本书是为贯彻正确价值观引领下“以学生为本、综合运用知识及技能、提高科学素养和创新思维、强化实践能力和创新能力”的实验教学理念编写的，并紧扣“高阶性、创新性、挑战度”的金课标准。本书满足不同基础学生的层次性，并努力做到六性：新颖性、实用性、先进性、趣味性、普及性和适应性。每个实验内容都提供有吸引力的引言、针对性的参考文献、引导性的预习思考题和“基础、提高、进阶、高阶”四阶要求。学习本书，可优化与强化学生的创新意识和创新能力。本书分为三篇：第一篇为设计性物理实验理论概述，主要内容为设计性物理实验简介及其在培养人才中的作用，以及实验数据处理及论文报告写作；第二篇为综合设计性物理实验，共五章17个实验，归纳为经典力学实验、物质热物性测量研究、电子元件和电路的特性与应用研究、光的特性与应用研究、传感器的特性与应用研究五类实验，注重物理基础知识和技能的综合运用，激发学生的兴趣和积极性，着重培养学生将知识与技术转化为解决实际问题的能力；第三篇为研究性与设计性物理实验，共三章11个实验，题目紧跟时代需求，主要包括新材料制备、设计和特性研究，基于新能源发电的设计性物理实验研究，基于仿生的创新性物理实验研究，培养学生独立从事科学研究的能力。本书可作为高等院校理工类本科生设计性物理实验课程的教材或参考书，也可作为物理竞赛与创新实验的参考书。

前 言 当今世界，综合国力竞争归根结底是人才竞争，为了迎接未来的挑战，要加强创新人才的培养，这是高等教育的根本任务，也是教学改革的基本方向。目前高等教育改革应注重加强培养学生创新意识和创新能力、加强培养基础学科拔尖学生。通常认为，设计性实验教学是培养学生创新意识和创新能力的有效模式。本书在编写上多措并举，目的是优化与强化学生的创新意识和创新能力。 设计性实验是介于基础实验和实际科学实验之间、具有对科学实验全过程进行初步训练的较高层次的实验课程。在任务驱动下，让学生接受通过查阅文献资料来收集信息、设计实验方案、拟定实验步骤、执行研究计划、整理分析数据、撰写科学报告和论文等全方位的模拟科研训练。其目的在于为学生营造一种自主学习、独立设计和自由发挥的氛围，综合运用所学的知识、方法和技能解决实际问题，激发学生学习物理新知识、研究与探索物理规律的积极性，开发其潜能，强化培养学生的实践能力和创新能力。通过对该课程的学习，培养学生独立分析问题、解决问题的能力和从事科学研究的能力，为将来毕业设计、撰写科研成果报告和学术论文奠定良好的基础。 本书针对不同基础的学生，按训练要求的不同，将实验项目分为两大类：第一类是综合设计性物理实验，注重把所学的物理与软件等知识、实验方法和技能等综合运用到解决实际问题或测量技术中，激发学生的学习热情，提高动手动脑能力，激励创新精神；第二类是研究性与设计性物理实验，增设了物理与生物、物理与环境、物理与材料等多学科交叉的题目，它们带有一些前沿的科学研究性质，主要目的是培养学生独立从事科学研究的能力。在编排上打破了传统实验教材中以实验项目为主线的方法，以学科或技术为主线，尝试将各实验进行重组，有助于相关知识、测量技术、仪器使用方法和科学素养的融会贯通，发挥创造力。编写中还采用了“用同一仪器或方法设计多种实验”和“用不同方法完成同一目的的实验”的辅线，运用实验仪器与测量目标交叉组合的方法，将实验进一步融合，基于列举法和一物多用法等强化训练创新思维，努力实现设计性物理实验的教学目标。 每个实验的引言都介绍了实验题目的有关背景和较新的发展动态，以帮助学生认识该实验的价值，激发其主动性，激励创新热情。查阅文献资料是设计性物理实验中重要的一环，运用创新思维和创新技法对收集的信息进行加工，才能构思出最佳的实验方案。为了保证学生能在较短的实验时间内把主要精力放在创新设计上，每个实验内容都提供了参考文献和引导性的预习思考题。此外，拓展内容对“吃不饱”的学生提供了更高阶的挑战，满足他们的个性化需求，培养拔尖人才。实验内容上采取的举措也会强化对学生创新意识和创新能力的培养。 本书是在西北工业大学陕西省物理实验教学示范中心的《设计性基础物理实验》讲义基础上，经大量修改而完成的，尤其是增加了很多新的紧跟时代步伐的设计性实验内容。本书由张利民、吴宏景、付全红担任主编，邢辉、王民担任副主编。在实验项目撰写工作中进行了详细的分工，编排经多次集体讨论确定。全书由张利民策划和统稿。在编写过程中，臧渡洋教授、罗炳成副教授、庞述先高级工程师等提出了宝贵的意见并给予了大量帮助。王建元教授审阅了全书，并提出了许多宝贵意见。此外，笔者还参考了很多国内外的文献资料和设计性物理实验教材。在此向大家一并表示衷心的感谢！ 由于编者水平有限，恳请同行和读者对书中的错误和不妥之处批评指正。 编 者 2022年8月

