近代物理实验(一)教学大纲

新疆大学“近代物理实验(一)”课程教学大纲


课程编号:B060014(060013)

课程类型:专业必修课

总 学 时: 88

学 分:3

适用对象:适合物理学专业、应用物理学专业汉/民/民考汉本科生

先修课程:量子物理、电动力学、统计物理、固体物理、原子物理、普通物理

使用教材及参考书:

使用教材:《近代物理实验讲义》,新疆大学物理系应用物理教研室编,2004年

参 考 书:《近代物理实验》,孙大民等编,安徽教育出版社,1987年

                《近代物理实验教程》,林穆欣等编,科学出版社,1999年

                《近代物理实验》,南京大学近代物理实验室编,南京大学出版社,1997年

                《近代物理实验》,戴乐山、戴道宣编,复旦大学出版社,1995年


一、课程性质、目的和任务

        物理学是一门以实验为基础的科学。实验教学是培养合格科学工作者必不可少的教学组成部分。 近代物理实验又是一门综合性、技术性较强的课程。并且是衡量一个学校物理系水平高低的标尺。无论在国内,还是在国外, 都十分重视近代物理实验的建设和发展。

        本课程的主要目的:通过近代物理实验,充实和活跃学生的物理思想, 培养学生敏锐的观察能力,分析、归纳、综合能力,培养创新意识和掌握新技术的能力。较为严格和系统地训练学生掌握基本物理实验技能, 掌握科学实验的基本知识、方法和技巧。 近代物理实验处在普通物理与专业实验之间,还具有承上启下的作用。 培养学生对实验现象的观察与分析能力。扩大学生的知识面,开阔学生的视野,激发学生的创新精神。 进一步培养学生的综合素质,使他们具备良好的实验素养、严谨的科学作风、求实的科学精神,并具备一定的独立工作能力和科学研究能力。

二、教学基本要求

        1.学习如何用实验方法和技术研究物理现象和规律, 通过那些在物理学发展史上起过重大作用的近代物理实验的训练,培养学生的创新思想与创新能力, 培养他们在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

        2.学习近代物理主要领域中的一些基本实验方法和技术, 掌握有关仪器的性能和使用,掌握计算机在实际中的一些基本应用技术。

        3.要求同学们通过阅读实验讲义、演示文档、 各种实验仪器的说明书等资料,在没有或较少得到实验教师的指导情况下,能操作相应的实验仪器、 确定正确的实验步骤、编制较佳的实验数据。记录表格、完成实验数据的处理和分析工作,从而基本上独立地完成近代物理实验。

        4.提高学生的综合素质,培养他们实事求是、 踏实、细致、严肃认真的科学态度和克服困难的坚韧不拔的工作作风。

        5.通过某些前沿领域中的近代物理实验,开阔学生的视野, 激发学生的创新意识,培养学生使用新设备,新仪器及采用新技术的能力。拓宽知识面。

三、教学内容及要求

        讲授部分 6学时:绪论及误差分析

        理解近代物理实验课的特点,了解课程的内容、任务和学习方法。了解一些实验的史料,加深对近代物理实验的了解。

        理解常用近代物理实验仪器的工作原理、使用常识。

        掌握实验中的注意事项,包括人身安全及防护、通用仪器的正确使用。理解特殊仪器设备时应严格按照操作规程使用的必要性。

        了解课程的要求和实验安排。

        1、原子物理

        原子物理实验是研究原子和分子的结构及其运动规律的实验。通过本单元实验理解原子和分子的结构;掌握研究原子和分子的结构的基本方法,特别是光谱的方法。

        (1)钠原子光谱

        实验类型:基本性实验

        实验内容:拍摄钠原子发射光谱,测量谱线波长(用线性内插法、比长仪的测量),用查表和计算得到量子亏损,测量精细结构,得到屏蔽常数。掌握光栅摄谱仪和阿贝比长仪的原理及使用方法。掌握精确测定光谱波长的方法,根据实验数据计算量子亏损。

