《近代物理实验》实验教学大纲审核：王新练编写：裴秋雨课程编码课程名称近代物理实验1324311学分适用专业应用物理234（含实验绪论和操作考考核形式考查总学时试）普通物理，量子力学，热力先修课程开课学期第5学期学与统计物理学一.课程简介：近代物理实验是一门涉及知识面广、综合性和技术性较强的实验课，在整个物理实验教学体系中具有承上启下的作用，它从近代物理的主要领域选取一些在物理学发展史中起过重要作用的著名实验以及在实验方法和实验技术上有代表性的实验进行教学。在教学中要求对学生进行严格的实验素质训练，活跃学生的物理思想，锻炼他们对物理现象的洞察力，正确认识新的物理概念的产生、形成和发展过程，培养严谨的科学作风和用实验方法研究物理现象与规律的独立工作能力。二、课程实验教学目的与要求1、实验教学目的：（1）、正确使用比较精密而复杂的实验仪器，掌握精度较高的测量技能。（2）、通过做一些近代物理的基本实验，观察、研究有关物理过程，提高用实验方法研究物理规律的能力和加深对物理现象及规律的理解。（3）、培养学生在科学实验中发现问题与解决问题的能力，养成严谨的科学实验态度和工作作风。2、实验教学要求：要求学生通过预习和老师讲解能够全面、深入理解和熟练掌握所学概念和内容，把握基本实验思想、基本实验原理和实验方法，能够运用所学实验操作方法与实验原理、实验仪器相结合，分析和判断实验测试、操作的难点和关键，并且能够简要而准确地表述说明每个实验的设计思想、原理。三、实验项目一、密立根油滴实验：实验目的及要求：（1）掌握用平衡法测量电子电荷的原理；（2）会选择大小合适的油滴并能熟练控制油滴的运动；（3）用逐差法、作图法或验证法求出电子电荷的e值实验原理：静态平衡测量法mg=qE+F
《近代物理实验》实验教学大纲 编写：裴秋雨 审核： 王新练 课程编码 1324311 课程名称 近代物理实验 适用专业 应用物理 学分 2 考核形式 考查 总学时 34（含实验绪论和操作考 试） 先修课程 普通物理, 量子力学,热力 学与统计物理学 开课学期 第 5 学期 一.课程简介： 近代物理实验是一门涉及知识面广、综合性和技术性较强的实验课，在整个物理实验教 学体系中具有承上启下的作用，它从近代物理的主要领域选取一些在物理学发展史中起过重 要作用的著名实验以及在实验方法和实验技术上有代表性的实验进行教学。在教学中要求对 学生进行严格的实验素质训练，活跃学生的物理思想，锻炼他们对物理现象的洞察力，正确 认识新的物理概念的产生、形成和发展过程，培养严谨的科学作风和用实验方法研究物理现 象与规律的独立工作能力。 二、课程实验教学目的与要求 1、实验教学目的：（1）、正确使用比较精密而复杂的实验仪器，掌握精度较高的测量技能。 （2）、通过做一些近代物理的基本实验，观察、研究有关物理过程，提 高用实验方法研究物理规律的能力和加深对物理现象及规律的理 解。 （3）、培养学生在科学实验中发现问题与解决问题的能力，养成严谨的 科学实验态度和工作作风。 2、实验教学要求：要求学生通过预习和老师讲解能够全面、深入理解和熟练掌握所学概念 和内容，把握基本实验思想、基本实验原理和实验方法，能够运用所学 实验操作方法与实验原理、实验仪器相结合，分析和判断实验测试、操 作的难点和关键，并且能够简要而准确地表述说明每个实验的设计思想、 原理。 三、实验项目 一、密立根油滴实验： 实验目的及要求： （1）掌握用平衡法测量电子电荷的原理；（2）会选择大小合适的油滴并能熟练控制油滴的 运动；（3）用逐差法、作图法或验证法求出电子电荷的 e 值 实验原理： 静态平衡测量法 mg qE F = + f
18元(n)3/2±dq=(2gp)/2"U"动态非平衡测量法qE,+F, =mg+F.=mg+6元m1/2111732q=k+[U,ttgllt实验内容：分别用静态平衡测量法、动态非平衡测量法及改变油滴带电量进行测量，总结出油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍，从而得出存在着基本电荷的结论重点和难点：理解实验原理，控制油滴和选择合适油滴。二：夫兰克一赫兹实验实验目的及要求：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实验原理：（1）定态假设。（2）频率定则。hv=E,-E.本实验是利用具有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。hv=eU，式中Ug为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。实验内容：利用智能型实验仪对汞原子能级的测量重点及难点：汞原子激发电位的测量三、普朗克常数测定1.实验目的及要求：验证爱因斯坦光电效应方程，测出普朗克常量h。2.描绘光电管的伏安特性曲线。实验原理：爱因斯坦光电效应方程1mu?= hv-A20.mU..nmA_hy-h,LV实验内容：1.仪器的调整2.测量光电管的暗电流3：测量光电管反向电压伏安特性（I-U曲线）4.测出普朗克常量h。5.描绘光电管的伏安特性曲线。重点及难点：
