《大学物理实验B》实验课程教学大纲
一、课程基本信息
中文名称:大学物理实验B
课程英文名称：College Physics Experiments B
课程代码：19102014
课程性质：学科基础课
学分：1 总学时：32 （其中实验：32 上机：0）
适用学院及专业：土木工程学院交通工程专业；能源与安全工程学院能源与动力工程专业、安全工程专业；材料科学与工程学院材料科学与工程专业、无机非金属材料工程专业；环境与市政工程学院给排水科学与工程专业、环境工程专业；计算机与信息工程学院电子信息工程专业；理学院应用化学专业。
先修课程：高等数学；大学物理B
开课单位：理学院物理实验中心
二、课程的地位与作用
大学物理实验B课程是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。
物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。
三、实验课程教学目标
本课程支撑毕业要求指标点1.1、1.2、4.1、4.2、4.3。
通过该课程的学习，培养与提高学生的科学实验能力和素养，完成立德树人的培养目标。通过实验，加深对物理原理的理解，了解物理实验在工程技术中的应用，使学生逐步掌握物理实验的基本知识、实验方法和实验技能，对学生进行辨证唯物主义世界观和方法论的教育，使学生逐步养成用唯物辩证法指导自己的科学实验活动。培养学生进行综合实验、应用实验和设计实验的能力，以及自主学习和科学研究的能力，提高学生的创新素质。
通过本课程的学习，学生应具备以下能力：
目标1：主要面向实践教学，要求学生理解基本实验理论、学会基本实验方法、掌握基本实验技术；
目标2：通过实验操作和技能的学习，要求学生掌握基本实验技能，提升分析问题、解决问题的能力、创造性思维能力、总结表达能力；
目标3：通过物理实验的学习，激发学生主动研究的探索精神。培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、提升学生具备基本的科学思维和素养，形成理论联系实际和实事求是的科学作风、团结协作锐意进取的品质、遵守纪律爱护公物的优良品德，着力培养立志为社会主义奋斗终身的适应科技发展的复合型应用人才。
课程教学目标与毕业要求的关系矩阵
教学目标 |
毕业要求指标点 |
达成途径 |
考核方式 |
目标1 |
1.11.1具备解决相关领域复杂工程问题所需的物理知识。 1.21.2能够运用物理原理、方法对复杂工程问题进行分析和改进。 |
课前预习：以教材为主，以教学视频、指导书、课件、仿真实验等网络资源为辅，了解实验背景、目的、仪器及原理。 实验与报告：通过科学故事与背景的介绍，原理讲授，仪器结构的展示，方法与操作步骤的示范，实验的典型应用，实验数据处理与分析，实验报告总结与启示等。提升学生实验技能和科学素养，培养学生的团队合作能力和创新能力。 |
（1）所有实验成绩求和取平均，然后将平均成绩按统一标准折算成五级分制优、良、中、及格、不及格，作为学生本课程考核成绩。 （2）所有实验平均成绩与期末考试成绩按比例合成最终成绩，再按统一标准折算成五级分制的优、良、中、及格、不及格。作为学生本课程考核成绩。 以上考核方式二选一。 |
目标2 目标3 |
4.1针对问题，能够运用科学原理和方法提出研究方案，并做理论分析与预测。 4.2能够基于专业理论知识和相关内容对研究方案进行实验设计、选择设备、进行实验。 4.3能够采用科学的方法对实验结果进行分析，对比实验和理论分析的结果，进行误差分析，综合分析得到合理有效的结论或解决方法。并结合专业基础知识揭示其内涵机理。 |
四、实验项目名称和学时分配
序号 |
实验项目名称 （支撑毕业要求指标点） |
学时 |
实验类型 |
每组人数 |
必做或选做 |
1 |
绪论（1.1、4.2、4.3） |
2 |
讲授 |
不分组 |
必做 |
2 |
长度的测量（1.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
3 |
质量与密度的测量（4.1、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
4 |
静态拉伸法测金属杨氏模量（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
5 |
固体线膨胀系数的测定（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
6 |
用三线摆测刚体转动惯量（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
7 |
示波器的原理和使用（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
8 |
用滑线变阻器分压和限流（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
9 |
模拟法测绘静电场（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
10 |
