基础物理实验 绪 论 http://phylab.fudan.edu.cn 苏卫锋 物理教学实验中心 周日前您似应该在出一份ppt的版本，其中放入新建的实验报告模板，过去的一些要改的地方要改掉；还应该把实验报告不好的例子讲透，把正确实验报告的要求讲的很明确；另，苏老师在浙大讲的讨论课的内容也放入其中；对教师的评估内容也放入。 苏卫锋 物理教学实验中心 http://phylab.fudan.edu.cn 2018/9/22

我属于哪一类？ 学生类型 1、 喜欢物理，喜欢物理实验 —— 不能让你们失望！ 2、 一般般，但为了。。。 —— 让你们有所收获！ 3、讨厌物理、物理实验，但。。。 —— 让你们改变对物理实验的看法！ 摘自物理系金晓峰教授的PPT 2018/9/22

大家关心的问题 、物理实验讲什么做什么？ 、难不难，如何学好？ 、有什么用？ 2018/9/22

基础物理实验课总体安排 第1周：讲课—绪论 第2周：讲课—数据处理 第3－8周：3组实验 第9周：讨论课 第10－15周：3组实验 第17周：答疑、考试（笔试） 更多的信息请登陆本实验中心网站： http://phylab.fudan.edu.cn 2018/9/22

绪 论 1、物理实验的重要性 2、如何做物理实验 3、基础物理实验课的要求 2018/9/22

1、物理实验的重要性 (1) 什么是基础物理实验 (2) 物理实验在物理学研究与发展 中的作用 (3) 物理实验对物理学在其他学科 中应用的意义 (4) 改变轻视实践的传统观念 2018/9/22

基础物理实验课的目标 掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能。 学习用实验方法研究物理规律，加深对物理规律的理解和掌握，并在实验中提高发现问题、分析问题、解决问题的能力。 养成无私无畏的敬业精神和实事求是、严谨踏实的科学态度。 2018/9/22

(1) 什么是基础物理实验？ 最基本的物理实验，包括力、热、电、光及近代物理实验。 理科、工科、医科各专业都普遍要做的物理实验。 2018/9/22

物理实验讲什么做什么 1 、力学：碰撞问题 转动惯量 2、 热学：液氮比汽化热 3 、光学：激光、干涉、衍射、透镜成像 4 、电磁学：圆线圈和亥姆霍兹线圈、 谐振电路、 直流电桥 5 、近代前沿：量子论实验、X光实验、磁阻效应 6 、现代测量技术：示波器的使用、计算机实测 7 、数据处理方法：如何画图、不确定度评定、 最小二乘法拟合等 2018/9/22

分层次的物理实验 学习 - 训练 - 工作 本科 - 硕士 - 博士 基础 - 综合- 近代 - 科研 基本 - 常规 - 拓展 1. 三层次：实验物理三层次（基础、综合、近代）；基础物理实验三层次（Basic基本要求How；Normal正常要求Why，回答问题；Advanced进阶要求 – 原理计算、积极思考、经常问问题、）; 2. 内容逻辑层次 2a. 好奇心的结果：物理实验重要性 – 改变世界(十大最美物理实验)– 2b. 中国学生的问题(培养上重要)：实验决定理论(杨李吴)；重理论轻实验(丁肇中)；不问问题）； 3. (数据处理重要) 修约 张p.19 “刚好是5时，前一位为奇数则入，为偶数则舍”(4舍6入,遇5末偶)讨论(VStEx)； 分层次的物理实验 学习 - 训练 - 工作 本科 - 硕士 - 博士 基础 - 综合- 近代 - 科研 基本 - 常规 - 拓展 及格 - 良好 - 优秀 2018/9/22

(2) 物理实验在物理学 研究与发展中的作用 从物理学史看物理实验的重要性 经典物理学的建立： 近代物理学的建立： (2) 物理实验在物理学 研究与发展中的作用 从物理学史看物理实验的重要性 经典物理学的建立： 力学（伽里略） 电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦） 光学（杨氏、菲涅耳） 近代物理学的建立： 三大发现（X光、放射性、电子） ——从宏观到微观 两朵乌云（黑体辐射、迈克耳逊－莫雷实验） ——从经典到近代 2018/9/22

