课程简介

《开放创新实验》作为实践教学课程，针对物理学（拔尖学生）专业本科生开设。本课程教学内容为开放型与创新型物理实验，在前期普通物理实验和近代物理实验的基础上继续强化学生的实验方法与实验技能，以自主创新为导向，与科学研究前沿和生产应用相结合，实现以学生为主体的实验课程教学方式。本课程实验项目涵盖力热学、电磁学、光学和材料学四部分，通过本课程的学习，将使学生充分认识到物理实验在科学研究中的重要地位，在物理实验的方法和技能等方面受到全面系统的训练，掌握高级物理实验仪器的正确使用方法，加深对物理学前沿知识的理解和掌握，培养良好的科学素质、创新精神和实践能力，为后继科学研究工作的开展奠定扎实的实践基础。

课程目标

通过本课程理论及实践知识的学习，使学生达到以下目标：

课程目标1：能够通过实验对物理学相对高级的理论知识、概念和原理有更深入的理解；掌握高级物理实验中的研究方法。

课程目标2：掌握高级物理实验仪器的原理和性能，及其正确的使用、调节和读数方法；掌握数字化实验数据处理分析方法。

课程目标3：能够按实验要求搭建实验装置，设计合理的实验方案；具备一定的自主探究能力和自主创新能力；能够对实际物理问题进行分析和解决，具有良好的科学素养和科学研究创新能力。

课程目标4：强化团队协同合作精神，具有良好的人际沟通交流能力，能够以小组为单位完成既定实验任务。

教学内容、重难点和课时安排

（一）教学内容

实验项目与课程目标支撑关系总表

注：必做实验项目14个，45学时。选做实验项目3个，9学时。共54学时。

实验项目1  波尔共振与混沌摆综合实验（支撑课程目标1、2、3、4；6学时）

实验内容

（1）测量摆轮振幅θ与自由振荡周期T的对应关系；

（2）测定阻尼系数β与电流的关系；

（3）测定受迫振动的幅频特性和相频特性曲线；

（4）观察振动过程中的拍现象；

（5）观察混沌现象对初始条件的敏感性。。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）研究实验系统的自由振动；

（2）研究实验系统的阻尼振动，研究阻尼系数与励磁线圈激励电流的关系；

（3）研究实验系统的受迫振动、通过频闪法测定受迫振动的相位差、测定受迫振动的幅频特性和相频特性曲线、研究不同阻尼对受迫振动的影响；

（4）研究受迫振动中的拍频现象。

实验项目2  高速摄影动力学实验（支撑课程目标1、2、3、4；6学时）

实验内容

（1）单摆运动；

（2）平抛运动；

（3）弹簧振子简谐运动；

（4）动量守恒定律；

（5）自由落体运动。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）观测单摆的运动过程与轨迹，计算单摆周期，测量重力加速度；

（2）观测平抛运动过程与轨迹，将平抛运动分解为水平方向和竖直方向的运动，测量平抛运动的初速度；

（3）观测弹簧振子的运动过程，测量振动周期，测量弹簧的劲度系数；

（4）观测碰撞过程，测量碰撞前后物体的速度，验证动量守恒定律；

（5）测量自由下落物体速度与时间的关系，测量重力加速度。

实验项目3  临界现象观测及气-液相变过程p-T关系测定（支撑课程目标1、2、3、4；6学时）

实验内容

（1）抽取真空和充灌；

（2）测量不同温度下流体的压力；

（3）观测临界乳光现象。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）根据不同的蒸气压方程，对压力与温度的关系进行非线性拟合；

（2）计算平均摩尔汽化热和正常沸点并验证楚顿规则；

（3）根据测量电路原理图连接温度、压力测量电路；

（4）抽取真空和充灌，并观察充灌过程中的液化现象。

实验项目4  力电光综合实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）测量杨氏弹性模量/微小形变；

（2）学习箔式应变传感器/差动变压传感器的结构和原理；

（3）电桥测量原理、搭建和调整；

（4）运算放大器原理、使用和调整；

（5）定标的设计与实现；

（6）研究差动放大器的特性。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）掌握应变传感和变压器法；

（2）掌握单缝衍射和劳埃干涉法；

（3）掌握激光三角法；

（4）线阵CCD测量法；

（5）图像处理和激光散斑法。

实验项目5  电磁波综合实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）认识电磁波实验；

（2）位移电流验证实验；

（3）可视化电磁波感应器制作实验；

（4）实验电磁波传播特性实验（干涉法测量空间电磁波参量）；

（5）电磁波极化特性实验；

（6）天线增益实验；

（7）天线方向图绘制实验；

（8）定向天线实验。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）掌握电磁场与波的重点概念和特性；

（2）加深对电磁波传播规律、反射透射原理、天线辐射等原理的认识；

（3）掌握电磁波传播特性;

（4）掌握电磁波辐射特性描述的主要参数，以及参数的测量原理与方法。

实验项目6  磁学综合实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）霍尔效应及霍尔传感器；

（2）各向异性磁阻传感器；

（3）巨磁电阻传感器；

（4）隧道磁电阻传感器；

（5）长直螺线管磁场大小及分布；

（6）电磁铁空间磁场大小和分布；

（7）共轴线圈磁场大小和分布。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）研究四种常见磁传感器——霍尔传感器（Hall）、各向异性磁阻传感器（AMR）、巨磁电阻传感器（GMR）和隧道磁电阻传感器（TMR）的输出—输入特性；