3 2 1 2 3 2 (2 ) 18 ( ) = g t l U d g q 动态非平衡测量法 1 6 1 qE F mg F mg r + f = + r = + = + 1 3 2 1 2 1 1 1 t U l t t q k g g 实验内容： 分别用静态平衡测量法、动态非平衡测量法及改变油滴带电量进行测量，总结出油滴 所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍，从而得出存在着基本电荷的结论 重点和难点：理解实验原理，控制油滴和选择合适油滴。 二：夫兰克─赫兹实验 实验目的及要求： 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 实验原理： （1） 定态假设。 （2） 频率定则。 n m h E E = − 本实验是利用具有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改 变。 g h eU = 式中 Ug 为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能 时，原子就开始发光。 实验内容：利用智能型实验仪对汞原子能级的测量 重点及难点：汞原子激发电位的测量 三、普朗克常数测定 1. 实验目的及要求：验证爱因斯坦光电效应方程，测出普朗克常量 h。 2.描绘光电管的伏安特性曲线。 实验原理：爱因斯坦光电效应方程 m = h − 2 2 1 1 2 2 a eU mv = 0 e h e h e A e h Ua = − = − 实验内容：1．仪器的调整 2．测量光电管的暗电流 3．测量光电管反向电压伏安特性（I-U 曲线） 4.测出普朗克常量 h。 5.描绘光电管的伏安特性曲线。 重点及难点：
理解实验原理及实验仪器操作四：核磁共振实验实验目的及要求：（1）、了解核磁共振现象的原理和实验方法。（2）、用稳态吸收法（即扫场法）测量氢核H的共振频率及稳恒磁场的B。实验原理：核自旋磁矩μ和恒定磁场B的相互作用能为E相=-uB=-u,B=-yMhB而E附加在原来的核能级上就造就了核能级在磁场中的分裂。以氢核为例，两个子能级间的能量间隔为AE=yhB如果在垂直于B的方向同时再加一交变射频磁场B(t），并且其量子能量hの,刚好等于两相邻子能级的能级差△E，hの=△E=yhB，则处于低子能级（例如E）上的原子核就将吸收交变磁场的能量，跃迁到高子能级（例如E），这种跃迁称作为核磁共振跃迁。实验内容：（1）.观察样品的核磁共振信号。（2）.测量稳恒磁场的磁感强度B重点及难点：理解实验原理，射频频率的调节。五：光拍频法测量光速实验目的及要求：1.了解光拍频法测量光拍波的频率和波长，验证光速的实验原理。2、熟练掌握用光速测定仪测量光速的实验方法。实验原理：[0, -02(x9-920, +02+P+2XE =E, +E, = 2E.cosxcos2222ccLc=Af.A实验内容：1.调节仪器2.利用驻波法产生拍频为2F光拍频波，3.测量拍频波长4，重点及难点：理解实验原理，光路调节六：用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率实验目的及要求：：1.了解椭偏光方法的基本原理。2.学会使用椭偏仪并用以测量出介质薄膜的厚度及折射率。实验原理：当一束光以一定的入射角照射到薄膜介质样品上时，光在多层介质膜的交界处发生多次折射的反射。在薄膜的反射方向得到的光束的振幅和位相变化情况与膜的厚度和光学常数有关，因而可根据反射光的特性来确定膜的光学特性。若入射光是椭圆偏振光则只要测量反射光的偏振态的变化，就可以确定出薄膜的厚度及折射率。实验内容：1）调节仪器
