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 物理实验教学分中心简介 

 

 

      物理实验教学分中心是全校大学生进行物理实验课程学习和研究的基地,隶属于自然科学基础实验中心,国家工科物理基础课程教学基地。多年来,贯彻“以人为本,注重基础,创建特色,软硬完善,与时俱进”二十字方针,树立了以学生为本,培养学生实验能力和创新能力为核心的教学理念,形成了符合人才培养目标,以学科和科研为支撑,能够反映现代实验教育思想和先进实验技术水平的实验体系及运行体制。中心2005年被评为北京市实验教学示范中心,大学物理实验课为北京市精品课程。2007年,大学物理实验教学团队被评为北京市优秀教学团队。

      实验室现有面积近二千平米,仪器设备总值约一千五百万元,其中单价10万元以上的大型设备12台。

      物理实验教学中心承担着全校理科、工科物理实验教学任务,设有演示物理实验室、基础物理实验室、电磁学实验室、光学实验室、近代物理实验室、现代物理实验室、光信息技术实验室、传感测试技术实验室、低维材料及物理电子学实验室等实验室以及多媒体教室,全面实现多媒体教学和开放、研究性实验教学,面向全校开出基础物理实验,理科电磁学实验、理科光学实验、理科近代物理实验、理科现代物理实验、光信息技术实验、传感测试技术实验等必修实验课和演示物理实验、近代物理实验、光信息技术实验等公共选修课,每年实验人时数超过20万。

     物理实验中心现有专职实验技术人员10人;任课教师20余人,其中有教授8人,副教授8人,讲师6人,教师中具有博士学位9人,硕士学位8人。

一、基础物理实验室

      

     传感器                                                                 空气比热容 

          

         镀膜仪                                                                               受迫振动 

     

         分光仪                                                                       迈克耳逊干涉仪 

    

            PN结                                                                      单色仪 

    

          光电效应                                                                         设计性实验

 

      基础物理实验室是一个开放性实验室,拥有14个实验室,面向全校理工科约24个专业的学生开设实验,主要承担理、工科学生必修I、II级物理实验,受益学生人数约为2800人/年。

基础物理实验室的特色:依据教学目标、实验难易程度,进行了分层次教学。将I、II级物理实验分成三个层次:(1)基础实验----基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能和基本测量方法的学习训练与误差分析等;(2)综合和设计实验----涉及到力、热、电、光等物理技术的一些综合性实验和小型设计实验;(3)应用物理实验----以现代物理实验技术为主,涉及到多方面的应用技术。各层次教学之间不是简单机械地分开,而是具有一定地有机的重叠与交叉,形成了从低到高,从接受知识到培养综合能力的、逐层提高的新的层次化实验课程体系。

(1)基础实验涉及的实验项目有:

       基本测量(含长度、质量测量)— 基础物理实验室14;静态拉伸法测材料的弹性模量(含长度、质量测量)— 基础物理实验室1;弹簧振子运动规律的研究(归纳法、作图法)— 基础物理实验室3;用扭摆法测量物体的转动惯量(含长度、质量、时间测量)— 基础物理实验室7;空气比热容比的测定— 基础物理实验室2;电桥及使用(含用模块搭简易电桥)— 基础物理实验室10;示波器的使用、声速测量— 基础物理实验室8;分光仪的使用和光栅、棱镜分光仪— 基础物理实验室11;单色仪的使用— 基础物理实验室9.

(2) 综合和设计实验涉及的实验项目有:

      迫振动的研究— 基础物理实验室1;力学量和热学量传感器— 基础物理实验室3; 测量电阻的伏安特性(电阻、电流、电压测量)— 基础物理实验室4;夫兰克—赫兹实验— 基础物理实验室7;光电效应、全息照相— 基础物理实验室9;测量Fe-Cr-Al丝的电阻率— 基础物理实验室10;霍尔效应、高温超导电性测量— 基础物理实验室12;迈克尔逊干涉— 基础物理实验室13;PN结特性— 基础物理实验室14。

       上述综合、设计性实验项目,不仅包含了高新技术的综合应用,还锻炼了学生自主实验的能力。例如“高温超导材料电特性测试实验”综合了温度测量、低电阻四端法测量等实验内容,把普通物理实验的温度范围扩展到了液氮温度(77K),使学生接触到科研中的热点问题——高温超导材料;例如全息照相实验学生通过自己设计光路系统、上快门、调节曝光时间、显影、定影,最后物象再现就可以观察到与平时看到的平面照片不一样的三维图像。

(3)创新性实验涉及的实验项目有:

       直流溅射法制备金属薄膜、金属薄膜电阻的动态监测— 基础物理实验室2;薄膜电阻率测量— 基础物理实验室4;光的干涉——分振幅干涉(膜厚测量)— 基础物理实验室13.

