第一章绪论

物理学是一门研究物质的结构，相互作用，运动规律及应用的基础学科。 物理学就是研究客观世界规律的科学。它建立在数学以及逻辑的基础上，反映了人们对客观世界的认知。 在走入力热声光电的精彩的物理实验之前，我们会学习一段些许枯燥绪论知识。这里我们先简单认识了物理实验的历史重要性，提炼地介绍了一部分数学和统计知识。介绍了计量学中的部分知识，物理实验中误差来源和不确定度评估，测量方法的选择以及测量结果的表示。这里面穿插了一些IYPT中的实验案例。希望同学们能够从中进行背景知识掌握，了解一些常用的测量方法和数据处理的基本方法。理解在实验开始前进行绪论学习的重要性。这些方法会一直贯穿于我们物理实验学习和科学研究的整个过程中，了解在各个研究领域， “Any measurement, without the knowledge of its uncertainty, is completely meaningless.”，即“一个不确定度未知的测量毫无意义”。

●1.1认识基础物理实验

物理学是一门研究物质的结构，相互作用，运动规律及应用的基础学科。 物理学就是研究客观世界规律的科学。它建立在数学以及逻辑的基础上，反映了人们对客观世界的认知。本节介绍基础物理实验的历史地位和作用，引导同学们认识基础物理实验。

●1.2物理实验中的数学与统计基础知识

本节提炼地介绍了一部分数学和统计知识。

●1.3物理实验的基本测量方法

本节介绍了计量学中的部分知识，物理实验中误差来源和不确定度评估，测量方法的选择以及测量结果的表示。这里面穿插了一些国际青年物理学家锦标赛（IYPT）中的实验案例。希望同学们能够从中进行背景知识掌握，了解一些常用的测量方法和数据处理的基本方法。

●1.4物理实验的数据处理方法简介

“Any measurement, without the knowledge of its uncertainty, is completely meaningless.”，即“一个不确定度未知的测量毫无意义”。物理的数据处理方法有很多，本节做一个简要介绍。

第二章大学基础物理实验——力学热学声学部分

在绪论课之后，将分为若干个部分以模块化形式介绍大学基础物理的内容。这一部分涉及力学热学声学部分。 力学是物理学中发展最早的一个分支。早在战国时期，墨经中就用“力，形之所以奋也”，解释力与运动的关系。形指的是具体的物体,“奋”是动的意思。生产劳动中，劳动人民大量运用了杠杆；螺旋；滑轮；斜面；浮力等原理。航海、工业等革命促进了力学研究；天文学的发展为力学找到理想实验室。 在目前我们开设的力学实验中，可以简要做以下分类。第一类是包括研究运动学规律、动量守恒、能量守恒定律：例如自由落体、碰撞、摆动、转动惯量、多普勒效应等实验；第二类是测量材料性能的实验，如材料拉伸、压缩与剪切；弹性模量(杨氏模量)；应变计等实验； 第三类是流体力学实验，例如进行伯努利定理的验证等； 还包括研究特定现象的实验，例如混沌现象实验。 声学实验主要研究声音特性，包括声速的测量；弦振动（驻波）；声音信号的傅里叶分析；振动模式研究等实验。在实验开设方面，由于课时限制，仅仅涵盖很少一部分。很多物理现象和实验需要同学们利用课外时间去探索。 热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间转化规律的一门学科。热学主要研究热现象及其规律，它有两种不同描述方法——热力学和统计物理。热力学是其宏观理论，是实验规律。统计物理学是其微观描述方法，它通过物理简化模型，运用统计方法找出微观量与宏观量之间的关系。 在基础物理中，热学实验主要涵盖如下几个方面：第一类是研究热现象、热运动规律：包括温度的测量；热机；相变临界现象的研究等；第二类是研究能量的守恒与转换定律。 热运动不是孤立，往往在一定条件下可向其它运动形态转化。如摩擦生热、挥发降温、电流通过电阻发热、气缸内气体吸热对外做功和塞贝克效应、温差电池等。第三类是热力学统计实验。例如布朗运动实验。在基础物理实验中，大部分实验通过研究不同材料，进行上述现象与规律的研究与探讨。 测量固体材料的导热系数；线（体）膨胀系数；冰的熔解热；金属的比热容等实验；测量液体的：液体的表面张力系数；粘滞系数；水的比热容；汽化热等； 测量气体的：空气比热容比、空气密度、气体普适常数、真空度测量等实验。 希望同学们通过本章的学习，夯实基础，掌握力学热学声学实验中的基本原理、仪器操作，了解现象后的物理规律，并通过第七章中的居家实验模块进行实践，通过真实的实验探究物理规律

