《普通物理实验（1）》课程教学大纲
一、课程基本信息
中文名称:普通物理实验（1）
课程英文名称：General Physics Experiments (1)
课程代码：19102202
课程性质：学科基础课
学分：1.5 总学时：48（其中实验：48 上机：0）
适用学院及专业：理学院应用物理学专业
先修课程：高等数学、力学、热学
开课单位：理学院物理实验中心
二、课程的地位与作用
物理学是实验的科学。普通物理实验课是应用物理专业对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，学生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。
普通物理实验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重要作用。
三、实验课程教学目标
本课程支撑毕业要求指标点3.1、3.2、3.3、4.1、4.2、4.3。
学生通过该课程的学习，培养学生实事求是、团队协作、创新精神和科学素养，从不同角度、不同知识和思想精神层面观察、分析实验，使学生得到全方位的立德树人式的培养。通过本课程的学习，学生应掌握基本的力学、热学知识，熟练使用基本的力学热学测量仪器，具备力学热学实验的基本方法、技能和技巧；掌握基本物理量的测量原理和方法，加深对基本规律和概念的认识和理解，提高学生处理实验数据的能力和创新能力。
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；（支撑毕业要求指标点4.1）
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；（支撑毕业要求指标点3.1、3.2、3.3、4.2、4.3）
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。（支撑毕业要求指标点3.1、3.2、3.3、4.2、4.3）
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 |
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。 |
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 |
3.1针对特定物理实验目的或者建筑物理技术应用中的科学问题，设计开发解决问题的方案。 3.2能够运用理论知识设计开发满足需求的应用程序，能够对待解决问题的结果进行预测。 3.3能够在设计环节中有创新意识，主动学习并应用创新方法及工具，兼顾社会、健康安全、法律、文化及环境等因素。 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综合分析,得到合理有效的结论。 |
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I （4.3） |
3 |
理论讲授 |
不分组 |
必做 |
2 |
物理演示实验 （3.3、4.3） |
3 |
演示性实验 |
1 |
选做 |
3 |
长度的测量 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1 |
选做 |
4 |
质量与密度的测量 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1 |
选做 |
5 |
简谐振动实验 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
6 |
示波器的原理和使用 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
7 |
静态拉伸法测金属杨氏模量 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
8 |
固体线膨胀系数的测定 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
9 |
用三线摆测刚体转动惯量 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
10 |
稳态法测固体导热系数 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
11 |
气体比热容比的测定 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
12 |
声速的测量I （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
13 |
声速的测量II （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
14 |
实验数据数字化处理与分析 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1 |
选做 |
15 |
用波尔共振仪研究受迫振动 （4.1、4.2、4.3） |
3 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
16 |
碰撞问题实验研究 （3.1、3.2、3.3） |
3 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
17 |
气垫导轨实验 （3.1、3.2、3.3） |
3 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
五、实验项目基本要求
1、绪论I：物理学是一门实验科学，实验是检验理论正确与否的唯一标准。通过对普通物理实验课程的介绍，了解本课程的任务、方法、基本教学内容和注意事项。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。除此之外，引导学生运用马克思主义哲学认识论、方法论，使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、物理演示实验：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。本实验项目主要是科普类实验，现象明显、操作简易，学生可以通过不同实验项目体验“从实践到理论”的认识过程，授课中可以将实验与生活相联系，让学生体会到学以致用的正确学习态度和人生观。比如：普氏摆实验可以让学生了解到深色镜片对光线具有延迟效应并且眼见不一定为实，告诫学生以后开车佩戴浅色太阳镜以保证生命安全。
3、长度的测量：掌握长度测量仪器的结构、原理和使用、保养方法。学会不确定度的评定方法。
4、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，练习不确定度的评定。
5、简谐振动实验：通过新型焦利氏秤测量弹簧的劲度系数，了解霍尔开关测量周期的原理，利用电子天平测量弹簧振子的质量，根据简谐振动的周期公式计算周期，掌握简谐振动的特点。
6、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，通过应用介绍，培养学理论实际，学以致用的品质。
7、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。本实验提供了一种测量微小长度变化的方法—光杠杆法，实现了非接触式的放大测量。以光杠杆法为切入点进行课程思政，培养学生勇于创新、善于转换思维的科学精神。
8、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，是非常重要的材料参数。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。
9、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。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。对于形状复杂和质量分布不均匀的刚体，一般要用实验方法测量。通过测量转动惯量的应用，增加学生学习的兴趣，培养理论指导实践，学以致用的精神。
10、稳态法测固体导热系数：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，如楼宇建设、暖气管道铺设时保温材料的选择需要考虑导热系数大小；还可以引入航天领域中我国取得伟大成就，像运载火箭、神舟载人飞船、月球探测玉兔系列机器人等航天科技也需要考虑材料的导热性能，而且这些技术已经走在世界前列，激起学生的民族自豪感。
11、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，综合热学和高等数学，引出绝热系数，引导学生学以致用。
12、声速的测量I：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，学会用逐差法处理数据。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。
13、声速的测量II：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，学习测定液体中超声波的传播速度，学会用逐差法处理数据。
14、实验数据数字化处理与分析：掌握实验数据误差各种计算方法，大量数据的自动化计算分析，复杂公式的编程计算方法，实验数据的可视化分析。从实验数据引申到当今大数据、人工智能的科技发展，中国处于世界先进水平。
15、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。
16、碰撞问题实验研究：研究两个球体的碰撞及碰撞前后的单摆运动和平抛运动，应用力学定律去解决打靶的实际问题；从理论分析与实践结果的差别上，研究实验过程中能量损失的来源，学生自行设计实验来分析各种损失的相对大小，深入理解力学原理，提高学生分析问题、解决问题的能力。
17、气垫导轨实验：掌握焦利氏秤、气垫导轨、光电门及数字计时器的原理及使用方法，设计实验方案测定弹簧振子的振动周期并验证其机械能守恒。结合导轨的结构设计，如何减小仪器带来的实验误差，取得更好的实验效果。培养学生观察，分析，解决问题的能力。
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。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．新编物理实验．天津：天津大学出版社，2014.
2．实验指导书：自编指导书
3．主要参考教材和参考文献
[1]杨述武等．普通物理实验（1）力学、热学部分（第5版）．北京：高等教育出版社，2015.
[2]董有尔．大学物理实验．合肥：中国科学技术大学出版社，2006.
[3]李学慧．大学物理实验．北京：高等教育出版社，2006.
[4]马黎君．普通物理实验．北京：清华大学出版社，2015.
九、说明
无
执笔人：王翠红 审核：刘枝朋
