近代物理实验范文

第一篇：近代物理实验范文

近代物理实验总结

这学期我做了七个近代物理实验，分别是能谱和相对论动能动量关系的验证、声光效应与光拍法测光速、光泵磁共振、氦氖激光器的模分裂和模竞争、法拉第效应、液晶物性和塞曼效应。

这门课选取的都是在物理学发展史上的著名实验和在实验方法和技术上有代表性的实验。对于我做的实验我有以下体会：

一、实验内容涵盖广泛，涉及电磁学、光学及原子物理等很多领域。

二、实验原理比较复杂。很多实验涉及量子力学、原子物理中我不懂的知识。

三、实验仪器设备比较先进。除了示波器近代物理实验中还用到许多精密的、科研中常用到的仪器，如在氦氖激光器的模分裂和模竞争用到的扫描干涉仪、塞满效应里用到的摄谱仪等。

经过这学期的实验课，我个人得到了不少的收获，一方面加深了我对一些实验理论的认识，另一方面也提高了实验操作能力。下面我总结一下我的体会和在实验中遇到的问题。

一、教材和讲义中的实验原理都往往叙述很详细，但我们在写预习报告时却不应把书上的内容都抄写一遍，而是应该在理解了教材上的实验原理和公式推导的基础上，总结和概括书上的内容，这样的预习报告才会对实验操作有指导作用。但很多时候我们并没有完全理解教材上的内容，所以对实验具体做什么和这样做的目的并没有很好的掌握，只是参照实验室里的操作说明一步步的进行，对整个实验过程没有融会贯通。具体操作的步骤上出问题不能自己解决，经常去问老师。这个是我在实验中遇到的最大的问题。比如在实验中我知道要提高某一物理量的值就能得到实验结果，但反应到仪器上，我可能就不知道这个值要如何去改变，或者我不知道某个实验参数为什么那么选择。这给我的启示是应该在预习时多多思考实验原理是如何反应在实验具体操作步骤上的，这样在老师讲解过程中也能更有的放矢。

二、我这学期的实验里有4个实验要用到示波器，示波器尽管在普物实验课上多次使用了，但我觉得我并没有真正熟悉和理解示波器，这造成了经常要不停地调示波器，费时费力。还有调光路从普物实验时就是我的天敌，等高共轴、按着光传播的顺序依次调整各个仪器的道理我也明白，可是操作时总是控制不了光路，法拉第效应、声光效应与光拍法测光速和塞曼效应这三个实验都要用到调光路，尤其是声光测速里光路图很复杂，用到了许多小镜子，我调了许久才得到基本满足要求的光路，光路有偏差就造成了实验数据的误差。所以近代物理实验不仅要求对原理的理解和操作技巧，更需要耐心和仔细才能更好地完成实验。

三、做完实验后处理实验报告也很重要，正确的实验操作是得到合适的实验数据的基础，在系统误差一定的情况下，实验数据处理得恰当与否，会直接影响偶然误差的大小。所

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以对实验数据的处理是实验的重要内容之一。由于不理解实验仪器的精度，造成处理数据时弄错了数据的有效位数，比如我做的第一个实验能谱和相对论动能动量关系的验证，需要寻峰并记录道数，我采用的是软件的自动寻峰功能并记录了电脑上显示的道数，但是仪器显示了峰的倒数是有一位小数的，而实验中道数的有效位数只能是整数，所以明确实验条件是得到正确的实验数据的基础。

最后，这学期做近代实验收获挺大的，动手能力也得到了提高，理解了一些经典的物理实验，加深了我对物理的兴趣。

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第二篇：大学近代物理实验总结(特全)

近代物理实验总结论文

班 级：电科11-2班 姓 名： 仝 帅 学 号：201120906046 指导老师： 丁昌江

1 近代物理实验总结论文

班级：电科11-2班

姓名：仝帅

学号：201120906046

前言 ....................................................................................................... 3

二、光电效应实验 .............................................................................. 4

三、电光效应实验 .............................................................................. 5

四、密立根油滴测电子电荷 .............................................................. 6

五、微机夫兰克—赫兹实验 .............................................................. 6

六、迈克尔逊干涉仪 .......................................................................... 7

七、微波迈克尔逊干涉实验 .............................................................. 8

八、微波布拉格晶体衍射实验 .......................................................... 8

九、椭圆偏振仪测量薄膜厚度实验 .................................................. 9

十、光泵磁共振实验 .......................................................................... 9 十

一、核磁共振实验 ........................................................................ 10 十

二、微波顺磁共振实验 ................................................................ 11 十

三、光栅光谱实验 ........................................................................ 11 十

四、学习中的困难 ........................................................................ 11

1、实验仪器的不熟悉和仪器存在缺点 .................................... 11

2、实验原理弄不清楚 ................................................................ 12

3、依赖性 .................................................................................... 12

4、专业知识的不牢靠 ................................................................ 13 十

五、实验的改进和反思 ................................................................ 13 十

六、学习中的收获和快乐 ............................................................ 13

前言

本学期，根据课程的安排我首次接触了近代物理实验，包括微波迈克尔逊干涉实验、微波布拉格晶体衍射实验、椭圆偏振仪测量薄膜厚度实验、光泵磁共振实验、核磁共振实验、微波顺磁共振实验、光栅光谱实验等等。虽然实验课不算多，但我从中学到了很多，也是自己在大学实验学习形式的一次飞跃，从大一的听老师讲解和指导、大二的依赖到大三近代物理实验的独立探究。

物理学离不开实验，我感觉物理系给我最深的印象便是实验，尤其是近代物理实验更是一门综合性和技术性很强的课程，其实在物理实验中,影响实验现象的因素很多,产生的物理实验现象有时候也很复杂。要感谢老师们通过精心设计实验方案,严格控制实验条件等多种途径,以最佳的实验方式呈现物理问题,使我们能够达到预想的实验效果，也考验了我们的实际动手能力和分析解决问题的综合能力，物理实验课程的学习让我受益匪浅。

首先，我通过做实验了解了许多实验的基本原理和实验方法，加深了对理论课知识的理解，还学会了基本物理量的测量和数据处理分析的方法、基本实验仪器的使用等;其次，锻炼了我的实验操作动手能力，并且我也深深感受到做实验要具备科学认真的态度和创造性的思维。

物理系课程设置上选取的都是在物理学发展史上的著名实验和在实验方法和技术上有代表性的实验。对此我有以下体会：

一、实验内容涵盖广泛，涉及物理学的各学科，很多实验都与我们的理论课有关。

二、实验仪器设备很丰富!

但实验中也存在着很多问题，实验仪器有的由于老化就会造成实验很难成功，或者结果存在这很大的误差。就这些问题可能造成学生对实验的误读或者对实验结果的不能真正的了解!实验结果不准确!

一、微机声光效应实验

当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅! 本实验探讨了超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象。这种现象称之为声光效应。在实验中，应用CCD光强分布测量仪等，通过改变超声波的频率和功率。分别实现了对激光束方向的控制和强度的调制;定量给出了声光偏转量的关系曲线和声光调制测量的关系曲线。本文就声光效应中的声光偏转原理和声光调制原理的现象及有关物理量进行定性或定量的分析。

二、光电效应实验

当一定频率的光照射到某些金属表面上时, 可以使电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。根据爱因斯坦的光电效应方程有

hν=1/2 mvm2+ W

(1) 其中ν为光的频率,h为普朗克常数,m和vm是光电子的质量和最大速度,W为电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功。

当阳极A电势为正,阴极K电势为负时,光电子被加速。当K电势为正,A电势为负时,光电子被减速;而当A、K之间的电势差足够大时，具有最大动能的光电子也被反向电场所阻挡,光电流将为零。此时,有

e U0 =1/2 mvm

2式中e为电子电量,U0 称为截止电压。

U0 =(hν-W)/e= h/e(ν-ν0)

式(4)表明,截止电压U0是入射光频率ν的线性函数,其直线的斜率等于h/e。可见,只要用实验方法测量不同频率光的截止电压,做出U0-ν图形,从图中求得直线的斜率h/e,即可求出普朗克常数h。另外,从直线和坐标轴的交点还可求出截止频率ν0 。

其中h/e=(nΣviUvi-ΣviΣUvi)/( nΣvi2-(Σvi)2)

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三、电光效应实验

本实验的目的是：

①掌握晶体电光调制的原理和试验方法;

