《近代物理实验》课程教学大纲.docx

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《近代物理实验》课程教学大纲

《近代物理实验》课程教学大纲

一、实验教学目标与基本要求

近代物理实验是继普通物理实验和无线电电子学实验后的一门重要的基础实验课程，具有较强的综合性和技术性。

本课程的主要目的是：

通过近代物理实验丰富和活跃学生的物理思想，培养他们对物理现象的观察能力和分析能力，引导他们了解实验物理在物理概念的产生、形成和发展过程的作用，学习近代物理中的一些常用方法、技术、仪器和知识，进一步培养正确的和良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使学生掌握一定程度的实验方法和技术，获得研究物理现象和规律的独立工作能力。

１．学习如何用实验方法和技术研究物理现象与规律，培养学生实验过程中发现问题，分析问题和解决问题的能力，以及创新能力。

２．学习近代物理主要领域中的基本实验方法和技术，同时通过实验加深对近代物理的基本现象及其规律的理解。

３．通过实验加深对近代物理的基本现象及其规律的理解。

４．能对实验结果做出基本的分析，并巩固和加强有关实验数据处理及误差分析方面的训练。

５．培养实事求是，踏实细致，严肃认真的科学态度和克服困难，坚韧不拔的工作作风以及良好的实验素养。

二、课程介绍与考核要求

兰州大学的近代物理实验分为两部分：

常规近物实验和近物创新实验。

常规近物实验为必做实验题目，包涵原子、分子与量子物理，核物理与相对论，真空物理与致冷技术，微波与光学，固体物理，先进测量与传感技术等领域，由30几个实验组成。

近物创新实验为选做实验题目，也是开放性实验，分为工程类实验和科学研究类实验。

工程类实验包括科学研究仪器制备，实验教学需要的仪器制备，实验仪器配件及实验电路的设计与实现等；科学研究类包括半导体材料的性质及器件制备研究，磁性材料制备表征及性质研究等。

创新实验题目可由任课老师给出，学生按自己的兴趣自由选题，也可由学生根据实验室提供的仪器，自己设立题目，老师指导和审核学生提出的题目和方案并提供实验指导。

本课程为一学年，其中第一学期必做实验8个，第二学期必做实验2个，选做实验6个（从30多个必做实验中选出6个未作的实验，也就是不得重复实验），共要求学生完成16个实验。

另外学生在每学期都可选做创新实验题目，其中萃英班和物理基地班学生至少要选做一个创新实验。

本课程的教学方式是在教师指导下，学生独立进行实验，教学中提倡学生之间的讨论和交流。

常规近物实验教学过程分为预习、操作和撰写实验报告三个环节。

近物创新实验的教学过程分为，讨论选题，实验过程，与总结实验成果三个环节。

本课程的最终考核结果为百分制，以平时成绩为主，综合期末考核成绩为最终总成绩。

平时成绩由是否参加预习，实验操作表现和实验报告三部分组成，期终采取笔试，面试或仪器操作的方式进行考核。

选修近物创新实验的学生，每学期实验结束后，科研类实验需给出小论文，工程类需给出实物。

三、实验题目及其目的和实验内容

原子、分子与量子物理：

钠原子的发射光谱，CCl4分子振动拉曼散射光谱，黑体辐射，塞曼效应；金属热电子逸出功测定；

核物理与相对论：

核磁共振，NaI（TI）闪烁谱仪和γ射线在物质中的吸收，相对论效应；

真空物理与致冷技术：

高真空的获得与测量，真空镀膜，铜膜的霍尔效应和电阻率的测量，汽液两相致冷机；

微波与光学：

反射速调管和波导管工作特性（PropertiesofKlystronsandwave-guides），微波介质介电常数测量（MeasurementofDielectricconstantundermicrowavesfrequency），微波的光特性（OpticalPropertiesofmicrowaves），光拍法测量光速；

固体物理：

微波段电子自旋共振，电子衍射，用椭圆偏振仪测定薄膜的厚度和折射率，铁磁共振，红外分光计应用，紫外分光计应用，光磁共振，穆斯堡尔谱仪，扫描隧道显微镜，X射线衍射实验—晶体结构分析；

