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出版者:

作者:Wilson, Jerry D./ Hall, Cecilia A. Hernandez

出品人:

页数:481

译者:

出版时间:

价格:1081.00 元

装帧:

isbn号码:9780618382590

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• 物理实验
• 大学物理
• 物理学
• 实验教学
• 物理
• 实验室
• 本科生
• 教学参考书
• 实验指导
• 力学实验

实验物理学导论：从基础原理到前沿探索 本书旨在为物理学初学者和希望深化实验技能的读者提供一套全面、深入的实验物理学基础指南。它超越了传统实验手册的范畴，将严格的科学方法、精确的测量技术与现代物理学的核心概念紧密结合。本书不涉及任何关于《Physics Laboratory Experiments》的具体内容，而是构建一个独立的、专注于实验设计、数据分析和误差处理的知识体系。 --- 第一部分：实验物理学的基石 本部分奠定了进行任何严谨科学实验所必需的理论和实践基础。我们强调“实践出真知”的哲学，并将其转化为可操作的步骤和思维模式。 第一章：科学探究与实验设计伦理 科学方法论的复习，重点在于如何将一个模糊的物理问题转化为一个可检验的假设。我们详细探讨了变量的控制、对照组的设置以及盲法（Blinding）在减少主观偏见中的作用。特别地，本章深入讨论了科研伦理在数据采集和报告中的核心地位，包括对测量偏差的诚实报告和对实验结果的可重复性承诺。 第二章：测量学的艺术与科学 精确测量是实验物理学的生命线。本章详细剖析了不同类型测量的物理本质，从长度、时间到电学量和热力学温度。 不确定度的量化： 我们摒弃了简单的“误差”概念，转而采用基于统计学和信息论的不确定度（Uncertainty）框架。详细介绍了标准偏差、标准误差、置信区间（Confidence Intervals）的计算与解释。 仪器校准与溯源性： 阐述了如何建立和维护测量仪器的校准链，确保所有测量结果都能追溯到国际单位制（SI）的基准。探讨了系统误差（Systematic Errors）的识别和系统性消除策略，而非仅仅依赖多次测量平均值的随机误差削弱。 第三章：数据采集的硬件基础 本章聚焦于现代实验室中常用的核心测量设备的工作原理及其局限性。 传感器与信号调理： 分析了电阻式、电容式、电感式传感器的工作原理，以及如何使用运算放大器（Op-Amps）进行信号放大、滤波（低通、高通、带通）以去除噪声。 时间与频率测量： 深入探讨了数字示波器（DSOs）的采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem），以及高精度计数器在频率测量中的应用。 --- 第二部分：经典力学实验的深入解析 本部分着重于通过经典力学中的核心实验，巩固读者对牛顿定律、能量守恒和振动理论的理解，同时训练其处理实际测量问题的能力。 第四章：精确测量重力加速度（g） 传统的单摆实验被扩展为多参数分析。