近代物理課程教學大綱

近代物理實驗課程教學大綱一、實驗教學目標與基本要求近代物理實驗是繼普通物理實驗和無線電電子學實驗后的一門重要的基礎實驗課程，具有較強的綜合性和技術性。本課程的主要目的是：通過近代物理實驗豐富和活躍學生的物理思想，培養(yǎng)他們對物理現象的觀察能力和分析能力，引導他們了解實驗物理在物理概念的產生、形成和發(fā)展過程的作用，學習近代物理中的一些常用方法、技術、儀器和知識，進一步培養(yǎng)正確的和良好的實驗習慣以及嚴謹的科學作風，使學生掌握一定程度的實驗方法和技術，獲得研究物理現象和規(guī)律的獨立工作能力。學習如何用實驗方法和技術研究物理現象與規(guī)律，培養(yǎng)學生實驗過程中發(fā)現問題，分析問題和解決問題的能力，以及創(chuàng)新能力。學習近代物理主要領域中的基本實驗方法和技術，同時通過實驗加深對近代物理的基本現象及其規(guī)律的理解。通過實驗加深對近代物理的基本現象及其規(guī)律的理解。能對實驗結果做出基本的分析，并鞏固和加強有關實驗數據處理及誤差分析方面的訓練。培養(yǎng)實事求是，踏實細致，嚴肅認真的科學態(tài)度和克服困難，堅韌不拔的工作作風以及良好的實驗素養(yǎng)。二、課程介紹與考核要求蘭州大學的近代物理實驗分為兩部分：常規(guī)近物實驗和近物創(chuàng)新實驗。常規(guī)近物實驗為必做實驗題目，包涵原子、分子與量子物理，核物理與相對論，真空物理與致冷技術，微波與光學，固體物理，先進測量與傳感技術等領域，由30幾個實驗組成。近物創(chuàng)新實驗為選做實驗題目，也是開放性實驗，分為工程類實驗和科學研究類實驗。工程類實驗包括科學研究儀器制備，實驗教學需要的儀器制備，實驗儀器配件及實驗電路的設計與實現等；科學研究類包括半導體材料的性質及器件制備研究，磁性材料制備表征及性質研究等。創(chuàng)新實驗題目可由任課老師給出，學生按自己的興趣自由選題，也可由學生根據實驗室提供的儀器，自己設立題目，老師指導和審核學生提出的題目和方案并提供實驗指導。本課程為一學年，其中第一學期必做實驗8個，第二學期必做實驗2個，選做實驗6個（從30多個必做實驗中選出6個未作的實驗，也就是不得重復實驗），共要求學生完成16個實驗。另外學生在每學期都可選做創(chuàng)新實驗題目，其中萃英班和物理基地班學生至少要選做一個創(chuàng)新實驗。本課程的教學方式是在教師指導下，學生獨立進行實驗，教學中提倡學生之間的討論和交流。常規(guī)近物實驗教學過程分為預習、操作和撰寫實驗報告三個環(huán)節(jié)。近物創(chuàng)新實驗的教學過程分為，討論選題，實驗過程，與總結實驗成果三個環(huán)節(jié)。本課程的最終考核結果為百分制，以平時成績?yōu)橹鳎C合期末考核成績?yōu)樽罱K總成績。平時成績由是否參加預習，實驗操作表現和實驗報告三部分組成，期終采取筆試，面試或儀器操作的方式進行考核。選修近物創(chuàng)新實驗的學生，每學期實驗結束后，科研類實驗需給出小論文，工程類需給出實物。