理解实验原理及实验仪器操作. 四：核磁共振实验 实验目的及要求：（1）、了解核磁共振现象的原理和实验方法。 （2）、用稳态吸收法（即扫场法）测量氢核 H 1 的共振频率及稳恒磁场的 B。 实验原理： 核自旋磁矩 和恒定磁场 B 的相互作用能为 E B B M B 相 = − = − = − z 而 E 相附加在原来的核能级上就造就了核能级在磁场中的分裂。以氢核为例，两个 子能级间的能量间隔为 = E B 如果在垂直于 B 的方向同时再加一交变射频磁场 1 B t() ，并且其量子能量 1 h 刚好等 于两相邻子能级的能级差 E ， 1 = = E B ，则处于低子能级（例如 E+ ）上的 原子核就将吸收交变磁场的能量，跃迁到高子能级(例如 E− )，这种跃迁称作为核磁共振跃 迁。 实验内容： （1）.观察样品的核磁共振信号。（2）.测量稳恒磁场的磁感强度 B 重点及难点：理解实验原理，射频频率的调节。 五：光拍频法测量光速 实验目的及要求： 1.了解光拍频法测量光拍波的频率和波长，验证光速的实验原理。 2、熟练掌握用光速测定仪测量光速的实验方法。 实验原理： + + − + − + − − = + = 2 2 cos 2 2 2 cos 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 0 c x t c x E E E E t c = f 实验内容：1.调节仪器. 2. 利用驻波法产生拍频为 2F 光拍频波. 3. 测量拍频波长 Λ， 重点及难点：理解实验原理，光路调节. 六：用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率 实验目的及要求：. 1.了解椭偏光方法的基本原理。 2. 学会使用椭偏仪并用以测量出介质薄膜的厚度及折射率。 实验原理：当一束光以一定的入射角照射到薄膜介质样品上时，光在多层介质膜的 交界处发生多次折射的反射。在薄膜的反射方向得到的光束的振幅和位相变化情况与 膜的厚度和光学常数有关，因而可根据反射光的特性来确定膜的光学特性。若入射光是 椭圆偏振光则只要测量反射光的偏振态的变化，就可以确定出薄膜的厚度及折射率。 实验内容：1) 调节仪器
2）光路调节3)测量重点及难点：理解实验原理，光路调节七：全息实验实验目的及要求：（1）学习静态全息照相的拍摄方法和有关技术。（2）掌握全息图再现物像的性质和观察方法实验原理：光波是电磁波，个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光光波的叠加2元x=ZA, cos(o,I+p, -1ial2元）两类信息.光在传播过程因此，任何一定频率的光波都包含着振幅A和相位（ot+@2中，借助于它们的频率、振幅和相位来区别物体的颜色（频率）、明暗（振幅平方）、形状和远近（相位）。全息照相不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也记录下来，所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像，而是物体发出或反射光的光波本身。它记录了光波的全部信息，而且在一定条件下，能将所记录的全部信息完全再现出来，因而再现的物像是一个逼真的三维立体像。实验内容：漫反射全息图的拍摄胶片的冲洗再现像的观察重点及难点：仪器调节及最佳拍摄时间的选择。八：塞曼效应实验：实验目的及要求：掌握观测塞曼效应的实验方法：观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态：由塞曼裂距计算电子的荷质比。实验原理：塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果。当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同。实验内容：1）调整光学系统；(2）观察分裂谱线的偏振成分；（3）用比长计测量底片上干涉环的直径，求出谱线的分裂波数差，计算电子的荷质比。重点及难点：F-P标准具的使用九：微波的传输特性和基本测量实验目的及要求：（1）学会用频率计测量微波频率，用功率计与功率探头测定微波功率；(2）学习和使用驻波测量线测定波导波长和驻波比：（3）通过观察反射速调管振荡模，了解速调管的工作特性并测定它的两电子