●2.1小专题:力学、热学、声学基础实验简介

力学是物理学中发展最早的一个分支。早在战国时期，墨经中就用“力，形之所以奋也”，解释力与运动的关系。形指的是具体的物体,“奋”是动的意思。生产劳动中，劳动人民大量运用了杠杆；螺旋；滑轮；斜面；浮力等原理。航海、工业等革命促进了力学研究；天文学的发展为力学找到理想实验室。 李约瑟博士是英国近代生物化学家、科学技术史专家。他写了一部共七卷三十四册的划时代鸿篇巨著《中国科学技术史》，在这部巨著中，我们可以寻到墨经中带有平衡重锤的云梯图，《三才图会》中的负载的分配，图书集成中的提秤图，蕴涵流体静力学原理的宥坐之器。读完这些书，同学们能够更加深刻理解生活中无处不在的力学常识。2002年，科学家Robert P. Crease 通过Physics world杂志发起了“十大最美物理实验”的投票活动。其中关于力学相关的有Eratosthenes测量地球圆周的实验；伽利略的自由落体试验和加速度试验；卡文迪许扭秤试验；傅科钟摆试验。这些经典的物理实验在最早期展示了物理学者认识自然界的过程。 热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间转化规律的一门学科。关于热学，中国古代就用燥、暑、湿寒、温等来描述热现象。李时珍的本草纲目中对火及火焰现象进行分类。西晋张华的博物志中介绍了自燃现象。北魏人杨炫之所著的《洛阳伽蓝记》中描述了景明寺，碾米、磨面、舂（chong）米、扬糠，都是利用水力的作用，靠一个连接于曲柄的传动杆带动活塞做不停地往复运动进行工作。机械结构已经有了蒸汽机的雏形。2014年第27届国际青年物理学家锦标赛IYPT中，有一个关于pot In pot的题目，罐中罐冰箱，这个装置的原理与在湖北省博物馆曾侯乙墓中出土的中国古代冰鉴有异曲同工之妙。 物理实验博大精深，历史上优秀的物理学家璨若星河。历史上伟大的科学家们穷其一生也只能涉足若干个方向。因此在这个力学热学和声学简介中，我们只是在物理实验相关知识方面抛砖引玉，希望同学们能够通过更广泛的阅读和实验增加对学科发展脉络的认识，提高对物理实验课程的理解。 本节对力学热学声学基础实验进行介绍。

●2.2液体表面张力系数的测量

表面张力现象广泛存在于生活和自然界中。液体表面张力的测定方法很多，通常分静力学法和动力学法。静力学法有基于拉脱原理的吊环法、吊盘法；基于毛细管压差的毛细管上升法、最大气泡压力法，以及基于形貌识别的方法：悬滴法、旋转滴法、液桥法等; 动力学法有震荡射流法、毛细管波法等。1919年，来自美国罗切斯特医学研究所的 Du Noüy在实验室自制了基于拉脱法的表面张力系数测量仪，他使用齿轮、转盘、表针等组成的扭力天平测量了不同液体材料的表面张力系数。1935年，他在Nature杂志上发表了对Ring method的评论：比任何方法都广泛地应用。并且指出了它的优势：简单易操作、可靠。目前实验室通常采用焦利氏秤来进行拉脱法表面张力系数的测量。利用类似游标卡尺的主尺和副尺的套筒结构实现了对拉力的测量。现代测量仪器的进步使得人们可以利用硅单晶电阻应变传感器进行吊环法中力学信号的读取，告别了传统弹簧和胡克定律，并掌握使用计算机软件进行数据处理。 在南开大学力热实验室中，目前已经实践了不少于9种实验方法来探讨和测量液体的表面张力系数。其中拉脱法、吊环法、毛细管上升法、最大泡压法、液桥法、悬滴法、激光衍射毛细管波法、滴体积法在实验室有测量仪器。滴重法和托里拆利方法也可以通过简单的居家实验搭建完成测量。物理实验本身具有博大精深的特点，我们无法窥一斑而见全豹。由于课时限制，我们没有办法让同学们完成所有的方法。物理实验课堂可以是一个引子，帮助大家了解一个测量量，从哪里来，到哪里去。分析下市场上部分高端仪器被国外厂商垄断的现状。课程介绍了国际青年物理学家锦标赛（International Young Physicists' Tournament, 简称IYPT）中的一些生活中与表面张力相关的常见的物理现象。在广泛的阅读基础上，培养坚持求真的态度，实验中用自己的数据去说话，分析数据处理报告，是我们和大家一起要坚持的。在学习的过程中，根据自己的情况，大量阅读的基础上，在理解的基础上学习。希望通过液体表面张力系数的测定方法学习，通过动手实践，了解物理现象直接的联系，发现现象背后的奥秘。

●2.3测定空气的比热容比

一定质量的物质，在温度升高时，所吸收的热量与该物质的质量和升高的温度乘积之比，称做这种物质的比热容(比热)。一般地说，同种物质可以有不同的比热容。物质的比热容不仅对其温度有强烈的依赖关系，还取决于外界对物质本身所施加的约束。当压力恒定时可得物质的定压比热容(Cp)，Cv体积一定时可得物质的定容比热容（Cv）。CP及Cv一般也是温度的函数。但实际过程所涉及的温度范围变化不大时，二者均近似地视为常数。我们定义 γ 等于定压比热容与定容比热容的比值： γ= Cp/Cv=1+ R/μCv R 表示气体普适常数；μ表示气体的摩尔质量；γ 是热力学中的重要物理量，称为气体的主比热容之比，简称比热容，也就是气体的绝热系数。 比热容比的测定对于研究气体的内能，气体分子的运动和分子内部运动规律都是很重要的。比热容比在绝热或近似绝热的过程中有许多应用，例如，气体的突然膨胀或压缩以及声音在气体中的传播都与γ有关。 测定空气的比热容比有多种方法，如：绝热膨胀法；振动法；声速法。视频中详细讲解了绝热膨胀法。绝热膨胀法是测量空气比热容比的传统方法。这种方法的优点是原理简单，而且有助于加深对热力学过程中状态变化的了解。实验者的操作技术水平对测量数据影响很大。视频中也对振动法和声速法作了介绍。

●2.4杨氏模量的测定

物体在外力作用下所发生的形状大小的改变称为形变。若形变不超过一定的限度，撤去外力后，物体能完全恢复原状，这类形变被称为弹性形变。物体形变后能恢复原状的性质称为弹性。恢复原状的力称为弹性恢复力。当形变达到平衡时，弹性恢复力和所加外力数值相等、方向相反。 弹性形变范围内正应力与相应正应变的比值称为杨氏模量（E）。杨氏模量和切变模量（G—弹性形变范围内切应力与相应切应变的比值，又称刚性模量）都属于弹性模量，是反映材料抵抗形变的能力、进行热应力计算、防热和隔热层计算以及选用构件材料的主要依据。精确测定弹性模量对强度理论和工程技术都具有重要意义。 测定方法有三种：静态法(拉伸、扭转、弯曲)、波传播法和动态法。本实验用拉伸法测定物体的杨氏模量。