三、實驗題目及其目的和實驗內容原子、分子與量子物理：鈉原子的發(fā)射光譜，CCl4分子振動拉曼散射光譜，黑體輻射，塞曼效應；金屬熱電子逸出功測定；核物理與相對論：核磁共振，NaI(TI)閃爍譜儀和射線在物質中的吸收，相對論效應；真空物理與致冷技術：高真空的獲得與測量，真空鍍膜，銅膜的霍爾效應和電阻率的測量，汽液兩相致冷機；微波與光學：反射速調管和波導管工作特性（Properties of Klystrons and wave-guides），微波介質介電常數測量（Measurement of Dielectric constant under microwaves frequency），微波的光特性（Optical Properties of microwaves），光拍法測量光速；固體物理：微波段電子自旋共振，電子衍射，用橢圓偏振儀測定薄膜的厚度和折射率，鐵磁共振，紅外分光計應用，紫外分光計應用，光磁共振，穆斯堡爾譜儀，掃描隧道顯微鏡，X射線衍射實驗晶體結構分析；先進測量與傳感技術：鎖相放大器應用PN結電容的測量，工業(yè)CT，計算機自動測量，虛擬儀器（Virtual Instruments），光纖光柵傳感實驗，微弱信號檢測。一、原子、分子與量子物理實驗一、CCl4分子振動拉曼散射光譜實驗目的：通過對一些典型分子的常規(guī)拉曼譜進行測量，達到對這方面的基本原理和基本實驗技術有一定的了解。實驗內容：(1)基本實驗：記錄CCl4 分子的振動拉曼譜；（2）選做實驗：測CCl4 分子的偏振拉曼譜并求其退偏比；（3）識別某些化學樣品。實驗二、黑體輻射實驗目的：（1）掌握黑體輻射的基本規(guī)律；（2）了解黑體輻射實驗裝置的原理和結構。實驗內容：（1）驗證斯特藩 - 玻耳茲曼定律；（2）驗證維恩位移定律；（3）驗證普朗克定律。實驗三、塞曼效應實驗目的：應用高分辨率的分光儀器-法布里-珀羅標準具去觀察一條譜線的塞曼效應，測量它分裂的波長差，并計算出電子的比荷值（即荷質比）。實驗內容：調整光學元件共軸與磁場強度B，獲得分裂的汞譜線，計算求出譜線的分裂波數差和電子的荷質比。實驗四、 金屬熱電子逸出功測定實驗目的：通過測定金屬（鎢）電子的逸出功，學習直線測量法，外延測量法和磁控測量法等多種基本實驗方法，加深對數據處理方法的理解。實驗內容：（1）正確連接實驗電路；（2）計算零場熱電子發(fā)射電流，作圖求出逸出功；（3）設計性擴展實驗。二、核物理與相對論實驗一、核磁共振實驗目的：掌握NMR的基本原理和穩(wěn)態(tài)吸收的實驗方法，測定一些樣品的核磁矩，并學會用NMR方法測定磁場。實驗內容：(1)觀察氫核H的NMR現象；(2)利用水樣品H的共振吸收，測定電磁鐵的勵磁電流與磁場的關系；(3)用聚四氟乙烯樣品測定氟核F的磁矩。實驗二、NaI(TI)閃爍譜儀和射線在物質中的吸收實驗目的：了解物質對射線的吸收特性；學會測量物質對射線的吸收系數。實驗內容：(1) 調整實驗裝置，實現窄束測量條件；(2) 測量Pb和Al對137Cs和60Co的射線的吸收系數。實驗三、相對論效應實驗目的：驗證快速電子的動量與動能之間的相對論關系；了解磁譜儀的測量原理。實驗內容：(1)測量快速電子的動量；(2) 測量快速電子的動能；(3) 驗證快速電子的動量與動能之間的關系符合相對論效應。三、真空物理與致冷技術實驗一、高真空的獲得與測量實驗目的：（1）了解真空的基本概念；（2）了解高真空的獲得方式；（3）研究真空的測量方式。實驗內容：（1）研究機械泵和擴散泵的工作原理；（2）學習真空泵的規(guī)范操作過程；（3）測量并研究系統(tǒng)在抽真空時的壓強變化曲線。實驗二、真空鍍膜實驗目的：（1）了解真空（蒸發(fā)）鍍膜機的基本結構和使用方法；（2）掌握真空蒸發(fā)法制備金屬薄膜的方法和過程。實驗內容：（1）清洗玻璃基片；（2）抽真空并測量真空度；（2）在玻璃襯底上制備鋁薄膜。實驗三、銅膜的霍爾效應和電阻率的測量實驗目的：（1）了解霍爾效應的本質；（2）測量銅膜的霍耳電壓，判斷和計算銅膜中載流子的極性和濃度；（3）測量銅膜的電阻率。