物理实验之美 最美的十大物理实验 1. 用单电子作的杨氏双缝干涉实验（1961） 2. 伽利略的落体实验（1600左右） 2005年9月份出版的《物理学世界》刊登了选出的排名前10位的最美丽实验，其中的大多数都是我们耳熟能详的经典之作。令人惊奇的是这十大实验中的绝大多数是科学家独立完成，最多有一两个助手。所有的实验都是在实验桌上进行的，没有用到什么大型计算工具比如电脑一类，最多不过是把直尺或者是计算器。 所有这些实验共同之处是他们都仅仅“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂，这种美丽是一种经典概念：最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，对自然界的认识更加清晰。 最美的十大物理实验 1. 用单电子作的杨氏双缝干涉实验（1961） 2. 伽利略的落体实验（1600左右） 3. 密立根油滴实验（1909） 4. 牛顿用棱镜将日光分解为七色的实验（1665—1666） 5. 杨氏用光作的干涉实验（1801） 6. 卡文迪许用扭秤测定万有引力常数的实验（1798） 7. 埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300） 8. 伽利略的斜面实验（1600左右） 9. 卢瑟福用 粒子散射发现原子核的实验（1911） 10. 佛科摆的实验（1851） （现代科学的奠基人伽利略 –斜面实验 测重力加速度，困难在哪里？-- 时间；怎么办？用什么：脉搏。为什么用斜面？为了使得过程变慢，弥补定时的不准确。） 2018/9/22 http://physics-animations.com/Physics/English/top10.htm

问题： 给你一根直杆，你能否测出地球的周长？ 埃拉托色尼测定地球周长的实验（约公元前300） 2018/9/22

确定大地的形状 排名第二的全能学者 ——故事的主角 亚历山大城 塞恩城 北回归线 地球是个球型的证据 人们如果来到海边就能看到地平线本身便是个巨大的圆弧 亚里士多德时期，他已经明确提出，大地是一个球体 埃拉托色尼是一位 杰出的数学家、天 文学家、运动学家、 诗人、地理学家 塞恩城 亚历山大城 北回归线 取自 马世红ppt 2018/9/22 （北回归线。太阳能直射。亚里斯多德是第二聪明的人，他是第二聪明的人。） 月食时地球的阴影显然是个圆形 北京时间2008年2月21日（元宵节）上午9时43分-13时09分天空发生了一次月全食，由于这次月球食发生在中国的白天，因此中国公众无缘直接目睹这次天象。右上图为乌拉圭首都蒙得维的亚出现的月全食。

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埃拉托色尼测定地球周长的实验 （约公元前300） 7.2o C=(360o/7.2o)X800km 2018/9/22

问题2： 这样的简易观察是如何能用来测量地球半径的？ 当你躺在海滩上看到太阳落下而消失在平静的海面时，如果紧接着站起来，会再一次看到太阳落下。假如能测出这两次太阳落下对应的时间间隔，你就可以估计出地球的半径。 2018/9/22

r  5.22106m, 在公认的地球（平均）半径（ 6.37106m ）的20％范围之内 d 2+ r2 = (r + h)2，式中d = HE, d 2 =2rh + h2， h << r, d 2 =2rh d  / 360 = t / 24h, d = r tan ， h <<, r  2h / tan2 设 t = 11.1s,  = 0.04625, h = 1.70m, r  5.22106m, 在公认的地球（平均）半径（ 6.37106m ）的20％范围之内 Dennis Rawlins, Am. J. Phys. 47(2), 1979, 126-128 2018/9/22

“怎样使用表和米尺来测量地球的大小”， 《美国物理学杂志》, 47(2) (1979) p.126-128 2018/9/22

物理学家看物理实验的重要性 牛顿：“探求事物属性的准确方法是从实验中把他们推导出来。……考察我的理论的方法就在于考虑我所提出的实验是否确实证明了这个理论；或者提出新的实验去验证这个理论。” 叶企孙：“对于象李政道这样优秀的学生，理论课可以免上，只参加考试；但实验不能免，每个必做。” 2018/9/22