●2.5气垫导轨上的实验

1687年牛顿在《自然哲学之数学原理》中提出牛顿三大定律，其阐述了经典力学中基本的运动规律，牛顿也在此书中明确了质量和动量的定义，并且高度概括了动量守恒定律。在经典力学中碰撞问题是一类传统问题，它在力学基本定律的建立上起过重要作用。碰撞，不仅限于物体间互相接触的冲击作用，物体本身不接触，但相互以力场作用于对方而影响对方的运动状况也称为碰撞。近代关于原子和原子核方面的很多知识，是由观察它们之间的碰撞效应而得知的，使碰撞问题在微观领域获得了新的生命。 碰撞问题所涉极为广泛，本实验通过对两个物体在气垫导轨上的对心碰撞的研究，来检验碰撞过程中的动量守恒定律，以及由碰撞而引起的能量改变。在此实验探究中需要提供物体无摩擦运动的条件，实验室中采用的是气垫导轨装置。气垫导轨是一种通过空气薄层来使物体悬浮其上而构造近似无摩擦运动条件的仪器，在其上还可以进行一些探究各种无阻力的直线运动的力学实验内容，如验证牛顿第二定律实验，简谐振动实验等。

●2.6声速的测量

中国著名古建筑天坛中的回音壁，三音石体现了声音与古建筑的完美融合。早在战国时代，管仲所著的《管子》中便描述过五音，即中国古乐基本音阶——宫商角徵羽。高山流水、阳春白雪、下里巴人、起承转合、曲高和寡，这些成语都和声音相关。中国古典十大乐器承载着中华人民五千年的智慧，成为全世界宝贵财富。 声波是在弹性媒质中传播的一种纵波。在深海测量领域，声呐技术有无可取代的优势。在这个课程中，我们需要掌握超声波产生和接收的原理；掌握信号发生器、示波器、超声波测距综合试验仪、干湿球温度计使用。掌握时差法、共振法、相位比较法测量方法的原理和操作；分析几种测量方式的优劣；掌握超声波测距原理。 简单的视频学习是枯燥的，居家实验可以给我们很多的乐趣。生活中的物理现象和物理规律无处不在，居家实验不仅仅是在特殊疫情时期的有效教学手段，也应该融入到目前的实验基础教学中，成为培养我们物理思维的工具。在实践过程，我们给出了介绍了国际青年物理学家锦标赛（International Young Physicists' Tournament, 简称IYPT）中的一些与声音相关的物理现象。在居家实验部分，给出了利用水管和Phyphox手机工坊软件测量声速的一些实验设计。在家中用七个小药瓶，瓶中注入不同深度的水，可以做一个小编钟，敲出“小星星”。吹一根笔筒或者吸管，寻找声音极大时频率值与管长的关系。本章的实验内容是一个引子，希望能够引导大家简单认识声学相关的基础物理知识，为大家以后从事的各行各业的研究提供思考。整个课程的第七章是居家实验设计，可以选做自己感兴趣的居家实验，请大家在学习本实验课程的基础上，通过居家实验设计完成实践部分。

第三章大学基础物理实验——电磁学部分

该部分涉及电磁实验内容 电磁学是研究电磁现象的规律和应用的物理学分支学科。人类在很久以前就已经观察到了电现象和磁现象，留下了许多文字记载。我国古代对电的认识，是从雷电现象开始的，早在殷商时期，甲骨文中就有了雷和电的文字符号。在《论衡·龙虚篇》中记载了“云雨至则雷电击”提出了云雨与雷电的关系。在公元前3世纪，我国古书《韩非子》就有关于司南也就是指南针的记载，《吕氏春秋》中也记载了天然磁石吸铁的现象。 大约公元前六世纪，希腊学者泰勒斯记述了磁铁吸石和摩擦后的琥珀能吸引小物体的现象。而电这个词的起源就来自于希腊文的琥珀。在这之后，科学家们先后通过实验得出了库仑定律，发现了电流的磁效应和电磁感应定律，建立了电磁场理论，验证了电磁波的存才，这一系列重大发现使得原来互相独立的两门科学：电学和磁学发展成为物理学中一个完整的分支学科-电磁学。 电磁学作为现代科学技术的重要组成部分，在其基础上发展而来的各种现代技术广泛应用于工业、国防以及科学技术的各个领域。电磁学是一门实验学科，其诞生与发展依赖于实验现象与分析。所以掌握电磁学实验研究的基本方法，已成为各个学科领域的基本要求。 我们开设的电磁学实验主要分为四个部分，第一部分是直流电路实验，主要包括伏安法、直流电桥、电位差计、线性多用表等实验；第二部分是交流电路实验，主要包括示波器的使用、交流电桥、RLC电路的暂态过程、稳态和谐振特性，以及强电实验中的单相变压器和三相交流电路实验；第三部分是磁学实验，主要包括铁磁材料的静态和动态磁化特性曲线的测量，以及利用磁阻传感器和霍尔传感器进行的磁场测量；第四部分是综合实验，主要包括温差电偶分度与测温、补偿法测光电流、音频信号光纤传输实验等。 我们现在开设的电磁学实验的装置大多数为自制自组，实验的主要内容偏重于方法原理。希望同学们通过学习，掌握电磁学中基本物理量的测量方法，掌握电磁学测量仪器和电学元件的基本原理和使用方法，提高分析问题的能力和利用所掌握实验技能解决实际问题的能力。