②了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察汇聚偏振光的干涉现象; ③学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法。

通过本实验我们不仅可以获得关于电光效应的基本知识，还对偏振光的干涉、信号的调制和传递有了具体的了解，对于示波器的使用及有关光路的调节有了更深一步的掌握。本实验通过列表法及图像法来处理实验数据，并对误差进行了分析在实验进行过程中进一步巩固所学的知识并吸取了更多的经验。

1. 该实验的误差来源主要有以下几个方面：

①.由于人为原因导致光路不垂直，造成实验误差; ②.对仪器读数时造成的误差; ③.有仪器本身的误差造成的误差。

2. 通过本实验，我基本掌握了晶体电光效应的实验方法。刚开始做实验的时候，因为上学期做过有关示波器的实验，所以对基本的示波器原理还有一些经验，但对于光路调节没只有在书上看到过示意图，所以还不是很熟悉，对各种光路仪器的用处都不了解，但后来在老师的讲解下才懂得了其使用方法。我觉得这是因为预习不够充分引起的，一方面对仪器的原理了解不够，一方面没有考虑到仪器的具体使用。做物理实验首先要理解其原理，再者怎么样利用实验仪器测出自己所需要的数据，如果不知道测什么，那么做实验也是白做的。相对于仪器的使用方法，我认为运用电光效应的思想方法更加重要。我觉得调节的光路是否等高共轴市实验成败的关键，通过巧妙调节近可能的减小误差，达到实验的成功。

5 我感觉上物理实验课的老师都比较有耐心，帮助我们解决实验中出现的各种情况，上课的时候讲解仔细，力求让我们明白这实验的目的和精髓。老师都比较负责。

四、密立根油滴测电子电荷

实验目的：

1. 通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电荷的电荷值e。

2. 通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。

3. 和构思。

本实验中，至于油滴匀速下降的速度vg，可用下法测出：当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下降的距离为l，时间为t ，则 学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想vgl

tg32d18l最后得到理论公式：q

bV2gt(1)gpa

五、微机夫兰克—赫兹实验

实验原理 ：

设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，初速为零的电子在电位差为V0的加速电场的作用下，获得能量为eV0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV0

在充氩的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和栅极G之间的加速电压VGK使电子加速。在板极A和栅极G之间加有减速电压VAG，管内电位分布如图二所示，当电子通过KG空间进入GA空间时，如果能量大于eVAG就能达到板极形成板流。电子在KG空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eVAG，则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。实验时使VGK逐渐增加，仔细观察板极电压的变化我们将观察到如图三所示的IA～VGK曲线。

随着VGK的增加，电子能量增加，当电子与氩原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服GA空间的减速场而到达板极A时，板极电流又开始上升。如果电子在KG空间得到的能量eV0=2E时，电子在KG空间会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降。

在VGK较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞。只要VGK=nV0(n=1,2,„..)，就发生这种碰撞。在IA～VGK曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰(或谷)对应的VGK之差，即为原子的第一激发电位。

如果氩原子从第一激发态又跃迁到基态，这就应当有相同的能量以光的形式放出，其波长可以计算出来：hυ=eV0 实验中确实能观察到这些波长的谱线

六、迈克尔逊干涉仪

把迈克尔逊干涉仪的M1和M2调到垂直，移动M1可以改变空气膜的厚度，当M1接近M2’时厚度减小，直至二者重合时厚度为零，继续同向移动，M1还可以穿越M2’的另一侧形成空气膜。等倾干涉 ：2d=Kλ(k=1,2,

3、、、、、、)

=(2k+1) λ/2(k=0，1,2,

3、、、、、、)

7 等厚干涉：相长干涉条件：2d-θ2d=kλ;若θ很小，θ2d可以忽略。移动M1可以使M1和M2’相交!在交线处d=0。

由于实验太多的限制，课本上的实验就不一一介绍了!

七、微波迈克尔逊干涉实验

通过用微波源代替光源，研究迈克尔逊干涉的基本原理，并测定微波的波长。微波的迈克尔逊干涉和光学的迈克尔逊干涉的基本原理相同，只是用微波代替光波而己。

本实验的目的是了解一下迈克尔逊干涉的实验原理，并且利用干涉现象测出微波的波长。试验中调整发射喇叭和接收喇叭的方位，移动全反射板，观察当微安表达到最大数值时(此时出现干涉加强，波程差是真个波长的整数倍，相位差是2*PI)记下对应位置最表的数据即可，在移动全反射板时切忌双向移动(单向移动记录数据)，这样可以减小误差，尤其是回程差。本试验在操作上并不是很困难，很易于实现，易于成功。

八、微波布拉格晶体衍射实验

惠更斯一菲涅耳原理指出：从同一波束面上各点所发出的子波(称为散射)经传播而在空间某点相遇时，也可相互迭加而产生干涉现象。这就是解释衍射现象的理论基础。

本实验是以方形点阵的模拟晶体(立方晶体)为研究对象，用微波向模拟晶体入射，观察从不同的晶面上点阵的反射波产生干涉符合的条件，即下面我们要讨论的布拉格公式

本实验用一束微波代替X射线，观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，用来模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射，并验证著名的布拉格公式。该实验利用了微波分光仪完成了微波迈克尔逊干涉实验。该报告主要介绍了上述实验的原理，并进行了数据处理和误差分析，在最后还提出了一种实验仪器的改进方案。

利用X射线照射晶体通过晶体后X射线会发生衍射。布拉格父子通过对衍射现象的研究，找到了衍射束的出射角度与内部晶体结构点阵的关系。当微波照到

8 模拟点阵晶体时，组成晶体的每一个点阵粒子都会向各个方向发射子波，这样点阵粒子构成的周多散射中心发出的子波就会发生干涉，叠加。掠入射时道理一样，只有那些满足布拉格衍射定律的波束干涉才能加强，并且强度为最大值。本实验也易于操作，可能数据处理有些麻烦。不过这也正是好好提高自己的分析数据、处理数据能力的好时候、更是理论联系实际的桥梁。

实验中我们需要同时转动两臂达到同样的角度，实验时我们采用两人同时转动左右臂的方法，虽然效果不错，但是费时费力，我觉得可以采用联动装置使左右臂同时运动相同的角度，为达到这样的目的，我们可以采用，一根可以自由手动伸缩的杆连接左右臂，当杆伸缩的时候，左右臂将转动相同的角度，杆的伸缩长度与转动角度的对应关系可以通过具体计算得到!

综上所述，晶体在布拉格衍射中实际上是起着x射线衍射光栅的作用。X射线结构分析学就是利用x射线在点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间隔和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。

九、椭圆偏振仪测量薄膜厚度实验

椭偏法测量的基本思路是:起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光.根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性。

一束自然光通过起偏器后变成了线偏振光，在经过一个波片，变成了椭圆偏振光。这样的椭圆偏振光入射到待测薄膜表面上时反射光的偏振状态会发生变化。测出这种变化就测出了薄膜厚度。本实验目的是了解椭圆偏振发测量薄膜参数的基本原理，初步掌握椭圆偏振一的使用方法，并对薄膜厚度进行测量。试验中操作并不困难，主要是一起可能有时会出点问题，而且击鼓样的强弱又是并不好判断，试验后可以根据测的数据在计算机上直接模拟就可以的出最后答案。

十、光泵磁共振实验

本实验目的是：

9 1. 观测铷的光抽运信号及光磁共振信号。 2. 测量铷原子的郎德g因子。 3. 测量地磁场

光泵磁共振利用光抽运效应来研究电子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，打破原子在所研究能级间的热平衡分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光泵磁共振采用光探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不是像一般的磁共振直接探测原子对射频量子的吸收，因而大大提高了探测灵敏度。光泵磁共振进一步加深人们对原子磁矩、g因子、能级结构、能级寿命、塞曼分裂、原子间相互作用等的认识，是研究原子结构的强有力的工具，而光抽运技术在激光、原子频标和弱磁场测量等方面也有重要应用。

本实验的目的是了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量气体铷(Rb)原子的g因子和地磁场。 实验过程中必须要注意：

1. 实验时必须先预热，待池温、灯温指示灯点亮后，方可进行实验。 2.在观察磁共振信号，测量g因子和地磁场时应该尽量减小扫场的大小。

十一、核磁共振实验

在加不同大小扫场情况下仔细观察水样品的核磁共振现象，记录每种情况下的共振峰形和对应的频率!