2) 光路调节 3)测量 重点及难点：理解实验原理，光路调节 七：全息实验 实验目的及要求： （1）学习静态全息照相的拍摄方法和有关技术。 （2）掌握全息图再现物像的性质和观察方法。 实验原理： 光波是电磁波, 个实际物体发射或反射的光波比较复杂,但是一般可以看成是由许 多不同频率的单色光光波的叠加 ) 2 cos( 1 = = + − n i i i i i i r t 因此,任何一定频率的光波都包含着振幅 A 和相位( r t 2 + − )两类信息.光在传播过程 中,借助于它们的频率、振幅和相位来区别物体的颜色(频率)、明暗（振幅平方）、形状和远 近（相位）。 全息照相不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也记录 下来，所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像，而是物体发出或 反射光的光波本身。它记录了光波的全部信息，而且在一定条件下，能将所记录的全部信息 完全再现出来，因而再现的物像是一个逼真的三维立体像。 实验内容： 漫反射全息图的拍摄 胶片的冲洗 再现像的观察 重点及难点：仪器调节及最佳拍摄时间的选择。 八：塞曼效应实验： 实验目的及要求： 掌握观测塞曼效应的实验方法；观察汞原子 546.1nm 谱线的分裂现象以及它们偏振状 态；由塞曼裂距计算电子的荷质比。 实验原理： 塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果。当光源放在足够强的磁场中时, 原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别 而不同。 实验内容： 1) 调整光学系统； (2) 观察分裂谱线的偏振成分； (3) 用比长计测量底片上干涉环的直径，求出谱线的分裂波数差，计算电子的荷质比。 重点及难点：F-P 标准具的使用 九：微波的传输特性和基本测量 实验目的及要求： (1) 学会用频率计测量微波频率，用功率计与功率探头测定微波功率； (2) 学习和使用驻波测量线测定波导波长和驻波比； (3) 通过观察反射速调管振荡模，了解速调管的工作特性并测定它的两电子
调谐参数。实验原理：微波的传输特性：横电磁波，横电波，横磁波，微波基本参量：临界波长，波导波长，相速，群速，反射系数和驻波比实验内容：(1）频率测量；(2）功率测量；（3）波导波长和驻波比的测量；(4)反射式速调管输出特性的测量。重点及难点：微波的传输线的调整，大小驻波比的测量十：法拉第效应实验实验目的及要求：了解磁光效应现象和法拉第效应机理。测量磁致旋光角实验原理：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度见，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。=VBL实验内容：1、测量法拉第效应偏振面旋转角与外加磁场电流I的关系曲线2测量法拉第效应偏振面旋转角0和波长的关系曲线3计算电子荷质比e/m4测样品介质色散dn/d孔与波长入的关系曲线方法：重点及难点：仪器的调整和使用。十一：氢、氛原子光谱实验目的及要求：本实验通过氢氛光谱的测量、氛氢质量比的测定，加深对氢光谱规律和同位素位移的认识，并理解精确测量的重要意义。实验原理：氢与氛原子光谱：R.R=1+m/MhR..Rp=1+m/MpMHMp-mMHMH(AD-AH+A,mMH)实验内容：（1）拍摄光谱：(2）测定波长；(3）计算里德伯常数；(4）计算氢、氛原子核质量比MD/MH值重点及难点：实验原理的理解和仪器的调节
调谐参数。 实验原理： 微波的传输特性:横电磁波, 横电波, 横磁波, 微波基本参量:临界波长,波导波长,相速,群速,反射系数和驻波比 实验内容： (1) 频率测量； (2) 功率测量； (3) 波导波长和驻波比的测量； (4) 反射式速调管输出特性的测量。 重点及难点：微波的传输线的调整,大小驻波比的测量 十：法拉第效应实验 实验目的及要求：了解磁光效应现象和法拉第效应机理。测量磁致旋光角 实验原理： 当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向加上一个磁场，就会观 察到光经过样品后偏振面转过一个角度见，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就 称为法拉第效应。 实验内容： 1、 测量法拉第效应偏振面旋转角θ与外加磁场电流 I 的关系曲线 2 测量法拉第效应偏振面旋转角θ和波长的关系曲线 3 计算电子荷质比 。 4 测样品介质色散 与波长λ的关系曲线方法： 重点及难点：仪器的调整和使用。 十一：氢、氘原子光谱 实验目的及要求：本实验通过氢氘光谱的测量、氘氢质量比的测定，加深对氢光谱规律 和同位素位移的认识，并理解精确测量的重要意义。 实验原理：氢与氘原子光谱： 实验内容：(1) 拍摄光谱； (2) 测定波长； (3) 计算里德伯常数； (4) 计算氢、氘原子核质量比 MD/MH 值 重点及难点：实验原理的理解和仪器的调节 H H m M R R + = 1 D D m M R R + = 1 ( ) D H D H H H H D M m M m M M − + =