创新性实验有如下特点:

1.拥有自主开发的实验仪器设备—真空镀膜仪,这是科研成果向实验教学转化的一个实例;

2.有自主设计的4个实验项目,内容如下:

       第一个实验是用直流溅射的方法制备金属薄膜,目前是制备银薄膜,这个实验主要是使学生学会和掌握当前科研和生产中最常用的一种薄膜制备方法及其原理,实验中使用的小型直流溅射镀膜机可以在抽真空几分钟后,开始镀膜,同科研、生产中常用的镀膜设备相比,大大缩短了镀膜时间,并且仪器操作简单,适用于工科普通物理教学。

       第二个实验是用干涉法测量薄膜的厚度,这是实际中常用的并且成本最低的薄膜测厚仪。学生们可测量在第一个实验中自己制备的金属膜的厚度,亲身体验用光学方法测量纳米级厚度的过程。

       第三个实验是用四探针法测量金属薄膜的电阻率,把四端引线测量低电阻的方法具体应用到测量金属薄膜的电阻率上,学生通过测量出在第一个实验中自己制备的金属膜的电阻率,掌握目前在科研和生产中最常用的一种测量金属薄膜电阻率的方法及其原理。通过这一实验还可使学生了解薄膜材料的电学性质同我们常见的块体材料的电学性质之间既存在差别同时也存在着联系。

     

 

 

 

       第四个实验是金属薄膜生长过程的原位动态监测,在通过第一、第二和第三个实验后,在学生了解了薄膜材料的一些基本知识的基础上,通过监测金属薄膜生长过程中电阻的变化,进一步了解薄膜材料的生长经历了一个从不连续结构到连续结构的过程。

      上述特色实验除了让学生学会和了解目前在科研、开发、生产中使用的物理制备和测量方法,使普通物理实验更加贴近当今高新技术外,还使学生了解一些基本的物理现象、巩固已学过的实验技能,如,辉光放电、原子发光、溅射现象、原子碰撞现象、气体分子散射现象、真空知识、四端引线测量低电阻的原理和方法、等厚干涉现象、欧姆定律等。

 

二、电磁学实验室

     

             理科电磁学(1)                              理科电磁学(2)

      电磁学实验是面向我校理科(物理和材料物理)学生的大学物理实验系列课程之一,是训练学生电、磁测量技能方面的重要环节,实验室现有仪器台套数30余套,主要开设的实验项目有:电场、磁场基本特性的认识、用模拟法测绘经电场、标定温差电偶的刻度、用非平衡电桥组装和标定电阻温度计、交流电桥、RC电路、冲击电流计的研究、逸出功的测定、电子荷质比(e/m)的测定、铁磁材料磁滞回线的测定、磁性材料居里点的测定、磁性薄膜磁电阻的测量、磁场分布、磁敏感元件特性研究等。

 三、光学实验室

    理科光学实验主要是面对物理系和材料系及科技创新的学生,实验内容有:几何光学、测量固体和液体的折射率、光栅分光仪、棱镜分光仪、超声光栅、单色仪、分振幅干涉、分波面干涉、激光散斑测量横向微小位移、迈克尔逊干涉仪、压电陶瓷振动的干涉测量、多光束干涉、菲涅耳衍射、夫朗和费衍射、旋光仪、偏振光、光学图像微分、全息照相(激光再现)、全息照相(白光再现)、光电效应等。

 

 

 

 

四、近代实验室

 

  

近代物理实验(1)                             近代物理实验(2)

       近代物理实验是一门涉及知识面广、综合性和技术性较强的实验课,在整个物理实验教学体系中具有承上启下的作用,它从近代物理的主要领域选取一些在物理学发展史中起过重要作用的著名实验以及在实验方法和实验技术上有代表性的实验进行教学。专注于实验的物理内涵的探索,引导学生用实验方法研究物理现象和规律,是培养学生的创新思维和实践能力的一个重要教学环节,历来是世界各国综合性大学物理类专业的必修课。