本实验的目的是了解核磁共振的基本原理，观察核磁共振的共振信号，计算磁感应强度(B)，并与测量值比较。

这次实验通过扫频法观察氢核的核磁共振现象，并测量g因子。实验过程中，发现调节样品在磁铁中的空间位置时，扫描频率的尾数出现较大的变化，但对g因子的测量并无巨大的影响。调节边限振荡器的频率“粗调”电位器时，当频率调节至共振频率附近，图像会有明显的变化，出现大致的共振信号，然后旋动频率调节“细调”旋钮，在此附近捕捉信号，调节出较好的共振信号，最后降低扫描幅度，调节频率“微调”至信号等宽，同时调节样品在磁铁中的空间位置以得到微波最多的共振信号。这样可以快速、准确地找到扫描频率，测得实验数据;

10 由于本实验的仪器问题和共振状态下的(υH)很难准确调节达到，所以需要耐心细致的调节，方能看到最后结果。

十二、微波顺磁共振实验

电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振;因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。

十三、光栅光谱实验

本实验的实验目的是了解光栅的原理，掌握多功能光栅光谱一起的使用方法;理解相光的实验原理;通用光栅光谱仪进行发射光谱的实验，加深对相关理论的理解与把握，同时学会实验的操作方法和实验数以一个，急需要在电脑上操作一下就可以很容易的的出实验数据。但是需要注意预热的时间问题数据的处理。

十四、学习中的困难

1、实验仪器的不熟悉和仪器存在缺点

通过这个实验我知道了在做实验之前必须先熟悉实验仪器的使用，这样做实验就能成功了一半。其次是实验仪器存在缺点的话就很可能得不到实验结果。这样的话我们可以探索一下改进的方法，促进实验的成功。

实验仪器的不熟悉，不理解这个仪器为什么和怎样工作的。这造成了在实验时随便调试仪器费时费力，却不明白为什么达不到想要的实验现象。这就要求我 11 们在做实验之前必须先熟悉实验仪器的原理和使用。

2、实验原理弄不清楚

和许多同学一样，抄写实验原理时，由于有的物理内容没有接触过，所以就很难弄懂。这样就造成了在抓这一本实验课本到实验室，直接翻到实验步骤就开始做实验，常常做完实验了，得到了实验结果还不知道这结果用来干嘛。就像真空镀膜这个实验，实验操作简单，但是原理很复杂。还有核磁共振实验，由于实验原理弄不清楚，在数据处理时遇到了困难，造成了测出了发生共振时波峰和波谷的频率却不知道到用来干嘛。

很多时候我并没有完全理解实验原理，所以对实验具体做什么和这样做的目的并没有很好的掌握，只是参照实验室里的操作说明一步步的进行，对整个实验过程没有融会贯通。。比如在实验中我知道要提高某一物理量的值就能得到所要的实验结果，但反应到仪器上，我可能就不知道这个值要如何去改变，或者我不知道某个实验参数为什么那么选择。这给我的启示是应该在预习时多多思考实验原理是如何反应在实验具体操作步骤上的，这样在老师讲解过程中也能更有的放矢。

3、依赖性

由于在大一大二习惯性地依赖老师指导，造成了这坏习惯在我们身上扎根，遇到困难就不想往下做，直接找同学或者老师帮忙。这样造成了实验并没有得到什么收获和进步。

对老师指导的依赖性，常常具体操作的步骤上出问题时不愿意自己思考解决的办法，遇到困难就不想往下做，直接找同学或者老师帮忙。这种惰性造成我没有深刻理解实验方法，这个是我在实验中遇到的最大的问题，必须养成独立思考和解决问题的习惯。

4、专业知识的不牢靠

由于专业知识的不牢靠造成了在实验预习时实验原理的理解模糊和数据在处理时的不准确，比如在实验误差的计算不知道改用什么方法，实验结果的总结也不会。

十五、实验的改进和反思

1、 凡事都有美中不足之处，我认为近物教学仍然有需要改进地方。我觉得老师需要统一思想，尽量让学生自己独立完成实验，不要一有问题就帮忙解决，这样虽然会提高效率，但是会助长一种依靠老师完成实验的风气。

2、实验仪器有的由于老化就会造成实验很难成功，或者结果存在这很大的误差。比如实验室里的氢光源光强太弱，还有的实验仪器螺丝松动，不好固定，经常实验到半实验仪器突然晃动，造成了实验失败得从头再来。

3、实验报告评分时可不必要求把必做实验所有内容都做完，而把评分重点更多的放在实验记录上，特别是“发现问题——思考过程——解决问题”这一块。这样可以促进我们对实验的反思和进一步理解和掌握。

十六、学习中的收获和快乐

我觉得一部分老师的教学方式非常好。他们鼓励我们要自己解决问题，尽量不要依靠老师。一旦我们遇到困难但没人帮助的时候，我们只有靠自己去摸索，在摸索的过程当中我们学会了课堂上老师不可能教的技巧，比如如何搜索文献，如何查找英文学术单词，如何建立一个总体上的思路等等。虽然采用这样的方式做出成果比别人慢，但是收获更多。

回想起来，为什么我的实验报告一直拿不来高分，为什么我实验内容完成的总是比人家少——我一大部分时间都在不停的为自己的马虎大意买单。但是我想，我收获的肯定比没有犯过错误的人多。低级的错误犯过了，以后再犯的可能性就小了很多;高级的错误犯过了，自己懂的知识就比原来多了很多!

我是在这些课程是体验到了物理学习的快乐，并不仅仅局限于课本理

13 论上的知识，加深了理论上的理解，更加帮助于去理解生活中的规律。实验的选择也很有趣，有些实验看上去觉得没什么，只有真正去做才能感受到其中的快乐。

1、大学物理实验让我养成了课前预习的好习惯，让我深深地懂得预习的重要性。只有在课前进行了认真的预习，才能在课上更好地学习收获的更多、掌握的更多。教材和讲义中的实验原理都往往叙述很详细，但我们在写预习报告时却不应把书上的内容都抄写一遍，而是应该在理解了教材上的实验原理和公式推导的基础上，总结和概括书上的内容，这样的预习报告才会对实验操作有指导作用。这学期我很好的做到了这点。

2、做完实验后处理实验报告也很重要，正确的实验操作是得到合适的实验数据的基础，在系统误差一定的情况下，实验数据处理得恰当与否，会直接影响偶然误差的大小。所以对实验数据的处理是实验的重要内容之一。大学物理实验教会了我处理数据的能力。包括：

① 了解了误差与不确定度的基本概念，并在实验中应用，学会了用不确定度对直接测量和间接测量的结果进行评估。

② 学会了一些处理式样数据的方法，如列表法，作图法等。 ③ 掌握了一些基本物理量和物理参数的测量方法，如电流，电压，磁场，光强，折射率，电子电荷，普朗克常量等。

④ 理解了常用的物理实验手段等!

⑤ 还掌握了许多仪器的使用方法，尤其要说的是示波器，它在物理实验中应用非常广泛，在这学期的微波与铁磁和连续与脉冲核磁共振试验中还用到它!

第三篇： 虚拟仿真技术在近代物理实验教学中的探讨

李明标

(渤海大学数理学院，辽宁 锦州 121013)

摘要：分析了近代物理实验教学中引入虚拟仿真技术的意义，探索仿真实验辅助近代物理实验的教学路线，形成了电子教案理论指导-虚拟仿真软件预习操作-物理实验测量检验的物理实验教学新模式，归纳总结了教改实施的效果。

关键词：近代物理实验;虚拟仿真;教学模式;实施效果 Discussion of virtual simulation technology in modern physics experiment teaching

Li Ming-biao

(College of Mathematics and Physics, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Abstract: In this paper, the significance of introducing virtual simulation technology into modern physics experiment teaching is first investigated. Then, the teaching route of simulation experiment to assist modern physics experiment is explored. A new model of physics experiment teaching has been formed, which is instruction of electronic teaching casephysical experiment measurement test. Finally, the effect of educational reform is summarized.

