理科物理實(shí)驗(yàn)教程

前言

本書是在北京科技大學(xué)物理系理科物理實(shí)驗(yàn)課程歷任教師的教學(xué)實(shí)踐和歷屆理科物理實(shí)驗(yàn)講義的基礎(chǔ)上編寫的。書中融入了相關(guān)教師多年來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究成果和科學(xué)研究成果，凝集了物理系所有從事理科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的集體智慧和心血，雖然他們當(dāng)中有的人目前已不在物理實(shí)驗(yàn)室工作。本書內(nèi)容定位在理科學(xué)生完成約60學(xué)時(shí)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程之后的后續(xù)物理實(shí)驗(yàn)課程。從培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工作能力和創(chuàng)新思維角度出發(fā)，書中精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容，努力使其具有時(shí)代性和先進(jìn)性，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探索的熱情，并切實(shí)給學(xué)生提供發(fā)揮其創(chuàng)造力的空間。本書將理科學(xué)生多個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合于一體，內(nèi)容涵蓋電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)和課題型實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求與內(nèi)容都經(jīng)過多次教學(xué)實(shí)踐反復(fù)修改、調(diào)整與完善，在重視基本知識、方法與技能學(xué)習(xí)的同時(shí)，突出創(chuàng)新意識和研究思維的培養(yǎng)與訓(xùn)練。本書內(nèi)容涉及許多科研、生產(chǎn)所應(yīng)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(jìn)行循序漸進(jìn)地加強(qiáng)研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的強(qiáng)度，特別是現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)部分和課題型實(shí)驗(yàn)部分，從實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容到裝置的結(jié)構(gòu)安排為開展有一定深度的研究型實(shí)驗(yàn)搭建了很好的平臺(tái)。在課題型實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生可以綜合應(yīng)用本書前面已經(jīng)學(xué)習(xí)過的實(shí)驗(yàn)知識、方法、技能以及所用過的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，完成綜合性的研究課題。每一個(gè)課題型實(shí)驗(yàn)都可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從文獻(xiàn)閱讀、具體研究問題提出、研究方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、分析討論與總結(jié)的完整的研究過程，并在此過程中掌握各種相關(guān)的儀器設(shè)備與測試方法的原理與使用。課題型實(shí)驗(yàn)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(yīng)力研究，透明電極材料電學(xué)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(lǐng)域備受人們關(guān)注的問題?，F(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)部分所涉及的實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法是一個(gè)通用、開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可自行提出和展開更多課題型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。希望本書不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)課程時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及多年來從事科學(xué)研究的經(jīng)歷編寫的，簡潔明了地給出了有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和測量結(jié)果表示的基本規(guī)定和處理方法，希望這部分內(nèi)容在學(xué)生未來從事科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)時(shí)，仍然可以是他們工作中有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和測量結(jié)果表示的快速檢索手冊。

內(nèi)容概要

本書定位在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程(60學(xué)時(shí)左右)之后的后續(xù)物理實(shí)驗(yàn)課程，內(nèi)容涵蓋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)和課題型實(shí)驗(yàn)等6個(gè)部分，涉及許多科學(xué)研究與生產(chǎn)所應(yīng)用的物理原理、測試方法和儀器裝置的使用。一些項(xiàng)目是由作者的科學(xué)研究實(shí)踐轉(zhuǎn)化而來，課題型實(shí)驗(yàn)選題取自近年來有關(guān)物理和材料的一些研究熱點(diǎn)，注重與當(dāng)前科學(xué)研究方法、手段、內(nèi)容的銜接，凝聚和固化了北京科技大學(xué)物理系教師近年來取得的許多物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究成果和科學(xué)研究實(shí)踐。    本書可作為高等院校理科學(xué)生以及希望進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)課程的工科學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)用書，也可供相關(guān)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(shí)驗(yàn)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(jī)誤差    1.2.3 粗差    1.2.4 隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差的關(guān)系  1.3 隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)處理    1.3.1 正態(tài)分布    1.3.2 t分布  1.4 直接測量結(jié)果的表示  1.5 間接測量結(jié)果的表示和不確定度的合成  1.6 實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直線擬合    1.8.1 用最小二乘法進(jìn)行直線擬合    1.8.2 用EXCEL軟件進(jìn)行直線擬合    1.8.3 用ORIGIN進(jìn)行直線擬合2 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)  2.1 磁場中載流導(dǎo)線的受力——安培力  2.2 用模擬法測繪靜電場  2.3 標(biāo)定溫差電偶的刻度  2.4 用非平衡電橋組裝及標(biāo)定電阻溫度計(jì)  2.5 交流電橋  2.6 RC電路  2.7 沖擊電流計(jì)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(diǎn)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(xué)實(shí)驗(yàn)  3.1 幾何光學(xué)  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(shí)驗(yàn)  3.5 激光散斑法測量橫向微小位移實(shí)驗(yàn)  3.6 壓電陶瓷振動(dòng)的干涉測量  3.7 多光束干涉儀(F—P干涉儀)  3.8 夫朗和費(fèi)衍射  3.9 菲涅耳衍射  3.10 偏振光的特性實(shí)驗(yàn)  3.11 旋光儀  3.12 光學(xué)圖像微分實(shí)驗(yàn)  3.13 全息照相(白光再現(xiàn))4 近代物理實(shí)驗(yàn)  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(dòng)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(jì)規(guī)律和物質(zhì)對B射線的吸收  4.6 微波基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)  4.7 微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)  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(yīng)  4.12 鐵磁共振  4.13 核磁共振5 現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)  5.1 電子順磁共振  5.2 光泵磁共振  5.3 變溫霍爾效應(yīng)  5.4 干涉顯微鏡的使用  5.5 用干涉方法測量薄膜應(yīng)力  5.6 振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)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(shù)6 課題型實(shí)驗(yàn)  6.1 制備參數(shù)對銀薄膜電阻率和應(yīng)力的影響  6.2 梯度薄膜的制備及薄膜應(yīng)力的研究  6.3 制備參數(shù)對氧化鋅鋁透明電極材料電學(xué)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(xué)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(dǎo)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(shí)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(shí)驗(yàn)用的樣品。薄膜的厚度可以用以下方法計(jì)算：1）準(zhǔn)確測量某一沉積時(shí)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(shí)間就獲得了單位時(shí)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(shí)間，可以獲得不同沉積時(shí)間下的薄膜厚度。薄膜沉積速率的相關(guān)參數(shù)可由實(shí)驗(yàn)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(guān)，使儀器預(yù)熱15min。（2）認(rèn)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(tái)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(dòng)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(tái)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(dòng)，以免探針的針尖滑傷薄膜；2）在擰動(dòng)四探針架上的升降調(diào)節(jié)螺絲時(shí)，不要擰得過緊，以免四探針的針尖嚴(yán)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(yīng)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(dòng)方向和電位的高低關(guān)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(dāng)選擇“量程選擇”的按鍵以及適當(dāng)調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”的“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”旋鈕，從而測量九個(gè)電流值所對應(yīng)的電壓值。切換“量程選擇”的按鍵時(shí)，應(yīng)該先將電流降為零。在某一電流值下測量電壓時(shí)，應(yīng)同時(shí)測量正反向電壓，再取其大小的平均值。

編輯推薦

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