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1、大学物理实验精品课程的建设 思想与教学实践 中国科学技术大学 霍剑青l实验物理学在物理学发展中的作用l大学物理实验课程的建设理念l建立学科交叉、逐步升级的物理实验课程新体系 ， 同时注重物理实验教学与课堂教学的有机融合l实验内容具有时代性与先进性同时兼顾传统、经典、 里程碑的著名实验l研究实验教学方法，注重实验的设计性、研究性、开 放性l发展教育技术，建立丰富的网络资源，营造学生自主 学习的多元化教学模式 l建设了由高等教育出版社出版的“面向21世纪的课程 教材“大学物理实验”,修订版(第二版)正在建设中实验物理学 在物理学发展中的作用l实验物理在物理学发展史上的重要性l诺贝尔奖l物理学史上许
2、多关键问题的解决最后都 是讨诸于实验l理论和实验的关系返回实验物理在物理学发展史上的重 要性物理学一词()早先是源于希腊文()，意为自然.其现 代内涵是指研究物质运动最一般规律及物质基本结构的科学. 物理学是实验科学，凡物理学的概念、规律及公式等都是以 客观实验为基础的.因此物理学绝不能脱离物理实验结果的验 证，实验是物理学的基础.实验是有目的地去尝试，是对自然 的积极探索.科学家提出某些假设和预见，为对其进行证明， 筹划适当的手段和方法，根据由此产生的现象来判断假设和 预见的真伪.因此科学实验的重要性是不言而喻的，其中物理 实验自然也雄居要位.返回诺贝尔奖当代最为人们注目的诺贝尔奖，宗旨是奖
3、给有 最重要发现或发明的人.因此，诺贝尔物理学奖 标帜着物理学中划时代的里程碑级的重大发现 和发明.从1901年第一次授奖至今有百余年的历 史，已有得主壹百陆拾余名.其中主要以实验物 理学方面的发现或发明而获奖者约占2/3强. 在实验物理学方面取得伟大成功者.1.1901年首届诺贝尔物理学奖得主德国人仑琴 (W.C.Rentegen)，为奖励他于1895年发现X射线.2.1902年的得主是荷兰人塞曼，奖励他在1894年发现光 谱线在磁场中会分裂的现象.返回3.1903年的得主是德国人贝可勒尔（H. A. Becquerel）和居里 夫妇（P. Curie, M. S. Curie）等三人，奖励
4、他们发现了天然 放射性，他们由此成为核物理学的奠基人.实践是检验真理的标准1924年法国人德布洛意(De.Broglie)在光的微粒性的启 发下，明确提出实物粒子具有物质波动性，即波和粒 子的缔合概念，通常人们将它描述为波粒二重性.假设 ，粒子能量为E，动量为P，那么伴随着的物质波的平 面波矢K，有P=K，即P=h这是一个大胆而伟大的假设 .得到物理伟人爱因斯坦(A.Einstein)的肯定.他曾称这是 照亮我们最难解开物理学之谜的第一缕微弱的光.并提 名De.Broglie获诺贝尔奖.理论上美妙的假设或推理，要成为被公认的物理规律，必 须有实验结果的验证.1895年伦琴在实验上发现了新的电磁
5、辐射，被称为X射线( 它是由高速电子轰击重元素靶而产生的波长在nm量级的电 磁辐射).X射线的发现进一步推动气体中电传导的研究.J.J汤 姆逊说明了被X射线照射和气体导电性是由于气体带有电 荷引起分子电离.这给劳伦茨创立电子论提供了实验基础. 而电子理论又给Zeeman效应，即光谱线在磁场中会分裂， 这一事实以理论解释，这一连串的事实关系就表明了实验 物理和理论物理之间的密切关系和相互激励而共同推进物 理学发展进程.返回整个物理学的发展史是人类不断深刻了解自然、认识自 然的历史进程.实验物理和理论物理是物理学的两大分支 ，实验事实是检验物理模型确立物理规律的终审裁判.理 论物理与实验物理相辅相