Key word: Modern physics experiments; Virtual simulation; teaching model; Effect of implementation

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 0、引 言

虚拟仿真技术对高等教育发展有着广泛的影响，为高等教育提供了先进的教学手段，改变了以往传统的教学方式。在教育部《大学物理实验课程教学基本要求》中明确提出，在教学模式和方法上要“充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术，营造多元化的教学模式”等基本要求。将虚拟仿真技术引入实验教学，对促进近代物理实验教学方法的改革起到了很大的作用。在培养学生的实验基本技能上，实际动手操作实验仪器将是必要的，但在虚拟仿真实验在软件设计引导下，对复杂的物理实验虚拟仿真更直观并且容易[1]做到，对探索性、创新性的实验，虚拟仿真实验模式将更为有效，尤其对实验结果的整理与分析，以及实验报告的撰写等诸多环节，都可采用先进的数据分析处理软件获得正确的结论，并在计算机上完成。如果说普通物理实验以打好实验基础为主，近代物理实验则注重培养分析、解决物理问题的能力，那么虚拟仿真技术在近代物理实验中的优势更明显。为此，应用虚拟仿真实验系统教学，建立近代物理实验教学新模式，符合教育部《基本要求》，适合当今教育发展需求，紧跟时代发展步伐。

一、探索仿真实验辅助近代物理实验的教学模式

近代物理实验作为高等院校的专业课程实验,教学内容复杂、任务量大，受到仪器设备、实验材料等因素的制约，这是在组织实验教学中面临的最突出问题。如何合理有效的利用有限的师资和设备资源，在有限的时间和空间内获得良好的教学效果，是我们研究探讨的重要课题。为了解决这一矛盾, 在实验教学中引入模拟仿真实验教学手段，探索仿真实验辅助教学的新模式。

开发制作近代物理实验电子教案，实现辅助实验讲解，调动学生参与实验的积极性，提高实验操作效率;应用交互式仿真实验软件，指导学生的预习、复习，打破传统实验教学呆板单一的模式，为实验教学提供更为宽松自由，方便灵活的空间;在实验上，仿真实验拓展了有限的课堂教学时间，为学生展示实验原理、验证设计思路;利用仿真实验对实验相关的理论进行分析，对实验的历史背景和意义进行讲解，对实验的现象进行演示，使仿真实验成为连接理论教学与实验教学纽带，形成电子教案理论指导-模拟仿真软件预习操作-物理实验测量检验的仿真实验辅助教学、理论与实践相结合的一种崭新教学模式。虚拟教学课件的设计由简单到复杂，操作由简到繁，内容由少到多，使教学内容循序渐进，不断深入。从打好实验基础到实验技能的养成，再到实验技能的提高，教学内容具有明显的层次性，这就使

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基金项目：辽宁省教育厅教学改革项目(辽教发[2016]23号)，渤海大学教改(2017A类)项目 作者简介：李明标(1965- )，男，副教授，主要从事实验技术教学及科研工作。 学生实验能力的提高也分层次进行。随着实验层次的不断提高，学生的实验能力不断提高，做实验的精神状态也发生了变化，由过去等教师讲，等教师教，出了问题等教师解决变为依靠自己钻研解决问题。随的教学改革的不断深入，实现从以教师为中心向以学生为中心教师辅助指导的教学模式转变，以灌输式教学向边学边做的研究性教学模式转变，提高学生综合素质和实验操作技能。

二、虚拟仿真近代物理实验教学模式实施取得的效果

通过两年的教学实践，虚拟仿真技术辅助实验教学的模式取得了良好的效果，激发了学生学习兴趣、提高了学习效率，增加了学生学习和实践操作能力。

(1)改革传统实验教学模式。将虚拟仿真技术运用于物理实验教学，改变以教师为中心的传授式教学模式，通过教师指导虚拟实验设计和学生自主学习活动，发挥教师的主导作用和学生的主体作用。虚拟仿真技术加强了学生在学习活动中的思考和创新，它不仅使学生能够有效地通过观察提出假想，而且提供的优良交互性实验教学系统，能够为学生提供必要的学习反馈，学生可以通过屏幕提示逐步思考、选择，由浅入深的探索物理现象的本质，提高学生的分析和理解能力。

(2)激发学生学习热情。应用虚拟仿真技术, 以图文声像并茂形象地传递实验内容，把涉及到的知识、现象、全部过程都反复再现在学生面前。对书本中较抽象难于解释的内容进行图形化、形象化处理，使学生耳闻目睹，仿佛身临其境，激发了学生们学习实验的兴趣。

[3]学生在预习完实验相关内容后，可通过仿真实验课件进行模拟操作,避免实验室中实际操作时的失误，提高实验操作效率。

(3)提学生高学习效率。虚拟仿真技术教学将文字、图像、图形、声音等信息进行处理、存储,突出了形象性和感染力, 弥补了传统实验教学方式的不足，使人通过多个感官来获取信息, 提高信息传播效率。应用虚拟仿真技术，丰富了教学内容，突破时空限制，恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、远离人们日常生活经验的、不便直接观察的自然过程和现[2]象,全方位、多角度地展示科学内涵，使学生既能看得见，又能听得到，还能用手操作，再通过讨论、交流，用自己分析得出结论，知识的获得远远好于传统教学的效果。

(4)建设了辅助教学平台。虚拟仿真技术教学为师生提供了一个崭新的学习平台，学生可以通过查阅电子教案、预习课件、对相关实验进行充分预习，然后回答预习检测题，当答对一定比例的检测题后，方可进入下一阶段，即虚拟仿真实验，在完成仿真实验的过程中，学生预习时发现问题可随时向教师提出、发表自己的看法，并同教师进行讨论，教师也便于了解学生的实验操作动态，以保证学生在后续物理实验中操作的正确性。虚拟实验完成后，再进行物理实验，分析比较仿真实验和物理实验的步骤、数据及结果，加深对实验原理的理解。

(5)节约实验经费。虚拟仿真实验可以解决实验室仪器数量不足的问题，并可避免仪器易损坏。模拟大型实验“仪器”操作及复杂的物理现象，节约其实验的材料费。通常的实验仪器、实验方法远远无法满足现代物理理论的发展的要求，比如晶体结构研究、核实验、辐射实验等，运用虚拟仿真技术，可以将目前新技术所产生的大量信息通过虚拟仿真软件直接地表现出来，展示于学生眼前，便于他们当今高科技的了解和掌握。

三、结 语

结合学校实验设备具体情况，把虚拟仿真技术引入传统近代物理实验教学中，实现传统的教学方式向现代教学方式转化，将硬件实验验证方式向多元化实验方式转移，实验将不再受任何约束、限制，学生可在计算机上进行虚拟仿真实验，为学生创建良好的实验环境。通过虚拟仿真实验的方法引入新的概念和规律，把理论教学与实验教学有机地融为一体，改革

[4]传统的实验教学模式，丰富教学内容,师生互动、调动学生学习实验的积极性和主动性，提高实验教学质量，节约实验经费开支，建立具有一定推广价值的人才培养实践教学新模式，促进了学生研究能力、创新意识和综合素质的全面提高。

参考文献：

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[4]李明标，陈维石，孙爽，舒天爽.单摆法测量空气密度实验分析[J].渤海大学学报，2016，37(4)：322-325

第四篇：近代物理小文章

近代物理学引发的遐思

物理学从16-17世纪学术大发展时期以来，真正的成为一门范围明确、方法严谨的学科。物理学步入近代物理后， 相对论、量子理论相继被提出。物理学推动了其它学科的飞速发展，从而也促进了自身的发展。

物理学博士学位原意是哲学博士。倘若以哲学的视角去审视物理学，便会发现物理学与哲学之间惊人的关系。物理学发展到今天，俨然让物理学家戴着哲学家的眼镜，以哲学家的方式去探寻自然界。

一、相对与绝对

物理学上的定义，绝对是指不变的东西，或是不变量，或是守恒的东西。而相对则是因人因地因时而变的东西，而且变化规律明确。因此绝对与相对不是完全对立的概念，相对之中必须涵盖变化规律，这规律又是绝对的。任何物理理论，基本规律普适是基本的要求，不同的参考系必须有同样的规律描述，也就是说基本规律是绝对的，经典物理体系和近代物理体系都是如此。

然而，许多人误以为相对论以前的物理学都是绝对的，相对论与绝对性是背道而驰的两个概念。事实不是这样的，相对论仅仅是破除了经典物理体系中的绝对空间间隔和绝对时间间隔，替代它的是把两个绝对归结为一个绝对——绝对四维时空间隔。如果说，经典物理体系是一种绝对时空观，相对论体系不也是一种绝对时空观吗?

