大学物理实验

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页数:259
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出版时间:2009-2
价格:28.00元
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isbn号码:9787564601393
丛书系列:
图书标签:
  • 大学物理
  • 物理实验
  • 实验教学
  • 高等教育
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  • 物理学
  • 实验报告
  • 教学参考书
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具体描述

《大学物理实验》根据教育部高等学校物理学与天文学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会于2008年制定的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》,吸取了南京理工大学物理实验中心的长期教学经验,并结合南京理工大学紫金学院物理实验室历年教学实际情况编写而成。为达到培养复合型应用人才的目标,编写时特别注重培养学生的基本实验技能和科学实验能力、注重培养学生严谨的治学态度和活跃的创新意识,提高学生的科学素养,促使学生养成良好的作风。全书分为五章——第一章为测量误差、不确定度和数据处理;第二章为常用实验仪器、量具和器件;第三章为常用物理实验方法;第四章为基础性实验和综合性实验;第五章为设计性实验和研究性实验。

《大学物理实验》具有一定特色,可作为高等学校理工科非物理类专业教材,也可供实验技术人员和其他相关人员参考。

现代科学前沿探索:面向工程应用的基础物理原理与实践 图书定位: 本书旨在为理工科本科生,尤其是那些未来将从事高新技术研发、精密仪器制造、能源科学或信息技术领域的学生,提供一套既深入理解基础物理学核心概念,又能熟练将其应用于复杂工程问题解决的知识体系与实践技能。它摒弃了传统教材中过于抽象和孤立的理论陈述,着重于物理学定律在现代工业和前沿科技中的具体体现和量化分析。 内容结构与特色: 本书的结构设计遵循“理论构建—模型建立—工程应用—误差分析与优化”的逻辑链条,共分为六个核心模块,每个模块都紧密围绕一个关键的物理学领域及其在工程中的实际价值展开。 --- 模块一:力学与精密运动控制 本模块超越了牛顿力学的基础公式推导,重点关注非线性动力学和柔性体动力学在现代制造中的应用。 核心内容深度解析: 1. 振动与波的控制: 详细阐述了傅里叶分析在信号处理中的应用,并引入模态分析的概念。工程案例聚焦于高精度机床主轴的减振设计,如何通过改变结构阻尼和刚度分布来抑制特定工作频率下的共振现象,确保加工精度达到纳米级。 2. 摩擦学与润滑理论的量化: 深入探讨了边界润滑、流体润滑和混合润滑的物理机制。引入表面粗糙度对摩擦系数的影响模型,并结合流体力学的粘性耗散原理,为设计高效、低磨损的轴承系统提供理论依据。 3. 惯性导航与姿态控制: 重点讲解了陀螺仪和加速度计的工作原理,以及如何利用卡尔曼滤波融合多源传感器数据,实现对复杂运动体的实时、高精度定位与姿态估计。这部分内容直接服务于无人系统、机器人手臂的运动规划。 --- 模块二:电磁场与微纳器件设计 此模块是连接经典电磁学与现代电子信息技术的核心桥梁。它侧重于如何利用麦克斯韦方程组的解析和数值解来指导器件设计。 核心内容深度解析: 1. 传输线理论与高频特性: 详述了史密斯圆图在阻抗匹配中的应用,重点分析了信号完整性(SI)问题,包括串扰(Crosstalk)、反射(Reflection)和损耗(Loss)的物理根源,并介绍如何通过PCB板层设计和走线设计来优化信号传输性能。 