十二：验证快速电子的动量与动能的相对论关系实验目的及要求：1.通过对快速电子的动量值及动能的同时测定来验证动量和动能之间的相对论关系。2.了解β磁谱仪测量原理，闪烁记数器的使用方法及一些实验数据处理的思想方法。实验原理：mov=mVp=/1-β2(1)式中m=mo/I-β，β=v/c。相对论能量E为：E=mc2(2)E?-cp?=E(5)E,=E-E=cp?+mct-moc?(6)实验内容：调节仪器，测量重点及难点：实验原理的理解和仪器的调节四.实验项目学时分配表序号实验项目实验学时实验类型41综合密立根油滴实验24验证夫兰克一赫兹实验34综合普朗克常数测定4A核磁共振实验验证54综合光拍频法测量光速64综合用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率74综合全息实验8塞曼效应实验4综合94微波的传输特性和基本测量综合104法拉第效应实验综合114综合氢、氛原子光谱112综合验证快速电子的动量与动能的相对论关系注*：12个实验，每个学生从中选做8个，五、实验报告格式实验报告是实验成果的文字描述，是实验过程的总结，学会写实验报告是培养实验能力的一个方面，实验报告要用简洁的形式将实验结果完整、准确地表示出来，要求学生所写实验报告文字通顺，字迹端正、图表规范、结果正确
十二：验证快速电子的动量与动能的相对论关系 实验目的及要求： 1.通过对快速电子的动量值及动能的同时测定来验证动量和动能之间的相对论关系。 2.了解 磁谱仪测量原理，闪烁记数器的使用方法及一些实验数据处理的思想方法。 实验原理： (1) 式中 ， 。相对论能量 为： (2) (5) (6) 实验内容：调节仪器,测量. 重点及难点：实验原理的理解和仪器的调节 四. 实验项目学时分配表 序号 实验项目 实验学时 实验类型 1 密立根油滴实验 4 综合 2 夫兰克─赫兹实验 4 验证 3 普朗克常数测定 4 综合 4 核磁共振实验 4 验证 5 光拍频法测量光速 4 综合 6 用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率 4 综合 7 全息实验 4 综合 8 塞曼效应实验 4 综合 9 微波的传输特性和基本测量 4 综合 10 法拉第效应实验 4 综合 11 氢、氘原子光谱 4 综合 12 验证快速电子的动量与动能的相对论关系 4 综合 注*:12 个实验，每个学生从中选做 8 个. 五、实验报告格式 实验报告是实验成果的文字描述，是实验过程的总结，学会写实验报告是 培养实验能力的一个方面，实验报告要用简洁的形式将实验结果完整、准确地 表示出来，要求学生所写实验报告文字通顺，字迹端正、图表规范、结果正 确。 v mv m p = − = 2 0 1 2 m = m0 1− = v / c E 2 E = mc 2 0 2 2 2 E − c p = E 2 0 2 4 0 2 2 0 E E E c p m c m c k = − = + −
实验报告分为课前预习报告和课后报告两部分。课前预习报告的内容有：实验目的、实验内容、实验仪器、实验原理、实验步骤等。课后报告的内容有：实验记录、数据处理、实验结论、思考与讨论等。六.考核方式与评分标准平时成绩与期末未考试相结合，平时成绩占60%（主要包括学生预习、实验操作情况、实验报告等），期末考试占40%。七.教材与参考资料：1.熊俊主编近代物理实验北京师范大学出版社，2007.82.魏怀鹏张志东主编近代物理实验天津大学出版2010.83.王香等主编新编近代物理实验科学出版社2007.7
实验报告分为课前预习报告和课后报告两部分。课前预习报告的内容有： 实验目的、实验内容、实验仪器、实验原理、实验步骤等。课后报告的内容 有：实验记录、数据处理、实验结论、思考与讨论等。 六.考核方式与评分标准 平时成绩与期末考试相结合，平时成绩占 60%（主要包括学生预习、实验操 作情况、实验报告等），期末考试占 40%。 七. 教材与参考资料： 1.熊俊主编 近代物理实验 北京师范大学出版社，2007.8 2.魏怀鹏 张志东主编 近代物理实验 天津大学出版 2010.8 3.王香等主编 新编近代物理实验 科学出版社 2007.7