《近代物理实验》课程教学大纲

一、课程基本信息

中文名称:近代物理实验

课程英文名称：Modern Physics Experiments

课程代码：19102206

课程性质：学科基础课

学分：2 总学时：64（其中实验：64 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》、《普通物理实验》、《原子物理学》

开课单位：理学院物理实验中心

二、课程的地位与作用

《近代物理实验》是继普通物理实验之后为高年级学生开设的一门综合性较强的实验。它在应用物理专业的整个实验教学中起着承上启下的作用。

《近代物理实验》可以丰富和活跃学生的物理思维，锻炼他们对物理现象的洞察能力，引导学生了解物理实验在物理学发展过程中的作用。正确认识新物理概念的产生、形成和发展过程。学习近代物理中的一些常用的方法、技术、仪器和知识，进一步培养正确和良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使学生获得一定程度的用实验方法和技术研究物理现象和规律的独立工作能力。

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。

通过近代物理实验课程的系统学习，结合物理学方面的最新研究成果和和科技成果以及科学家奋斗经历，诺贝尔物理学奖，激发学生主动研究的探索精神，培养学生实事求是的态度和科学素养，完成立德树人培养任务。通过实验，帮助学生理解和掌握近代物理各领域中一些重要现象、概念和规律，掌握20世纪以来近代物理发展各主要领域中的基本实验方法与现代实验技术，从而培养学生的独立工作能力与创新精神。

通过本课程的学习，学生应具备以下能力：

目标1：学习掌握近代物理中基本的实验方法和技术、掌握相关仪器的性能与使用，了解物理实验在物理学发展史上的作用，加深对近代物理相关知识和规律的理解。（支撑毕业要求指标点4.1）

目标2：通过物理学科各经典实验的系统训练，培养学生的综合实验能力，掌握先进实验技能；通过现代新兴实验技术项目的训练，丰富和活跃学生的物理思想，培养学生创造性思维能力、总结表达能力以及启发学生的创新意识。（支撑毕业要求指标点3.1、3.2、3.3、4.2、4.3）

目标3：通过实验课的系统学习，在实验中培养学生团结协作锐意进取的品质、遵守纪律爱护公物的优良品德，塑造学生严谨的科学作风、求实的科学精神，激发学生主动研究的探索精神， 同时厚植爱国主义情怀，崇尚科学创新，践行工匠精神，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

 

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	密立根油滴实验（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
2	光电效应实验（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
3	夫兰克-赫兹实验（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
4	光纤传输技术实验（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
5	电子荷质比的测定（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
6	微波的特性研究（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
7	线阵CCD特性的研究（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
8	塞曼效应（3.1、4.1、4.2、4.3、）	4	综合性实验	1-2	选做
9	法拉第效应 （3.3、4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
10	巨磁阻效应（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
11	晶体声光效应（3.2、4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
12	液晶电光效应（3.2、4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
13	硅光电池特性研究（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
14	多普勒效应综合实验4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
15	色度的测量（4.1，4.2，4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
16	超导转变温度的测量（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
17	核磁共振实验（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
18	仿真实验-拉曼光谱（3.1、3.2、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
19	钠原子光谱实验（3.1、3.2、4.1、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
20	X射线衍射仪原理与使用 （3.3、4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
21	光拍法测光速（4.1、4.2、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做
22	纳米材料制备与测量（3.1、3.2、3.3、4.3）	4	综合性实验	1-2	选做

 

五、实验项目基本要求

1、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韧不拔的科学精神。

2、光电效应实验：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，从应用角度进行价值观教育。

3、夫兰克-赫兹实验：通过对原子第一激发电位的测量，学习夫兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和实验方法，了解电子与原子弹性和非弹性碰撞的机理。结合弗兰克和赫兹两人研究工作和获得诺贝尔奖的成就，以及实验设计思想精妙与后来的广泛应用。培养学生勇于探索、不断创新、实事求是的科学精神。

4、光纤传输技术实验：理解光纤的传输原理和特性，测试光纤的数值孔径和光场分布，分析光纤的位移、微弯传感特性及应用。光纤技术的应用已经惠及每一个人，而且其发展仍日新月异，不仅仅是在通信领域，传感、测量、医疗等领域都有应用。鼓励学生留意身边的科技动态，激发学生的创造力和学习热情。

5、电子荷质比的测定：理解电子荷质比的物理意义及其测定的历史意义，熟悉电子在磁场中的运动规律，掌握用磁聚焦法测定电子的荷质比。以汤姆孙发现电子事例引入课程思政内容，通过电子荷质比的发现和研究，培养学生探索创新的研究精神。

6、微波的特性研究：理解微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性，用迈克耳逊干涉仪的方法测量微波波长，用模拟晶体验证微波衍射的布拉格公式。微波在生活、军事、通信、医疗等方面具有广泛的应用。我国在微波应用方面取得了巨大的成就，在新一代移动通信5G研究中取得了世界领先的地位，为世界科技发展和民族复兴作出了巨大贡献。

7、线阵CCD特性的研究：了解线阵CCD的工作原理，学习用线阵CCD传感器进行实物扫描成像，用线阵CCD对条形码的识别与测量，利用线阵CCD测量物体的倾斜角度。诺贝尔奖电荷耦合器件(CCD)图像传感器，通过用电子捕获光线来替代以往的胶片成像，摄影技术由此得到彻底革新。让学生了解技术的发展给生产生活带来的巨大影响，激发学生的学习热情和创新意识。