薄透镜焦距的测定（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
11 |
用分光计测三棱镜顶角（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
12 |
牛顿环和劈尖的等厚干涉（1.1、1.2、4.1、4.2） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
13 |
杨氏双缝干涉实验（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
14 |
稳态法测固体导热系数（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
15 |
气体比热容比的测定（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
16 |
亥姆霍兹线圈磁场的测定（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
17 |
霍尔效应及其应用（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
18 |
RLC串联电路暂态过程研究（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
19 |
迈克耳孙干涉仪的调节与使用（4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
20 |
简谐振动实验（4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
21 |
声速的测量（4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
22 |
用波尔共振仪研究受迫振动（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
23 |
液晶电光效应实验（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
24 |
硅光电池特性研究（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
25 |
光电效应法测普朗克常数（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
26 |
密立根油滴实验（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
27 |
用电位差计测电动势（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
28 |
自组显微镜、望远镜和幻灯机（1.1、1.2、4.1、4.2、4.3） |
3 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
29 |
传感器的应用（4.1、4.2、4.3） |
3 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
30 |
演示实验（1.2、4.1） |
3 |
演示性实验 |
不分组 |
选做 |
五、实验项目基本要求
1、绪论：介绍大学物理实验课程特点，了解本课程的学习任务、学习方法和基本教学内容以及注意事项。熟悉物理量的表示方法；了解测量的基本方法，误差的定义、分类、来源和消减方法，不确定度的评定方法；掌握有效数字的记录、运算规则以及数据处理的基本方法。对物理学来说，实验是检验理论是否正确的唯一标准。运用马克思主义哲学认识论、方法论，引导学生建立认识事物规律的正确方法，告别唯心主义、树立正确的辩证唯物观。在物理实验课程中，融入物理学家的小故事，历史经典实验，结合我国科技发展成就，使学生认识到基础物理课程，尤其是实验课程的重要作用，引导学生迎难而上，积极进取，为实现中华民族伟大复兴而奋斗终身。
2、长度的测量：掌握直尺、卷尺等长度测量工具的正确使用方法，掌握游标卡尺、螺旋测微器的结构、原理和使用、保养方法。掌握处理实验数据的基本、常用方法，包括：数据读取、记录、求平均值，列表法处理数据，仪器误差、不确定度（A类、B类、合成）的理论知识和评定方法。
3、质量与密度的测量：掌握物理天平的调整和使用，学会测量质量、用流体静力称衡法测量固体和液体的密度，练习数据读取、运算方法，练习不确定度的评定。
4、静态拉伸法测金属杨氏模量：理解杨氏模量的概念和测量原理，掌握用光杠杆放大法测量微小长度变化的原理和方法，学会尺读望远镜的调节和使用，学习用逐差法处理实验数据。以光杠杆法为切入点进行课程思政，实现了非接触式的放大测量。培养学生勇于创新、善于转换思维的科学精神。
5、固体线膨胀系数的测定：理解线膨胀系数的概念的测量原理，掌握用公式法、作图法及最小二乘法处理数据。固体的线膨胀性质是非常重要的材料参数，在工程结构设计（如桥梁、铁轨等）、精密仪表设计、材料的焊接和加工等领域中都应予以充分的考虑。以此为切入点进行课程思政，培养学生理论联系实际，将课堂所学与生活、生产相联系的科学精神。