6、成，互相促进，恰如鸟之双翼 ，人之双足，缺之不可.物理学正是靠着实验物理和理论 物理的相互配合激励、探索前进，而不断向前发展的.在 物理学的发展过程中，这种相互促进、相互激励、相互 完善的过程的实例是数不胜数的.物理学史上许多关键问题的解决 最后都是讨诸于实验物理学中每个概念的确立、原理和定律的发现，无不有坚 实的实验基础.例如，电磁感应现象就是法拉第于1831年 最早在实验室里发现的，而电磁感应定律和其它几个实验 定律，又为麦克斯韦电磁场理论奠定了实验基础.诚然， 物理学理论还有一定的相对独 立性，理论物理学用逻辑 推理的方法有过许多预言，也发现过不少新的规律和定理 ，但是，即使最严谨的理论
7、也必须通过实 验的检验，才 能得到证实公认.例如，杨氏的光的干涉实验证实了光的 波动说，赫兹的实验证实了麦克斯韦的电磁场理论德布罗意的波粒二象性被电子衍射实验而验证，是非常典型 的一个例证.1924年法国人德布罗意(De. Broglic)在光波具有 微粒性的启发下，明确提出实验粒子具有波动性，即物质被 和粒子的缔合概念，通常人们将它描述为波粒二重性或二象 性.“象电子这样的粒子，它的粒子性早已为人们所认识，他 们是否也具有波动性呢？”法国一位年青人路易德布罗意于 1924年指出：如同过去对光的认识比较片面一样，对实物粒 子的认识或许也是片面的，二象性并不只是光才具有，实物 粒子也具有二象性.
8、德布罗意说道：“整个世纪以来，在光学 上，比起波动的研究方面来，是过于忽略了粒子的研究方面 ；在物质束的理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我 们把关于“粒子”的图象想得太多，而过分地忽略了波的图象 ？假设：粒子的动量为P，能量为E，就同时伴随着物质波的平面波矢K. 关系为：这是一个大胆而伟大的假设. 物理伟人爱因斯坦（A. Einstein）对此充分的肯定.他曾说，这 是照亮我们最难解开物理学之谜的第一缕微弱的光.并提名De. Broglie获诺贝尔奖.但是，要强调说明的是，理论上美好的假设 或推理，要最终成为被公认的物理规律，还必须有实验结果的 验证. De. Broglie本人当时指出
9、，可以通过电子在晶体上的衍射 实验来证明上述假设.1927年，美国科学家戴维孙（C. J. Davisson）和革尔末（L. H. Germer），用被电场加速的电子束打在镍晶体上，而得 到衍射环纹照片，恰如光波在光栅上的衍射花样. 返回由加速电场计算出电子束动量 和由晶体光栅上衍射极大值与 波长间的关系计算出，验证了德布略意关于P、间的假设 关系成立，最终使德布罗意假设被公认为理论.1929年，德布 罗意获得诺贝尔物理学奖. 为什么要通过电子在晶体上的衍射 来达到，这里可通过简单的计算.设电子的动能为200eV，由 此求德布罗意波的波长. 解：由于电子的动能值并不大，不必用相对论来处理问题
10、即从 将 代入计算得 德布罗意波长此波长的数量与X射线波长相等. 用光的衍射公式 dsin=K可知，实验中用可见光或用一般的 光学光栅之间是无法实现电子衍射的.理论和实验的关系返回无论是物理学，还是整个自然科学的发展，实验和理论 的相互作用都是一种内在的根本动力.这种作用引起量的 渐进积累和质的突变飞跃的交替潜进，推动着科学进程 一浪一浪地不断高涨.正如，著名物理学家密之根（R. A. 密之根）所说：“我仅仅在理论和实验这两个领域里作了 微小的贡献，就得到1923年的诺贝尔物理学奖，我感到 非常荣幸，这件事很好地说明了，科学是在用理论和实 验这两只脚前进的.有时是这只脚先迈出一步，有时是另 一
11、只脚先迈出一步，但是前进要靠两只脚，先建立理论 然后作实验，或者是先在实验中得出了新的关系，然后 再迈出理论这只脚，并推动实验前进，如此不断交替进 行.”“大学物理实验”课程建设理念实验是物理学的基础，它反映了理工科及各个学科科学实 验共性和普遍性的问题。它在培养学生严谨的科学思维和 创新能力，培养学生理论联系实际，特别是与科学技术发 展相适应的综合能力，以适应科技发展与社会进步对人才 的需求方面有着不可替代的作用。 实验教学的目的是培养学生的科学实验基本素质，使学生 掌握基本科学实验技能、实验的设计思想和基本物理实验 方法；培养学生的科学思维和创新意识，激发学生的学习 热情、强烈的求知欲望和
