本书是“十四五”高等教育公共课程系列教材之一。本书除了传统的基础物理实验理论、普通物理实验外,还有演示实验及工业物理实验;另外,面对工业物理实验投入大的问题,设置了虚拟仿真实验,以利于学校或者学生在现实条件有限或者强化工业物理实验的情况下,继续深入系统学习。书中设置了相关的物理实验报告,以方便在教学进程中统一实验报告的撰写格式和把控撰写效果,培养学生标准化意识和严谨的学习、工作态度。本书利用演示实验与既有理论知识衔接,通过普通物理实验锻炼基本的实验技能,通过工业物理实验与真实的企业接轨,达到学以致用。

本书适合作为高等院校物理实验课程的教材,也可作为相关工程技术人员的参考书。

党的二十大报告在实施科教兴国战略,强化现代化建设人才支撑方面提出:“ 统筹职业教育、高等教育、继续教育协同创新,推进职普融通、产教融合、科教融汇,优化职业教育类型定位。” 这为推动职业教育高质量发展提供了强大动力,也对职业教育体系中传统物理实验的改革创新提出了新要求。

大学物理实验作为高职院校大学生入学后就要学习的一门理论与实操相结合、相衔接的实验类、实践性课程,兼具通用基础知识培养与专业素质能力培育的双重功能。对高中阶段一直强调知识学习到高职阶段强调知识与实践并重的转变恰好能够起到完美的衔接作用。具体来说,大学物理实验向前承接了若干年来物理知识(甚至其他科学知识)的学习积累,向后导向专业领域、实际工作场景的具体应用,努力达成学以致用,直观感受学有所成。

基于以上课程定位,借鉴其他物理实验教材的优点和不足,深入领悟党的二十大精神,特编写本书。首先,实验组织结构上保证知识的过渡与衔接,既能够在学生培养整个过程中起到承上启下的育人作用,也依然能够保持其自我体系独立。为了达到与既有知识的更有效衔接,教材加入了演示实验,使得固有的非直观物理知识得到直观演示,抓兴趣、提精神。为了更好地与实际工作接轨,以真正的实际企业生产为背景,创新性地设计了工业物理实验。将真实的工作场景创新性地移入实验室,将真实生产过程分成有机的若干子任务,每个子任务对应一个工业物理实验,让学生在实验课堂学习中感受实际工作的状态。对实际的工业生产工作从接触伊始到整个工作结束,能够按部就班,深刻理解工作有机组成,并能够依照整个工作合理划分多个子工作,形成子任务,进而各个击破,达到最终目的。

工业物理实验的设置是实验教材的创新之一,是党的二十大报告中“ 产教融合” 的具体实践,具有里程碑的意义。本书设置的工业物理实验取材于应用广泛的工业场景(如金属材料硬度及金相检测实验、利用电子万能试验机进行金属棒材拉伸实验) 或者高端的物理知识工业应用场景(如飞灰中重金属元素含量的ICP-MS 检测,飞灰中汞、硒含量的AFS 检测等)。设置工业物理实验相较于传统的物理实验包含五个方面的深刻变革:其一,改变了原来传统物理实验以验证知识、理论为目标的验证性实验,发展为以完成生产任务为目标的生产性实验;其二,改变了各个实验互相独立的状况,发展为整个工业物理实验前后连贯、任务衔接的全功能实验;其三,改变了以知识导引为线索设置实验内容进而达到应用,发展为以真实需要为导引设置实验内容从而有目的地搜罗知识,即变过程导向为目标导向;其四,改变了学生被动接受实验,发展为主观能动设计并实验;其五,改变了传统的知识传授实验,发展为真实的工业生产实验,真实企业任务、真实环境布设、真实管理要求,强化职业教育特性。

虚拟仿真实验是对工业物理实验的有益补充与延伸,同样也是党的二十大报告中提出的“科教融汇”的直接践行。通过虚拟仿真实验,学生可以像在真实的环境中一样,完成各种预定的实验项目,解决高投入贵重试验设备的购置难题,所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

全书分成上下两篇。上篇共6 章,包含绪论、实验误差与数据处理、演示物理实验、普通物理实验、工业物理实验、虚拟仿真实验,内容组织突出起承转合,由易到难,由基础理论说明、验证,到工业应用,再到虚拟仿真,突出了职业特性。下篇为包括演示物理实验、普通物理实验、工业物理实验的所有实验报告。此部分与上篇知识相对应,并设置为易撕页,方便学生单独提交实验报告。实验报告给出了基本的书写脉络和必要的提示,以便学生明确撰写报告的严格性与标准化,同时附有两个可自由填写的报告,便于教师视情况利用,以锻炼和评估学生实验报告撰写能力。