6、用三线摆测刚体转动惯量：理解用三线摆测定物体的转动惯量的原理，巩固所有用时间、长度测量仪器的使用技能，学会用累积放大法测量周期。比如在发动机叶片、飞轮、电机的转子以及人造卫星的外形设计上，精确地测定转动惯量，都是十分必要的。通过测量转动惯量的应用，增加学生学习的兴趣，培养其理论指导实践，学以致用的精神。
7、示波器的原理和使用：理解模拟示波器的结构和原理，理解拍频和李萨如图形的原理并会应用，掌握用示波器测量周期、电压、频率以及对信号进行加减等简单运算。示波器种类繁多，应用广泛，可用于测量信号和显示波形，应用领域包括现场维修，运行监测，数据测试，研发及实验，汽车电子故障检修，航空航天等，通过应用介绍，培养学生理论联系实际，学以致用的品质。
8、用滑线变阻器分压和限流：掌握稳压电源、滑线变阻器、电阻箱、电压表、电流表等常用电学仪器的性能和使用方法，熟悉电学实验的基本操作规程和安全常识，练习用列表法和作图法处理实验数据。在电子电路中，滑线变阻器的分压限流作用有着广泛应用，结合实际电路，培养学生活学活用品质和工匠精神。
9、模拟法测绘静电场：进一步理解场的概念，学习用模拟方法来测绘具有相同数学形式的物理场，描绘出分布曲线及场量的分布特点。以模拟法为切入点进行课程思政，通过讲解我国最大的风洞群，激发学生兴趣，培养学生的爱国之情和自豪感。
10、薄透镜焦距的测定：掌握光具座、光源、透镜、光屏等基本光学器件的使用方法和注意事项，以及光学实验的基本操作规程。理解透镜成像原理，学会用多种方法测量薄透镜焦距，掌握光路的等高、共轴调节技术。以透镜发展历史与成像应用为切入点，引导学生在原有几何光学知识基础上，了解光学工程中相关透镜及透镜组的应用。尤其透镜在放大镜、显微镜、望远镜、投影仪、单色仪、等光学仪器中的应用。引导学生形成学以致用的观念。
11、用分光计测三棱镜顶角：理解分光计的结构和原理，掌握光路的等高、共轴、消视差、逐次逼近等调整方法，掌握用分光计测量角度的方法。通过光学仪器的拆解讲解，让同学体会到，发挥钻研精神，再难的实验也可以迎刃而解。
12、牛顿环和劈尖的等厚干涉：理解等厚干涉的原理，掌握读数显微镜的结构和使用技术，理解空程的产生机理并掌握其消除方法，学会用干涉法测量透镜的曲率半径或劈尖的劈角。联系光学发展历史，牛顿环的发现与理论解释，牛顿本人倾向于光的微粒说的观点，而错失了光的干涉理论的建立这一伟大成就。重温科学理论经需得住实验检验，理论在曲折中建立与发展。
13、杨氏双缝干涉实验：理解杨氏双缝干涉的原理，并掌握用该方法测量波长的技术，学会用测微目镜测微小长度，练习光路的等高、共轴调节。结合实验介绍人们对光本质的认识过程，让学生明白科学认识具有阶段性。杨氏双缝实验对波动光学建立了里程碑作用，对后来的实验产生影响，如电子双缝实验，其实验现象极大的挑战了人们的认知，对它研究与解释至今仍时有讨论。用这些科学事实激发学生的好奇心和学习热情，鼓励学生勇于挑战，努力攀登科学高峰。
14、稳态法测量固体导热系数：了解热传导的物理过程和热电偶的工作原理，掌握稳态法的测量条件和稳态法测导热系数的原理，用稳态法测定出不良导热体的导热系数。导热系数为材料重要参数之一，能够应用到许多领域，航天领域中我国取得伟大成就，航天科技工程需要考虑材料的导热性能，通过联系实际运用引发学生的民族优越感和自豪感。
15、气体比热容比的测定：理解实验原理及实验设计的巧妙之处，进一步熟练天平、螺旋测微器、数字计时仪的使用方法，学会测定空气分子的定压比热容与定容比热容之比。从力学到振动，综合热学和高数，引出绝热系数，激发学生学以致用的信心。
16、亥姆霍兹线圈磁场的测定：了解亥姆霍兹线圈的结构和工作原理，掌握载流圆线圈轴线上和亥姆霍兹线圈轴线上磁场的测量方法。通过举例讲解亥姆霍兹线圈的应用于材料、电子生物、医疗、航空航天、化学、应用物理等各个领域，增加学生学习的兴趣和探索精神。
17、霍尔效应及其应用：理解霍尔效应的原理，了解其应用价值，学会测定半导体材料的霍尔系数和导电类型。以霍尔效应的发现及发展为切入点进行课程思政，培养学生的刻苦钻研的精神，结合我国科学家的研究，培养学生的爱国之情。
18、RLC串联电路暂态过程研究：连接RC和RL电路，研究其暂态过程，加深对电感、电容特性的理解；连接RLC串联电路，观察其暂态过程特性。暂态过程中会出现比稳态大倍数及数十倍的电流或电压，因此一方面可能严重威胁电气设备和人身安全，另一方面可以应用在电子电路中，如日光灯中的镇流器。所以在物理学和工程技术的暂态过程非常重要。由此培养学生理论联系实际，学以致用，为人民服务。
19、迈克耳孙干涉仪的调节与使用：了解迈克尔逊-莫雷实验的过程及在物理学史上的重大意义，理解等倾干涉的原理和应用，掌握迈克尔逊干涉仪的原理和操作技术，掌握消除空程技术，了解He-Ne激光器的原理及使用方法和安全常识，熟悉机械放大法和干涉法，会用迈克尔逊干涉仪测量波长。理解白光等厚干涉的原理，并能调出现象观察条纹特征。通过迈克尔孙干涉仪的设计研发及对现代仪器的启发，培养学生探索创新的科研精神，激发学生对科技的热情、对知识的探索。
20、简谐振动实验：了解并掌握集成霍尔开关传感器的基本工作原理和应用方法，测量弹簧振子的简谐振动周期，根据胡克定律求弹簧的劲度系数。