2. 电磁兼容性(EMC)基础: 从电磁波辐射和敏感性的角度,解释了屏蔽(Shielding)、接地(Grounding)和滤波(Filtering)技术的物理原理。分析了电磁干扰源的耦合路径,为设计符合行业标准的电子产品提供基础。 3. 介质与导体材料的选择: 深入探讨了介电常数、损耗角正切、磁导率等参数对器件性能的影响。引入有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)在求解复杂电磁场分布中的初步概念,强调理论与仿真工具的结合。 --- 模块三:热力学与能源转换效率 本模块将热力学定律应用于实际的能量转换过程,强调效率的提升和热管理策略。 核心内容深度解析: 1. 统计热力学视角下的气体动力学: 不仅停留在宏观的热力学过程,更引入玻尔兹曼分布和平均自由程的概念,解释气体在低压或高速流动时的非理想行为,这对于真空技术和高速飞行器设计至关重要。 2. 传热机制的耦合分析: 详细分析了稳态和瞬态下的导热、对流和辐射的联合作用。特别关注微尺度热管理问题,例如半导体芯片的散热设计,如何通过热界面材料(TIMs)的优化来降低热阻。 3. 制冷与热泵循环优化: 基于熵增原理,分析了实际制冷循环与理想卡诺循环的差距,并引入朗肯循环和布雷顿循环的改进技术(如回热、再热),以期提高能源利用率。 --- 模块四:光学与成像技术 本模块聚焦于波动光学和几何光学的结合,以及现代光学系统在测量和传感中的应用。 核心内容深度解析: 1. 衍射极限与分辨率的工程限制: 详细讨论了阿贝衍射极限的数学推导,并将其与现代成像系统(如电子显微镜、高分辨率相机)的实际分辨率进行对比。引入点扩散函数(PSF)的概念,用于量化成像质量。 2. 偏振光学在材料分析中的应用: 阐述了光的偏振态、琼斯矩阵和穆勒矩阵,并结合双折射材料的特性,介绍如何利用偏振光测量薄膜应力、液晶显示器的基本原理。 3. 激光技术与非线性光学基础: 介绍了激光器的基本结构(增益介质、谐振腔),并简要探讨了频率倍增等二次非线性光学效应的物理基础,为光通信和光谱分析打下基础。 --- 模块五:量子现象的宏观工程体现 此模块旨在让学生理解量子力学的基本概念如何转化为影响现代电子和材料性能的宏观效应。 核心内容深度解析: 1. 能带理论与半导体特性: 深入讲解了晶体周期势场下电子的能带结构形成过程,区分了直接带隙和间接带隙材料的物理差异及其对发光二极管(LED)和太阳能电池效率的影响。 2. 固体中的输运现象: 基于费米-狄拉克统计,分析了半导体的载流子浓度、迁移率和导电机制。重点讨论了霍尔效应在确定材料载流子类型和浓度的实际测量过程。 3. 隧道效应与扫描隧道显微镜(STM): 阐述了量子隧穿现象的概率解释,并以STM为例,说明如何利用极小的电流变化来实现原子尺度的表面形貌观测。 --- 模块六:误差分析与数据处理的严谨性 本模块是连接理论与工程实践的方法论核心,强调物理测量中的不确定性管理。 核心内容深度解析: 1. 不确定度的传播与量化: 严格区分系统误差与随机误差,并详细介绍高斯误差传播公式在多变量函数测量中的应用,确保实验结果的可靠性。 2. 最小二乘法与模型拟合的局限性: 不仅教授如何进行线性拟合,更深入探讨了残差分析的重要性,以及如何识别和处理异常数据点(Outliers),评估模型选择的合理性。 3. 数据采集与滤波技术: 介绍了数字信号处理(DSP)的基本概念,如抗混叠滤波器的设计,以及如何利用数字滤波器(如移动平均、低通滤波器)来抑制随机噪声,提高有效信号的信噪比(SNR)。 本书总结: 本书通过对前沿工程问题的深度剖析,将基础物理原理置于解决实际挑战的背景下进行教学。它要求学习者不仅要“知道”物理定律,更要“学会运用”这些定律,通过量化分析和严谨的实验验证,为未来在复杂工程领域中进行创新和优化奠定坚实的物理学基础。内容的选择和讲解深度严格对标高阶工程应用需求,力求培养具备深厚物理素养和解决实际问题能力的工程技术人才。

