技能，加深对近代物理的一些重要概念和规律和理解，扩大知识面，培养初步的独立的科学实验和科学研究能力。

二、教学基本要求

1、使学生初步掌握近代物理某些主要领域中的一些实验方法和技能。它包括正确地使用比较精密、比较复杂的实验仪器；综合运用力、热、电、光和电子学的实验方法；掌握精密度较高的测量技能；初步掌握计算机在实际中的一些基本应用技能；培养学生使用新设备、新仪器及采用新技术的能力。

2、通过做一些综合性的专业性的实验，特别是通过那些在物理学发展史中起过重要作用的近代物理实验的训练，使学生学习观察有关物理过程，提高用实验方法研究物理规律的能力，加深对近代物理领域中的一些重要现象和规律的理解。

3、进一步提高学生从事科学实验的能力，包括查阅参考文献、拟定实验方案和步骤、选用基本仪器、准确进行测量、正确进行实验数据处理、综合分析实验结果、撰写实验报告等方面的能力。

4、严格要求学生切实养成实事求是、严肃认真的科学实验态度和克服困难的工作作风，培养他们的创新思想和创新能力。

三、实验项目与类型

四、实验教学内容及学时分配

实验一 弗兰克—赫兹实验 3学时

1． 目的要求

通过测量汞（氩）原子激发电势，证明原子内子化能级的存在。

2．方法原理

经过栅极电压获得一定能量的电子，与气态的汞原子发生碰撞，测其电流与电压的关系，从而得出激发电位。

3．主要实验仪器及材料

弗兰克—赫兹实验仪，包括恒温箱、微电流测试仪、稳压电源、弗兰克—赫兹管（汞管或氩管）、慢扫描示波器、X-Y计录仪。

4．掌握要点

汞原子激发电位的测定。

5．实验内容：

（1）预热与控温，保持在一个较佳的温度。

（２）在一定灯丝电压下（Ｆ－Ｈ管也厂说明书推荐值），改变温度，观测曲线。

（３）计算汞的第一激发电位，并估计其不确定度的范围。

实验二 密立根油滴实验 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　3学时

１．目的要求

测量基本电荷量，验证电荷量的不连续性。

2．方法原理

带电油滴在平行板电容器中运动，观察其运动状态可以求出其所受电场力，平行板电容器电压及电场强度都已知，从而求出油滴的带电量。

3．主要实验仪器及材料

密立根油滴仪（含直流稳压电源、电子计时器）、CCD观测系统、显示器。

4．掌握要点

密立根油滴仪的调节与使用。

5．实验内容：

（1）油滴仪的调整。

（２）练习控制油滴和测量。

（３）正式测量，对同一个油滴进行多次测量。

（４）实验数据处理，求出基本电荷电量。

实验三 普朗克常数的测定 　　 　 　 3学时

1．目的要求

加深光电效应及光的量子性的理解，利用光电效应测定普朗克常数。

2．方法原理

在光电效应中，遏止电压的大小与普朗克常数成正比。

3．主要实验仪器及材料

普朗克常数测定仪

4．掌握要点

光电管伏安特性的测试。

5．实验内容：

（１）微电流放大器调节。

（２）光电管暗电流测试。

（３）光电管伏安特性测试

实验四 氢（氘）原子光谱 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　5学时

１．目的要求

通过测量氢和氘巴尔未线系谱线，计算氢和氘原子核的质量比。

2．方法原理

通过仪器测量出氢和氘的波长，根据玻尔理论求出其里德伯常数以及氢和和氘原子核的质量比。

3．主要实验仪器及材料

组合式多功能光栅光谱仪（带光电检测系统）、氢氘灯、定标灯组、计算机、打印机。

4．掌握要点

多功能光栅光谱仪的调节与使用

5．实验内容：

（1）用光栅光谱仪测出氢和氘的波长（三个线系的波长）

（２）求出其里德伯常数以及氢和和氘原子核的质量比。

实验五 塞曼效应 　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　5学时

１．目的要求

用法布里-珀罗标准具观测汞谱线的塞曼分裂谱，并计算电子荷质比。

2．方法原理

原子在外磁场作用下分裂。

3．主要实验仪器及材料

直读式塞曼效应仪，包括法布里-珀罗标准具、电磁铁、高斯计、笔型高压汞灯、干涉滤光片、偏振片、1/4波片、CCD观测系统（或读数测微目镜）等。

4．掌握要点

光学系统与法布里－珀罗标准具的调整，原子在外磁场作用下分裂的规则。

5．实验内容：

（1）光学系统的调整。

（２）法布里－珀罗标准具的调整。

（３）测量同心圆环的直径。

（４）数据处理计算电子荷质比。

实验六 法拉第效应 　　　　 5学时

1．目的要求

了解法拉第效应原理，学会测量法拉第效应旋光角。

2．方法原理

当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第首先发现的，故称为法拉第效应。振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。实验发现：，式中， 为法拉第效应旋光角，l为介质的厚度，B为平行与光传播方向的磁感强度分量，V称为费尔德(Verdet)常数。

