《基础物理实验III》

课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称、所属专业、课程性质、课程类型、学分；

课程名称：基础物理实验III （普物光学实验）

课程英文名称：Fundamental Physics ExperimentsIII

所属专业：物理学、原子核物理等

课程代码：未知 学时数：72 学分数：2

学时分配：实验课72

课程类型：专业必修

（二）课程简介、课程教学目标（清晰描述学生通过课程学习后获得的知识、能力和素质维度）与任务；

课程简介：基础物理实验III（普物光学实验）是普通物理实验的最后一个阶段，经过前面两个学期的实验训练（力热实验、电磁学实验），学生对物理实验的基本原理、方法和手段有了初步的了解以后，本课程之期对光学的主要原理、现象、应用以及基本的光学实验思想、方法和仪器等有一定程度的了解，并在此基础上，综合引申提高，为进一步的理论学习、实验训练和科学研究打下坚实的基础。

课程教学目标与任务：

1.学习光学实验的基本实验方法和操作技能，正确使用光学基本仪器；

2.熟练掌握光学实验中基本光路的调节与相关物理量的测量方法；

3.正确记录实验过程，实验数据，处理和分析实验数据，正确规范地撰写实验报告；

4.在理解和掌握基本理论的同时，培养学生观察问题和解决问题的能力，使学生在解决实际问题中，提高动手能力和设计能力。培养知识面广、能力强、了解最新光学技术发展的高等人才。

（三）课程教学目标与培养目标的关系（课程目标能体现对培养目标的内涵覆盖和支撑强度）；

本课程对学生达到如下毕业要求有贡献：

课程目标	支撑的毕业要求	支撑强度
学习光学实验的基本实验方法和操作技能，正确使用光学基本仪器。	具备较强的实验和实践能力。能够使用现代实验设备进行观测、测试和分析，具有在实践中发现、认识和解决问题的能力。具有综合应用知识解决问题的能力、实验能力、计算机及信息技术应用能力、团队协作能力。	L
熟练掌握光学实验中基本光路的调节与相关物理量的测量方法。	具有物理学专业综合能力和创新能力，对近代物理学和物理学的新发展在高技术与生产中的应用，以及与物理学相关学科和技术的新发展有所了解，能够对本学科以及交叉学科领域问题进行综合分析和研究，构建和表达科学的解决方案。	M
正确记录实验过程，实验数据，处理和分析实验数据，正确规范地撰写实验报告。	具有物理学专业综合能力和创新能力，对近代物理学和物理学的新发展在高技术与生产中的应用，以及与物理学相关学科和技术的新发展有所了解，能够对本学科以及交叉学科领域问题进行综合分析和研究，构建和表达科学的解决方案。	M
在理解和掌握基本理论的同时，培养学生观察问题和解决问题的能力，使学生在解决实际问题中，提高动手能力和设计能力。培养知识面广、能力强、了解最新光学技术发展的高等人才。	具有良好的沟通表达能力，较好的书面和口头表达能力、具备撰写学术论文，参与学术交流的能力、应用外语的交流能力、向社会公众传播科学普及知识的能力。	M

（四）支撑课程目标的教学内容与方法（教学内容与方法的设计能体现以知识为载体、以解决问题的能力培养为目标的指导思想，支撑课程目标达成）；

实验教学内容与方法：以课前预习问题、课堂教学、课后报告、提问探讨相结合的课程教学方法来开展。

课程目标	目标达成的途径	主要考核方式
学习光学实验的基本实验方法和操作技能，正确使用光学基本仪器。	内容：学习光学实验的基本实验方法和操作技能，正确认识和使用光学基本仪器。 途径：课堂讲解、线上学习、课堂讨论、课堂操作，课后学习。	课前预习、课堂讨论、过程评价，期末考试
熟练掌握光学实验中基本光路的调节与相关物理量的测量方法。	内容：基本光路的调节，相关物理量的测量方法。 途径：课堂讲解、线上学习、课堂讨论、课堂操作，课后学习。	课前预习、课堂讨论、过程评价，期末考试
正确记录实验过程，实验数据，处理和分析实验数据，正确规范地撰写实验报告。	内容：记录实验过程，实验数据，处理和分析实验数据，撰写实验报告。 途径：课堂讲解、线上学习、课后学习	课前预习、课堂讨论、过程评价，期末考试
在理解和掌握基本理论的同时，培养学生观察问题和解决问题的能力，使学生在解决实际问题中，提高动手能力和设计能力。培养知识面广、能力强、了解最新光学技术发展的高等人才。	内容：思想品格、科研素养及创新能力培养。 途径：课程教学全过程、课程思政等方式	课前预习、课堂讨论、过程评价，期末考试

