设计性研究性物理实验教程/沈元华主编/复旦大学出版社


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	设计性研究性物理实验教程
	作者：	沈元华主编
	定价：	16.00元	页数：	148页
	ISBN：	ISBN7-309-04024-4/O.322	字数：	202千字
	开本：	16 开	装帧：	平装
	出版日期：	2004年6月	本类其他相关图书
内容提要
本教程所涉及的是一种新型的物理实验，这些实验要求学生自己设计实验装置，并着重对实验结果进行分析和研究，才能得出结果，故称为“设计性研究性实验”。相对于传统的“测量性验证性实验”，它是一种较高层次的实验训练，是为培养学生独立从事科学研究工作而设计的。为此，本实验教程与一般的实验教材不同，它既没有实验原理、也没有实验步骤，有的是一系列的问题、参考材科和实验要求。学生要在查找和阅读参考材料的基础上回答这些问题，才能搞懂有关原理并自行拟出实验步骤来实现该实验的要求。通过这样的实验，学生能深入理解物理原理，提高自学能力、动手能力、设计能力，以及分析问题、研究问题、解决问题的能力，激发创新精神。本教程前三章包含三类共三十五个实验，适合的年级从大学本科一年级到三年级，需要的学时数从三学时到一学期，实验的要求从初步学习如何设计实验到研究一个全新的课题，内容涵盖力学、声学、热学、电磁学、光学、近代物理等各子学科。其中，第一类实验特别注意科学性与趣味性的结合，充分调动学生的学习积极性和创新精神；第二类实验带有一些科学研究的性质；第三类实验要求学生完成一个有创新意义的综合性研究课题。本教程的最后一章，是四篇学生经设计性研究性实验而正式发表的文章及指导教师的点评，供学生撰写实验报告、教师评阅实验报告时参考。
作者简介
主编沈元华编著（以姓氏笔画为序）陈元杰陆申龙马世红马秀芳童培雄乐永康赵天相赵在忠周子平朱永强沈元华， 1939年生，浙江嘉兴人。复旦大学教授，2003年退休。现任中国光学学会薄膜专业委员会委员、《物理实验》杂志副主编。 1961年毕业于复旦大学物理系，同年留校任教，历任复旦大学物理系激光教研室副主任、普物实验数研室主任、复旦大学物理教学实验中心主任等职，并于1982年和1988年两次作为访问学者去美国西北大学物理系参加关于超晶格和高温超导薄膜的研究工作。曾研制成功多种新型光学薄膜，如激光高反膜、冷光膜、单晶金膜、软X光反射膜、金刚石红外增透保护膜等，其中“金刚石红外光学薄膜”被选为“中华优秀专利”，“金刚石近红外增透滤光保护窗口”获上海市科学技术进步奖（二等）2在高温超导薄膜和巨磁电阻薄膜的研究工作中，也取得多项国内领先的优秀成果Z关于镀膜基板的激光测温方面的工作，经鉴定为“国内首创，国际领先”。在这些工作中，发表学术论文一百余篇，培养硕士和博士共十多名。他所主讲的普通物理“光学”课多次被评为“优秀课程” ；参加主编的《光学》教科书于 1995年由高等教育出版社出版，获国家教委科技进步奖（三等）和上海市高校优秀教材奖（一等）；主编的《基础物理实验》于2003年由高等教育出版社出版，列入“面向对世纪课程教材”。有关光学课程的改革，获上海市优秀教学成果奖（三等；有关物理实验课程的改革，获复旦大学优秀教学工作奖（一等）和上海市优秀教学成果奖（二等）。曾获“复旦大学优秀教育工作者”和“复旦大学本科教学名师”荣誉称号，并获“上海市高等学校实验室工作先进个人”称号和教育部“国家基础科学人才培养先进工作者”荣誉证书。
书摘
序科学技术的高速发展对人的创新能力的要求越来越高，加强学生创新能力的培养，已成为高等学校教育改革的重要任务。为了培养高素质的具有创新能力的科学研究与应用型人才，必须让学生学会从实践中发现问题、解决问题和将已有知识运用到实际中去。物理学是一门基础学科，它的发展已经改变和正在继续改变着整个世界。物理学又是一门实验科学，古往今来，物理学的发展和创新无不与物理实验密切联系，物理学中的创新成果都源自实验，而且都必须经过实验的检验。因此，物理实验教学理应成为培养学生创新能力的重要环节。然而，长期以来，基础物理实验的教学模式单一、教学内容陈旧、教学方法过死。实验内容基本限于验证性和测量性的，缺乏由学生自己设计的带有研究性的内容。学生只要根据教材上的步骤去做，就能成功地测到数据，完成实验。这种千篇一律的实验教学内容和方式在一定程度上限制了学生的主动性与积极性，难以激发他们独立思考的兴趣和激情，没有从失败中自己寻找成功之路的经历，因而不利于创新人才的培养。正因为这样，多年来我国培养的学生与先进国家的学生相比，在考试中往往可以名列前茅，但到实际工作中，却常常缺乏动手能力，更缺乏独立思考和创新精神。