3．主要实验仪器及材料

WFC法拉第效应测试仪，待测样品。

4．掌握要点

法拉第效应测试仪的使用。

5．实验内容：

（1）法拉第效应测试仪的调试。

（2）测量法拉第效应旋光角。

实验七 核衰变的统计规律　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 5学时

１．目的要求

了解放射性原子核衰变的统计规律，验证泊松分布或高斯分布，正确表达放射性结果的统计误差，掌握测量物质吸收系数的方法

2．方法原理

用光电倍增管和计算机计算记录下在相同时间内，不同道数的放射性元素放出的核子数，分析其服从的规律。

3．主要实验仪器及材料

相对论效应实验仪、多道脉冲分析器、计算机、放射源。

4．掌握要点

相对论效应实验仪的调节与使用

5．实验内容：

（1）固定高压、计数时间及源的位置重复测量300次以上的计数，并用计算机作统计。

（２）重复测量１秒内的本底计数300次并用计算机作统计。

实验八 γ能谱的测量 　　　　　　　　　　　　　　　 　　　5学时

１．目的要求

了解γ射线与物质相互作用的基本特性，掌握NaI（TI）γ谱仪的工作原理及其测量方法，学会分析Cs的单能γ谱。

2．方法原理

γ射线与物质相互作用最主的有三种方式，光电效应、康普顿散射及电子对效应。

3．主要实验仪器及材料

γ闪烁能谱仪、脉冲示波器、γ放射源。

4．掌握要点

γ闪烁能谱仪的调节与使用以及γ射线与物质相互作用的三种方式。

5．实验内容：

（1）调节仪器，选择适当的放大倍数、道宽和高压。

（２）改变阈值测放射源钴、铯的能谱及本底谱。

（３）用数据处理软件处理数据。

实验九 用快速电子验证相对论效应 　　　　　　　　　 　　5学时

１．目的要求

通过对快速电子的动量和能量的同时测定，验证其动量与能量之间的相对论关系，了解β磁谱仪的测量原理。

2．方法原理

高速运动的粒子（接近光速），其动量与动能遵循相对论定律而不是经典的力学定律。

3．主要实验仪器及材料

相对论效应实验仪、多道脉冲分析器、计算机、放射源、高斯计。

4．掌握要点

相对论效应实验仪的调节与使用。

5．实验内容：

（1）调节仪器，选择适当的放大倍数和高压。

（２）用钴、铯对能量进行定标。

（３）测出源在不同位置的峰道址。

（４）用数据处理软件进行处理，作出图形。

实验十 微波的传输特性测量 　　　　　　　　　　　　 　　　5学时

１．目的要求

学会使用基本的微波器件，了解微波振荡源的工作原理和微波的传输特性，并掌握频率、功率以及驻波等基本量的测量。

2．方法原理

测量微波在波导中传输时的波长、频率和驻波比。

3．主要实验仪器及材料

微波信号发生器、波导测量线、波导元件、数字微瓦功率计、波导功率探头、选频放大器。

4．掌握要点

标准信号发生器的调节与使用以及微波的传输特性。

5．实验内容：

（1）标准信号发生器的调节。

（２）测量微波在波导中的波长。

（３）测量微波的频率并与信号发生器上的示数作比较。

（４）测量微波的驻波比。

实验十一 核磁共振 　　　　　　　　　　　　　　　 5学时

１．目的要求

了解核磁共振原理，用稳态法观测NMR波谱，测量一些样品的核磁矩，并学会用NMR方法测定磁场。

2．方法原理

当垂直于方向所施加的射频场的频率满足时，低能的核磁矩可吸收射频场能量而跃迁到高能级。

3．主要实验仪器及材料

核磁共振仪（包括边限振荡器、扫场调制、移相器和电源）、双综示波器、频率计、高斯计。

4．掌握要点

核磁共振仪的调节与使用,磁矩的能量及跃迁规则。

5．实验内容：