丁肇中：“我是一个做实验的工程师。希望通过我的得奖，能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现代科学技术。” 杨振宁：“象我这样有了一点名气的人也有不好的影响。在国内有许多青年人都希望搞我这一行（指搞理论），但是，象我这样的人，中国目前不是急需。要增加中国的社会生产力需要的是很多会动手的人。” 丁肇中：“我是一个做实验的工程师。希望通过我的得奖，能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现代科学技术。” 2018/9/22

从诺贝尔奖看物理实验的重要性 1901年以来的100多年中， 获诺贝尔奖的理论物理学家与实验物理学家的比为： 1 : 2.2 其中，1971年以来的30多年中，获诺贝尔奖的理论物理学家与实验物理学家的比为： 1 : 6.5 结论：物理学是一门实验科学。在物理学的发展过程中，实验是决定性的因素。发现新的物理现象，寻找物理规律，验证物理定律等等，都只能依靠实验。离开了实验，物理理论就会成为“无源之水，无本之木”，不可能得到发展。 2018/9/22

结论：物理学是一门实验科学。在物理学的发展过程中，实验是决定性的因素。发现新的物理现象，寻找物理规律，验证物理定律等等，都只能依靠实验。离开了实验，物理理论就会成为“无源之水，无本之木”，不可能得到发展。 2018/9/22

(3) 物理实验对物理学 在其他学科中应用的意义 (3) 物理实验对物理学 在其他学科中应用的意义 材料：物性测试、新材料的发现、制备 化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素 生物：各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X光显微镜、原子力显微镜），DNA操纵、切割、重组以及双螺旋结构的分析 医学：诊断：X光、CT、核磁共振、超声波 治疗：放射性、激光、微波、γ刀 结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁 2018/9/22

(4) 改变轻视实践的传统观念 李约瑟之迷 为什么资本主义和现代科学起源于西欧而不是中国或其他文明？ 2018/9/22

解答“李约瑟之迷”： “儒家相信宇宙的道德秩序(‘天’)”， “他们使用‘道’一词，主要地——如果不是唯一地——是指人类社会里的理想道路或秩序。这在他们对待精神世界和知识的态度上表现得很明显。他们固然没有把个人与社会人分开，也没有把社会人与整个自然界分开，可是他们向来主张，研究人类的唯一适当对象就是人本身。因此，在整个中国历史上，儒家反对对自然进行科学的探索，并反对对技术做科学的解释和推广。” -李约瑟《中国科学技术史,V.2, 科学思想史》P8， 转引自清华大学基础物理实验A3 2018/9/22

社会上轻视实践现象----根深蒂固 物理学以实验为本，但要重视实验课程学习与科学实验训练，就如逆水行舟。 《论语》：樊迟请学稼，子曰：吾不如老农。请学为圃，曰：吾不如老圃。樊迟出。子曰：小人哉，樊须也！ 物理学以实验为本，但要重视实验课程学习与科学实验训练，就如逆水行舟。 2018/9/22

2 如何做物理实验 将讨论贯穿到实验全过程 2018/9/22

Interest is the best teacher. Imagination is more important than knowledge. -- A. Einstein 2018/9/22

好奇心 是每个健康孩子 天生就有的， 然而它常常过早地消失。 ----Albert Einstein

丁肇中： “科学很大一个 作用是满足人的 好奇心，这是人和动物的最大区别。” “为了名和利去做科学是危险的。”

为什么要设讨论课？ “数据越多越糊涂”—北大吴思诚 动手少，动手时动脑少 “提出一大堆假设而不去证明，非常糟的体验”—复旦陈唯教授 不敢、不善于提问 “提出一大堆假设而不去证明，非常糟的体验”—复旦陈唯教授 学问？主动学习不够，思考不够 实验中或实验报告中的问题 没有自己的问题 2018/9/22