●3.1小专题：电磁学基础实验简介

电磁学是研究电磁现象的规律和应用的物理学分支学科。人类在很久以前就已经观察到了电现象和磁现象，留下了许多文字记载。我国古代对电的认识，是从雷电现象开始的，早在殷商时期，甲骨文中就有了雷和电的文字符号。在《论衡·龙虚篇》中记载了“云雨至则雷电击”提出了云雨与雷电的关系。在公元前3世纪，我国古书《韩非子》就有关于司南也就是指南针的记载，《吕氏春秋》中也记载了天然磁石吸铁的现象。 大约公元前六世纪，希腊学者泰勒斯记述了磁铁吸石和摩擦后的琥珀能吸引小物体的现象。而电这个词的起源就来自于希腊文的琥珀。在这之后，科学家们先后通过实验得出了库仑定律，发现了电流的磁效应和电磁感应定律，建立了电磁场理论，验证了电磁波的存才，这一系列重大发现使得原来互相独立的两门科学：电学和磁学发展成为物理学中一个完整的分支学科-电磁学。 本节对电磁学基础实验进行介绍。

●3.2伏安法测电阻

电阻作为基本的材料参量和电学量，无论是在理论还是在应用都有着非常重要的意义，很多常见的物理量均可转化为电阻进行测量与表征。测量电阻有着多种方法，其中，伏安法测电阻的重要意义不但在于它直接是欧姆定律的直接阐释，更在于它具有大的动态测量范围，以及测量的普适性，即，对于普通的线性器件电阻和非线性器件的电阻均可测量。 本实验是在初高中的伏安法测电阻基础上，进一步引入了测量中的系统误差，以明确在测量电阻的过程中采用电表内接法与外接法的依据。在实验中，通过伏安法测电阻，测量定值电阻与二极管的伏安特性曲线，并利用作图法求出电阻。同时，实验还涉及仪表的测量精度问题，通过实验，使大家认识到仪表的精度的选择与数据不确定度处理的相关知识。

●3.3直流单臂电桥

直流单臂电桥是一种比较法测量电阻的方法。是利用电阻分压原理，通过已知电阻求未知电阻的测量方法。因为避免了电表内阻等方法误差的影响，是一种测量精度较高的方法。 电桥不仅可以测量电阻，还可以测量许多与电学量；如果把非电学量通过一定手段转换成电学量，也可以用来测量这些非电学量。例如，将热敏电阻作为电桥的一个臂，不同温度下，热敏电阻阻值不同，导致电桥不平衡，通过检流计读数就可以得到所测温度来。另外，电桥在传感、自动控制等领域也得到广泛应用。例如，可以应用压力传感器，将仪器中压力转换为电阻值，接入电桥，当压力变化时引起相应电阻变化，从而通过电桥引起桥路电流的变化，再利用此电流操纵控制系统，从而实现对压力的自动控制。 本实验的主要目的是学习直流单臂电桥测量电阻的方法和原理，了解实验中影响测量精度的因素，掌握物理实验中数据处理的基本方法。

●3.4示波器的使用

示波器是测量电信号的基本仪器，特别适用于周期性性信号与瞬时信号的测量。作为现代实验室中常见的仪器设备，示波器不但在复杂信号测量和表征方面有着广泛的应用，也是各种现代高精尖设备调校检测的常用工具。 本实验从模拟示波器的结构入手，讲解了示波器的构建思想与早期的模拟示波器的物理原理。在这些介绍的基础上，对示波器的功能进一步讲解。除去基本的理论，本实验更加注重于实际的测量与操作。实验的内容涉及利用示波器测量周期性信号的幅度，周期（频率），相位等基本参数。特别地，利用正交振动合成的李萨如图形的特性，实验中还包括利用信号发生器精确标定市电频率的内容。特别说明，实验虽然选择了两台特定型号示波器作为范例，但是不难推广到其它型号的示波器。

●3.5直流双臂电桥

电阻是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。在物理实验中，我们常用伏安法、欧姆表、直流单臂电桥测量元件的阻值大小。1862年英国的W.汤姆孙在利用单臂电桥测量低值电阻时遇到困难，发现测量产生误差很大，原因是接线电阻和连接点处的接触电阻的影响。这些电阻值可能远大于被测电阻值。因此,他提出了双臂桥路，被称为汤姆孙电桥。后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。 直流双臂电桥是在直流单臂电桥的基础上发展而来的，都属于比较测量法。也就是被测量与标准量直接进行比较，而获得测量结果。双臂电桥在测量低阻时可以消除接触电阻和线电阻的影响，大大提高了低阻的测量精度。本实验将对双臂电桥进行深入的研究。

●3.6RC、RL串联电路稳态特性

在电工电路特别是在电子电路中，时常用RC或RL串联的分压电路来传输交流电压信号。如果给该串联的电路加上正弦交流电压，则经历一段暂态过程，电路中的电流和每个元件上的电压便稳定下来，称为稳定状态。在稳定状态下，以总电压为输入电压，以一个元件上的电压为输出电压，则输出电压与输入电压之比称为该电路的传输系数，它是复数。当输入电压频率改变时，传输系数的模和幅角也将随着改变。电路的稳态特性常用于信号的滤波，用来消除信号中的噪声、干扰，或者减少频率分量的混叠。 对于电路的稳态特性分析，通常是分析电路的幅频特性和相频特性。在输入电压幅值不变的情况下，幅频特性是指电路中元件上的电压幅值随输入电压频率的变化规律，相频特性是指元件上的电压与输入电压的相位差随输入电压频率的变化规律。本实验将研究这种变化规律——电路的幅频特性和相频特性。