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读后感

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用户评价

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我必须说,这本书带给我的惊喜远不止于前述的语言表达。它在实验设计的合理性和循序渐进性上,也做得相当出色。对于初学者而言,最容易遇到的一个困境就是实验的难度跨度太大,一下子就接触到非常复杂的装置或者需要高超的技巧才能完成的项目。而这本书,似乎非常懂得我们这些“小白”的心思。它从最基础的力学实验开始,比如测量重力加速度、验证动量守恒定律等等,这些实验操作相对简单,器材也比较常见,但作者并没有因此而敷衍了事。在这些看似“简单”的实验中,他仍然深入地探讨了误差分析的重要性,以及如何尽量减小各种系统误差和偶然误差。我记得有一个关于“测量小球下落时间”的实验,作者详细地列举了可能影响测量结果的因素,比如空气阻力、计时器的精度、甚至人眼的反应速度,并提供了相应的改进建议。这一点非常宝贵,因为很多时候,我们只知道按照步骤去做,却不知道为什么会得到不准确的结果。这本书就像一个循循善诱的引路人,让你在掌握基本技能的同时,也学会了批判性地思考实验过程。然后,它会逐渐引入光学、电磁学等更复杂的实验,并且每一个新实验的引入,都建立在前一个实验的基础上,让知识的链条显得非常连贯。举个例子,在学习电学实验时,它并没有一开始就丢给我们复杂的电路图,而是先从最简单的欧姆定律测量开始,逐步过渡到串联和并联电路的分析,再到利用示波器观察交流电的波形。这种层层递进的设计,让我在学习过程中始终保持着一种可控的节奏,不会因为实验的复杂性而感到 overwhelming。

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让我印象深刻的还有这本书在“安全注意事项”和“实验仪器介绍”方面的细致程度。在讲解每一个实验时,作者都会在开头部分非常醒目地强调相关的安全操作规程。比如,在进行涉及电源或者高压设备的实验时,他会详细说明如何正确连接电路,如何避免触电,以及出现意外情况时该如何处理。这种严谨的态度,对于我们这些初学者来说,是非常重要的。我们往往会因为对设备不熟悉而产生操作上的疏忽,而书中这些详细的安全提示,就像是给我们打了一针“预防针”,让我们能够更安心地投入到实验中去。此外,书中对各种实验仪器的介绍也非常到位。不仅仅是简单地列出仪器的名称,而是会对其工作原理、使用方法、以及一些常见的故障排除方法都进行简要的介绍。例如,在讲解使用万用表时,它会详细说明如何选择合适的量程,如何正确读取读数,以及如何避免损坏仪器。这对于我们这些第一次接触这些专业设备的学生来说,是非常宝贵的指导。我甚至觉得,仅仅是阅读仪器的介绍部分,就已经学到了不少实用的知识。

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这本书的语言风格,可以说是一种独特的魅力。它没有学术著作那种刻意的晦涩,也没有科普读物的那种过于轻松的戏谑,而是恰到好处地在严谨性和趣味性之间找到了平衡。作者在讲解复杂的物理概念时,善于运用生活中的类比,将抽象的理论具象化。我记得有一个关于“磁场”的实验,作者在讲解磁感线的性质时,用了一个非常生动的比喻,将磁感线比作我们看不见的“力的线条”,描述了它如何从磁铁的N极出发,回到S极,并且在磁铁内部形成闭合的回路。他强调,磁感线越密集的地方,磁场越强。这个简单的比喻,一下子就让我对磁场的概念有了直观的理解,比死记硬背那些定义要有效得多。而且,作者在叙述过程中,还穿插了一些物理学史上的小故事,比如关于法拉第发现电磁感应的艰辛历程,或者关于麦克斯韦方程的提出过程。这些小故事不仅增加了阅读的趣味性,更让我感受到,科学的发展并非一蹴而就,而是充满了探索和挑战。这种人文关怀的注入,让一本原本可能枯燥的技术性书籍,变得有血有肉,引人入胜。