“相对论”这个称呼不是爱因斯坦自己起的名字，其实这个名称是不合适的。相对论是关于不变量的理论，是一种绝对性理论。四维时空间隔是不变量，四维矢量的长度是不变量，两个四维二阶张量的二次缩并也是不变量。牛顿力学是另一种形式的不变量理论，除了前面说的空间间隔不变和时间间隔不变外，矢量(三维的)的长度是不变量，两个二阶张量(三维的)的二次缩并也是不变量。当物理规律的绝对性与时间间隔和空间间隔的绝对性发生冲突的情况下，相对论让前者优先，修改后者。

二、确定与不确定

这个问题比相对与绝对困难得多，它涉及到物质世界的的实在性问题。

不确定性原理，最开始被叫做“测不准原理”，是海森伯分析测量过程得出的。海森伯做了个粒子位置测量的思想实验，他发现：越是追求位置测量的准确性，所使用的光波波长就越短，而短波长光波对粒子的动量干扰就越大，因此，“位置-动量”这一组合不可能同时被测准。除了这对组合还有其它的组合，如“角位移-角动量”、“能级寿命-能级高低”。

对测不准原理理解的一个初级错误是对“测不准”的望文生义，几乎所有的文科生都把它与测量误差混淆在一起，认为测量误差就是测不准原理，测不准原理就是否定了精确测量。另一个错误是：测不准原理只针对测量过程，如果不施行测量，物质粒子运动固有状态中，动量和位置都是实际存在的。量子力学的进一步推理否定这种解说。

测不准原理不是量子力学形式体系的基本原理，而是后者的推论，经这一推论，名称也改了，正确的称谓应该是“不确定性定理”，因为它对认识论的重要性，才被冠之为“不确定性原理”。它的表述形式是：“位置-动量”、“角位移-角动量”、“能级寿命-能级高低”，都是一些对立的组合，任何物理系统不可能处于组合双方都确定的状态，双方不确定的数值乘积以普朗克常数h为下限。对于宏观来说，h太小，它对不确定的影响微不足道。月亮没有被观测的时候，人们完全没有必要担心她还是不是在那里挂着。

自从狄拉克从他的电子方程推论出反物质以后，人们重新审视一直被认为静如止水的真空背景状态。根据不确定性原理，真空基态中一定充满着寿命短暂的正反粒子对。这个思想导致了量子理论的进一步完善，量子场论应运而生。

量子场论彻底颠覆了物质粒子的实在性。既然真空中充满着寿命短暂的正反粒子对，一个物质粒子哪能独善其身呢?打一个糟糕的比方，真空是无穷无尽临时“电子-反电子”夫妻聚集场所，一个“自由”电子是可以随便替代这些“电子-反电子”夫妻中电子的光棍儿，被替代出来的电子又成为破坏其他家庭的光棍儿，这个过程是无穷无尽的。因此，在我们平常所说的“一个电子从这里运动到那里”的情形背后，有一场混乱不堪的假面舞会。

一般人可能接受不了量子场论的这种思想，可是它取得的成功匪夷所思，经它推算出来的电子自旋数值与实验数据符合程度达到10-11量级，相当于昆明-哈尔滨之间距离精确到头发丝的直径。完全不确定的真空背景竟是如此精确地定位了电子的参数。

三、实在与虚在

首先说明一下，“虚在”来自笔者憋足的杜撰。

“实”和“虚”是很难界定的概念。如果像修订后的官方哲学那样霸道，“空虚”这个词语应该从词典上剔除出去。所有你能指称的东西都被他们唯物论者的“存在”包围霸占了，你在听说读写“虚”这个字都是一种事件的存在。所有你能列举的东西都被存在招安了，这个存在是吞食一切的黑洞。与唯物论者不同，物理学家尊重人的感觉，总是把不便于为人感知的东西叫做“虚的”。

大千世界好像天生和唯物论者过不去，有这样一种现象：两个“存在”合在一起会彼此相消，变得一无所有。比如，真空通过短期借贷手段形成的正反电子对，会彼此湮灭，什么东西都不会留下。如果不是对实物粒子有影响，你都不好说这种粒子对是否存在过，因此，物理家们称之为“虚粒子对”。实粒子对湮灭总会有光子产生，变成能量发射。而虚粒子对的家底本身就是借贷来的，湮灭后的能量刚好还贷。这种借贷交易绝对公平合理，贷方不收利息，借方也没有盈亏。 真空中不仅有虚粒子对，它还会激发虚场，虚场的效应可以测出来，黑道上的投机者已经在打真空的主意，想从它那里骗取能量贷款。

物质世界还有一种奇怪的东西——负能量，比如引力势能就是负的。宇宙创生就是凭空借贷能量产生物质(M=E/C2)，亏空的能量就是负能量。与虚粒子对不同，这个亏空是长期挂账。那么借方是谁?贷方又是谁呢?笔者认为是上帝的左手和右手，上帝的左右手是反对称的。

在我们的感觉中，物质的实在性总是与它的界限范围和空间占有相关联的，其界限和占据空间是排他性的。这才有唯物论者分辨内因和外因可能性，近代物理对这个问题的解答也是颠覆性的。任何物质粒子都是在与周围环境的相互作用中体现自己的存在，所有的相互作用都是空间上广延的，区别仅仅是衰减或增强的快慢不同而已，但绝不能在有限的范围取零值，否则必然伴随着一种无限大的场源，而无限总是不符合真实世界逻辑的。相互作用的广延性必然预示着物质存在的广延性。一个处于基态的氢原子到底有多大?较真说来，要多大有多大!尽管核外电子的波函数在1埃米以外快速衰减，但是，在任何有限距离上都不会衰减到零。严格地说，三夸克组成的质子和中子也是如此广延的。

在我们的感觉中，物质都有自己不受侵犯的领地，一旦被侵犯，物质也就会改变形态，而成为新的物质存在。量子力学却认为，在粒子的相互撞击(确切地说是散射)中，除去相互作用左右的波函数分布以外，没有其它神圣不可侵犯清规戒律，粒子之间可以像孤立波那样互相穿越。这倒是应了佛家的名言：空即色，色即空。

四、定域与非定域

通常定域问题与实在性问题是纠缠在一起的，也叫做定域实在性问题。这个问题的产生由来已久，先从万有引力谈起。

日常生活的经验给我们的感受是：没有实质性接触的事物之间不会产生什么相互作用，它们的作用都是定域实在的。即使是暗送秋波，那也要有阳光充当使者。接触方式引起的效果是没有传递时间问题的。

万有引力定律第一次为我们定量地概述了一种神奇的非定域自然现象，神奇之处有两点：其一是相互作用的无限大传递速度;其二是每个物体(甚至每个物体的每个微小部分)都有它的生命全权使者分布于全空间的每一个角落，忠实地执行着主人的使命。从本质上来说，牛顿本人是实在论的忠实信徒，这可以从他坚持光波粒子性得到证明。万有引力的这两个神奇之点也是困扰牛顿的老虎，牛顿陷入神学沉思，除了与第一推动有关外，与万有引力的非定域性也不无关系。

万有引力对库仑的启发是决定性的，在实验误差高达20~30%的情形下，这个投机取巧的家伙居然做出了电荷相互作用与距离平方成反比的推断!

大家都把19世纪末看成经典物理的困难时期，依笔者看，物理进展到库仑这里也是一个相当困难的时期。困扰万有引力的超距问题没有解决，新的超距问题又接踵而至。为了回归实在，物理学不得不引入以太来救场，让非定域猛兽回归山林。电荷运动与磁场的关系、电磁感应和电磁统一借助以太帮助得以完善。大块物体的电中性和远程电磁现象中的电磁波以有限速度传播，这两个事实让电磁现象暂时摆脱了超距作用的陷阱。引力超距作用的疑难是广义相对论终结的，广义相对论场方程证明：物质分布及其流动对时空几何形态的影响是光速传播的。

量子力学刚建立以后，隐藏在其中的非定域性一时没有引起人们的足够重视。1935年，以相对论定域实在性为依靠，EPR论文向海森伯不确定原理和量子力学的完备性发难。EPR给我们提供了这样一个思想实验情形：在一个粒子实验中产生一对粒子，甲和乙，总动量为零，沿着相反方向运动，通过测量甲粒子动量就可以得知乙粒子动量，而且不对乙的运动产生任何影响。紧接这个测量之后，再测量乙的位移，这两步测量之后，乙的动量和位移就都测量清楚了，没有什么不确定问题，反过来对甲也一样，他们的动量和位移从一开始就是确定的，并不是因为测量才赋予了它们这两个物理量，量子力学不能对这四个量准确定位，因此，量子力学是不完备的。