21、声速的测量：了解压电换能器的功能，加深对振动合成及驻波知识的理解，学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度，巩固示波器的操作技能。声速的测量可应用于声波定位、无损探伤、测距等诸多领域，通过介绍声速测量的广泛应用及在工业生产和科研上的重要实用意义，激发学生的学习兴趣和对知识的探索热情。
22、用波尔共振仪研究受迫振动：了解智能光电计时、计数设备的原理和使用方法，研究波尔共振仪中弹性摆轮受迫振动的幅频特性和相频特性，学习用频闪法测定运动物体的相位差。从仪器的巧妙设计，感叹先进技术应用于教学的精妙，中国实验仪器的进步与国家整体科技发展密不可分。
23、液晶电光效应实验：掌握液晶光开关的基本工作原理，了解液晶光开关的工作条件，测量液晶光开关的电光特性曲线，分析液晶及其器件的相关特性；了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，了解一般液晶显示器件的工作原理。
24、硅光电池特性研究：掌握pn结形成原理及其单向导电性等工作机理，了解发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系，掌握硅光电池的工作原理及相关特性。通过硅光电池的基本原理半导体pn结的讲解，讲述半导体技术的发展历程，提及中美贸易摩擦给我国带来的芯片危机，激发学生的爱国热情和学习动力。太阳能电池技术的发展历程，以及我国在此方面的巨大成就，激发学生的自豪感。
25、光电效应法测普朗克常数：了解实验的历史背景及其意义，了解光电管的结构和特性，理解光电效应原理和光量子理论相关知识，研究光电管的电流与其极间电压的关系、饱和光电流与光强的关系；验证爱因斯坦光电效应方程，并由此测出普朗克常数。利用光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用，主要有太阳能电池和光电传感器等。
26、密立根油滴实验：了解该实验在物理学发展史上的重大意义，理解实验原理及CCD图像传感器的原理与应用，学习电视显微测量方法，验证电荷的不连续性原理，测定电子的电荷量。以密立根油滴实验的历史意义为切入点进行课程思政，该实验设计巧妙，方法简单，在物理学发展史具有重要意义，获得了1923年诺贝尔物理学奖，培养学生严谨的实验态度和坚忍不拔的科学精神。
27、用电位差计测电动势：理解电位差计的结构和原理，掌握其使用方法，利用补偿法设计实验方案，测量电动势。
28、自组显微镜、望远镜和幻灯机：理解显微镜、望远镜和幻灯机的基本结构和原理，并选择适当的器件自行设计组装，并测定显微镜和望远镜的放大率。以显微镜、望远镜和幻灯机等光学仪器的应用为切入点，进行思政，培养学生工匠精神。
29、传感器的应用：了解基本传感器的工作原理和用途，并设计、组装相应的探测装置。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。通过传感器的发展趋势和应用前景，激发学生对科技的热情、对知识的探索。
30、演示实验：通过生动、有趣的物理实验现象，培养学生观察、分析、归纳、推理和应用推广能力，激发学生学习兴趣，验证物理原理，启迪创新思维。结合现代科技成就，将有趣实验现象与生活相联系，让学生体会到学以致用的正确学习态度和人生观。
六、教学方法
实验原理采用教学展板讲解与多媒体演示法相结合，实验教学中穿插介绍背景，历史意义，名人故事，实际应用，诺贝尔物理学奖等。实验操作采用启发式教学，问题引导的方法进行讲解，必要的操作采用操作演示，重点注意事项及安全提示反复强调并观察学生是否存在安全操作隐患。同时在授课过程中结合我国取得的新科技成果及成就，积极引导培养大学生世界观、人生观、价值观，使学生具有爱国主义情怀和崇尚科学创新观念。学生实验过程中，对存在问题进行分别指导。
七、实验课程考核和成绩评定方式
课程考核可根据实际情况从以下两种考核方式中选择一种：
1．平时实验考核方式：将学生所做的所有实验的成绩求和后取平均，再将平均成绩按统一标准折算成五级分制的优、良、中、及格、不及格，作为学生本课程考核成绩。
2．平时实验考核与期末考试相结合：实验平均成绩与期末实验考试成绩按比例合成为百分制成绩，再按统一标准折算成五级分制的优、良、中、及格、不及格，作为学生本课程考核成绩。
其中单个实验成绩按百分计，分以下三项评分：预习20分，操作40分，数据处理40分。
八、实验教材、指导书和参考文献
1．实验教材
杨广武等，新编物理实验（第二版），天津，天津大学出版社，2014年7月。
2．实验指导书
自编指导书。
3．主要参考教材和参考文献
[1]谢行恕，大学物理实验（第二版），高等教育出版社，2005年.
[2]董有尔，大学物理实验，中国科学技术大学出版社，2006年.
[3]王旗，大学物理实验（第二版），高等教育出版社，2019年.
[4]林伟华，邹勇，周嘉萍，大学物理实验大学，高等教育出版社，2017年.
九、说明
实验课程项目可以采用选课或排课两种方式。《大学物理实验B》包括2学时实验理论知识和30学时实验，从30个项目中选做10个，尽量做到覆盖知识面广，原理简单易懂，易于操作，有利于激发学生学习兴趣。
执笔人： 刘立娟 审核：刘枝朋