先进测量与传感技术：

锁相放大器应用－PN结电容的测量，工业CT，计算机自动测量，虚拟仪器（VirtualInstruments），光纤光栅传感实验，微弱信号检测。

一、原子、分子与量子物理

实验一、CCl4分子振动拉曼散射光谱

实验目的：

通过对一些典型分子的常规拉曼谱进行测量，达到对这方面的基本原理和基本实验技术有一定的了解。

实验内容：

（1）基本实验：

记录CCl4分子的振动拉曼谱；

（2）选做实验：

测CCl4分子的偏振拉曼谱并求其退偏比；（3）识别某些化学样品。

实验二、黑体辐射

实验目的：

（1）掌握黑体辐射的基本规律；

（2）了解黑体辐射实验装置的原理和结构。

实验内容：

（1）验证斯特藩-玻耳兹曼定律；

（2）验证维恩位移定律；（3）验证普朗克定律。

实验三、塞曼效应

实验目的：

应用高分辨率的分光仪器--法布里-珀罗标准具去观察一条谱线的塞曼效应，测量它分裂的波长差，并计算出电子的比荷值（即荷质比）。

实验内容：

调整光学元件共轴与磁场强度B，获得分裂的汞谱线，计算求出谱线的分裂波数差和电子的荷质比。

实验四、金属热电子逸出功测定

实验目的：

通过测定金属（钨）电子的逸出功，学习直线测量法，外延测量法和磁控测量法等多种基本实验方法，加深对数据处理方法的理解。

实验内容：

（1）正确连接实验电路；

（2）计算零场热电子发射电流，作图求出逸出功；（3）设计性扩展实验。

二、核物理与相对论

实验一、核磁共振

实验目的：

掌握NMR的基本原理和稳态吸收的实验方法，测定一些样品的核磁矩，并学会用NMR方法测定磁场。

实验内容：

（1）观察氢核H的NMR现象；

（2）利用水样品H的共振吸收，测定电磁铁的励磁电流与磁场的关系；（3）用聚四氟乙烯样品测定氟核F的磁矩。

实验二、NaI（TI）闪烁谱仪和γ射线在物质中的吸收

实验目的：

了解物质对γ射线的吸收特性；学会测量物质对γ射线的吸收系数μ。

实验内容：

（1）调整实验装置，实现窄束测量条件；

（2）测量Pb和Al对137Cs和60Co的γ射线的吸收系数。

实验三、相对论效应

实验目的：

验证快速电子的动量与动能之间的相对论关系；了解β磁谱仪的测量原理。

实验内容：

（1）测量快速电子的动量；

（2）测量快速电子的动能；（3）验证快速电子的动量与动能之间的关系符合相对论效应。

三、真空物理与致冷技术

实验一、高真空的获得与测量

实验目的：

（1）了解真空的基本概念；

（2）了解高真空的获得方式；（3）研究真空的测量方式。

实验内容：

（1）研究机械泵和扩散泵的工作原理；

（2）学习真空泵的规范操作过程；（3）测量并研究系统在抽真空时的压强变化曲线。

实验二、真空镀膜

实验目的：

（1）了解真空（蒸发）镀膜机的基本结构和使用方法；

（2）掌握真空蒸发法制备金属薄膜的方法和过程。

实验内容：

（1）清洗玻璃基片；

（2）抽真空并测量真空度；

（2）在玻璃衬底上制备铝薄膜。

实验三、铜膜的霍尔效应和电阻率的测量

实验目的：

（1）了解霍尔效应的本质；

（2）测量铜膜的霍耳电压，判断和计算铜膜中载流子的极性和浓度；（3）测量铜膜的电阻率。

实验内容：

（1）正确连接电路；

（2）熟悉电位差计的使用；（3）观测铜膜的霍尔效应并测量霍尔电压；（4）计算铜膜的霍尔电压，载流子浓度及铜的电阻率，并进行误差分析。

四、微波、光学

实验一、反射速调管和波导管工作特性（PropertiesofKlystronsandwave-guides）

实验目的：

（1）学会用频率计测量微波频率，用微瓦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，了解其工作特性。