讨论什么？如何讨论？ 慕尼黑工业大学—实验课上助教与同学讨论问题 2018/9/22

讨论什么？如何讨论？ 剑桥大学—实验课情景 2018/9/22

努力培养思考、讨论问题的能力 1、打分，讨论课按一次实验来计分。积极提出问题并能解答别人问题的高分，没有发言的低分。 2、在讨论课（第9周）开始的前2周通知学生为讨论课准备3分钟的讨论素材，素材内容： 实验中遇到的疑问以及你的理解； 分享你对实验现象的记录及分析的经验； 介绍你在实验操作时遇到的问题，和你的解决方法； 绪论课、绪论作业中遇到的疑难问题以及处理方法； 对改进实验内容和实验仪器的建议； 与基础物理实验课相关的想法和建议。 2018/9/22

目前的做法 讨论课： 第1周 绪论 第2周 数据处理 第3、4周 第1循环实验 第5、6周 第2循环实验 第7、8周 第3循环实验 第9周 3学时 已做过的3个实验室实验各讨论45分钟 2018/9/22

“你们知道为什么是这样吗？” 2018/9/22

“我来说说……”“她讲得有道理吗？” 2018/9/22

“原来是这么回事！” 2018/9/22

教师观察：别人不能回答，自己回答，高分； 能回答难题，高分； 2018/9/22

越争越明白 2018/9/22

“我感到应该这样理解……” 2018/9/22

为什么老师在实验报告上这样批改？ 2018/9/22

你们再想想…… 2018/9/22

对学生的问题，教师用另一个问题启发同学思考 2018/9/22

讨论不清楚的，再做一次实验看看 2018/9/22

2 如何做物理实验 2.1 实验前—预习（２分） 如何写预习报告？ 2.2 实验中—操作与记录（４分） 如何做实验记录 2.3 实验后—数据处理与实验分析（４分） 如何写实验报告？ 2018/9/22

2018/9/22

2.1 实验前—预习 写出预习报告，没有预习不允许做实验 要写出公式成立的条件及公式中各符号的物理含义 2018/9/22

2.1 实验前—预习 写出预习报告，没有预习不允许做实验 各项目均不要抄书， 用自己的话； 可提出问题。 2018/9/22

2.1 实验前—预习 写出预习报告，没有预习不允许做实验 实验仪器的规格型号 2018/9/22

如何做数据表格？ 例：测量一个圆柱体样品的密度 2.1 实验前—预习 画出数据表格 如何做数据表格？ 例：测量一个圆柱体样品的密度 如何求密度？ 明确测量量，直接测量量，间接测量量。先测哪个？后测哪个？多次测量还是单次测量？哪些需要列在表格里？测量顺序？ 物理量名称、单位 2018/9/22

如何做数据表格？ 例：测量一个圆柱体样品的密度 样品的质量M = g。 样品的密度 室温T = ℃；湿度 = %。

2.2 实验中—操作与记录 遵守各项制度和学生守则，注意安全。 不许带着别人的实验报告在实验室做实验，一 经发现，该实验作0分处理。 不许带着别人的实验报告在实验室做实验，一 经发现，该实验作0分处理。 如实、清晰、详尽的记录原始数据，不要随意 涂改数据也不要打草稿再誊写上去。实验数据 的记录不准用铅笔……,实验中改过的数据应由 老师认可；其余实验数据不准任意修改。 实验完毕，要指导教师确认签字并且整理好实 验仪器方能离开实验室。 2018/9/22

2.2 实验中—操作与记录 实验记录： 对待实验数据必须 预习时在数据记录框内先画出数据表格 实验记录： 必要的实验数据记录表格、实验条件如温度湿度仪器量程等、清晰且详尽的记录数据、观察到的各种与预想一致或不一致的实验现象、实验中的问题和想法等。 对待实验数据必须 严格、慎重、准确、真实 实验数据的记录不准用铅笔……,实验中改过的数据应由老师认可；其余实验数据不准任意修改。 2018/9/22

操作与记录 实验中 如何使用仪器仪表？ 数字电流表测量 某一电路中的电流 左端读数为：10.00cm 右端读数为：15.25cm 估读、有效数字、单位 对于数字仪表该如何读数？