第四章大学基础物理实验——光学部分

该部分涉及光学内容。 光学的起源和力学、热学一样，可以追溯到两三千年前。《墨经》中记载着许多光学现象和成像规律，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面、凹面镜等。在春秋战国时代，凹镜是一种随身携带，用于聚集阳光取火的工具，称为“金燧（四声）”或“阳燧”。古代《周礼》等史志中记载“阳燧以铜为之，向日则生火”。 西方也很早就有光学知识的记载，欧几里得的《反射光学》研究了光的反射，阿拉伯学者阿勒·哈增写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象。光学真正形成一门学科，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。随后，经典光学不断发展，光的色散的研究、光的微粒说与波动说、光速的测定以及光谱的研究。20世纪60年代激光出现以后，光学进入新的发展阶段，现代光学兴起，激光技术的发展，全息术的发明和应用，激光光谱学、非线性光学、量子光学、量子信息光学、原子光学等。物理学是以实验为基础的科学。在物理学的发展中，实验起到了重要的作用。 在目前我们开设的光学实验中，可以简要做以下分类。第一类是几何光学实验：例如薄透镜焦距测量、自组显微镜、望远镜等实验；第二类是物理光学实验，如全息照相、牛顿环、空间滤波、迈克尔逊干涉仪等实验； 第三类是光谱学实验，例如衍射光栅、棱镜色散等；第四类是综合设计性实验，如光学自组实验。 我们对实验中会使用到的光源、光学元件和测量仪器进行了介绍。同学们在实际实验时要注重实验安全。 希望同学们通过本章的学习，夯实基础，掌握光学实验的基本原理、仪器操作，通过真实的实验探究物理规律。

●4.1小专题：基础光学实验简介

光学的起源可以追溯到两三千年前。《墨经》中记载着许多光学现象和成像规律，例如投影、小孔成像、平面镜、凸面、凹面镜等。在春秋战国时代，凹镜是一种随身携带，用于聚集阳光取火的工具，称为“金燧（四声）”或“阳燧”。古代《周礼》等史志中记载“阳燧以铜为之，向日则生火”。 西方也很早就有光学知识的记载，欧几里得的《反射光学》研究了光的反射，阿拉伯学者阿勒·哈增写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象。光学真正形成一门学科，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。随后，经典光学不断发展，光的色散的研究、光的微粒说与波动说、光速的测定以及光谱的研究。20世纪60年代激光出现以后，光学进入新的发展阶段，现代光学兴起，激光技术的发展，全息术的发明和应用，激光光谱学、非线性光学、量子光学、量子信息光学、原子光学等。本节对光学基础实验进行介绍。

●4.2牛顿环

牛顿环是由著名物理学家牛顿在研究光的颜色问题过程中发现的。早在1665年，牛顿通过三棱镜发现了光的色散，即一束白光是由很多不同颜色的光组成，并且在接收屏上观察到颜色按照从红到蓝的顺序规则排列。同时在这个时期，其他科学家，比如波义耳，虎克等，也在研究光的颜色问题，并观察到肥皂泡和玻璃球中显现的奇幻彩色条纹，但排列顺序并不十分规则。为了解释这一现象，在1675年，牛顿仔细地对肥皂泡色彩问题开展了研究。为了模拟肥皂泡很薄的壁厚，牛顿将两个棱镜按压在一起，他发现如果棱镜表面凹凸不平或者有一定的曲率时，将产生很薄的空气隙，此时就会出现以接触点为中心的一系列明暗相间的条纹。他还发现，如果入射光是白光，条纹是彩色的。而如果单色光入射，出现的就是明暗单色条纹。这个实验过程在他的著作《Optiks》中有着详细的记录。为了纪念牛顿，人们就把这种干涉条纹称为牛顿环。 在南开大学光学实验室中，牛顿环实验可进行钠黄光下的实验测量，并增加白光下牛顿环、液体折射率、等厚干涉观测形变等实验扩展内容。通过实验，使学生了解牛顿环的发展历程；加深对光的干涉等物理规律的思考和理解；学会测距显微镜的使用方法；培养学生树立正确的科学观，包括：从实验和观察出发，进行归纳综合的科学研究方法，勇敢于批判的科学精神，在实验中发现问题、解决问题的能力。最终达到学思结合，知行统一。

●4.3全息照相

全息照相是利用干涉的方法将物体发出光的振幅和相位信息，同时完全地记录在感光材料上，光的干涉图样经光化学处理后成为全息图，当照明光按一定方向照射在全息图上，通过全息图的衍射，使原先记录的物体光波的波前重现。由于记录了物光波前的振幅和相位信息，即全部信息，因此称为全息照相或全息术。全息术是英国科学家加伯在1947年为提高电子显微镜的分辨率，在布喇格和泽尼克工作的基础上提出的。但由于缺少高相干度和高亮度的光源，全息术在此后并未得到进一步的发展。直到1960年激光出现，以及利思和乌帕特克尼特斯提出离轴全息图以后，全息术才进入一个欣欣向荣的发展阶段，相继出现了许多全息方法，开辟了全息应用的新领域。1971年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦帝国科技学院的匈牙利裔物理学家加伯,以表彰他发明和发展了全息术。 在南开大学光学实验室中，全息实验采用激光记录、激光再现的方法，融入课程思政、居家实验、数字全息等实验扩展内容。通过实验，使学生了解全息照相的背景、发展历程；学习全息照相的原理，加深对光的干涉、衍射等物理规律的思考和理解；学会光学平台上基本光路的搭建和调节方法；掌握全息图拍摄与再现的方法；培养学生树立正确的科学观，包括：对称方法与非对称法、极限分析法、验证法等科学方法；在实验中发现问题、解决问题，探索精神，团队合作，集体意识等科学精神。最终达到学思结合，知行统一。