（五）先修课程要求，与先修及后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；

先修课程：《光学》、《基础物理实验I》、《基础物理实验II》

先修课程为本课程提供理论知识。同时使学生对实验的数据处理，一般的实验方法、原理及仪器有相当程度的掌握。

（六）检验课程目标达成度的考核方法和评分标准（针对不同类型的课程目标有恰当的考核方式，有针对课程目标的评分标准，及格标准能体现目标达成的底线，特别是非试卷类考核）；

课程的最终考核结果为百分制，结合平时成绩和期末考试成绩综合评定出最终总成绩。

平时作业占总成绩50%，包括课堂讨论、课后调研和考勤，期末成绩占50%。

成绩构成	评价依据	对应课程目标
课前预习10%	基本内容的掌握程度	1、2、3
课程过程20%	基本内容的熟练程度	1、2、3
课后实验报告、课程总结20%	所学内容的扩展程度	1、2、3
期末考试50%	综合能力运用。全面考核学生对各知识点理解和掌握，覆盖大纲要求，以卷面成绩50%计入总成绩。	1、2、3、4

1.作业评分标准

A（90-100）：作业态度认真，能够按时并足额完成作业，且正确率达到90%以上，作业干净整洁，书写规范；

B（80-89）：作业态度认真，能够按时并足额完成作业，且正确率达到80%以上，作业干净整洁，书写较为规范；

C（70-79）：作业态度认真，能够按时并足额完成作业，且正确率达到70%以上，书写较为规范；

D（60-69）：作业态度认真，能够按时并足额完成作业，且正确率达到60%以上，书写较为规范；

2.课堂讨论、课后调研和考勤

A（90-100）：积极回答课堂提问，认真完成课后调研题目，考勤全部出勤

B（80-89）：回答课堂提问，能够完成课后调研题目，出勤率90%以上

C（70-79）：不能回答课堂提问，参与完成课后调研，出勤率90%以上

D（60-69）：不能回答课堂提问，未参与课后调研，出勤率90%以上

3.考试评分标准

根据课程教学要求，试题应能全面考查课程指标点的完成情况，主要考核学生对各知识点的掌握和应用程度，以卷面成绩为准。

（七）教材与主要参考书目。

教 材：《大学物理实验》，李健等，商务印书馆，2022年5月第一版

主要参考书：杨葭荪译，光学原理，北京：科学出版社，1978.

钟锡华，现代光学基础，北京：北京大学出版社，2003.

吕斯骅，段家忯，基础物理实验，北京：北京大学出版社，2002.

朱鹤年，新概念物理测量引论，北京：高等教育出版社，2007.

二、课程内容与安排

（一）教学方法与学时分配

光学实验课程，讲授与实验操作相接结合，根据学时要求安排若干必修实验题目和选修题目。必修每个实验4学时，选修实验学时视具体内容而定，一般不低于每个实验4学时。

（二）课程基本要求及内容

光学实验课程要求：

1 课前预习：课前预习是上好实验课的基础和前提。课前预习的基本要求是认真阅读教材中的有关内容（必要时还需要查阅有关的参考资料）、弄清要观测哪些物理量、测量哪些物理量、明确哪些物理量是直接测量、哪些物理量是间接测量、用什么样的方法和仪器测量等等。在此基础上写出预习报告。

预习报告：预习报告要求简要写出实验原理、实验公式，画出主要的示意图，设计表格用以在实验过程中记录数据，没有预习或未提交预习报告者将视情节扣分或取消本次实验成绩；

2 课堂实习：课堂实习是实验课的重要环节，学生进入实验室后按下列要求进行实验：

(1) 认真听取教师对本实验的要求、重点、难点和注意事项的讲解；对照仪器，仔细阅读有关仪器的使用说明和操作注意事项；进一步明确本实验的具体要求。

(2) 熟悉仪器结构，将实验仪器调节至水平或垂直等正确使用的状态。

(3) 实验中必须仔细观察、积极思维、认真操作、防止急躁。要在实验所具备的客观条件下(如温度、压力、仪器精度等），进行认真实事求是的观察和测量。要初步学会分析实验，遇到问题时应冷静地分析和处理；仪器发生故障时也要在教师的指导下学习排除故障的方法；在实验中有意识的培养自己的独立工作能力。