8、塞曼效应：了解塞曼效应的原理和应用，观察塞曼效应，掌握塞曼分裂谱线裂距的测量方法，以及应用塞曼效应测量电子荷质比和研究原子能级结构的方法。1902年诺贝尔物理学奖颁给发现“塞曼效应”的彼得·塞曼和亨得里克·安顿·洛伦兹。让学生了解该效应的发现给原子物理学带来的巨大发展。值得一提的是提出电子自旋的乌伦贝克年仅25岁，由此激发学生的学习热情。

9、法拉第效应：了解磁致旋光现象，即法拉第效应；通过倍频法测相应的旋光角；比较不同样品的旋光特性，并验证法拉第旋光具有不可逆性，使法拉第效应的本质更易理解。通过法拉第生平事迹和学成就介绍为思政切入点，法拉第的勤奋、努力钻研、创新的科学精神，激励学生为科学进步不断努力学习，为国家复兴和民族进步贡献自己的力量。

10、巨磁阻效应：掌握巨磁电阻效应的定义和原理；了解巨磁电阻效应的应用；熟悉巨磁电阻效应模拟传感器的构成和工作原理；掌握巨磁电阻磁阻特性的测量方法。“巨磁电阻”效应的发现让计算机和通信技术发生了突飞猛进的发展。使得存储系统体积微型化，容量扩大化，这种惊人的变化，要归功于科学和技术的力量，树立科技改变世界科学观念。

11、晶体声光效应：了解声光效应的原理；了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点；通过对声光器件衍射效率、中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解；测量声光偏转和声光调制曲线；模拟激光通讯实验。

12、液晶电光效应：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。

13、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。讲述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，

14、多普勒效应综合实验：理解多普勒效应的现象和原理；分析实验中如何综合运用多种传感器完成计时、测速任务，掌握用多普勒效应测声速的方法和技巧。测量速度和加速度，传统实验方法和现代实验方法的比较，启发学生对科学技术的求知欲。

15、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。

16、超导转变温度的测量：通过对氧化物超导材料导电性能以及临界温度两种方法的测定，加深理解超导体的两个基本特性；了解低温技术在实验中的应用；了解几种低温温度计的性能及Si二极管温度计的较正方法。

17、核磁共振实验：了解核磁共振的基本原理，加深对核自旋、能级分裂、受激跃迁等基本概念的理解，了解实验设备的基本结构，学习利用核磁共振校准磁场和测量因子g的方法，掌握利用扫场法创造核磁共振条件的方法，学会利用示波器观察共振吸收信号。

18、仿真实验-拉曼光谱实验：掌握仿真实验概念与软件使用，掌握拉曼散射的产生机理以及拉曼光谱仪的发展与应用；熟悉激光拉曼光谱仪的基本结构和原理；通过测定CCl4的激光拉曼光谱，熟悉拉曼光谱实验方法。以拉曼的生平和研究成就为切入点，介绍拉曼光谱应用价值，以及仿真实验的特点，激发学生的学习兴趣和对知识的探索热情。

19、钠原子光谱实验：熟悉WGD-8A型光栅光谱仪的基本原理、结构和掌握使用方法；掌握定标光谱仪的方法，利用光栅光谱仪测量摄钠原子光谱，并分析光谱。介绍原子光谱发展历史，了解光谱作用。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。

20、X射线衍射仪原理与使用：了解X射线产生和Ｘ射线衍射的原理，熟悉射线衍射仪的结构，掌握使用X射线衍射仪测定晶体晶面间隔的方法。伦琴发现X射线，随后，劳厄、布拉格父子等对其性质和应用的进一步研究，使之成为研究微观结构的重要方法。如今X射线粉末衍射法成为提供固体物质结构信息的重要手段，并在实际工作中得到广泛应用。

21、光拍法测光速：采用高频声光器件，利用声光频移效应产生150MHz的拍频波，用示波器测量近程光与远程光的相位差求得拍频波的波长，进而测得光的传播速度，即“光拍法”。理解光拍频的概念；掌握光拍法测光速的技术与实验原理。

22、纳米材料制备与测量：了解二维纳米薄膜的转移方式及成膜机理；了解纳米薄膜的基本光学特性及物理原理；掌握二维纳米薄膜的制备技术。

六、教学方法

实验原理讲授采用板书、展板、多媒体课件多种手段相结合进行，经典实验穿插介绍背景，历史意义，名人故事，科技应用，诺贝尔物理学奖等。设计性实验可引入分组讨论、翻转课堂等新颖教学模式。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。对于学生实验过程中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：自编实验讲义

3．主要参考教材和参考文献：

[1]何元金，马兴坤．近代物理实验，北京，清华大学出版社，2005.

[2]吴思诚．近代物理实验（第3版），北京，高等教育出版社，2005.

[3]郑勇林，葛泽玲，李泽涛，近代物理实验，成都，西南交通大学出版社，2011.

[4]韩炜，杜晓波，]近代物理实验，北京，高等教育出版社，2017.

九、说明

无

执笔人：张守超、朱飞                            审核：刘枝朋