近年来，在世界银行贷款和各项配套经费的资助下，我校物理教学实验中心在研究和开发新型物理实验方面做了一系列的工作，他们排出了适合于本科一、二、三年级的各类设计性研究性实验三十多个，有六百多位学生先后选做了这些实验。实践的初步成功表明，设计性研究性实验，是一种让学生独立自主对实验方法进行设计、对实验结果进行研究的实验，与传统的测量性或验证性实验相比，它更有利于培养学生的开拓精神和创新能力。学生们通过这些实验所撰写并已发表的二十多篇论文雄辩地证明，他们在这些实验中所取得的收获和达到的水平，是过去常规实验所不可比拟的! 在总结这些实践经验的基础上，以沈元华教授为首的物理实验中心的教师们共同编写了这本特色鲜明的实验教材。它的适应面很广、选择余地很大。适合的年级从大学本科一年级到三年级，每个实验需要的时间从几学时到几十学时，实验的要求从初步学习如何设计实验到研究一个全新的课题，实验内容涵盖力学、声学、热学、电磁学、光学、原子物理等各个领域。它既适合于复旦大学这样的综合性重点大学，也适合于广大理工科及其他各类高等ii 设计性研究性物理实验教程学校。复旦大学将迎来建校100周年的庆典，物理系也已建系五十多年了。复旦大学物理系历来重视实验教学，50多年前院系调整后的第一任实验教研组长就是著名一级教授周同庆先生（后来成为物理系第一位中国科学院学部委员）。我系培养的学生也多以实验动手能力强为特色。值复旦百年华诞之际，物理实验中心奉上的这份献礼，体现了“博学而笃志，切问而近思”的校训，反映出“刻苦、严谨、求实、创新”的学风，凝聚着广大实验教学工作者的智慧、心血和光荣。我相信，本教材的推广，必将有利于我国物理实验教学的改革，有利于创新人才的培养。王迅 2004年3月前言几十年来，基础物理实验的教材形成了一种传统的模式，它指出实验的目的要求、阐明实验的基本原理、描述实验的仪器设备并介绍实验的方法和步骤。学生阅读了这样的教材后，只要按部就班地在实验室已安排好的仪器设备上进行调试、测量、记录，并进行适当的数据处理，就可以得出结果，完成实验。实践已证明，这样的实验教材，对于让学生初步学习如何进行物理实验、学会基本仪器的使用、加深对物理理论的了解，都是有益的，也是必要的。但只有这样的实验，对于学生动手能力、研究能力，特别是创新能力的培养，却是远远不够的。新世纪对大学教育提出了更高的要求，在教育部世界银行贷款“新世纪高等教育教学改革工程项目”中，专门设立了“设计性或研究性物理实验教学内容与仪器的研究”项目，复旦大学物理教学实验中心有幸成为该项目的承担者。在该项目经费的资助下，我们在研究和开发这种新型物理实验方面做了一系列的工作，也取得了一些成绩，本教材就是该项目的成果之一。所谓“设计性研究性实验”，是一种较高层次的实验训练，它要求学生自己查找和阅读各种参考材料，在此基础上，根据一定的实验要求，自行选择实验仪器、设计实验步骤、观察和记录实验现象和数据、研究实验过程中发现的种种问题，最后完成实验。虽然这种实验一般要花费较多的时间，而且往往要经历某些失败、甚至多次的失败，但却是培养学生独立从事科学研究工作能力特别是创新能力所必须的。显然，对不同的年级、不同基础的学生，这种实验训练的要求不应相同。为此，本教材按不同的训练要求，以三章分别列出了这些新型的实验:第一类实验特别注意科学性与趣味性的结合，充分调动学生的学习积极性和主动性。这些实验在原理上比较浅显，大多以中学物理知识为基础，因而适应面很广，一年级学生就可以进行这一类实验，其目的主要是激发学生学习物理知识、研究与探索物理规律的热情和积极性，加深对物理规律的切身感受和实际体会，提高他们的动手动脑能力，激励创新精神;第二类实验着重培养学生进行科学研究工作的能力，包括查阅文献资料的能力、根据具体要求设计实验的能力、在实践中发现问题和解决问题的能力，以及总结、归纳能力，撰写、宣读论文的能力（书面与口头表达能力）等等;第三类实验主要是为高年级优秀学生安排的，并以“获得创新成果”为目的，实验结束时，每iv 设计性研究性物理实验教程个实验都要写出论文，并进行答辩和交流，其中优秀的应能在正式学术刊物或学术会议上发表。在每章前都对该章实验的特点和要求作了介绍，对学时数和教学方法提出建议。本教材共收集第一类设计性研究性实验11个，第二类设计性研究性实验15个，第三类设计性研究性实验9个。