        (2)塞曼效应

        实验类型:综合性实验

        实验内容:了解塞曼效应,理解原子的精细结构,观察横效应和纵效应及其偏振情况。学会调节F-P标准具。根据实验结果,计算塞曼分裂的大小,并确定原子上下能级的J、L、S及g因子值,并计算 \(\frac{e}{4\pi mc^2}\)

        2、光学

        (1)法拉第效应

        实验类型:基本性实验

        实验内容:了解法拉第效应原理,测量法拉第旋转角和磁场的关系、旋转角与波长的关系、计算电子的荷质比、观察磁光调制现象。

        (1) 光速测量

        实验类型:基本性实验

        实验内容:理解光拍频现象,掌握利用光拍频法测量光速的技术。

        (3)光电探测器光谱特性

        实验类型:创新型实验

        实验内容:了解辐射热电偶原理,掌握利用辐射热电偶和标准光源进行测量,得到归一化的光谱响应曲线。

        3、原子核物理

        了解放射性元素的射线的性质及测量方法,了解射线测量中计数的统计规律。掌握放射性基本测量仪器的使用,初步掌握放射性测量数据处理。

        预备知识(含核辐射与核保护,核物理实验方法等)

        (1)G-M计数器及核衰变的统计规律 

        实验类型:基本性实验

        实验内容:了解G-M管的工作原理和特性,测量G-M管的坪曲线和分辨时间,以及验证核衰变的统计规律。测量G-M管的特性,验证高斯分布和泊松分布。

        (2)γ射线能谱测量

        实验类型:基本性实验

        实验内容:了解γ射线与物质发生相互作用的特性。 分析CS-137放射源的单能测量γ能谱,测定谱仪的能量分辨率。

        (3)用S-35+多道分析仪测能谱

        实验类型:设计性实验

        实验内容:了解用S-35+多道分析仪的基本原理及基本操作规程。 用CS-137放射源对多道分析仪进行能量刻度并对未知放射源进行能谱分析。

        4、低温与固体物理实验

        (1)霍尔效应

        实验类型:基本性实验

        实验内容:掌握霍尔效应基本原理,掌握实验方法,测量半导体硅(或锗)的霍尔系数与电导率。

        (2)位错观测和全相显微技术

        实验类型:设计性实验

        实验内容: 了解全相显微技术,掌握全相显微镜的使用方法,掌握硅单晶位错密度及小角度晶界倾角θ的测定。

        (3)高临界温度超导体临界温度的电阻测量

        实验类型:基本性实验

        实验内容:利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系;通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法;学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理;选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系并与动态进行比较。

        (4)蒸汽冷凝法制备纳米微粒

        实验类型:设计性实验

        实验内容:学习和掌握利用蒸汽冷凝法制备金属纳米微粒的基本原理和实验方法,研究微粒尺寸与惰性气体气压之间的关系;学习利用电子成像法、X射线衍射峰宽法或其它方法测量微粒的粒径。

        5、光学和光谱技术

        (1)吸收光谱定量分析

        实验类型:基本性实验

        实验内容:了解吸收光谱法的应用,掌握吸收定律,利用分光光度法测定溶液中物质的浓度。

        (2)光学多道分析仪的使用

        实验类型:综合性实验

        实验内容:了解OMA(光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器)的组成及工作原理,掌握使用OMA分析光谱的方法,利用计算机数据采集、分析和处理数据。