本书创新了传统物理实验的实验体系,将物理实验专注基础训练向基础与职业素养培育并重进行了大胆的创新与调整。本书适合作为高等职业院校物理实验课程的教材,也可作为相关工程技术人员的参考书。

本书由耿小丕、杨瑞臣任主编,由范志东、高倩男任副主编。参加本书编写的还有李飒姿、董自慧、王烁康、傅子宸。具体编写分工如下:第0 章、第1 章、第3 章由耿小丕编写;第2 章由杨瑞臣、范志东、高倩男编写;第4 章由耿小丕、范志东、高倩男、董自慧编写;第5 章由杨瑞臣、范志东编写;下篇由杨瑞臣编写;李飒姿、王烁康、傅子宸参与了部分内容的编写工作。全书由杨瑞臣统稿和定稿。张慧力对全书进行了审阅。因能力所限,纰漏之处,欢迎指正。

编者

2023 年5 月

上篇实验教程
第0 章 绪论 2
第1 章 实验误差与数据处理  5
1. 1 测量与误差  5
1. 2 直接测量结果随机误差的估算  9
1. 3 间接测量结果误差的估算———误差传递公式  11
1. 4 有效数字及其计算  12
1. 5 实验数据处理的方法  15
1. 6 用 Origin 软件绘制实验图表  18
思考与练习  21
第2 章 演示物理实验 23
2. 1 受迫振动及共振演示实验  24
2. 2 傅科摆演示实验  25
2. 3 飞机升力演示实验  28
2. 4 弹性碰撞演示实验  30
2. 5 过山车演示实验  31
2. 6 角速度矢量合成演示实验  32
2. 7 纵波演示实验  34
2. 8 声波波形演示实验  36
2. 9 超声波演示实验  37
2. 10 仿真雷电演示实验  39
2. 11 尖端放电演示实验  40
2. 12 电磁炮演示实验  42
2. 13 互感现象演示实验  44
2. 14 磁聚焦演示实验  45
2. 15 涡流热效应演示实验  47
2. 16 电磁波的发射接收与趋肤效应演示实验  49
2. 17 辉光演示实验  53
2. 18 布朗运动演示实验  55
2. 19 激光琴发声演示实验  57
2. 20 激光演示实验  58
2. 21 偏振光演示实验  60
2. 22 窥视无穷演示实验  62
2. 23 万丈深渊演示实验  64
2. 24 人造火焰演示实验  65
2. 25 视错觉演示实验  66
2. 26 海市蜃楼演示实验  68
2. 27 记忆合金演示实验  70
第3 章 普通物理实验 73
3. 1 长度、质量和密度的测量实验  73
3. 2 简谐振动的研究实验  84
3. 3 用模拟法测量静电场实验  90
3. 4 牛顿环实验  94
3. 5 测量钢丝的杨氏模量实验  99
3. 6 用电位差计测量电动势实验  103
3. 7 用电桥测电阻实验  107
3. 8 用旋光仪测量蔗糖溶液浓度实验  111
第4 章 工业物理实验  116
4. 1 飞灰中重金属元素含量的 ICP-MS 检测实验  116
4. 2 飞灰中汞、硒含量的 AFS 检测实验  125
4. 3 利用 X 射线荧光光谱测试矿石组分实验  132
4. 4 金属材料硬度及金相检测实验  138
4. 5 利用电子万能试验机进行金属棒材拉伸实验  145
4. 6 金属材料冲击实验  151
4. 7 矿物加工实验  155
第5 章 虚拟仿真实验  162
5. 1 XRD 虚拟仿真实验  162
5. 2 SEM 虚拟仿真实验  168
5. 3 TEM 虚拟仿真实验  179
5. 4 AFM 虚拟仿真实验  188
下篇实验报告
演示物理实验报告
演示实验(选一)
演示实验(选二)
普通物理实验报告
实验3. 1长度、质量和密度的测量实验
实验3. 2简谐振动的研究实验
实验3. 3用模拟法测量静电场实验
实验3. 4牛顿环实验
实验3. 5测量钢丝的杨氏模量实验
实验3. 6用电位差计测量电动势实验
实验3. 7用电桥测电阻实验
实验3. 8用旋光仪测量蔗糖溶液浓度实验
工业物理实验报告
实验4. 1飞灰中重金属元素含量的ICP-MS 检测实验
实验4. 2飞灰中汞、硒含量的AFS 检测实验
实验4. 3利用X 射线荧光光谱测试矿石组分实验
实验4. 4金属材料硬度及金相检测实验
实验4. 5利用电子万能试验机进行金属棒材拉伸实验
实验4. 6金属材料冲击实验
实验4. 7矿物加工实验

耿小丕，河北石油职业技术大学

杨瑞臣，河北石油职业技术大学

本书适合作为高等院校物理实验课程的教材,也可作为相关工程技术人员的参考书。