（1）核磁共振仪的调节。

（２）观察氢原子的共振信号,并记下其共振频率(三峰等间距和两峰合一时)。

（３）观察氟原子的共振信号,并记下其共振频率(三峰等间距和两峰合一时)。

（４）计算磁场强度与驰豫时间。

实验十二 电子自旋共振 　　　　　　　　　　　　 　 5学时

１．目的要求

了解电子自旋共振原理，学习用微波频段检测电子自旋共振信号方法。测定DPPH中电子的g因子和共振线宽。

2．方法原理

顺磁物质中的磁矩主要电子自旋磁矩提供,将顺磁物质放在外磁场中观测其信号。

3．主要实验仪器及材料

微波电子共振仪（包括微波固态源、可调式电磁铁、波导系统、电源、微分放大器、交流调制场仪、DPPH样品）、双踪示波器。

4．掌握要点

微波电子共振仪的调节与使用。

5．实验内容：

（1）单螺调配器螺钉的位置和穿伸度的调节

（２）共振吸收信号与色散信号的检测

（３）计算波长与磁场强度B。

（４）计算扫场幅度与驰豫时间。

实验十三 全息照相 　　　　　　　　　　　 　　 　　5学时

１．目的要求

了解全息照相的基本原理，掌握摄制全息图的方法，了解全息图的主要特点。

2．方法原理

同一束光经过分光镜以后分成的两束光经过不同的光路到达光屏,不仅记录了光强在平面上的分布情况还记录了光的位移信息,从而照出来是立体的象。

3．主要实验仪器及材料

全息平台、激光器、磁性底座、分光器，反射击镜、扩束镜等。

4．掌握要点

全息成相光路的调节以及拍摄过程中的注意事项。

5．实验内容：

（1）全息成相光路的调节。

（２）胶片的感光。

（３）胶片的冲洗。

（４）全息相片的观察。

实验十四 用光拍法测定光速 　　　　　　　　　　　 　　　 　5学时

１．目的要求

掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法，初步了解声光效应。

2．方法原理

二束光具有一定的频率差产生光拍频波,根据公式求出光速。

3．主要实验仪器及材料

光速测定仪、超高频功率信号发生器、数字频率计、示波器。

4．掌握要点

光速测定仪的调节与使用。

5．实验内容：

（1）光速测定仪的调节。

（２）用光拍波测量光速。

实验十五 液氮温区超导基本特性的测量　　　　　　　 　　　　5学时

１．目的要求

通过直流测量法测量超导体的临界温度和零电阻，观测磁悬浮现象，了解超导体的两个基本特性—零电阻和迈斯纳效应。

2．方法原理

将超导体放入液氮中,测量电阻与温度与电阻的关系。

3．主要实验仪器及材料

超导体转变温度测量实验装置（包括超导样品、测试电源、探棒、液氮杜瓦瓶）、显示系统（数字显示表和X-Y记录仪）、真空玻璃杯、磁悬浮力测量装置

4．掌握要点

了解超导体的两个基本特性—零电阻和迈斯纳效应。

5．实验内容：

（1）将超导体放入液氮杜瓦瓶中。

（２）同时记录下温度和电阻，间隔30秒再记一次，直到电阻很小趋于零。

（３）在坐标纸上作出温度与电阻图像。

五、考核办法

实验预习20%；实验操作40%；实验报告40%。

六、实验教学指导书和参考书

1．林木欣，近代物理实验教程（第二版）,科学出版社,2000年。

2．戴乐山、戴道宣，近代物理实验（第一版），复旦大学出版社，1995年。

3．吴思诚，近代物理实验（第二版），北京大学出版社，1999年。

4．邬鸿彦、朱明刚，近代物理实验（第一版），科学出版社，1998年。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c8389e7827284b73f2425012.html