理科物理實驗教程

前言

本書是在北京科技大學物理系理科物理實驗課程歷任教師的教學實踐和歷屆理科物理實驗講義的基礎上編寫的。書中融入了相關教師多年來的實驗教學研究成果和科學研究成果，凝集了物理系所有從事理科物理實驗教學的教師和實驗技術人員的集體智慧和心血，雖然他們當中有的人目前已不在物理實驗室工作。本書內(nèi)容定位在理科學生完成約60學時基礎物理實驗課程之后的后續(xù)物理實驗課程。從培養(yǎng)學生實際工作能力和創(chuàng)新思維角度出發(fā)，書中精選實驗項目及內(nèi)容，努力使其具有時代性和先進性，以激發(fā)學生學習探索的熱情，并切實給學生提供發(fā)揮其創(chuàng)造力的空間。本書將理科學生多個學期的實驗課程教學內(nèi)容優(yōu)化整合于一體，內(nèi)容涵蓋電磁學實驗、光學實驗、近代物理實驗、現(xiàn)代物理實驗和課題型實驗。每個實驗項目的要求與內(nèi)容都經(jīng)過多次教學實踐反復修改、調(diào)整與完善，在重視基本知識、方法與技能學習的同時，突出創(chuàng)新意識和研究思維的培養(yǎng)與訓練。本書內(nèi)容涉及許多科研、生產(chǎn)所應用的基本物理原理、測試方法和儀器裝置的使用，并隨課程的進行循序漸進地加強研究性實驗內(nèi)容的強度，特別是現(xiàn)代物理實驗部分和課題型實驗部分，從實驗方法、內(nèi)容到裝置的結構安排為開展有一定深度的研究型實驗搭建了很好的平臺。在課題型實驗階段，學生可以綜合應用本書前面已經(jīng)學習過的實驗知識、方法、技能以及所用過的實驗儀器設備，完成綜合性的研究課題。每一個課題型實驗都可以讓學生經(jīng)歷一個從文獻閱讀、具體研究問題提出、研究方案設計、實驗、分析討論與總結的完整的研究過程，并在此過程中掌握各種相關的儀器設備與測試方法的原理與使用。課題型實驗的選題均取自編者的科研課題，如磁電阻薄膜制備與磁電阻特性研究，梯度薄膜的制備與應力研究，透明電極材料電學性質(zhì)的研究，高K介電薄膜材料介電特性研究，陶瓷薄膜材料的制備及電絕緣特性研究等等，這些選題也是近年來物理、材料研究領域備受人們關注的問題?，F(xiàn)代物理實驗部分所涉及的實驗裝置及測試方法是一個通用、開放的實驗平臺，學生可自行提出和展開更多課題型實驗項目。希望本書不僅是學生學習物理實驗課程時使用的教材，在他們未來工作中也是有幫助的參考書。本書的測量誤差與實驗數(shù)據(jù)處理部分，是編者根據(jù)多年來教授“誤差理論及數(shù)據(jù)處理”課程和“物理實驗”課程的教學經(jīng)驗以及多年來從事科學研究的經(jīng)歷編寫的，簡潔明了地給出了有關實驗數(shù)據(jù)處理和測量結果表示的基本規(guī)定和處理方法，希望這部分內(nèi)容在學生未來從事科學研究和生產(chǎn)實踐活動時，仍然可以是他們工作中有關實驗數(shù)據(jù)處理和測量結果表示的快速檢索手冊。

內(nèi)容概要

本書定位在基礎物理實驗課程(60學時左右)之后的后續(xù)物理實驗課程，內(nèi)容涵蓋實驗數(shù)據(jù)處理、電磁學實驗、光學實驗、近代物理實驗、現(xiàn)代物理實驗和課題型實驗等6個部分，涉及許多科學研究與生產(chǎn)所應用的物理原理、測試方法和儀器裝置的使用。一些項目是由作者的科學研究實踐轉(zhuǎn)化而來，課題型實驗選題取自近年來有關物理和材料的一些研究熱點，注重與當前科學研究方法、手段、內(nèi)容的銜接，凝聚和固化了北京科技大學物理系教師近年來取得的許多物理實驗教學研究成果和科學研究實踐。    本書可作為高等院校理科學生以及希望進一步學習物理實驗課程的工科學生物理實驗教學用書，也可供相關專業(yè)的研究生或其他人員參考。