實驗內容：（1）正確連接電路；（2）熟悉電位差計的使用；（3）觀測銅膜的霍爾效應并測量霍爾電壓；（4）計算銅膜的霍爾電壓，載流子濃度及銅的電阻率，并進行誤差分析。四、微波、光學實驗一、反射速調管和波導管工作特性（Properties of Klystrons and wave-guides）實驗目的：（1）學會用頻率計測量微波頻率，用微瓦功率計與功率探頭測定微波功率；（2）學習和使用駐波測量線測定波導波長和駐波比；（3）通過觀察反射速調管振蕩模，了解其工作特性。實驗內容：（1）頻率測量；（2）功率測量；（3）波導波長和駐波比的測量；（4）反射速調管式輸出特性的測量。本實驗實行英語教材、英語講授的雙語教學形式，要求學生英語過四級。實驗報告要求用英語撰寫。實驗二、微波介質介電常數測量（Measurement of Dielectric constant under microwaves frequency）實驗目的：學會用示波器觀察速調管的振蕩模和反射式諧振腔的諧振曲線，加深對速調管和諧振腔工作特性的理解。實驗內容：(1)觀察反射速調管震蕩模；(2)觀察放射式諧振腔的諧振曲線；(3)觀察樣品放入后放射式腔的諧振曲線。本實驗實行英語教材、英語講授的雙語教學形式，要求學生英語過四級。實驗報告要求用英語撰寫。實驗三、微波的光特性（Optical Properties of microwaves）實驗目的：（1）了解和驗證微波的光特性；（2）了解微波相對功率的測量方法。實驗內容：（1）電磁波反射定律驗證；(2) 單縫衍射；（3）雙縫干涉；（4）邁克樂遜干涉；（4）布拉格衍射。本實驗實行英語教材、英語講授的雙語教學形式，要求學生英語過四級。實驗報告要求用英語撰寫。實驗四、光拍法測量光速實驗目的：學習一種新的測量光速的方法，了解聲光調制的基本原理，衍射特性等聲光效應。實驗內容：測量超聲頻率F和光拍波長,計算光速及其標準差，并與標準光速值比較，具體分析實驗誤差。五、固體物理實驗一、微波段電子自旋共振實驗目的：掌握順磁共振譜議的基本原理和使用方法，通過實際操作熟悉EPR技術及調試，培養(yǎng)創(chuàng)新意識；通過測量觀察過渡金屬離子化合物CuSO4 .5H2O 單晶體中的Cu2+ 離子的超精細結構的EPR譜線及晶場影響的各向異性，學會金屬離子Cu2+的g因子，線寬及弛豫時間T2的測量技術。 實驗內容：(1) 耿氏二級管V-I特性及邊限振蕩現象的觀測；(2) EPR譜線受晶場影響的各向異性觀測。實驗二、電子衍射實驗目的：1 驗證德布羅意假說；2 掌握真空蒸發(fā)鍍膜及鍍底膜的方法；3 更進一步熟悉真空及真空操作。實驗內容：（1）預抽真空；（2）制底膜并鍍樣品膜；（3）觀察電子衍射、照相并測量電子波長。實驗三、用橢圓偏振儀測定薄膜的厚度和折射率實驗目的：（1）掌握光線經薄膜反射以后狀態(tài)的變化規(guī)律；（2）掌握橢圓偏振法的基本思想和測量方法。實驗內容：（1）測量TiO2薄膜的厚度和折射率；（2）測量ZrO2薄膜的厚度和折射率；（3）測量金屬Cr薄膜的厚度和折射率；實驗四、鐵磁共振實驗目的：（1）認識鐵磁共振的物理本質；（2）實驗觀察和測量鐵磁共振現象；（3）進一步熟悉微波電路。實驗內容：（1）調整微波系統(tǒng)；（2）測量微波頻率；（3）觀察和測量多晶樣品的鐵磁共振曲線及其半寬度。實驗五、紅外分光計應用實驗目的：（1）掌握紅外光區(qū)的劃分、紅外光產生條件和原理；（2）掌握紅外光譜圖的測試的分析方法；（3）掌握利用紅外光譜來對物質進行定性分析的原理和方法。實驗內容：（1）測試和分析聚苯乙烯薄膜的紅外譜圖；（2）測試并分析未知薄膜樣品的紅外譜圖。