这些实验教材的初稿是由复旦大学物理教学实验中心的骨干教师们撰写的，他们是:赵在忠（第一章实验1.3、1.4、1.10;第二章实验2.1、2.2、2.3）、童培雄（第一章实验1.2、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9）、陆申龙（第二章实验2.9）、周子平（第二章实验2.7、2.10）、赵天相（第二章实验2.6、2.8）、陈元杰（第二章实验2.4）、马秀芳（第二章实验2.5、2.11、2.12、2.14、2.15）、马世红（第三章实验3.5）、乐永康（第三章实验3.4）、朱永强（第三章实验3.8、3.9）、沈元华（第一章实验1.1、1.11;第二章实验2.13;第三章实验3.1、3.2、3.3、3.6、3.7）等，由沈元华修改并统编。近六年来，我校学生通过这类设计性研究性实验已写出高质量的实验报告一百余篇，其中70余篇论文已在《大学物理》、《物理实验》等多种学术刊物上正式发表，4篇在国际会议上发表。在本教材的最后一章，我们选择了4篇学生经设计性研究性实验而发表的文章，并加上指导教师的点评，供学生撰写实验报告、教师评阅实验报告时参考。虽然这些实验都在复旦大学试行过，并证明是可行的，但其他学校的老师要采用本教材可能会有困难，因为教材中所列的参考书不一定都能借到，而真正要带好这些实验，仅看这些参考书也还是不够的。为此，我们又编写了一套“设计性研究性物理实验教师用书”的电子教材（光盘）。在该光盘中，我们对每一个实验中的每一个问题都作了详细的解答（相当于“题解”），对每一项实验内容该如何做，都作了提示（相当于“教案”）。这些内容集中了本中心各位老师具体指导这些实验的丰富经验和心得体会。有了这份电子教材，任何一位教师都可以得心应手地指导学生进行本教材中的任何一个实验。但这样的教材显然不能直接交给学生，否则一切都讲明白，就谈不上设计与研究了。因此这种光盘是限制供应的，教师凭学校证明才可以购买。在本书最后的“附录”中，我们选编了教师用书的一个实验的一小部分内容，以供参考。当然，针对不同学生的不同情况，教师可以适当把电子教材中的部分内容介绍给学生，这对于基础较差的学生是有益的。介绍什么、介绍多少，则由每位老师根据学生情况具体掌握。时代在前进，学科在发展。设计性研究性实验不像测量性验证性实验那样稳定，可以“数年如一日”地进行，它必须不断推陈出新。有些实验经过几届学生做过后，已没有多少内容可供自己独立设计和研究了，就应该淘汰。年年增加新内容，是设计性研究性实验能保持其趣味性、先进性、创新性和有效性的关键。因此，本教材将是一本滚动性发展的教材，每年充实新内容，淘汰旧实验，不断发展改进。也正因为如此，本教材难以做到精雕细镂，错误在所难免，切望各位领导、专家、同行和同学们不吝指正。编者 2004年2月目录第一章第一类设计性研究性实验实验1.1 “碰撞打靶”实验中能量损失的分析实验1.2 测量音叉的固有频率实验1.3 频率的测定和烧杯打击乐的形成实验1.4 频闪法测量频率的探索实验1.5 “风洞”实验实验1.6 用多种方法测量水滴自由下落时的重力加速度实验1.7 用可闻（听）声波测声速实验1.8 三个探讨性实验实验1.9 用激光显示李萨如图形实验1.10 电磁感应与磁悬浮力实验1.11 奇妙的红汞水———散射光研究第二章第二类设计性研究性实验实验2.1 重力加速度的测量实验2.2 磁阻尼系数和动摩擦系数的测量实验2.3 霍耳传感器与杨氏模量的测量实验2.4 液体表面张力系数的测量实验2.5 激光光电传感器在落球法测量液体粘滞系数中的应用实验2.6 计算机测量实验———用双通道温度传感器研究冷却规律实验2.7 弱电信号测量———用集成运算放大器组装万用电表实验2.8 计算机测量实验———用霍耳传感器研究磁场实验2.9 锑化铟磁电阻传感器的磁阻特性测量及应用实验2.10 集成I/V变换器与除法器在光学实验中的应用实验2.11 望远镜与显微镜的组装实验2.12 偏振光反射率与入射角的关系及折射率的测定实验2.13 双棱镜干涉的深入研究实验2.14 太阳能电池基本特性的测量实验2.15 液晶光阀实验研究第三章第三类设计性研究性实验实验3.1 迈克耳孙干涉仪的深入研究实验3.2 光学薄膜的制备与特性研究实验3.3 用化学汽相沉积（CVD）方法制备金刚石膜实验3.4 磁控溅射制备立方氮化硼薄膜实验3.5 全息照相的研究实验3.6 X射线系列实验实验3.7 光镊子的组装、测试和应用实验3.8 扫描隧道显微镜的应用和样品分析实验3.9 粉碎电磁波的性质和应用第四章设计性研究性实验报告（论文）选论文1 一种非超声波测声速的方法论文2 坡莫合金磁阻传感器的特性研究与应用论文3 谈实验设计如何提高学生的兴趣———从X射线系列实验得到的启发论文4 迈克耳孙干涉仪测平行玻片折射率实验的进一步研究附录设计性研究性物理实验教师用书（电子教材）的内容节选光学薄膜的制备与特性研究
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