后来，EPR思想实验被改造成更加体现微观特征的版本，常见的是总自旋为零的正负粒子对，和偏振方向相同或相反的光子对。80年代，Aspect等人正是用同方向偏振双光子来确定了量子力学的非定域性。一般人把它当作玻尔的胜利，而爱因斯坦则彻底失败，实际情形不是这么简单。EPR刚一出来，玻尔有点儿手忙脚乱，通过仔细推敲，玻尔提出的反对意见不是肯定波函数退相干和量子纠缠的超距性。在当时，伟大的玻尔也没有这个胆量，在宏观尺度上与定域实在性明确叫板。对于EPR设定的粒子对思想试验，玻尔辩解：粒子对产生——分开——按一定方向行走，这一系列过程中，人为的干扰因素在已经掺入其中，不受实验者干扰、分布于确定方向、时空分离的粒子对是没有的。研究过这段历史的科学家对玻尔的说法不无微词，Aspect的实验结论也没有支持玻尔的这一指控。

EPR实验对后来的量子力学论争产生了深远的影响，而且带动一门新学科——量子信息学——的诞生。

Aspect实验表明，对甲光子测量迫使其偏振方向明确，这个操作也在第一时间导致了乙光子偏振方向的明确取向。用量子力学的语言来说，物理系统被测量的退相干作用是超距离协调动作的。量子力学是一种非定域性理论。仔细分析我们会发现，双缝干涉实验与Aspect实验表现出同一种特性：测量作用下，波函数立即发生从分散到集中的快速转换。

五、测量与意识的微妙关系

认识量子规律以前，测量所涉及到的哲学问题相对简单一些，无非就是物理概念的实在性问题和测量的单位问题。那些迂腐的逻辑学家会没完没了地询问，时间是存在的吗?“米”和“秒”经得起推敲吗?这些东西还不是你们人为的?

像其它科学一样，物理学不会在某些基本概念的定义上浪费时间，而是把它们作为这个学科的元概念加以接受。比如空间、时间、质量、温度等等，只作一般性的描述就可以了。而关于测量的单位问题，起初是用一些稳定的东西作为实用性参照物，如地球公转周期、水密度、水三相点等。

随着认识的进步，依据物理学常数可以建立测量单位的金标准，这就是真空光速常数c、普朗克常数h、万有引力常数G、和电子电荷常数e。经典力学体系中，大家约定，把时间、长度和质量作为基本概念。从逻辑上说，其它选择也是可行的。初步看起来，第一个变种看起来还有点靠谱，第二个变种有点儿抬杠的意味了。但是理论物理学家就选取了这个嗜好!并把他们的单位分别选作C、h、G。表达量子电动力学时增加电荷，基本单位是电子电荷e;表达量子统计时增加“能量/温度”，基本单位是玻尔兹曼常数k。从此，计量就彻底摆脱了人为性。

到这里为止，宏观性测量没有什么遗留问题了。 量子力学用波函数描写量子系统的状态，那些原有的物理量则成了作用于波函数的抽象算符，每个算符可以按照它自己的特征谱分解，相对应的，波函数也可以依照这些特征谱的特征函数分解。对系统的一个测量不仅知道算符特征谱的一个取值，还对系统产生了影响，使得他退缩到那个特征谱的单一态。当然，如果系统本来就处于那个特征谱的单一态，影响也就可以没有。

系统不处于某个特征谱的特征态时，测量结果是随机的，取得某个特征谱的几率决定于相应特征函数在原先系统波函数中的份额大小。

六、歌德尔定理与终极理论

物理学的疆界正在改变中。现在，科学家不但问世界如何运作，还会问为什么世界是如此运作的。关于“如何”，已有的理论已经回答得很好了，而“为什么”的答案正在寻求中，已经有不坏的方案。问“为什么”已经成为粒子物理学的常态问题，而不仅仅是哲学的思考。

第一次发现弦论有望统一四种相互作用时，负责报道的新闻记者给他取了一个名字，叫“万物理论”(Theory of everything, TOE)。另有一个提法，叫“终极理论”(Final theory,FT)。 TOE和FT都是夸大的说法。为了避免太多的误会，有些物理学家取了一个新的名字，叫“基始理论”(Primary theory,PT)，意思是其它实用性理论的母理论，这个提法相对温和一些。世上有没有PT，有影响的一种担心是霍金最先表达的，他认为，数学命题的真伪性有歌德尔不完备定理这样一只拦路虎，物理学可能也有一只类似的拦路虎。

相对于PT，人们最先认识的是一些阶段性理论体系，我们称之为“有效理论”，有效理论的一个显著特征是后起理论对前期理论的包容性。比如，狭义相对论包容牛顿三定律;广义相对论包容万有引力定律;量子力学包容牛顿力学;量子场论包容麦克斯韦电磁理论;„„仔细地分析，我们会看出来，波普尔和科恩两位哲学大家夸大了新旧理论之间的差别，有意无意间还掠过了包容性。证伪说也好，科学革命说也罢，都是预示着基本规律认识道路的无穷性。在我们的国度，官方意识的强烈灌输，不断革命的思想深入民族骨髓，官方哲学在科学界的代表曾经满怀热情拥抱着两个思潮。细细的想一下，真正有实质意义的、涉及到体系性的证伪(或者革命)也才发生大约5次：狭义相对论;广义相对论;量子力学;量子场论;弦论。加上之前的体系：牛顿力学、电动力学和统计力学，称得上基础体系的物理理论差不多就这8种。如果按照不断革命家的理想，应该有无限多层的、前后包容的有效理论体系。这是可能的吗?不敢想象。

七、时空框架和逻辑框架及其与基始理论的关系

“证伪学说”和“科学革命结构”总是给局外人撒播激进革命的迷魂药。这导致了不明底细的一般人滋生一些模糊认识：先是爱因斯坦的相对论抄了所有旧物理的家;然后，以玻尔带头的一帮年轻人发展了一种量子力学，抄了爱因斯坦相对论的家;后来，量子力学又被新的理论抄了家。

回首20世纪物理学的进程，有一个显著的特点，保守革新主张总是肩挑起大梁。只有正确分析现有理论中的合理与不合理因素，革新才能成功，革新不是猴子掰棒子。 至今还没有哪一种物理学理论像相对论和量子论一样，有如此顽强的生命力。相对论提供了物质世界演化过程的坚实的时空框架;量子论的基本原理则提供了物质世界演化的可靠的逻辑框架。二者共同支撑起一个舞台，分子和原子成功地在这里表演;电子和光子也成功地在此表演;原子核、核子、夸克、宇宙线中的诸多粒子，还有加速器中造出来的粒子同样在这里成功的表演。有人可能以为，宏观低速世界的物质就不是在这里表演的，其实不然，宏观低速近似下的相对论时空框架和量子论逻辑框架正是牛顿时空框架和日常逻辑框架。

有那么一段时期，物理革命家玻尔曾经揣测，从大到小的不同物质层次应该有不断改进的基本逻辑，量子力学的基本原理可能不再适合原子核内部的世界。而实际情形是，随着物质层次探讨的不断深入，量子力学基本原理和相对论时空观还是一直沿用着，不断增加的只是不同粒子的自由度。

到目前为止，物理上最精确的科目就数量子电动力学了，它是用量子场论方法改造过的电磁理论，用它来计算电子磁矩，理论数值与实验测量结果符合精度是10-11量级，这个结果可以相当于把昆明到哈尔滨之间的距离精确到一根头发丝的直径。量子电动力学这个理论的基本构成要素有四个：

1、洛仑兹变换协变性;

2、量子论基本原理;

3、 电荷守恒及其与光子的耦合;

4、简化的粒子几何点结构模型，以及几何点假设带来发散的消除方法——重整化。

如果说，后两个要素之间可能有什么相互关联的话，那么，至少可以说

1、2和3+4之间鼎立而三。我们完全有理由绝对信任这里的时空框架和逻辑框架，它们的精确性肯定在10-11量级之上，以适用的标准衡量，笔者就把它们当成绝对真理，如果基始理论存在，那么，这两个框架应该是基始理论的冰山一角。未来的基始理论也可能发展出一种更抽象的甚至是耦合在一起的时空框架与逻辑框架，但是它折射到我们意识层面的必定是相对论和量子论。发展基始理论的进程可以一个山头一个山头地占领。