读者将学习如何设计一个包含摆绳长度、摆球质量分布（考虑为非质点）以及环境空气阻力修正的实验。重点在于使用最小二乘法拟合多个数据的函数关系，以提取最可靠的 $g$ 值，并对拟合残差进行严格的统计检验。 第五章：摩擦力的本构研究 本章将摩擦力视为一个复杂的界面现象，而非一个简单的常数。实验要求读者研究不同接触材料、接触压力、滑移速度以及温度对静摩擦系数 $mu_s$ 和动摩擦系数 $mu_k$ 的影响。引入了霍克定律和材料科学中弹性形变的概念，来解释微观层面的粘附和蠕变效应。 第六章：简谐振动与阻尼系统的响应 超越理想弹簧系统，本章关注阻尼振动的真实行为。读者将设计实验来确定系统的质量、弹簧常数和阻尼系数（$gamma$）。通过分析瞬态响应（自由振动衰减）和稳态响应（受迫振动与共振曲线），读者将学习如何使用傅里叶分析的思想来分解复杂的振动信号。 --- 第三部分：热学与电磁学的定量实验 本部分将读者的视野扩展到宏观热现象和电磁场的精确量化。 第七章：热力学：焦耳定律与热容的精密测定 本章探讨如何最小化实验中的热损失。设计了一个精巧的焦耳量热实验，要求读者精确测量电加热器输入功率随时间的变化，以及水温变化的非线性效应。引入了热容的温度依赖性，要求读者通过高精度温度计（如铂电阻温度计）采集足够多的数据点以进行积分计算。 第八章：电磁场：惠斯通电桥的现代应用与噪声抑制 惠斯通电桥不再仅仅用于平衡电阻测量。本章将其应用于测量极小阻值（如应变片）和电容的动态变化。重点是使用锁相放大器（Lock-in Amplifier）技术，在背景噪声远大于信号幅度的情况下，准确提取出微弱的交流信号的幅度和相位信息。 第九章：法拉第电磁感应定律的积分效应 传统的感应实验被升级为研究电感器（Inductors）的品质因数（Q Factor）。读者将使用LC振荡电路，分析在不同频率驱动下，线圈的感抗如何随频率变化。实验要求读者精确绘制共振曲线，并利用半高全宽法来确定阻尼，从而反推线圈的串联电阻（即损耗）。 --- 第四部分：数据处理与高级分析技术 本部分是本书的精髓，它将所有实验数据转化为可靠的物理知识。 第十章：统计建模与非线性拟合 线性回归只是起点。本章详细介绍了如何使用迭代算法（如Levenberg-Marquardt算法）对实验数据进行非线性最小二乘拟合。讨论了拟合参数的协方差矩阵的计算，以及如何利用这些信息来评估不同拟合参数之间的相关性。 第十一章：误差传播的全面理论（Propagation of Uncertainty） 误差传播不再是简单的公式代入。本章基于多元函数的偏微分，推导出任意复杂函数中输入量不确定度对最终结果不确定度的贡献。特别强调了当变量之间存在相关性时（如在复杂电学测量中），协方差矩阵在误差传播中的关键作用。 第十二章：实验报告的撰写与同行评审模拟 本章指导读者撰写结构严谨的实验报告，强调结果的可视化（选择最能体现物理现象的图表类型）和讨论的深度。讨论部分必须包括对所有系统性偏差的诚实评估、对不确定度来源的层级划分，并提出可行的未来改进方案，模拟真正的同行评审过程。 --- 本书的目标是培养出能够独立设计、执行、分析并清晰传达复杂物理实验的下一代研究人员。它不是对已知现象的简单重复验证，而是对测量极限的不断探索和对物理规律的深入洞察。