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）反射速调管式输出特性的测量。

本实验实行英语教材、英语讲授的双语教学形式，要求学生英语过四级。

实验报告要求用英语撰写。

实验二、微波介质介电常数测量（MeasurementofDielectricconstantundermicrowavesfrequency）　

实验目的：

学会用示波器观察速调管的振荡模和反射式谐振腔的谐振曲线，加深对速调管和谐振腔工作特性的理解。

实验内容：

（1）观察反射速调管震荡模；

（2）观察放射式谐振腔的谐振曲线；（3）观察样品放入后放射式腔的谐振曲线。

本实验实行英语教材、英语讲授的双语教学形式，要求学生英语过四级。

实验报告要求用英语撰写。

实验三、微波的光特性（OpticalPropertiesofmicrowaves）

实验目的：

（1）了解和验证微波的光特性；

（2）了解微波相对功率的测量方法。

实验内容：

（1）电磁波反射定律验证；

（2）单缝衍射；（3）双缝干涉；（4）迈克乐逊干涉；（4）布拉格衍射。

本实验实行英语教材、英语讲授的双语教学形式，要求学生英语过四级。

实验报告要求用英语撰写。

实验四、光拍法测量光速

实验目的：

学习一种新的测量光速的方法，了解声光调制的基本原理，衍射特性等声光效应。

实验内容：

测量超声频率F和光拍波长Δλ,计算光速及其标准差，并与标准光速值比较，具体分析实验误差。

五、固体物理

实验一、微波段电子自旋共振

实验目的：

掌握顺磁共振谱议的基本原理和使用方法，通过实际操作熟悉EPR技术及调试，培养创新意识；通过测量观察过渡金属离子化合物CuSO4.5H2O单晶体中的Cu2+离子的超精细结构的EPR谱线及晶场影响的各向异性，学会金属离子Cu2+的g因子，线宽及弛豫时间T2的测量技术。

实验内容：

（1）耿氏二级管V-I特性及边限振荡现象的观测；

（2）EPR谱线受晶场影响的各向异性观测。

实验二、电子衍射

实验目的：

1验证德布罗意假说；2掌握真空蒸发镀膜及镀底膜的方法；3更进一步熟悉真空及真空操作。

实验内容：

（1）预抽真空；

（2）制底膜并镀样品膜；（3）观察电子衍射、照相并测量电子波长。

实验三、用椭圆偏振仪测定薄膜的厚度和折射率

实验目的：

（1）掌握光线经薄膜反射以后状态的变化规律；

（2）掌握椭圆偏振法的基本思想和测量方法。

实验内容：

（1）测量TiO2薄膜的厚度和折射率；

（2）测量ZrO2薄膜的厚度和折射率；（3）测量金属Cr薄膜的厚度和折射率；

实验四、铁磁共振

实验目的：

（1）认识铁磁共振的物理本质；

（2）实验观察和测量铁磁共振现象；（3）进一步熟悉微波电路。

实验内容：

（1）调整微波系统；

（2）测量微波频率；（3）观察和测量多晶样品的铁磁共振曲线及其半宽度。

实验五、红外分光计应用

实验目的：

（1）掌握红外光区的划分、红外光产生条件和原理；

（2）掌握红外光谱图的测试的分析方法；（3）掌握利用红外光谱来对物质进行定性分析的原理和方法。

实验内容：

（1）测试和分析聚苯乙烯薄膜的红外谱图；

（2）测试并分析未知薄膜样品的红外谱图。

实验六、紫外分光计应用

实验目的：

（1）了解紫外分光计的结构和原理；

（2）掌握用紫外分光计对物质定性鉴定的方法；（3）学习光吸收的郞白－比耳定律。

实验内容：

（1）熟悉紫外分光仪使用方法和注意事项；

（2）测量不同浓度时有机发光材料八羟基喹啉铜的丙酮溶液的紫外可见光谱；（3）验证溶液光吸收的郞白－比耳定律；（4）研究不同溶剂对八羟基喹啉铜紫外可见光谱的影响。

实验七、光磁共振

实验目的：

（1）掌握以光抽运为基础的磁共振光检测方法；

（2）认识光磁共振现象的物理本质。

实验内容：

（1）调试仪器；

（2）观测光抽运信号；（3）测量g因子。

实验八、扫描隧道显微镜

实验目的：

（1）了解扫描隧道显微镜的原理和结构；

（2）观测和验证量子力学中的隧道效应；

实验内容：

（1）观测石墨（HOPG）样品的原子分辨图像；

（2）计算机软件处理原始数据图象。

实验九、X射线衍射实验—晶体结构分析

实验目的：

（1）了解X射线的本质、特点和产生方法等；

（2）掌握X射线衍射的基本原理等；（3）了解X射线衍射分析的常用方法，掌握X射线衍射仪的工作原理、基本结构、实验参数的选择和衍射谱的测量等内容；（4）了解晶体晶胞参数的测定和衍射谱指标化的基本原理，并掌握简单六方晶体晶胞参数和每一条衍射谱对应晶面指数（hkl）的分析确定方法。