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这本书的实用性,可以说是它最突出的优点之一。我之前接触过一些物理实验教材,它们往往过于理论化,很多实验描述只是简单地列出步骤,然后附带一张模糊的图。但《大学物理实验》这本书,在这一点上做得淋漓尽致。它不仅仅是教你“怎么做”,更注重教你“为什么这样做”,以及“做完之后该做什么”。我特别喜欢书中关于“数据处理与分析”的部分。在很多实验结束后,我们往往会得到一堆数据,然后就是简单的绘图或者计算。这本书则提供了非常系统的方法论,告诉我们如何根据实验数据的性质,选择合适的图表类型,如何拟合曲线,以及如何解读拟合曲线的参数。例如,在绘制“伏安特性曲线”时,它不仅仅教你如何将数据点在坐标纸上标出来,更会教你如何判断曲线是否符合预期,如果出现偏差,可能是什么原因造成的,以及如何利用曲线的斜率来计算电阻等物理量。而且,书中还给出了很多具体的案例,展示了如何利用Excel、Origin等常用软件来辅助数据处理。这对于我们这些即将步入科研或者工程领域的学生来说,简直是福音。我们不仅仅是在完成一项物理实验,更是在学习一种科学研究的基本方法。这种动手能力和分析能力的培养,是任何课堂讲座都无法完全替代的。

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这本书的封面设计非常朴实,没有花里胡哨的插画,只有稳重的字体和清晰的标题。刚拿到手的时候,我其实对它的期望值并不高,觉得作为一本“大学物理实验”的书,大概率会是一本枯燥乏味的教科书,里面充斥着各种晦涩难懂的公式和操作步骤,读起来可能会像嚼蜡一样。然而,当我翻开第一页,那种刻板印象就被彻底打破了。作者的语言风格异常生动,虽然是在讲解严谨的物理实验,但却用一种非常平易近人的方式来叙述,仿佛是一位经验丰富的老师在旁边手把手地指导你,娓娓道来。很多在课堂上听得云里雾里,或者在其他参考书上看了半天也搞不清楚的原理,在这本书里竟然变得清晰明了。例如,在讲解“光的衍射”实验时,我印象特别深刻。我之前对衍射的理解一直停留在高中物理的层面,知道是光波遇到障碍物会发生的现象,但具体到实验操作,如何测量衍射条纹的宽度,如何通过数据分析得出波长,总觉得有些抽象。这本书里,作者不仅给出了详细的实验器材列表和操作流程,更重要的是,他花了不少篇幅解释了“为什么”要这样做,每一步操作背后的物理意义是什么。他用形象的比喻,比如将光波想象成水波,将狭缝比作水面上的某个入口,这样一来,衍射的现象就好像眼前一样生动。而且,书中的插图也起到了至关重要的作用,那些清晰的实验装置图,以及衍射条纹的示意图,都非常直观,帮助我更好地理解文字描述。我甚至觉得,这本书不仅仅是教我如何做实验,更是在培养我对物理现象的直觉和探究精神。那种“原来是这样!”的顿悟感,在这本书里出现的频率非常高,这对于一个正在学习物理的学生来说,无疑是巨大的鼓舞。

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我不得不说,这本书的图文结合做的非常出色,简直是教科书级别的典范。在我翻阅这本书之前,我一直认为,物理实验的书籍,最重要的还是文字内容的准确性和逻辑性。然而,这本书却让我重新认识到了“图”的力量。每一张实验装置图,都绘制得非常清晰,关键部件都有明确的标注,甚至连导线的连接方式都一目了然。这些图,不仅仅是简单的示意图,更像是精心设计的“操作手册”,能够帮助我迅速地理解实验的整体结构。更让我惊喜的是,书中不仅仅有静态的图,还穿插了一些动态的示意图,比如用箭头和虚线来展示物体的运动轨迹,或者用不同颜色来区分电流的方向。这些动态示意图,极大地增强了图像的表达力,让我对一些复杂的物理过程有了更直观的认识。例如,在讲解“电场线和等势线”的实验时,书中就用动态图展示了如何通过小灯珠的偏转来判断电场的方向,以及如何通过测量电势来绘制等势线。这种方式,比单纯的文字描述要生动得多,也容易理解得多。