       实验室现有实验用房约140m2,设备共计200多 台(件), 每年承担着应用物理、材料物理专业本科生必修课,应用物理专业本科生专业选修课以及面向工科大三年级以上学生的公共选修课。共开出实验项目20个,涵盖了原子物理、材料科学、半导体物理、光谱学、真空技术、微波技术、低温技术、磁共振技术、现代测量技术等诸多方面。

       近代物理实验室一直在教学过程中坚持“教学与科研并举,以科研促进教学”的教学理念。在规范开展传统近代物理实验教学的同时,紧跟科学前沿开设研究创新型实验,培养学生的科学素养和创新能力。

       实验项目划分为若干模块单元,建成了微波技术、磁共振、晶体光学、材料物性、现代实验技术等6个系列化实验。近代物理实验教学内容注重突出探索性、研究型的实验特色,补充了大量具有设计型、综合型的近现代物理实验的教学内容,开出了许多研究综合型实验,在促进各学科的交叉和资源共享方面,取得了较好效果。

       实验室在确保本科实脸教学任务完成的同时,还充分利用现有实脸室条件,积极开展实验创新和科研工作,逐步建成教学与科研相结合的多功能开放实验室。

       开出实验教学项目20个,分别是:电子电荷e的测定、塞曼效应、微波基础、微波光学、核磁共振、电子自旋共振、光泵磁共振、铁磁共振、变温霍尔效应、原子力显微镜、氢-氘原子光谱、钠原子光谱、汞原子激发电位和电离电位的测定、用横振动法测量固体材料在高温下的弹性模量、LiNbO3晶体音频信号横向电光调制、振动样品磁强计、干涉显微镜、薄膜材料介电常数的测量、用反射式谐振腔测量微波介质材料的介电常数、真空镀膜。

五、演示实验室

  

       演示实验室以及配套的实验准备室,演示走廊,总面积为180㎡,设备总价值约40万元。实验室的建设原则是规模适度,功能多,内容与课堂教学结合紧密,科学气氛浓厚,布展灵活,富有学校特色的演示实验室。

演示实验主要分三类:

        一、与课堂教学结合紧密的实验,即传统的演示实验。这类实验可以使抽象的理论形象化,帮助学生理解理论课讲的物理内容。

        二、与高新技术有关的实验。如激光监听、激光测距、夜视仪、超声波测厚、红外线测温、声强计、GPS定位、卫星遥感等。这类实验除了使学生了解其物理原理之外,还可以激发他们热爱科学,勇于创新的精神。如学生在卫星遥感图像中找到他现在所在的实验楼或他所住的宿舍楼的窗户时,无不为现代高技术的水平所折服。

        三、与我校特色--材料相关的演示实验。开发了一些与材料测试、材料性质有关的演示实验,还开出了在显微镜下观察计算机芯片微结构的实验。我校奥运场馆的采光采用了一种叫光导管的技术,在场馆天顶上安装的光导管可以把太阳光从馆外导入,在馆内看的效果就像照明灯。为了说明这项高新技术,我们制作了一个示意装置,解释光导管的结构。实际上,这就是内表面镀有一层反射膜的圆筒。太阳光经多次反射到达下部。目前还没有国内厂家制作此类产品,其原因是国内还制不出反射率赶上国外的反射膜,因此,这是一个材料问题。学生了解了这个例子之后,都对材料在生产生活中的重要性有了较深的认识。也激发了他们学好知识,解决问题的欲望。

        实验室科学气氛浓厚,物理演示实验室不同于普通的物理实验室,它负有调动学生的求知欲望、探求科学真理的任务。实验室有一面以宇宙为背景的背景墙,并将一个演示硅光电池发电的中国神五卫星模型挂在墙上。背景墙上有一排大字“发现引领世界,创造改变未来”,标示了实验室鼓励观察,培养创新精神的宗旨。另一面墙上是一排广告画,均是历史上物理学的重大发现对技术发展的影响。物理演示走廊是提供给学生随时观察物理现象的开放性场所,学生只要动手按一下开关,就能看到演示效果。物理演示走廊中的一件镜面多次反射的演示箱上,写有几个大字:“物含妙理总堪寻”。为启发学生,实验台下面制作了一个小书柜,订阅了部分科普杂志,供学生阅读、思考。