(4) 实验记录是计算结果和分析问题的依据，在实际工作中则是宝贵的资料。要把实验数据细心的记录在预习报告的数据表格内。此外，还应记录环境温度、湿度、气压等实验件，仪器型号规格与编号，以及实验现象等。

3 课后小结：在充分分析实验现象、结果，理解实验原理的基础上写出实验报告。实验报告是实验工作的总结，是交流实验经验的材料，要求字体工整，文理通顺，图表规矩，结论明确，逐步培养以书面形式分析总结科学实验结果的能力。实验报告的基本内容：

（1）实验名称、实验者姓名、实验日期。

（2）实验目的。

（3）实验原理 用自己的语言对实验所依据的理论做透彻叙述，不要照抄书本，并附有必要的公式和原理图。

（4）实验内容 概括地、条理分明地说明实验所进行的主要程序，观察了哪些物理现象，测量了哪些物理量，并说明这些观测中所采用的方法。

（5）数据记录与处理 将原始记录数据转记于报告上（原始数据也应附在报告上），该列表的列表，该作图的作图。计算按照有效数字的运算法则进行，并求出结果的不确定度，正确运用不确定度表示实验结果。

（6）结果的评价及讨论 该部分要明确给出实验结果，并对结果进行有效讨论（如实验中观察到的现象分析、误差来源分析、实验中存在的问题讨论、回答实验思考题等）。也可对实验本身的设计思想、实验仪器的改进等提出建设性的意见。

（7）完成课后实验问题

光学实验课程内容：

（1）绪论课：光学实验基础知识（重点掌握）

（2）必做实验十二个：

实验一：薄透镜主焦距的测定

【实验目的】：

1、掌握薄透镜焦距测定的基本原理和方法，学会在光具座上的各光学元件的共轴调节（重点掌握）；

2、掌握透镜的成像性质（掌握）；

3、了解视差在光学实验中的应用（了解）。

【仪器用具】：光学导轨、光具座、白光光源（含滤光片及毛玻璃）、光屏、平面镜、被测透镜等。

【教学要求】：透镜成像规律，自准原理，共轴调节，判断误差、系统误差及其消除；

像缺，伪像，视差法及其应用。

【实验内容】：

1、两次成像法调节光具座上各光学元件共轴；

2、自准法、位移法测量正透镜的焦距；

3、视差法、组合法测量负透镜的焦距；

4、成像规律研究。

实验 二：牛顿环

【实验目的】：

1、掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法（重点掌握）；

2、通过实验加深对等厚干涉原理的理解（掌握）；

【仪器用具】：读数显微镜、钠光灯、牛顿环仪、计算机自动采集系统。

【教学要求】：等厚干涉、牛顿环及其特点、光学检测、半波损、逐差法、读数显微镜的使用、回程差、实验中各种误差来源及消除（减小）方法。

【实验内容】：

1、通过测量牛顿环直径计算透镜曲率半径；

2、透镜凸面偏离球面的检测。

实验三：光偏振的基本现象

【实验目的】：

1、观察光的偏振现象（重点掌握）；

2、加深对菲涅耳公式的理解（重点掌握）；

3、了解产生和检验偏振光的基本方法（重点掌握）；

4、观察双折射现象（掌握）。

【仪器用具】：光学平台、光具座、偏振片、波片、激光光源、光屏等。

【教学要求】：光的各种宏观偏振态及其产生、转化和检验，马吕斯定律、布儒斯特定律，产生线偏振光的几种实验方法，常用偏振器件，双折射现象，偏振光的干涉，显色偏振，光测弹性。

【实验内容】：验证布儒斯特定律；

1、验证菲涅耳公式；

2、观察双折射现象；

3、观察偏振光的干涉现象；

4、产生和检验光的各种偏振状态；

5、显色偏振。

实验 四：分光计的调节与使用

【实验目的】：

1、了解分光计的结构和各部件的使用（重点掌握）；

2、掌握分光计的调节要求和调节方法（重点掌握）；

3、学会用分光计测量角度（掌握）。

【仪器用具】：分光计（含平面镜）、钠光灯、三棱镜等。

【教学要求】：光谱仪器的基本结构、分光计的基本组成，分光计的调节要求及其调节原理，视度、聚焦、自准、共轴、视差法等光学实验基本调节方法在分光计调节中的应用，渐近法、降维调节，角度测量方法，投影误差、偏心差及其消除方法。

