《普通物理实验（2）》课程教学大纲
一、课程基本信息
中文名称:普通物理实验（2）
课程英文名称：General Physics Experiments (2)
课程代码：19102203
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、光学、电磁学
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，学生应掌握基本的光学知识，熟练使用基本的光学测量仪器，具备光学实验的基本方法、技能和技巧；掌握基本物理量的测量原理和方法，加深对光学基本规律和概念的认识和理解，提高对实验数据的处理能力；提高学生的创新能力。
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 |
光学演示实验 （4.1） |
2 |
演示性实验 |
不分组 |
选做 |
2 |
薄透镜焦距的测定 （4.1，4.3） |
4 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
3 |
杨氏双缝干涉实验 （4.1，4.2，4.3） |
4 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
4 |
双棱镜干涉测波长 （4.2，4.3） |
4 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
5 |
牛顿环和劈尖的等厚干涉 （4.2，4.3） |
4 |
验证性实验 |
1-2 |
选做 |
6 |
用分光计测三棱镜顶角 （4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
7 |
迈克耳孙干涉仪的调节与使用 （4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
8 |
单缝衍射和细丝衍射 （4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
9 |
阿贝成像原理和空间滤波 （4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
10 |
光栅衍射 （4.1，4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
11 |
色度的测量 （4.1，4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
12 |
偏振光的研究 （4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
13 |
用最小偏向角法测三棱镜折射率 （4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
14 |
用双光栅测微弱振动位移量 （4.1，4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
15 |
全息照相 （4.1，4.2，4.3） |
4 |
综合性实验 |
1-2 |
选做 |
16 |
自组望远镜、显微镜与幻灯机 （3.1，3.3，4.2，4.3） |
4 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
17 |
自组迈克耳孙干涉仪测空气折射率 （3.1，3.3，4.2，4.3） |
4 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
18 |
光学仿真-光强调制法测光速 （3.1，3.2，3.3，4.1） |
4 |
设计性实验 |
1-2 |
选做 |
五、实验项目基本要求
1、光学演示实验：介绍光学、电磁学实验基本知识和注意事项，以及设计性实验的教学过程。
2、薄透镜焦距的测定：掌握光路调整的基本方法；理解自准直法、实物成像法与共轭法的实验原理；学会利用以上三种方法测物质焦距的凸透镜与凹透镜。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应用。引导学生形成学以致用的观念。
3、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的里程碑作用，对后来实验影响很大，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。
4、双棱镜干涉测波长：理解双棱镜干涉的原理，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。双棱镜干涉是在杨氏双缝干涉实验的基础上改进而来的，增加了相干波面的有效照明面积，从而增强了入射光强，使干涉现象更加明显、易于测量，该实验曾在历史上为确立光的波动学说起到了重要作用。以此为切入点进行课程思政，鼓励学生刻苦钻研、在前人基础上不断探索、创新的科学精神。
5、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。干涉现象在生活中随时可见，而本次牛顿环和劈尖的等厚干涉实验就是典型的干涉现象，以实验来验证相关理论，将理论与实际相联系。从牛顿环的发现历程来说，17世纪初牛顿研究了薄膜干涉问题时偶然发现了“牛顿环”现象，并制造了牛顿环仪器进行实验但是没有形成理论完美的解释这种现象，由于他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，告诉学生要脚踏实地注重大局全方位研究问题。