12、创造欲望；培养与提高学生的科 学素养，培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风， 认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神。物理实验在人才培养中的作用l在近几年教学改革实践的基础上，将世界银行贷款项目与创建国家名 l牌课程、“985工程”、基地建设等项目相融合，全面实现大学物理实l验课程体系、教学内容、教学方法和多元化教学模式的改革。打破了l传统的各学科独立的课程体系，建立了学科交叉，逐步升级的物理实l验课程新体系；注重了反映时代特点和由科研转化的教学内容；创建l了多元化的教学模式、并进行了教学方法、考试方法等方面的改革， l取得了显著的成果。每年接收1、2年级为主的学生5000人，32万人时l
13、的实验教学。 返回建立学科交叉、逐步升级的物理实验课程 新体系 ，同时注重物理实验教学与课堂教 学的有机融合l力、热、电、光、近代物理各自封闭的 旧物理实验课程体系。 l新体系实验由基本实验、综合性实验、 设计性实验、研究型实验组成 。l四级物理实验课程新体系返回四级物理实验新体系l一级物理实验,以基础性实验为主，主要包含 基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、 基本实验技能的训练和基本测量方法与误差 分析与数据处理方法等，涉及到力、热、电 、光、近代和物理各个学科，为普及性实验 。适合于理、工、文商学院各专业学生的学 习和基本训练。l二、三级物理实验，为综合性物理实验为主 的实验，其中，二级
14、物理实验为基础性综合 物理实验，三级物理实验为以现代物理技术 为主的实验。二级物理实验面向理、工类学 生开课，三级物理实验面向理科类学生和需 要加强物理基础的工科类学生开课。四级物理实验新体系l四级物理实验以科学小实践为主题，组织若 干个围绕基础物理实验的课题，以科研方式 进行实验，培养学生的创新思维和研究、开 发应用能力。l 我们在建立物理实验新体系时，既从实 验教学的特点，考虑学科的交叉性、一 定的独立性，同时又充分注重和课堂教 学的有机融合。各级物理实验教学内容 中，力学、热学、电磁学、光学、近代 物理学实验所占的比例如图所示。返回各级实验按学科比例一级物理实验按学科比例二级实验按学科比
15、例力热物性：0.18 电磁学：0.44 光学：0.20 近代技术：0.18三级物理实验按学科比例力热物性：0.10 电磁学：0.07 光学：0.20 近代技术：0.63返回实验内容具有时代性与先进性同时兼顾传 统、经典、里程碑的著名实验 l物理实验具有很强的时代性和社会性，同时 物理实验是一门传统的课程，其中的教学内 容是多年科技发展的沉淀和浓缩。我们在教 学内容的选择上，既注意内容的先进性同时 兼顾传统、经典、里程碑的著名物理实验。l科学研究的成果融入物理实验课程 l教学与科研，课堂与科技前沿紧密结合 l学生站在课堂，能时时眺望科研前沿 l面向21世纪的课程教材“大学物理实验”返回一级物理实验 l长度测量 时间测量中随机误差的分布规律 用示波器测量时间l用天平测量质量 用惯性秤测量质量 直流电表和直流测量电路l玻璃(液体)温度计的工作原理及其校准 热敏电阻测温度的原理l半导体温度计的设计与制作 发光强度的测量 发光强度的测量l直线运动中速度的测量 物体碰撞过程中守恒定律研究 用弦振动形成的驻 波求振动频率l单摆的设计和研究 二维碰撞运动的研究 空气密度的测量l表面张力系数的测定 液体粘滞系数的测定 钢丝弹性模量的测量 l切变模量的测量 固体比热容的测量