其它的山头又是什么呢?对称性肯定是其中之一，这是第八部分的主要内容。

八、猜测上帝的意图

数学属于不属于科学?行内行外的人一直有不同意见。有一个矛盾的现象，一些持否定观点者和另一些持肯定观点者的出发点是相同的：数学体系的建立不要求与自然界做参照，也不以研究自然奥妙为目的。根据这一点，否定者认为，既然数学不是自然科学，也就没有必要把它归类为科学，而是一种智力玩具。同样是这个出发点，正因为抽象数学体系能想为经验逻辑之不敢想，所以它能出奇制胜，经常能为自然科学研究准备很好的工具，数学往往能起到无心插柳的效果，肯定者认为它是科学的科学。还有一种有趣的现象，肯定数学是科学的人是肯定数学其它科学的价值;而有些否定者认为，数学对其它科学有用是对数学的亵渎。后一种观点听起来有点儿奇怪，在群论这门代数学建立起来的时候，确有数学疯子为群论不可为其它学科应用而得意。

贯穿整个物理学进程，有一条分解研究方法与总合研究方法相互交织的总线。数学上说，前者是微分的，后者是积分的;前者钻研细节，后者俯瞰总体。分解的手段固然优越，可是，很多情况下，数学方程解不了，或者干脆建立不起来。即使是可以求解的情形，求得某些有用数据的过程比较繁琐，不如通过守恒定律来得方便，例如单摆各点的运动速度问题。

1918年，各种守恒的普遍规则首先被哥廷根伟大的女数学家诺特发现：规则的变换不变性必然伴随一种积分量的守恒。空间平移变换不变性是动量守恒的根源;空间转动变换不变性是角动量守恒的根源;空间反演变换不变性是宇称守恒的根源;时间变换不变性是能量守恒的根源;„„涉及这些变换对称性的数学是群论中为我们的日常经验容易把握的部分，一开始没有受到人们的重视。

洛伦兹变换是狭义相对论用来表达时空变换规则的，这是一种最先得到充分研究变换群，用它来重新考察电磁理论出现了神奇的结果。原来电磁理论的那么多定律规则被合并成两条：一是电荷守恒;二是洛伦兹变换协变性。非惯性系与引力场的局部等价性也是一种很好的变换对称关系，正是牢牢地抓住这一点，爱因斯坦才建立起了优美的广义相对论。

洛伦兹群和广义相对论的这些成就激发了物理学家主动寻求变换不变性的热情，海森伯这条敏锐的猎犬总是在别人盲无头绪的关头扑向猎物。量子力学中，有两个核外电的氦原子不可简单求解，海森伯却从两个电子的交换对称性得到氦原子光谱的一堆有用规则，并为光谱测量所证实。海森伯的这项工作开启了群论研究原子光谱和粉子光谱的先河。还是海森伯，中子才经发现不久，他就利用质子与中子的诸多共性，构造了二者之间的SU(2)变换对称关系，并且发现了一种称为“同位旋”的守恒量。海森伯的这项工作又开启了群论研究粒子物理学的先河。为此，笔者认为，海森伯这个鬼才怎么也应该排在20世纪物理学的前两位。

生活实践中，一条行之有效规避风险的方法是分散机制，而物理学却是反过来，为了让理论保险，总是尽可能地合并不同理论为一个新的统一理论。在这种思路下，麦克斯韦把电现象、磁现象和光现象统一了起来。后来的实践告诉人们，只要能逻辑自洽而又简洁地把多个成功的的理论统一到一起，新的理论总是成功的。在这其中，统一的手段就是猜测对称性。这到底是为什么呢?

对称之所以与人类价值观合拍，是因为对称中有均衡、有精确、有简洁。基始理论主动寻求对称的行为正是基于这样一种信念：造物主的价值观与人类价值观是相通的，大自然是人性化的。

对称性还有一个可贵的特点：是就是是，不是就是不是，黑白分明，没有什么含糊的地方，不可以一点一点地修修补补。由对称性所建立起来的理论是大步跨越式的。我们可以看出来，物理学的几次革新基本上都与发现新对称有关系。从牛顿体系到量子场论体系，认知对象从宏观尺度一下子跳跃到10-15米(质子的半径);而强弱电大统一理论又把尺度推进到10-35米。对称性的强大可见一斑。

对称性的另一大好处可以让我们绕开粒子构成的细节，直接寻求某些有用的结论，反粒子的预言就是一个成功的典型例子。尽管我们不知道光子和电子的具体样子，也不知道能量转换成物质的工作过程，可从电子运动方程解的对称性，我们就可以推测反电子的存在。

需要补充说明的是，对称性的破缺机制并不是对对称性的破坏，而是一种更神奇的对称方式，这是超对称理论给我们的答案。

造物主是建筑设计师，而不是修鞋匠，他按照对称去构造，再巧妙地破缺对称，使得大千世界生动，这是他的建筑思想。正因为如此，基始理论追踪者认为造物主的意图是可以猜测的。

第五篇：近代物理隧道扫描报告

近代物理实验报告

(四)

摘

要：本文介绍了扫描隧道显微镜的原理、结构及其关键部件针尖。详细阐述了利用扫描隧道显微镜观察样品的实验步骤。得到了石墨原子排布图像，并对实验结果进行了分析。介绍了其再实验方面的其他应用和仪器存在的局限性和改进方向。

关键词：扫描隧道显微镜 量子隧穿

引言

1924 年德布罗意预言了一切微观粒子都具有波粒二象性;1927 年戴维孙等人的电子衍射实验证实了德布罗意的预言.微观粒子具有波粒二象性的一个重要结果就是隧道效应 ,扫瞄隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope ,STM)就是在此基础上发展起来的. 1982 年世界上第一台 STM 问世 ,它不仅能够显示物质表面的原子分布 ,并且可借助它对原子进行移动操作 ,使得人们可在实空间获得原子尺度分辨率的表面信息. STM 的出现极大地延伸了人类视觉感官的功能 ,人类的视野第一次深入到原子尺度 ,它不仅是显微科学技术的一次革命 ,在物理学、 化学表面科学、 材料科学、 生命科学等领域都获得了广泛的应用 ,被公认为 20 世纪 80 年代十大科技成就之一 ,标志着一个科技新纪元即纳米科技时代的开始。本文主要介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用方法。

正文

一、扫描隧道显微镜的原理

根据量子力学原理，粒子可以穿过比它能量更高的势垒。这种现象称为隧道效应,它是由于粒子的波动性而引起的,由量子力学可计算出穿过势垒的透射系数为：

由式中可见 ,T与势垒宽度a,能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系,随着势垒宽度a的增加,T将指数衰减 ,因此在一般的宏观实验中,很难观察到粒子隧穿势垒的现象。

扫描隧道显薇镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极,当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1mm),在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极,隧道电流I是电子波函数重叠的量度 ,与针尖和样品之间距离和平均功函数有关

式中Vb代是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数

扫描隧道显微镜

近代物理实验报告

(四)

A为常数,在真空条件下约等于1,隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝,如钨丝、铂—铱丝等,被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流,由上式可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系 ,当距离减小1mm隧道电流即增加约一个数量级,因此,根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息,如果同时对X，Y方向进行扫描,就可以直接得到三维的样品表面形貌图。

二、STM的结构

一般 STM的针尖是安放在一个可进行三维运动的陶瓷支架上,Vx、Vy、Vz分别控制针尖在x、y、z方向的运动.在 Vx、 Vy上施加电压使针尖沿表面作扫描,测量隧道电流并以此反馈控制施加在针尖竖直方向上的电压Vz使得针尖与表面的间距s不变.当 s变大时,I有变小的趋向,反馈放大器改变电压Vz导致s变小,反过来也一样.电压 Vz的值就反映了表面的轮廓.

一般说来隧道显微镜由三个大部分组成:隧道显微镜的主体、 控制电路、 计算机控制 (测量软件及数据处理软件).主体主要包括针尖平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构、系统与外界振动的隔离装置.这是STM的关键技术,STM是十分精密的仪器 ,任何微小的扰动都会引起电流的剧烈变化,因此需要严格的隔离防震措施来保证原子级的分辨能力和稳定的图象.针尖结构也十分关键,理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子 ,通常用钨或铂铱合金为针尖材料,经过场蒸发等特殊工艺制备成探针针尖.