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从内容编排的逻辑性来看，这本书展现了一种非常成熟的课程设计理念。它不是简单地按照物理学分支（力学、热学、电磁学、光学等）来线性堆砌，而是似乎根据实验操作的难度和所需技能的递进关系进行了巧妙的重排。初期的实验着重于基础的量测技术和误差分析，培养读者的“眼力”和“手感”；中期则引入了更复杂的系统和仪器，要求综合运用多个物理概念；而后期的一些选做或进阶实验，则明显带有研究性质，鼓励学生自行设计变量、探索未知。这种循序渐进的结构，极大地帮助学习者建立起技能树的完整脉络，确保了基础不牢固时不会被高难度的实验所挫败，同时也不会因为重复低级操作而感到乏味。这种精心设计的学习路径，体现了编者对整个实验教学周期的深刻洞察力，让学习过程中的每一步都有明确的目的性和挑战性，而不是盲目地向前推进。

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与其他我读过的同类书籍相比，这本书最显著的特点在于其对“故障排除”和“常见错误分析”部分的重视程度令人印象深刻。很多实验手册在描述完理想化的步骤后就戛然而止，一旦读者在实际操作中遇到设备失灵、读数漂移或结果异常时，就会束手无策。然而，这本书却像一位耐心的老伙计，专门开辟了大量的篇幅来讨论“如果你的结果和预期不符，最可能是什么原因？”、“传感器出现噪声时该如何判断是环境干扰还是仪器本身的问题？”等等实际操作中必然会遇到的棘手问题。它列举了十几种可能导致实验失败的“陷阱”，并为每一种陷阱提供了快速诊断和修正的建议清单。这种前瞻性的指导，极大地减少了实验过程中的挫败感，让读者明白实验的本质就在于不断地发现问题、解决问题，而不是一蹴而就地得出完美答案。这种对“真实世界”实验环境的细致描摹，使得这本书的价值远远超出了教科书的范畴，更像是一本实战手册。

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这本书的装帧设计实在是太吸引人了，封面的排版简洁有力，那种理工科特有的严谨感扑面而来，但又不失现代感。我尤其喜欢封面上那种深邃的蓝色调，让人联想到宇宙的浩瀚和微观粒子的奇妙。内页的纸张选择也非常考究，摸上去有一种扎实的质感，不是那种廉价的、反光的纸张，这对于需要长时间在实验台上翻阅和记录的读者来说，简直是福音。更令人称道的是，书中的插图和图表质量极高，那些复杂的实验装置示意图，线条清晰、标注精确，即便是初次接触这些仪器的学生，也能迅速抓住核心结构和原理。我记得翻到关于光学实验的那一章时，那些光线路径图简直是艺术品，色彩的运用和透视的把握都恰到好处，完全避免了传统教科书那种枯燥的黑白线条堆砌。这本书显然在视觉呈现上投入了巨大的心力，它不仅仅是一本工具书，更像是一件精心制作的工艺品，让人在学习物理的枯燥过程中，能享受到一份视觉上的愉悦和专业上的尊重。这种对细节的极致追求，从封面到内页的每一个标点符号，都透露出编者对物理实验教学的深刻理解和高度的责任感。

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这本书在理论与实践的结合点上做到了极佳的平衡，它没有让实验沦为一套僵硬的程序，也没有让理论成为高悬的口号。我发现，在每一个实验项目的前置介绍中，作者都会用一种非常精炼但又不失深度的语言，重新回顾相关的物理原理，但这部分内容绝不是简单地复制粘贴标准教材的定义，而是用一种更贴近实验场景的视角来重新构建概念。例如，在讨论电磁感应实验时，它不会只停留在法拉第定律的公式上，而是会引导读者思考线圈匝数、磁场变化速率与感应电动势之间的非线性关系，并暗示如何通过调整实验参数来“验证”这些细微之处。更妙的是，在实验报告的撰写指导部分，它甚至细致地剖析了“什么是好的观测数据”和“如何构建一个有说服力的论证链条”，这已经超出了普通实验手册的范畴，更像是在传授一种科学研究的思维方式。这本书的最终目的，似乎不只是让学生“完成实验”，而是让他们“像一个真正的物理学家一样思考和记录”。

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拿到这本书后，我最大的感受是它的“实用性”和“可操作性”被提升到了一个新的高度。它似乎完全摒弃了那些高屋建瓴、脱离实际的理论阐述，而是直奔主题，聚焦于“如何做”和“为什么这样做”。每介绍一个实验，其步骤的描述都极其详尽，仿佛有一位经验丰富的导师站在你身边，手把手地指导每一个操作细节。比如，在涉及到精密测量和数据处理的部分，它没有简单地给出一个公式，而是深入探讨了误差的来源、如何使用特定的仪器来最小化系统误差，以及如何用统计学的方法对结果进行可靠性分析。我特别欣赏其中关于安全规范的章节，那些强调的不仅仅是“不要这样做”，而是深入解释了背后的物理或化学风险，使得安全意识不再是死记硬背的规定，而是建立在深刻理解基础上的自我保护。这种近乎“保姆式”的指导，对于那些刚刚踏入实验室的新手来说，无疑是巨大的帮助，它极大地降低了实验入门的门槛，让人在动手操作时充满信心，而不是提心吊胆。

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