●4.4分光仪及衍射光栅实验研究

衍射是波在传播过程中遇到障碍物时偏离直线传播而绕过障碍物继续传播的现象。比如，当水波遇到障碍物时会发生衍射现象，障碍物尺寸大时，衍射现象不明显；障碍物尺寸较小时，衍射现象较为明显。一般来讲，障碍物尺寸与波长相比拟时会有明显的衍射现象。 大家看到的这个微视频是关于光栅衍射现象的。光栅衍射现象是一种多缝夫琅禾费衍射，所用的发生衍射的“障碍物”为光栅。具有周期性空间结构或光学性能的衍射物，都可以称为光栅。这里所说的光学性能，可以是透射率、折射率等等。光栅的一个重要应用就是分光，它可以把复色光分为单色光。光栅即可以作为光栅光谱仪的主要元件，也可以应用于精密测量领域。

●4.5滤光片特性研究

滤光片是能够从白光或其他复色光分选出一定波长范围或某一准单色辐射成分（光谱线）的光学元件。各种滤光片可以按所利用的不同物理现象分类，以选择吸收和多光束干涉两种类型最为常见。其中吸收滤光片是利用化合物基体本身对辐射具有的选择吸收作用制成的滤光片。常用材料是无机盐做成的有色玻璃或者有机物质做成的明胶和塑料。滤光片的一个重要参数是透过率。有色玻璃滤光片使用广泛，优点是稳定、均匀，有良好的光学质量，但其带宽较宽（很少低于30nm）。有机物质滤光片制作容易，便于切割，而机械强度和热稳定性较差。 在南开大学光学实验室中，滤光片特性研究实验，利用光谱技术研究滤光片特性，测量透过率、截止波长等滤光片的物理参数，还可进行原子吸收光谱等实验内容。实验注重学思结合，知行统一，使学生了解光谱学的发展历程；了解光栅光谱仪的工作原理；学会使用光栅光谱仪；培养学生树立正确的科学观，增强学生勇于探索的创新精神，善于解决问题的实践能力。

●4.6薄透镜焦距测量和自组显微镜

透镜作为光学仪器的基本元件，可以组成各种物镜和组建各种光学系统，这些物镜和光学系统在成象系统、图象摄取、遥感等领域中已经得到广泛应用。物镜或光学系统的放大、聚焦作用主要取决于透镜焦距或光学系统的参数。因此，测量透镜焦距是光学测量中需要掌握的基本实验技能之一。 在南开大学光学实验室中，透镜焦距测量和自组显微镜实验，采用自准直法和位移法两种薄透镜焦距的测量方法，并依据测量得到的透镜的光学特性组装一套简单的光学显微镜系统，增加了居家实验和IYPT相关内容。实验注重学思结合，知行统一，加深学生对几何光学成像物理规律的思考和理解；学会基本光路的搭建和调节；培养学生树立正确的科学观，增强学生勇于探索的创新精神，善于解决问题的实践能力。

第五章特别专题：第五届全国大学生物理实验竞赛

根据教育部高教司（高教司函【2010】13号）文件及全国大学生物理实验竞赛章程，全国大学生物理实验竞赛（（Chinese Undergraduate Physics Experiment Competition,简称CUPEC））自2010年起开始举办，是目前全国规模最大的物理实验类学科竞赛之一，。旨在激发大学生对物理实验的兴趣与潜能，培养大学生的创新能力、实践能力和团队协作意识，促进物理实验教学改革。传统的教学赛每两年举办一次，采用命题及现场实验方式。第一、二届竞赛由中国科学技术大学承办，第三、四届由南京大学承办，第五届由南开大学承办。竞赛邀请来自国家级物理实验教学示范中心、国家理科基础科学研究和教学人才培养基地物理学专业点、国家工科基础课程物理教学基地等高校参加，涉及到了国内几乎全部的物理学优势高校，为参赛选手提供了同等的实验平台和环境。相关实验研究论文在《物理实验》等杂志发表，已经成为国内基础物理实验教育的重要研究资料。 全国大学生物理实验竞赛（教学赛）分为基础性实验和综合性实验两类，每个参赛学校可最多派出4名选手，两名选手参加基础A和B，两名选手合作参加综合A或B比赛，每场比赛4个小时。 2019年7月18日，第5届全国大学生物理实验竞赛在南开大学八里台校区成功举办。来自全国56所高校的百余名教师及214名参赛学生参加了竞赛相关的交流活动。分别参加了基础A“液体的表面张力系数的测量”、基础B“滤波电路的研究”、综合A“基于傅里叶变换的频谱测量与应用”和综合B“基于铌酸锂晶体探究激光与物质的相互作用”四项命题式竞赛。 从历届命题上看，基础物理实验命题基于常规物理实验，始终围绕着对基本量的测量和思考，体现了对学生动手能力、思考能力的要求。在历届命题中，考察了质量、切变模量、杨氏模量、泊松比、表面张力系数等力学量；温度、比热容、熔解热等热学量；电压、电流、阻抗、功率、频率、相位、电导率、电导率、磁矩、磁感应强度等电磁学参量以及折射率、色散关系等光学相关参量。综合题的命题体现了聚焦经典物理理论、国际前沿性、技术引领性和综合性的特点，对学生阅读文献能力、融会贯通的物理思维能力、团队合作能力进行了考核。 本章给出2019年全国大学生物理实验竞赛（教学赛）的详细的试题讲解、视频、发表的教学文章，希望这些能够为基础物理实验的教育教学留下研究资料。课程总学时64学时。