【实验内容】：

1、用渐近法调节分光计；

2、自准法测量三棱镜的顶角；

3、反射法测量三棱镜的顶角。

实验 五：衍射光栅

【实验目的】：

1、了解光栅的分光原理（重点掌握）；

2、观察光栅光谱的特点（重点掌握）；

3、测定光栅常数、角色散率和色分辨本领（重点掌握）；

4、复习分光计的调节和使用（掌握）。

【仪器用具】：分光计（含平面镜）、水银灯、光栅等。

【教学要求】：光栅及其类型，光栅常数，光栅光谱，光栅方程，分光本领，角色散、色分辨，瑞利判据，最小偏向角法，波长测量。

【实验内容】：

1、调节并观察衍射光栅光谱；

2、测定光栅常数及角色散本领；

3、测定光波波长及色分辨本领；

4、观察棱镜光谱，并比较光栅光谱与棱镜光谱的各自特点；

5、用最小偏向角法测量光波长。

实验 六：用分光计测量物质的折射率

【实验目的】：

1、学会用最小偏向角法和折射极限法测量物质的折射率（重点掌握）；

2、进一步熟练分光计的调节和使用（掌握）。

【仪器用具】：分光计（含平面镜）、钠光灯、三棱镜、毛玻璃、滴瓶等。

【教学要求】：最小偏向角法，折射极限法，常用折射计的结构及原理。

【实验内容】：

1、用最小偏向角法测量三棱镜折射率；

2、用折射极限法测量三棱镜的折射率；

3、用折射极限法测量蒸馏水的折射率。

实验 七：迈克尔逊干涉仪（一）

【实验目的】：

1、了解迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调节方法（重点掌握）；

2、观察非定域干涉条纹，测定He-Ne激光波长（掌握）；

3、观察等倾干涉条纹（掌握）；

4、观察Na光条纹可见度变化规律，测量Na光D双线波长差（重点掌握）。

【仪器用具】：迈克尔逊干涉仪、光学导轨及光具座、短焦距透镜、毛玻璃屏、升降台、钠光灯等。

【教学要求】：迈克尔逊干涉仪结构及基本调节方法，等倾干涉，波长及光谱精细结构测量方法。

【实验内容】：

1、调出并观察非定域干涉条纹；

2、测定He-Ne激光波长；

3、调出等倾干涉条纹观察条纹随光程差的变化规律；

4、测量Na光双线波长差。

实验 八：迈克尔逊干涉仪（二）

【实验目的】：

1、观察等厚干涉条纹、白光干涉条纹（重点掌握）；

2、学会利用M-干涉仪测定透明物体厚度和气体折射率（重点掌握）；

3、加深对相干长度和相干时间概念的理解（掌握）。

【仪器用具】：迈克尔逊干涉仪、光学导轨及光具座、短焦距透镜、毛玻璃屏、升降台、白炽灯、钠光灯、盖玻片、气室等。

【教学要求】：等厚干涉，定域面，白光干涉，精确测长、气体折射率测量的一般方法，相干长度及其测量方法。

【实验内容】：

1、调节并观察等厚干涉条纹；

2、观察白光干涉条纹；

3、测量固体薄片厚度；

4、测量空气折射率；

5、测量Na光的相干长度。

实验 九：全息照相

【实验目的】：

1、了解全息照相的原理（重点掌握）；

3、掌握拍摄全息图和在现物波前的方法（掌握）。

【仪器用具】：全息台、光具座、激光光源、定时曝光器、分束镜、反射镜、光屏、透镜、小物体、全息干板等。

【教学要求】：全息术的一般原理及其主要应用，离轴全息光路安排，成功拍摄全息图要保证的基本条件，全息照相与普通照相的主要区别。

【实验内容】：

1、布置光路并拍摄全息图；

2、暗室处理（显影、定影）获得全息照片；

3、再现原物立体像。

实验 十：阿贝成像原理与空间滤波

【实验目的】：

1、了解阿贝成像原理，傅立叶变换在光学成像系统中的应用（重点掌握）；

2、加深对光学空间频谱和空间滤波概念的理解（掌握）。

【仪器用具】：光学导轨、光具座、激光光源、减光片、透镜、滤波器、光屏、白光光源、θ调制板等。

【教学要求】：阿贝成像原理、傅立叶光学、空间滤波、显色滤波。

【实验内容】：

1、阿贝成像原理实验；

2、高频滤波；

3、低频滤波；

4、θ调制实验。

实验十一：光电效应

【实验目的】：

1、通过光电管I-U特性曲线的测定，熟悉光电效应的规律（重点掌握）；