三、STM的针尖和偏压

针尖相当于一个传感器 ,针尖的结构和功能决定着 STM 图像的分辨率和纳米操控加工能力,如果针尖足够的尖 ,只有一个稳定的原子 ,隧道电流就很稳定 ,就可以获得原子级分辨率的图像. STM利用隧道效应工作的 ,要求针尖必须是导电的,

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目前常用的针尖材料有钨(W)和铂铱( Pt2Ir)合金 ,含量为75%的铂和25%的铱.电化学腐蚀法用于钨针尖的制备 ,机械成型法用于铂铱针尖的制备.对于更精确的科学研究也常用电子沉积法和场致蒸发法制备针尖.对针尖的研究是当前STM研究的课题之一. 根据前面的讨论 ,针尖和样品的间距小于 1 nm时,电子有一定的概率穿透势垒到达另一极,若不加偏压,针尖上的电子以一定透射率穿透势垒到达样品,同时样品表面上的电子以几乎相同的透射率穿透势垒到达针尖 ,观察不到隧道电流 ,如果在针尖和样品间加上一定的电压 ,可以证明在保持间距不变的条件下 ,隧道电流与偏压成正比 ,偏压的作用就是为了提高针尖上电子的能量,使针尖上的电子比样品上的电子以更大的透射率穿过势垒 ,形成隧道电流.偏置电压控制在多大最为合适,既有利于电子转移,又不会因为电化学反应对针尖有腐蚀,这也是当前 STM 研究的课题之一.

四、实验步骤

1、使用前先检查连线是否连接正确(机座与控制箱、电脑与控制箱、电源)。

2、先启动电脑，等电脑进入win—XP界面后在打开控制箱电源开关，然后打开桌面上AJ-Ⅰ扫描隧道显微镜的控制软件，软件打开后首先对显微镜进行校正(显微镜>校正>初始化)， 选定通道零，然后点击“应用”，最后确定。

3、打开如下图框：高度图象(H)、马达控制(A)，再点击一次马达控制(A)的“单步进”。

4、剪针尖：首先将丙酮溶液对针、镊子和剪刀进行清洁，少等片刻让针、镊子和剪刀完全干燥。下面开始剪针尖：将镊子夹紧针一端，另一端则为我们要剪的针尖，慢慢转动剪刀使剪刀和针成一定角度(30度-45度)快速剪下，同时拌有冲力(冲力方向与剪刀和针成的角度一致)，然后以强光为背光对针尖进行肉眼观察(建议观察

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者视力较好)，看是否有比较尖锐的针尖。若无，请重复此项操作，若有操作继续。

5、安装针尖：小心的将针尖插入探头的针槽内(切勿插反)，插入时保证针与针槽内壁有较强磨擦力，以确保针的稳固。然后将样品平稳的放到扫描管的扫描平台上。

6、进针：机座上有三个高度调节旋钮，前置两个为手动调节旋钮，后一个为马达驱动控制旋钮，先手动调节前置旋钮，从上往下看，顺时针为进针，逆时针为退针，调节时先在石墨平面上找到镜像小红灯，同时调节视点在镜像小红灯平面上找到实际针尖的镜像针尖，调节实际针尖和镜像针尖的距离。调节至实际针尖与镜像针尖的距离无法欲知再调节下去是否撞针时，采用自动进针。(调节时若看到Z高度显示(T)中的红线是否有撞针现象，红线到达顶部即为撞针，一般情况下针尖报废，如针未报废，重复上两步操作)点击马达高级控制面板(A)中的“连续进”并密切注意观察进针情况，待“已进入隧道区马达停止连续进”的提示框出现后，在点击提示框的“确定”，然后进行单步进操作。用鼠标点击马达高级控制面板(A)中的“单步进”，调节红线于中间位置时停止，进针结束，并关闭“马达高级控制面板(A)”图框。

7、针尖检验：打开“Iz曲线Z”图，观察图象中的电流衰减情况，图象中曲线越陡峭说明针尖越好;反之，针尖不好!

8、扫描：

将扫描控制面板中的“扫描范围”参数设置为最大，在将“显示范围”参数设置为10nm(一般5-20nm)，其它参数无须设定保持默认值。由于本实验所用的针尖不够好，所以不需要采取悬挂防震。

在高度图像中颜色的深浅变化代表样品表面凹凸变化(颜色越亮样品表面就越突出,颜色越浅表面就越下凹)。高度曲线的变化已经很直观的反映样品的平整度状况，再结合高度曲线和高度图像进行操作，选定一片较为平整的区域为扫描区域!(最好选择靠近中间的区域)

9.实验结束：先用鼠标点击高级马达控制面板中的“连续退”，退到1000步左右停止。将扫描控制软件关闭，关掉控制箱电源!再关掉电脑，将实验工具整理和清洁。

五、实验结果与结果分析

1、石墨的原子排列结构

在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。因此也归类于金属晶体。

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石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。

2、STM扫描图像

2.1扫描范围为20nm*20nm

扫描放大图像

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从这张扫描图像中我们可以大致看出石墨表面的结构，其表面并不平整，而是通过原子的键合实现的，原子与原子之间并不是一个紧挨着一个，当中存在空隙，所以会出现颜色较深的区域。颜色较浅的点为原子的实体，而较深的区域为空隙。但是通过这样一幅图像还不能看出原子之间键合后成怎样的集合图形。所以我们缩小扫描范围，来观察其细致结构。

2.2扫描范围为10nm*10nm

扫描放大图像

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从这张图像我们可以看出，原子的排布比较清晰，但是从上面的图形判断碳原子好像是以四边形排布的，可能是由于各项参数没有调整好，或者针尖没有达到单原子那种状态，图像显示没有太清晰，我们继续缩小视野范围。

2.3扫描范围为4nm*4nm

扫描放大图像

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从这幅图像上我们可以比较清晰的看到他的原子排布特点了，如上图所示，虽然不算太清楚，但大致的六边形的轮廓还是出现了。 2.4几次尝试

我们再次改变扫描半径、比例增益、积分增益、设置点、偏压等，都没有达到很好的效果。

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六、扫描探针显微技术的应用

SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有明显的优势： 首先，SPM得到的是真实的样品表面、原子级别的高分辨率图象。而不同于某些 分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。其次，由于STM在扫描时不接触样品，又没有高能电子束轰击，可以避免样品的变形。而且，它的使用环境宽松，不仅可以在真空中工作，还可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。SPM应用领域十分宽广。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。比如，目前人们已利用STM直接观察到DNA、RNA和蛋白质等生物大分子及生物膜等结构。

具体而言，基于扫描探针显微技术和光学技术的单分子科学方法，使人们初步实现了直接研究和操纵单个原子和分子。如利用SPM确定单分子在衬底表面的吸附取向;直接观测单个小分子的离解反应;对单个分子内的化学键进行选择性加工，并利用分子自身的特性，制备具有特殊性质的电子学器件;直接测量单个共价键强度，研究分子与表面成键特征、电荷转移效应和衬底对分子电子结构的影响;研究生物大分子在溶液中切割，单链折叠和组装过程。同样的，也可以利用AFM技术通过拆分DNA双链来测量DNA的两条链间碱基配对的作用力等等。

此外，SPM技术，尤其是STM和AFM技术已成为分析纳米结构的有力的常用技术手段。利用这些先进技术，进行纳米结构的单分子识别与控制，构筑纳米结构基元，还可以准确快捷测定各种纳米结构与性能。

七、扫描隧道显微镜的局限性和改进

扫描隧道显微镜至问世以来，已迅速成为许多实验室的常规仪器，随着其应用研究的深化和扩展，其弊端和不足也日益显现。主要表现在以下三个方面：(1)扫描探针对观测具有高取向结构的表面，可获得比较明确的解析，而对绝大部分多晶或非晶材料的STS图象解释难度很大;(2)SPM技术只能获得表面结构形貌图象，缺乏化学敏感性，难以与表面微区化学组分、微区电化学相互关联。鉴于此，发展复合型扫描探针技术已成为国际研究热点，如近年来发展的近场扫描光学显微镜(NSOM)，可同时直接测量表面微区化学组分和表面微观形貌。同时，国际上还开始探索研制各种联用技术，已获得更新、更深层次的研究信息，使人们对客观世界的认识得一不断的深化。

参考文献

[1]近代物理实验讲义 浙师大数信学院近代物理实验室

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