●5.1第5届全国大学生物理实验竞赛（基础A）

许多涉及液体的物理现象都与液体的表面张力有关，例如液体与固体接触时的浸润与不浸润现象、毛细现象、液体泡沫的形成等，工业生产中使用的浮选技术，动植物体内液体的运动，土壤中水的运动等都是液体表面张力的表现。物理上一般用表面张力系数来衡量液体的表面张力性质，液体的表面张力系数与液体的性质、杂质情况、温度等有关。 液体的表面张力系数的测量是大学基础物理实验内容之一，其概念的定义偏微观化，属于流体力学内容。国内高校开设的课程中多选用拉脱法、用焦利氏秤对水的表面张力系数的测量作为实验内容。鉴于此以及南开大学基础物理实验教学中心“自制、自组、自拟”的宗旨，出于对考生的基础实验操作能力的考核的目的，我们从液体的表面张力系数的基本定义出发，将实验器材零件化，以由易到难、由理论到实践的方式编排了试题的内容。试题的难点是需要考生的思维从理论过渡到实验，把理论中的参量与实际器材相应参量对应起来，理论分析和推导也是考题的一部分。

●5.2第5届全国大学生物理实验竞赛（基础B）

滤波是指可以允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止或者抑制另一部分频率成分通过。在大学物理实验中，利用RC、RL电路特性和RLC谐振电路可以实现不同类型的滤波电路。在RC、RL串联电路稳态特性实验中，主要研究的是通过RC或RL的串联组成的低通、高通、全通等滤波电路，通过分析幅频特性和相频特性曲线，研究其滤波特性。在RLC谐振电路实验中，利用谐振电路特性，可以组成带通滤波电路。 第五届大学生物理实验竞赛的基础实验B“滤波电路的研究”是基于大学物理实验中串联电路稳态特性实验和谐振电路实验，试题既包含基础性实验内容，也有实验内容的拓展和延伸，难易结合，具有较高的区分度。试题主要考察考生对基础知识的掌握程度；考察考生的基本实验操作能力；考察考生实验设计能力、实验观察能力、实验现象分析能力、解决问题的能力。

●5.3第5届全国大学生物理实验竞赛（综合A）

经典光学中，成像理论建立在几何光学的基础上。尽管它可以很好地解决许多问题，并在实际工作中得到广泛地应用。但它也具有一定的局限性，无法在更深的层次上对光的传播和成像过程进行解释。近代光学中，对光的传播和成像过程可以直接用傅立叶变换来表达和处理，这种方法称之为傅里叶光学。 透镜的傅里叶变换特性是现代光信息处理的基础。由标量衍射理论可知，透镜的傅里叶变换描绘的是平行光正入射到衍射物体时频谱面和物像面关系。目前传统的透镜焦距测量通常基于几何光学原理，大多采用人眼判读成像的位置，测量精度受限于观测者的视觉。这几个微视频介绍的方法区别于你之前熟悉的实验方法，将利用不同条件下透镜变换所得到的频谱，进行频谱点间距测量，进而可确定成像透镜的焦距。根据频谱点间距的大小，可分别采用人眼和CCD两种测量手段。

●5.4第5届全国大学生物理实验竞赛（综合B）

2018年，美国的Arthur Ashkin由于他所发明的光镊及其在生物系统中的广泛应用而获得诺贝尔物理学奖。Ashkin是高产的物理学家，他和同事还发现了光折变效应，观察到连续激光的谐波产生，并开创了光纤中的非线性光学领域。1966年，Ashkin等人用铌酸锂和钽酸锂晶体进行激光倍频实验时，发现强光辐照会引起晶体折射率的变化，严重地破坏了晶体相位匹配条件，降低了倍频转换效率。因此, 最初把这种不期望的效应称为“光损伤”，这种损伤在暗处可保留相当长的时间。通过均匀光照或加热等办法，可以把光损伤的痕迹擦洗掉，为了避免与永久性的破坏相混淆，人们把这一效应称为光折变效应。光折变效应作为光学信息处理的基本手段之一，可应用于光放大、光振荡、光学记忆、图像存储、图像复原等众多领域。 本实验基于铌酸锂晶体探究激光及晶体的基本性能，研究晶体的光折变效应。

第六章特别专题：首届全国大学生物理实验竞赛（创新赛）学生作品

根据教育部高教司（高教司函【2010】13号）文件及全国大学生物理实验竞赛章程，全国大学生物理实验竞赛（（Chinese Undergraduate Physics Experiment Competition,简称CUPEC））自2010年起开始举办。旨在激发大学生对物理实验的兴趣与潜能，培养大学生的创新能力、实践能力和团队协作意识，促进物理实验教学改革。 全国大学生物理实验竞赛（教学赛）竞赛分为基础性实验和综合性实验两类，每个参赛学校可最多派出4名选手，两名选手参加基础A和B，两名选手合作参加综合A或B比赛，每场比赛4个小时。参赛高校抽签决定比赛次序。前4届竞赛按照参赛人数的10%、20%、30%分别设置一、二、三等奖，其余人获得参赛奖。随着影响力的增加，第5届竞赛开始将奖项扩充为按参赛人数的10%、30%、60%，分别设置一、二、三等奖。 2020年，CUPEC开启创新赛。2020年12月，第六届全国大学生物理实验竞赛创新赛由东北大学承办，采用创新赛和网上评审、答辩方式。第六届大赛总计410所高校、1408支代表队参赛。竞赛设一等奖（10%）、二等奖（20%）、三等奖（30%），根据参赛作品情况。2020年南开大学一共派出5只代表队，经过全体队员和指导教师的努力，最后获得全国一等奖3项，二等奖和三等奖各1项。南开大学荣获优秀组织奖。 本章给出2020年全国大学生物理实验竞赛（创新赛）的详细的参赛视频，希望这些能够为基础物理实验的教育教学留下研究资料。课程总学时64学时，第五章共计9学时，第六章共计5学时。每一部分的讲解都有背景介绍和弹题，希望学习者能够从中有所收获。不足之处，敬请各位老师和同学指正。