实验内容：

通过对JF-1型X射线晶体分析仪的介绍，使同学们了解X射线管、劳厄相机和德拜相机的工作原理、结构特点等；并操作XD-3A型和TD-3500B型X射线衍射仪，了解X射线衍射仪的基本操作要领；最后利用测量的简单六方晶体衍射谱，对其晶胞参数和每一条衍射谱对应的晶面指数（hkl）进行具体分析。

六、先进测量与传感技术

实验一、锁相放大器应用－PN结电容的测量

实验目的：

了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成，以及掌握锁相放大器的正确使用方法。

实验内容：

锁相放大器的工作特性和参数测定。

实验二、工业CT

实验目的：

（1）掌握CT成象的基本原理；

（2）熟悉仪器的构成及各部分的功能；（3）弄清楚CT成像和一般照相的区别。

实验内容：

（1）扫描样品密度分布的灰度图；

（2）灰度图分析与处理。

实验三、计算机自动测量

实验目的：

了解利用IBMPC系列微机进行自动控制的原理；学会自动控制的基本编程方法。

实验内容：

（1）测量AD转换器的转换曲线；

（2）直流电压的精确测量；（3）交变电压测量；（4）D/A转换；（5）发光二极管I－V特性测量（选做）；（6）RC电路充电、放电过程测量（选做）。

实验四、虚拟仪器（VirtualInstruments）技术实验

实验目的：

了解虚拟仪器技术的概念、特点和构成等；了解LabVIEW的基本程序结构；并能掌握LabVIEW的基本编程方法。

实验内容：

按照范例的步骤，学习LabVIEW的基本编程方法；并能完成1~2个实际的简单应用编程；最后使用DAQAssistant进行模拟输出D/A和模拟输入A/D等基本数据采集工作。

实验五、光纤光栅传感实验

实验目的：

（1）了解光纤光栅工作原理及其应用领域；

（2）掌握光纤光栅应变传感和温度传感特性。

实验内容：

（1）测量应变光纤光栅反射波的波长分布（手工测量）；

（2）测量光纤光栅特征反射波长与其应变之间的关系（手工测量）；（3）光纤光栅应变传感测量（半自动）；（4）光纤光栅温度传感测量（半自动）。

实验六、微弱信号检测

实验目的：

（1）了解同步积分器的工作原理；

（2）掌握同步积分器的测试方法；（3）能使用同步积分器测量微弱信号的振幅和相位。

实验内容：

（1）输出波形的观察和测试；

（2）谐波响应的观察和测量；（3）对白噪声的抑制测量（4）同步积分器相敏特性的测量。

近代物理创新实验室仪器：

1.高真空蒸发镀膜机

2.高真空磁控溅射镀膜机

3.强磁场高真空快速升温高温处理设备

4.Kw-4A型台式匀胶机

5.计算机自动测量系统

6.激光光谱椭偏仪

7.扫描探针显微镜（SPM）

8.振动样品磁强计（VSM）

9.比表面和孔径分析仪

10.霍尔效应仪

11.红外光谱仪

12.紫外可见分光光度计

13.X射线衍射仪

过去5年开放性研究题目：

1.大电压可调直流电源制备

2.有机半导体二极管制备

3.温度控制系统制备

4.自动测量试验仪功能扩展

5.傅里叶分析实验硬件实验

6.分布反馈光栅制备

7.器件模型研究

8.过压过流保护电路制作

9.磁控溅射法制备有机场效应管栅介电薄膜

10.高真空强磁场处理有机光敏场效应晶体管薄膜材料和器件

11.酞菁铜薄膜光电导测量

12.半导体薄膜材料迁移率测量

13.器件模型研究（异质结、或联体有机太阳能电池）

14.发光薄膜放大自发辐射特性研究

15.半导体薄膜椭圆偏振分析

16.无磁性薄膜强磁场处理研究

17.光电倍增管测试系统的设计和硬件实现

18.16*32　led点阵显示器

19.步进电机转速与步进角度显示

20.速度里程计

21.重力加速度单摆测量系统

22.篮球比赛计分计时及规则控制系统

23.多路温度采集系统

四、实验教科书、参考书

教科书

1.彭应全、刘征等主编，《近代物理实验》，兰州大学出版社，2006年

2.近代物理实验室自编讲义

参考书

1.吴思诚、荀坤主编，《近代物理实验》（第四版），北京大学出版社，2015年