2、了解光的量子性，测定金属的红限频率（重点掌握）；

3、验证爱因斯坦光电效应，测定普朗克常数（掌握）。

【仪器用具】：光电效应实验系统、水银灯、干涉滤波片、减光片等。

【教学要求】：光电效应的基本实验规律，减速电位法测量原理，暗电流、反向饱和电流及阴极氧化的影响，拐点法、交点法，干涉滤光，光电效应实验装置操作注意事项。

【实验内容】：

1、观测并记录光电管暗电流；

2、测量光电管的伏安特性

3、处理数据，获得金属红限频率及普朗克常量。

实验十二：菲涅尔双棱镜

【实验目的】：

1、观察双棱镜的干涉现象（重点掌握）；

2、测定光波长（重点掌握）；

3、掌握测微目镜的使用方法（掌握）。

【仪器用具】：钠光灯、测微单缝、双棱镜、薄透镜、测微目镜、光学导轨及光具座、计算机自动采集系统。

【教学要求】：相干条件、双光束干涉及其装置、干涉反比关系、干涉条纹的分布及变换规律。

【实验内容】：

1、观察干涉条纹的变化规律；

2、测定光源波长。

（3）光学选做实验六个：

实验十三：光通讯与激光窃听

【实验目的】：

1、了解光传输信号的一般原理及方法（重点掌握）;

2、掌握激光监听的原理及基本装置（掌握）。

【仪器用具】：光通讯实验系统

【教学要求】：光通讯的基本原理、装置，光电转换，激光监听原理，监听光路安排要求。

【实验内容】：

1、给定光源通讯的对比研究;

2、信号传输；

3、安排调试光路获得监听信号；

4、研究监听效果与光路各参数之间的关系。

实验十四：数字全息

【实验目的】：

1、了解数字全息术的基本原理（重点掌握）；

2、掌握一些简单的全息干涉测量方法（重点掌握）；

3、深入训练光学系统的调整（掌握）。

【仪器用具】：数字全息实验仪

【教学要求】：维形貌测量、物体形变测量、粒子场测试、数字全息显微、防伪、三维图像识别、医学诊断

【实验内容】：透射式数字全息、反射式数字全息、温度场测量、应力场测量、物体微小位移形变测量。

实验十五：相衬法

【实验目的】：1.了解相衬法的基本原理（重点掌握）

2.熟悉相衬显微镜的使用（掌握）。

【仪器用具】：相衬显微镜、透明样品等。

【教学要求】：傅立叶光学、滤波、相衬法、相衬显微镜。

【实验内容】：自行设计实验内容。

实验十六：光学传递函数与像质评价

【实验目的】：

1、深入了解光学传递函数的基本理论（重点掌握）；

2、了解光学传递函数测量的基本原理（重点掌握）；

3、掌握传递函数的测量和像质评价的基本方法（掌握）。

【仪器用具】：光学传递测量系统

【教学要求】：像质评价、光学传递函数、MTF曲线。

【实验内容】：自行设计实验内容。

实验十七：自组装显微镜与望远镜

【实验目的】：

1、了解助视仪器的基本结构及原理（重点掌握）;

2、掌握简单的显微镜与望远镜的组装技术（掌握）。

【仪器用具】：光学平台、光具座、透镜、白光光源、分化板、半透半反镜、平面镜、光屏等。

【教学要求】：显微镜望远镜的设计原理，色差、像差，显微镜的分辨本领、望远镜的分辨本领。

【实验内容】：

1、组装简单的显微镜及望远镜并测量其放大率;

2、研究助视仪器成像及放大率与各参数之间的关系。

实验十八：光的衍射

【实验目的】：

1、学习光学平台上的实验光路的安排与调节（重点掌握）；

2、了解利用计算机自动控制测量光强的原理和方法（重点掌握）；

3、加深对衍射现象的理解（掌握）。

【仪器用具】：衍射光强记录仪、衍射元件。

【教学要求】：衍射、衍射光强分布、光强测量。

【实验内容】：

1、在光学平台上进行光路的组装和调节；

2、熟悉自动控制程序的使用；

3、观察并测量不同元件产生的衍射图样的光强分布谱并与理论值进行比较。

（4）虚拟仿真实验

1.迈克尔逊干涉仪

2.分光计实验

3.偏振光的观察与研究

4.干涉法测微小量

5.椭偏仪测折射率和薄膜厚度

6.光强调制法测光速

7.光纤光栅制作与传感

8.利用迈克尔逊干涉仪测定压电陶瓷的压电常数

9.望远镜系统参数测量实验

制定人：

审定人：

批准人：

日 期：