操作与记录 如何做实验记录？ 实验中 实验条件：记录数据或现象时的实验条件 实验条件：记录数据或现象时的实验条件 (不准用铅笔) 如何做实验记录？ 实验条件：记录数据或现象时的实验条件 实验现象：与预想一致或不一致的各种现象 实验数据：清晰、详尽 实验中的问题和想法 实验条件：记录数据或现象时的实验条件 实验现象：与预想一致或不一致的各种现象 实验数据：清晰、详尽 实验中的问题和想法

2.3 实验后—实验报告 解释分析实验中看到的现象 数据处理： 有效数字、单位、计算过程、不确定度评定、 作图、最小二乘法 针对实验中的问题和想法的分析讨论 2018/9/22

2.3 实验后—实验报告 2018/9/22

DON’Ts in 实验报告 (I) 实验预习报告没有自己归纳，用自己的预研写出，没有对实验设备、原理、设备、目的等提出自己的问题； 只有预习报告、数据记录 -- 没有数据处理，没有分析，没有讨论； 只有答案（密度），没有讨论； 两人合作实验，讨论一字不差 – 扣分 可以一起讨论，必须独立撰写 抄袭数据，自己并没有做出来 – 零分计 2018/9/22

DON’Ts in 实验报告 (II) 有效数字位数随意增减 数据处理：没有列出公式，只有数字式子和结果 只有公式和结果 应当：写出公式 = 代入数据 = 得出结果 没有实验结论，以为实验计算结果，就是结论；没有和 实验目的相呼应，去说明获得结果后能得出什么物理结 论，对实验方法的结论，灵敏度提高的办法 2018/9/22

3 物理实验课的要求 学会动手，学会动手中动脑 关于数据处理的规定 学生守则 以往不及格的情况 2018/9/22

复旦大学物理教学实验中心 关于必须严肃诚实对待实验数据的 三 项 规 定 （1997年12月经复旦大学教务处批准实行） 复旦大学物理教学实验中心 关于必须严肃诚实对待实验数据的 三 项 规 定 （1997年12月经复旦大学教务处批准实行） 实验的评分标准…… 实验数据的记录不准用铅笔……,实验中改过的数据应由老师认可；其余实验数据不准任意修改。 若发现在实验中或实验考核中有篡改、抄袭、伪造数据等舞弊行为…… 2018/9/22

物理教学实验中心 学生守则 学生在实验前应认真预习实验内容，明确实验目的、要求和步骤，并写好实验预习报告。 进实验室后…… 实验时应独立思考，独立操作…… 实验中应注意安全…… 注意爱护仪器设备…… 实验应在规定时间内完成…… 实验课不得无故缺席，病假、事假以盖有该学生所在系图章的请假条为准。实验报告要在实验完成48小时以内交至指定信箱……   2018/9/22

注 意 本课程是必修课程； 本课程没有补考； 若不及格必须在修业时限（6年）内全部重修（不允许部分重修）； 本课程重修不允许免听。 医学生： 注 意 本课程是必修课程； 本课程没有补考； 若不及格必须在修业时限（6年）内全部重修（不允许部分重修）； 本课程重修不允许免听。 医学生： 1年后：远 医院：忙

以往不及格的情况 数据处理作业、报告不交或超期交； 有旷课； 不参加期末考试； 报告太差：如报告内容极少，或主要内容错误率超过2/5； 相当比例的内容是抄袭或下载的。

从下周开始（包括数据处理课、实验课、讨论课） 上课时间： （3学时） 选课在8、9节 15:20 —17:35 重申： 迟到扣0.5分，迟到30分钟以上则不允许做实验，该次实验成绩为0分。 上实验课地点：（光华楼西辅楼8楼） 具体上课教室及分组情况请登陆实验中心网站或者到时参阅贴在光华楼西辅楼8楼走廊橱窗内的实验分组名单。 上数据处理课地点：（第2周，同第一周地点） http://phylab.fudan.edu.cn

谢谢！ 2018/9/22