        (3)光学综合实验

        实验类型:设计性实验

        实验内容:光学平台设计各种几何光学、波动光学和信息光学等方面的光学实验,观察、检测、测量相关实验数据,并对实验数据进行

        (4)激光拉曼光谱

        实验类型:综合性实验

        实验内容:了解拉曼光谱技术的应用,掌握拉曼谱仪基本构造及原理,掌握光路的调节,测定振动频率,根据片偏振情况确定振动模式。

        (5)光波导技术应用、激光全息照相、全息光栅、小型固体激光器的调试和倍频现象等相关光学实验内容。

        6、磁共振技术

        (1)核磁共振

        实验类型:设计性实验

        实验内容:理解核磁共振原理,掌握一种测量磁场的方法。掌握对磁场的标定后,测量可产生核磁磁共振物质的回磁比和朗德因子。

        (2)电子自旋共振

        实验类型:基本性实验

        实验内容:理解电子自旋共振原理,掌握射频段观测电子自旋共振信号,测量谱线宽度和g因子。

        (3)光磁共振

        实验类型:设计性实验

        实验内容:掌握光抽运磁共振探测实验原理,观察光抽运信号,测量弛豫时间,观测磁共振信号测定原子 Rb87 和 Rb85 的 g 因子,测量地磁场。

        7、应用技术实验

        (1)扫描隧道显微镜(STM)技术应用

        实验类型:综合性实验

        实验内容: 学习和了解扫描隧道显微镜的结构和原理;观测和验证量子力学中的隧道效应;掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程,观察样品的表面形貌;学习用计算机软件来处理原始数据图像。

四、实践环节

        1、本大纲是根据历年来全国“近代物理实验教学大钢”及近年来我系改革经验的基础上,结合现有的实验设备,为培养高素质的应用性人材而制定的, 基本上覆盖了近代物理实验的各有关内容。有些实验内容,如光学中的激光全息,傅里叶光学, 激光器的模式与兰姆凹陷等效应在高等光学的专门化实验中;薄膜的制作与膜厚的测量等内容在材料物理专门化实验中进行; 而低温技术,微波技术和声学等方面的实验在具备条件后陆续开设。

        2、本课程教学方式主要是:在教师的指导下,学生独立完成实验(二人一组), 特别强调培养学生的实际动手能力。

        3、当今科学技术发展日新月异,新方法,新仪器不断出现。 本课程也应与时俱进,不断探索,不断发展。

五、学时分配

        本课程安排176学时,分两学期完成,总共完成18至22个实验项目, 每学期88学时,每次实验安排6-8学时,前2 小时熟悉实验仪器,进一步修改完善实验方案,提交预习报告。 所有实验实行二个学生一套实验设备,保证学生亲自动手实验的机会。

序号
教学内容
实验类型
实验要求
参考学时
1 绪论与误差分析 6
2 钠原子光谱实验 基本 必做 8
3 塞曼效应 综合 必做 8
4 光速测量 基本 必做 6
5 γ射线能谱测量 基本 必做 8
6 G-M计数器及核衰变的统计规律 基本 必做 6
7 用S-35+多道分析仪测能谱 设计 必做 8
8 法拉第效应 基本 必做 6
9 核磁共振 综合 必做 8
10 光磁共振 基本 必做 8
11 盖革-弥勒计数器和放射性探索 基本 必做 6
12 吸收光谱分析 基本 必做 6
13 光学多道分析仪的使用 综合 选做 8
14 光学综合实验 综合 选做 8
15 电子自旋共振 基本 必做 6
16 高临界温度超导体临界温度的电阻测量 基本 必做 8
17 蒸汽冷凝法制备纳米微粒 设计 选做 8
18 扫描隧道显微镜(STM)技术应用 综合 选做 8
19 光波导技术应用 综合 选做 8
20 激光全息照相 基本 选做 6
21 全息光栅 基本 选做 6
22 小型固体激光器的调试和倍频现象的观测 基本 选做 6
23 激光拉曼光谱 综合 选做 8
24 考试 2
合计 88

六、考核方式

        严格本课程的考核,考核方法可以是灵活的,多种多样的(如口试、笔试、实际操作等), 成绩按学生平时的考勤、预习、实际操作能力和完成实验报告情况,结合考试成绩,每学期评定一次。

                                                                                                          制定者:沈异凡、艾尔肯.阿

                                                                                                          审核者:普拉提

                                                                                                          批准者:张军

                                                                                                          2006-7-28