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总的来说,这本书带给我的感觉,不仅仅是一本“学习资料”,更像是一位“良师益友”。它没有那种居高临下的教导感,而是以一种平等、友好的姿态,与读者一起探索物理世界的奥秘。我最欣赏的是,作者在讲解实验时,总是能够站在学生的角度去思考,预见到学生可能会遇到的困难,并且提前给出解决方案。例如,在讲解“测量不确定度”时,他没有直接抛出复杂的公式,而是先用一个简单的生活中的例子,比如测量铅笔的长度,来解释为什么测量会有不确定度,以及如何对不确定度进行量化。这种由浅入深、循序渐进的讲解方式,让我觉得学习过程非常轻松愉快。而且,书中还渗透着一种鼓励创新的精神。它不仅仅是告诉我们“标准答案”,而是鼓励我们去思考“有没有更好的方法”,去尝试“不一样的操作”。这种开放性的思维引导,让我觉得,学习物理实验,不仅仅是为了应付考试,更是为了培养一种科学探究的精神,一种解决问题的能力,以及一种对未知世界的好奇心。

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我必须坦诚,这本书的编排方式也给我留下了深刻的印象。在阅读的过程中,我发现作者并没有采用那种“一章一个实验”的传统模式,而是将相关的实验内容进行整合,并且巧妙地穿插了理论知识的讲解。一开始,我以为这样会显得比较零散,但实际阅读下来,却发现这种编排方式反而让学习过程更加连贯和有趣。例如,当他在讲解“单摆周期测量”的实验时,他会在实验步骤之前,先对单摆的运动方程和周期公式做一个清晰的推导,并且用图示的方式来解释单摆运动的受力情况。这样一来,我们不仅仅是在做实验,更是对背后的理论有了更深入的理解。更让我称赞的是,书中对一些常见实验的“变式”和“拓展”也进行了探讨。比如,在介绍完基础的“斜面摩擦力测量”实验后,作者还提出了一些如何改变实验条件,比如改变斜面倾角、改变物体重力等,来观察摩擦力变化的问题,并且给出了一些思考题。这不仅激发了我进一步探索的兴趣,也让我意识到,同一个实验原理,可以有多种不同的实现方式和应用场景。这种“举一反三”的引导,让我觉得这本书不仅仅是一本教材,更像是一个能够激发我独立思考的学习伙伴。

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这本书在内容的深度和广度上,都做得相当令人满意。它不仅仅涵盖了大学物理实验的核心内容,例如力学、热学、光学、电磁学等经典部分,还对一些现代物理实验,例如近代物理中的一些基本测量方法,也有所涉及。让我印象深刻的是,在讲解“光电效应”的实验时,书中不仅详细介绍了实验原理和操作步骤,还解释了为什么这个实验是验证爱因斯坦光子说的重要证据,以及它在现代科技中的应用,比如在太阳能电池和光电探测器中的作用。这种将基础实验与前沿科技相结合的视角,让我觉得这本书不仅仅是在教我“怎么做”,更是在引导我思考“为什么要做”,以及“这些实验有什么意义”。更重要的是,作者在讲解过程中,并没有停留在“知其然”的层面,而是会深入到“知其所以然”的解释。例如,在解释“电磁感应”的实验时,他会详细地剖析感应电动势的产生机制,以及楞次定律的物理意义,并且通过不同情境的例子来帮助我们理解。这种深入浅出的讲解,让我觉得这本书不仅仅是适合初学者,即使是已经有一定基础的学生,也能从中获益匪浅。

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在我看来,这本书最可贵的品质之一,在于它对“理解”的强调,而不是单纯的“模仿”。很多物理实验教材,只是提供了一套标准的操作流程,要求学生严格按照执行,然后得出结果。但这本书,却鼓励学生去思考,去质疑,去探索。在实验的讲解中,作者经常会提出一些“思考题”,引导学生去分析实验数据中可能出现的异常情况,去探讨不同的操作方式可能带来的影响,甚至去思考实验的局限性。例如,在测量“弹簧振子”的振动周期时,作者会提出这样的问题:“如果你在测量过程中,弹簧的弹性发生了微小的变化,会对你的结果产生什么影响?你又该如何尽量避免这种情况的发生?”这类问题,不仅仅是在考察你对实验步骤的记忆,更是在锻炼你的逻辑思维能力和解决问题的能力。而且,书中还鼓励学生尝试对实验进行改进,比如“你有没有办法设计一个更精确的测量方法?”“你能不能利用这个实验原理,去测量其他物理量?”这种开放式的引导,让我觉得,学习物理实验不仅仅是一项任务,更是一次有趣的探索过程,充满了无限的可能性。

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