6、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。
7、迈克耳孙干涉仪的调节与使用：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，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。迈克尔孙干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔孙和莫雷合作，为研究“以太”而设计研究的精密光学仪器，获得了1907年诺贝尔物理学奖。近代，根据该仪器的原理研制出了多种干涉仪，观测光的各种干涉效应、测定单色光的波长、相干长度等。
8、单缝衍射和细丝衍射：了解CCD的基本结构和成像原理；掌握用CCD器件接收衍射图案测量单缝衍射的相对光强分布和单丝的直径；掌握光路的等高、共轴调整。光的衍射是光波动性的另一特征，单缝和细丝衍射反映了障碍物和光波之间的限制和扩展的辩证统一关系，以及单缝细丝衍射现象的互补特性，增强学生辩证唯物主义的观点。
9、阿贝成像原理和空间滤波：了解傅里叶光学基本原理的物理意义；理解光学中的空间频谱和空间滤波等概念；掌握基于阿贝成像原理的光学信息处理方法。本次实验是傅里叶光学一部分，促进了光学信息处理技术，并在信息存储、遥感、医疗、产品质量检测等方面得到了广泛应用，为光学信息处理开辟了广阔空间。授课过程中，将阿贝成像原理和空间滤波的发展历程和攻坚克难的精神介绍一下，以此来促进学生学习的持续性和攻坚精神。
10、光栅衍射：熟悉分光计的调节和使用；理解光栅衍射的基本原理；观察汞灯的光栅衍射光谱（可见光区），并测定各谱线的波长。通过激光演示一维光栅和二维正交光栅的衍射条纹，加深学生对光性质的认识。而衍射光栅在光学上最重要的应用是分光器件，单色仪和光谱仪。该实验激发学生学习的好奇心，勇于探索的精神。
11、色度的测量：理解色度测量的基本原理，熟悉色度测量仪的调节和使用，并测定各种液体和固体的反射率和折射率。
12、偏振光的研究：观察光的偏振现象，会区分自然光、部分偏振光与线偏振光；验证马吕斯定律；了解1/2波片，1/4波片的作用；掌握椭圆偏振光，圆偏振光的产生与检测。简介光的本质研究的历史演变，突出介绍光的偏振现代应用：汽车车灯，摄相机镜头，立体电影、测量旋光度了解介质物理量变化，生物生理领域偏光导航，医疗领域红外偏振光治疗，显示领域LCD液晶显示，等。从而建立偏振光与我们的生活息息相关，偏振光的研究应用还会更加便利人类的生产与生活。鼓励学生投入光学领域的位置研究。
13、用最小偏向角法测三棱镜折射率：掌握分光计的调节要求和调节方法；在分光计上用最小偏向角法测定三棱镜的折射率。从人类对光的认识过程中，学会辩证看待研究对象的本质。
14、用双光栅测微弱振动位移量：了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍的拍频，学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法，应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。
15、全息照相：了解暗室全息照相的基本原理，学习拍摄全息照片的基本技术和再现图像的观察方法，以及照相底片的冲洗技术。
16、自组望远镜、显微镜与幻灯机：利用给定仪器分别组装显微镜、望远镜和幻灯机；测量并计算所组装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。
17、自组迈克耳孙干涉仪测空气折射率：利用给定仪器，学习组装迈克尔逊干涉仪；掌握用自组迈克尔逊干涉仪测量气体折射率的原理及其方法。
18、光学仿真-光强调制法测光速：了解软件的基本原理；掌握光强调制法测光速原理和简单的光学实验仿真方法。仿真实验是一种模拟实验，在培养学生学习兴趣，提高学习效果上很有帮助，通过仿真实验学习使用，鼓励学生开发仿真实验，提高动手能力，实践能力和创新精神。
六、教学方法
实验原理采用教学板书、展板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授，必要的操作采用操作演示，同时在授课过程中介绍光学各分支的应用，相关的新科技成果及我国在此方面的伟大成就，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。最后，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（第二版），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]马黎君，普通物理实验，北京，清华大学出版社，2015.
[2]杨述武等，普通物理实验（3）光学部分（第5版），北京，高等教育出版社，2016.
[3]郭松青等，普通物理实验教程（第二版），北京，高等教育出版社，2020.
[4]霍剑青等，大学物理实验，北京，高等教育出版社，2005.
[5]朱鹤年，新概念物理测量引论，北京，高等教育出版社，2007.
九、说明
无
执笔人：江越 审核：刘枝朋