書籍目錄

1 測量誤差與實驗數(shù)據(jù)處理  1.1 測量與測量誤差    1.1.1 測量    1.1.2 測量誤差  1.2 誤差的分類    1.2.1 系統(tǒng)誤差    1.2.2 隨機誤差    1.2.3 粗差    1.2.4 隨機誤差與系統(tǒng)誤差的關系  1.3 隨機誤差的統(tǒng)計處理    1.3.1 正態(tài)分布    1.3.2 t分布  1.4 直接測量結果的表示  1.5 間接測量結果的表示和不確定度的合成  1.6 實驗數(shù)據(jù)的有效位數(shù)    1.6.1 有效位數(shù)的概念    1.6.2 有效位數(shù)的確定規(guī)則    1.6.3 數(shù)據(jù)修約的進舍規(guī)則  1.7 常用數(shù)據(jù)處理方法    1.7.1 列表法    1.7.2 作圖法  1.8 實驗數(shù)據(jù)的直線擬合    1.8.1 用最小二乘法進行直線擬合    1.8.2 用EXCEL軟件進行直線擬合    1.8.3 用ORIGIN進行直線擬合2 電磁學實驗  2.1 磁場中載流導線的受力——安培力  2.2 用模擬法測繪靜電場  2.3 標定溫差電偶的刻度  2.4 用非平衡電橋組裝及標定電阻溫度計  2.5 交流電橋  2.6 RC電路  2.7 沖擊電流計的研究  2.8 鐵磁材料磁滯回線的測定  2.9 鐵磁材料居里點的測定  2.10 逸出功的測定  2.11 電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦  2.12 電子荷質(zhì)比(e／m)的測定  2.13 金屬薄膜的制備及電阻率的測量  2.14 磁性薄膜磁電阻的測量  2.15 磁場分布、磁敏感元件特性研究3 光學實驗  3.1 幾何光學  3.2 測量固體和液體的折射率  3.3 超聲光柵  3.4 分波面干涉實驗  3.5 激光散斑法測量橫向微小位移實驗  3.6 壓電陶瓷振動的干涉測量  3.7 多光束干涉儀(F—P干涉儀)  3.8 夫朗和費衍射  3.9 菲涅耳衍射  3.10 偏振光的特性實驗  3.11 旋光儀  3.12 光學圖像微分實驗  3.13 全息照相(白光再現(xiàn))4 近代物理實驗  4.1 電子電荷e值的測定  4.2 汞原子激發(fā)電位的測定  4.3 用橫振動法測量固體材料在高溫下的彈性模量  4.4 光電倍增管的光譜特性  4.5 核蛻變的統(tǒng)計規(guī)律和物質(zhì)對B射線的吸收  4.6 微波基礎實驗  4.7 微波光學實驗  4.8 用反射式諧振腔測量微波介質(zhì)材料的介電常數(shù)  4.9 氫與氘原子光譜  4.10 鈉原子光譜  4.11 塞曼效應  4.12 鐵磁共振  4.13 核磁共振5 現(xiàn)代物理實驗  5.1 電子順磁共振  5.2 光泵磁共振  5.3 變溫霍爾效應  5.4 干涉顯微鏡的使用  5.5 用干涉方法測量薄膜應力  5.6 振動樣品磁強計的使用  5.7 用阻抗分析儀測量介質(zhì)薄膜材料的電容率  5.8 原子力顯微鏡的使用  5.9 電子束蒸發(fā)鍍膜儀的使用  5.10 磁控濺射鍍膜儀的使用  5.11 硼元素的徑跡顯微分析技術6 課題型實驗  6.1 制備參數(shù)對銀薄膜電阻率和應力的影響  6.2 梯度薄膜的制備及薄膜應力的研究  6.3 制備參數(shù)對氧化鋅鋁透明電極材料電學性質(zhì)的影響  6.4 工藝參數(shù)對NiFe薄膜磁電阻特性的影響  6.5 氧化鋁陶瓷薄膜材料的制備及電絕緣特性的研究  6.6 高K介電薄膜材料的制備及介電特性研究附錄  附錄1 常用物理學常數(shù)表  附錄2 物理量的單位(SI基本單位)  附錄3 物理量的單位(SI導出單位)

章節(jié)摘錄

插圖：保持薄膜制備過程中濺射條件的一致性，通過（1）～（6）操作，選擇不同的沉積時間，制備幾種不同厚度的金屬薄膜作為測量金屬薄膜電阻率實驗用的樣品。薄膜的厚度可以用以下方法計算：1）準確測量某一沉積時間下（如沉積15min）制備的薄膜的厚度，然后用這一薄膜厚度除以沉積時間就獲得了單位時間內(nèi)沉積的薄膜厚度，即薄膜的沉積速率；2）用沉積速率乘以沉積時間，可以獲得不同沉積時間下的薄膜厚度。薄膜沉積速率的相關參數(shù)可由實驗室提供。B測量金屬薄膜的電阻率（1）打開sB118精密直流電流源和Pz158A直流數(shù)字電壓表的開關，使儀器預熱15min。（2）認真觀察鍍有金屬薄膜的玻璃襯底（樣品），確定具有金屬薄膜的一面。（3）把樣品放在樣品臺上，使具有金屬薄膜的一面向上。讓四探針的針尖輕輕接觸到金屬薄膜的表面，然后擰動四探針架上的升降調(diào)節(jié)螺絲把四探針架固定在樣品臺上，使四探針的所有針尖同金屬薄膜有良好的接觸。注意：1）不要讓四探針在樣品表面滑動，以免探針的針尖滑傷薄膜；2）在擰動四探針架上的升降調(diào)節(jié)螺絲時，不要擰得過緊，以免四探針的針尖嚴重劃傷金屬薄膜，只要四探針的所有針尖同金屬薄膜有良好的接觸即可。（4）把四探針引線的端子分別正確地插入相應的sB118精密直流電流源的“電流輸出”孔和PZl58A直流數(shù)字電壓表的“輸人”孔中，注意電流的流動方向和電位的高低關系。（5）使用sBll8精密直流電流源中的電流源部分，從“200uA”的按鍵開始，適當選擇“量程選擇”的按鍵以及適當調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”的“粗調(diào)”和“細調(diào)”旋鈕，從而測量九個電流值所對應的電壓值。切換“量程選擇”的按鍵時，應該先將電流降為零。在某一電流值下測量電壓時，應同時測量正反向電壓，再取其大小的平均值。

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