（2）利用霍尔效应法测量教学上常见的三种磁场（螺线管、电磁铁和共轴线圈）的空间磁感应强度分布。

实验项目7  力热电磁综合实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）显示模块的校准；

（2）数字称量器的设计；

（3）灵敏度K_R的测定。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）了解非平衡电桥在传感技术中的应用;掌握压力传感器压力-电压变换特性；

（2）设计、组装、调试-台数字称量器。

 实验项目8  磁耦合无线电能传输实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）基本传输特性测试；

（2）负载R_L的变化，对负载功率P_L、传输效率τ的影响；

（3）耦合系数k_S1,2L对无线电能传输的影响；

（4）无线电能传输应用演示Led负载及其P_L、τ测量。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）了解耦合模理论在磁耦合谐振式无线电能传输中的应用；

（2）掌握等效电路方法分析磁耦合谐振式无线电能传输的原理；

（3）掌握磁耦合谐振式无线电能传输的特点；

（4）掌握磁耦合谐振式无线电能传输的影响因素。

实验项目9  晶体声光效应实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）声光器件频率特性测量；

（2）声光器件功率特性测量。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）理解声光互作用的原理，学习掌握CCD的基本工作原理，了解一种外调制技术；

（2）测量声光偏转曲线，做出偏转量与超声频率之间的关系曲线；

（3）计算超声在声光晶体中的传播速度；

（4）测量声光器件的3dB带宽；

（5）测量衍射效率与超声功率之间的关系，绘制声光调制曲线；

（6）观察喇曼-奈斯衍射现象。

实验项目10  数码光学实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）SLM基础性能研究；

（2）波动光学

（3）傅里叶光学。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）了解并掌握空间光调制器的工作原理；

（2）使用空间光调制器进行波动光学的研究；

（3）使用空间光调制器进行傅里叶光学的研究。

实验项目11  积木式光栅光谱仪设计与实践（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）积木光栅光谱仪的搭建；

（2）Hg灯光谱及光栅光谱仪标定；

（3）光源光谱的测量。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）学习并掌握光谱仪的物理原理及实验光路（Czerny-Turner结构）；

（2）通过光学仿真软件，完成虚拟光谱仪的设计，指导光栅光谱仪的实物搭建；

（3）完成光栅光谱仪的设计、搭建、调试；

（4）通过汞灯完成光谱仪的标定，并测试汞灯光谱；

（5）光栅光谱仪性能测试；

（6）其他光源光谱的测量。

实验项目12  组装式教学激光拉曼光谱（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）光路的搭建；

（2）降噪方法；

（3）拉曼光谱仪的标定；

（4）利用拉曼光谱仪进行检测；

（5）表面增强拉曼光谱的检测。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）初步学会搭建现代科学仪器；

（2）理解信号、噪音、分子信息的关系；

（3）领会创新的基本内涵：如何创造新工具解决具体问题。

实验项目13  液晶器件制备测试（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）液晶盒的制备；

（2）基片表面处理对液晶分子取向及织构的影响；

（3）TN液晶器件的电光特性研究。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）了解工业液晶盒的制备过程及工艺，熟悉实验室制备液晶盒的工艺流程；

（2）了解液晶技术行业中用于制备液晶盒的导电玻璃（ITO）表面的各种取向技术，掌握液晶显示器件中导电玻璃基片表面的取向技术，比较不同表面处理技术对液晶排列的影响，了解不同的取向技术对向列型液晶在液晶盒中排列的影响定性认识；

（3）在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压；

（4）测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间；

（5）测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。

实验项目14  变温霍尔效应实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）室温下霍尔电压、工作电压与工作电流的关系；

（2）室温下霍尔电压、工作电压与磁感应强度的关系；

（3）变温霍尔效应。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）了解半导体材料中载流子的激发机制和散射机构；

（2）了解霍尔效应的基本原理；

（3）了解磁阻效应的基本原理；

（4）掌握测量霍尔系数和电导率的两种方法。

（5）学会利用霍尔效应通过相关温度曲线获取材料信息的方法。

实验项目15  热电效应实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）热电材料实验；

（2）温差发电实验。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）测量室温下某型金属的塞贝克系数，并判断金属类型；

（2）测量室温下某型半导体的塞贝克系数，并判断导电类型；

（3）验证金属热电偶的均质导体定律、中间导体定律、参考电极定律和中间温度定律；

（4）测量不同温度下材料的塞贝克系数；

（5）测量加热功率Ph与TEG开路电压U，绘制U-Ph的关系曲线；

（6）测量TEC的输出伏安特性曲线并计算发电片内阻。

实验项目16  液晶电光效应综合实验（支撑课程目标1、2、3、4； 12学时）

实验内容

（1）液晶光开关电光特性测量；

（2）液晶的时间响应的测量；

（3）液晶光开关视角特性的测量。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压；

（2）测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间；

（3）测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件；

（4）了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。

实验项目17  总结报告综合讲评（支撑课程目标3、4、5； 6学时）

实验内容

（1）任选实验项目为主题做学术报告；

（2）小组间互评；

（3）教师综合讲评。

实验类别：综合设计型。

基本要求：

（1）各小组以学术报告的形式，选择自己完成的一个实验项目为主题做报告，包含实验背景、实验原理、实验装置、实验结果及分析、实验结论等部分内容；

（2）各小组集体准备报告内容，集体完成报告PPT，择优推荐一人作为主讲；

（3）其他小组轮流对上一报告进行互评，教师逐个进行讲评。