實驗六、紫外分光計應用實驗目的：(1)了解紫外分光計的結構和原理；（2）掌握用紫外分光計對物質定性鑒定的方法；（3）學習光吸收的郞白比耳定律。實驗內容：（1）熟悉紫外分光儀使用方法和注意事項；（2）測量不同濃度時有機發(fā)光材料八羥基喹啉銅的丙酮溶液的紫外可見光譜；（3）驗證溶液光吸收的郞白比耳定律；（4）研究不同溶劑對八羥基喹啉銅紫外可見光譜的影響。實驗七、光磁共振實驗目的：（1）掌握以光抽運為基礎的磁共振光檢測方法；（2）認識光磁共振現象的物理本質。實驗內容：(1)調試儀器；(2)觀測光抽運信號；(3)測量g因子。實驗八、掃描隧道顯微鏡實驗目的：（1）了解掃描隧道顯微鏡的原理和結構；（2）觀測和驗證量子力學中的隧道效應；實驗內容：（1） 觀測石墨（HOPG）樣品的原子分辨圖像；（2）計算機軟件處理原始數據圖象。實驗九、X射線衍射實驗晶體結構分析實驗目的：（1）了解X射線的本質、特點和產生方法等；（2）掌握X射線衍射的基本原理等；（3）了解X射線衍射分析的常用方法，掌握X射線衍射儀的工作原理、基本結構、實驗參數的選擇和衍射譜的測量等內容；（4）了解晶體晶胞參數的測定和衍射譜指標化的基本原理，并掌握簡單六方晶體晶胞參數和每一條衍射譜對應晶面指數（h k l）的分析確定方法。實驗內容：通過對JF-1型X射線晶體分析儀的介紹，使同學們了解X射線管、勞厄相機和德拜相機的工作原理、結構特點等；并操作XD-3A型和TD-3500B型X射線衍射儀，了解X射線衍射儀的基本操作要領；最后利用測量的簡單六方晶體衍射譜，對其晶胞參數和每一條衍射譜對應的晶面指數（h k l）進行具體分析。六、先進測量與傳感技術實驗一、鎖相放大器應用PN結電容的測量實驗目的：了解相關檢測原理，鎖相放大器的基本組成，以及掌握鎖相放大器的正確使用方法。實驗內容：鎖相放大器的工作特性和參數測定。實驗二、工業(yè)CT實驗目的：（1） 掌握CT成象的基本原理；（2） 熟悉儀器的構成及各部分的功能；（3） 弄清楚CT成像和一般照相的區(qū)別。實驗內容：（1）掃描樣品密度分布的灰度圖；（2）灰度圖分析與處理。實驗三、計算機自動測量實驗目的：了解利用IBM PC系列微機進行自動控制的原理；學會自動控制的基本編程方法。實驗內容：（1）測量AD轉換器的轉換曲線；（2）直流電壓的精確測量；（3）交變電壓測量；（4）D/A轉換；（5）發(fā)光二極管IV特性測量（選做）；（6）RC電路充電、放電過程測量（選做）。實驗四、虛擬儀器（Virtual Instruments）技術實驗實驗目的：了解虛擬儀器技術的概念、特點和構成等；了解LabVIEW的基本程序結構；并能掌握LabVIEW的基本編程方法。實驗內容：按照范例的步驟，學習LabVIEW的基本編程方法；并能完成12個實際的簡單應用編程；最后使用DAQ Assistant進行模擬輸出D/A和模擬輸入A/D等基本數據采集工作。實驗五、光纖光柵傳感實驗實驗目的：（1）了解光纖光柵工作原理及其應用領域；（2）掌握光纖光柵應變傳感和溫度傳感特性。實驗內容：（1）測量應變光纖光柵反射波的波長分布（手工測量）；（2）測量光纖光柵特征反射波長與其應變之間的關系（手工測量）；（3）光纖光柵應變傳感測量（半自動）；（4）光纖光柵溫度傳感測量（半自動）。實驗六、微弱信號檢測實驗目的： （1）了解同步積分器的工作原理；（2）掌握同步積分器的測試方法；（3）能使用同步積分器測量微弱信號的振幅和相位。實驗內容： （1）輸出波形的觀察和測試；（2）諧波響應的觀察和測量；（3）對白噪聲的抑制測量（4）同步積分器相敏特性的測量。近代物理創(chuàng)新實