●6.1法拉第电磁感应定律的定量验证及磁场的测量

电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，电磁感应是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系。依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，并将其广泛应用到在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面。人类社会从此迈进了电气时代。 法拉第电磁感应定律及其应用是电磁学中的重要内容。我们根据题目要求，设计制作的一种新型电磁感应定律实验装置。该装置主要由摆、亥姆霍兹线圈、探测线圈、数据采集电路组成，利用LabVIEW虚拟仪器技术进行数据的采集、存储与实时显示，利用Matlab软件编程对产生的周期性感应电动势脉冲信号进行分析，提供了一种新的定量验证电磁感应定律和磁场测量实验的方法。

●6.2一种支持物理实验的变温装置

本队参加2020年全国大学生物理实验竞赛（创新赛）命题类题目----设计制作一种支持物理实验的变温装置。此题要求制作一个温度变化范围不小于-30℃到100℃的变温装置，且温控区域不小于(2*2*2)cm³，并讨论其温度控制效果和精度。我们对题目要求的关键信息作如下解读： 1.设计制作一种装置，该装置能设定温度并在启动后一定时间到达目标温度，并且拥有长时间稳定在目标温度的能力。 2.温度控制的空间范围须大于等于〖2cm〗^3，设定温度的范围须大于等于-30℃—100℃。 3.该装置可支持物理实验，温控区域可便捷地放入物体。 TEC半导体是由N型半导体和P型半导体通过金属连接构成的热电偶单元，根据帕尔贴效应，TEC半导体两面会产生冷热温差，可同时实现制冷制热。TEC半导体具有热惯性小，启动时间短、温控精度高、耗材少，体积小的特点。我们用(4*4*4)cm³的方形铝盒作为变温空间。TEC半导体片的冷面贴在铝盒外部相对的两个面上，热面贴水冷头，水冷头通过导管接到水槽中；铝盒的另外四个面包裹上隔热棉减小与外界的热量交换。改变流过半导体片的电流方向，可实现制冷与制热的切换。温控系统由STM32微控制器和DS18B20温度传感器组成，STM32微控制器输出PWM控制信号，通过驱动电路控制TEC半导体电源的通断，控制TEC半导体制冷或制热，进行温度控制。

●6.3自制荧光显微成像装置

当物质内的原子，吸收光子能量或其他能量，使得较低能级上的电子，受激跃迁到高能级而处于激发态，激发态电子不稳定，跃迁回低能级时将发射低频光子，这些发射出的低频光子即为荧光。荧光显微镜可以通过激发、采集物质的荧光信号实现对物质的显微观测。目前，荧光显微镜和光谱探测技术在生物、医学、材料领域等诸多领域都有着重要应用。比如，观察蛋白质、DNA、生物细胞、组织时常用到的各类荧光标记物，以及量子点、色心缺陷等零维材料、纳米线等一维材料、过渡金属硫族化物等二维材料、荧光晶体等三维材料，都可以用荧光显微镜和光谱仪进行观测。 通过对这个微视频的学习，可以看到我们搭建了一套集白光照明成像、激光激发荧光成像、荧光光谱探测以及可对样品施加应力调控等功能于一体的荧光显微成像实验系统，并依托该系统研究了应力作用下二维层状材料的荧光特性。

●6.4衍射光栅的特性研究

衍射光栅就是一种重要的分光元件，它被广泛应用于光谱学的各项实验中。从浩瀚星空到微观世界，光栅在人类探索宇宙、了解微观世界的探究过程起到重要作用。在天文探测方面，光栅可以被应用在太阳摄谱仪等天文光学仪器中。在与我们的日常生活密切相关的方面，光纤光栅被广泛应用于光纤通信、光纤传感等等方面，为改善我们的生活条件，提供便利功不可没。 在2020年全国大学生物理实验竞赛（创新）讲课类比赛中，衍射光栅特性实验展现光栅的背景、发展历程；加深学生对光的衍射等物理规律的思考和理解；使学生深入学习分光仪的结构、原理和调节方法；融入课程思政、居家实验、光栅在现今各领域的广泛应用；培养学生树立正确的科学观，包括：归纳法、对立影响法等科学研究方法，以及不畏困难，勇于探索的科学精神和把“小我融入大我”的爱国精神。

●6.5多普勒效应微课

当波源与观察者之间存在相对运动时，观察者接收到的波的频率和波源发出的频率不同的现象，称为多普勒效应。对于一切弹性波和一切电磁波，多普勒效应广泛存在。自从1842年由多普勒提出之后，多普勒效应在各个领域被广泛的研究和应用。 实验室中我们可以利用超声波源作为发射装置，超声波接收器作为测量装置，验证声波的多普勒效应。基于多普勒效应，探究声波在空气介质中的传播。也可以利用多普勒测速来探究物体的不同形式的运动。在这个多普勒效应微视频中，简单介绍了多普勒效应的发现过程、原理、居家实验设计以及应用。通过对这个微视频的学习，可以看出对真理追求的道路是曲折的，人们认识真理的过程也是漫长的，人们对于物理现象和规律的认识随着科学和技术的进步不断发展。