目 录 第一篇 设计性物理实验理论概述 第一章 设计性物理实验在培养人才中的作用 1 第一节 创新人才的培养 1 第二节 创新教育在设计性物理实验中的体现 5 第二章 设计性物理实验简介 7 第一节 何为设计性物理实验 7 第二节 设计性物理实验的选题和教学方式 8 第三节 如何做好设计性物理实验 9 第三章 实验数据处理及论文报告写作 12 第一节 用软件处理物理实验数据 12 第二节 论文报告的撰写 23 第二篇 综合设计性物理实验 第四章 经典力学实验 25 实验1 碰撞打靶实验 25 实验2 动力法研究刚体转动惯量及特性 28 实验3 基于波尔共振仪的受迫振动特性研究 32 第五章 物质热物性测量研究 39 实验4 固体导热系数的测量 41 实验4-1 准稳态法测量不良导体的导热系数和比热 43 实验4-2 瞬态热线法测量导热系数 45 实验5 液体粘滞系数的测量 46 实验5-1 基于斯托克斯公式的落球法 48 实验5-2 基于泊肃叶公式的毛细管法 50 实验5-3 基于液体热物性参数相关性测定粘滞系数 52 实验6 液体表面张力的测量 54 实验6-1 拉脱法 57 实验6-2 饱和高度法 59 实验6-3 基于超声悬浮液滴扇谐振荡特性的非接触法 60 实验7 金属及半导体电阻率的测量研究 62 实验7-1 开尔文电桥法测量金属电阻率 65 实验7-2 四探针法测量半导体的电阻率 67 第六章 电子元件和电路的特性与应用研究 70 实验8 电学元件及RLC电路的特性与应用研究 70 实验8-1 二极管的伏安特性及应用 77 实验8-2 基于电子元件和RC串联电路特性的暗盒实验 79 实验8-3 RLC串联电路的谐振 81 实验8-4 RLC串联电路的暂态过程 84 实验8-5 基于RLC电路特性的暗盒实验 86 实验9 交流电桥的应用研究 88 实验9-1 交流电桥测量电容、电感 93 实验9-2 交流电桥测量铁磁材料居里温度 95 第七章 光的特性与应用研究 99 实验10 基于分光计的几何光学和光衍射的特性与应用研究 99 实验10-1 折射率的测量 103 实验10-2 单缝和光栅衍射的应用研究 105 实验10-3 超声光栅衍射与液体中声速的测定 107 实验10-4 发光二极管的特性与应用研究 110 实验11 光的偏振特性与应用研究 112 实验11-1 光的偏振特性与调控研究 112 实验11-2　液晶电光的特性与应用研究 116 实验12 光干涉测量技术的应用研究 122 实验12-1 时间相干性在迈克耳孙干涉仪中的应用 122 实验12-2 等厚干涉的典型应用——牛顿环干涉、劈尖干涉 127 实验12-3 干涉仪的研究及应用 131 实验12-4 压电陶瓷的特性及振动的干涉测量 135 第八章 传感器的特性与应用研究 140 实验13 温度传感器的制作、特性与应用 140 实验13-1 AD590集成温度传感器的特性与应用研究 140 实验13-2 NTC型热敏电阻温度的特性与体温计设计 146 实验14 CCD的特性与应用研究 149 实验14-1 CCD的特性与应用研究实验 149 实验14-2 线阵CCD的应用——细丝直径的非接触测量 157 实验15 各向异性磁阻传感器的磁阻特性与应用研究 163 实验16 霍尔传感器的特性与应用研究 169 实验16-1 霍尔元件测量磁场 172 实验16-2 基于霍尔位置传感器的弯曲法测量杨氏模量 174 实验16-3 集成开关型霍尔传感器的特性与应用研究 176 实验17 光纤传感器的特性与应用研究 178 实验17-1 光纤马赫-曾德尔干涉仪的压力和温度传感的特性与应用研究 185 实验17-2 光纤布拉格光栅应变/温度传感的特性与应用研究 187 实验17-3 光纤压力/位移传感器的特性与应用研究 191 实验17-4 光纤位移传感器测量材料的杨氏模量 194 第三篇 研究性与设计性物理实验 第九章 新材料制备、设计和特性研究 197 实验18 基于超声悬浮的液滴-气泡转变特性 197 实验19 铌酸钠基薄膜的制备及性能研究 203 实验20 多层壳核空心球尖晶石的制备及其电磁波吸收性能 209 实验21 相场方法模拟晶体生长的数值实验 216 第十章 基于新能源发电的设计性物理实验研究 221 实验22 太阳能电池的特性及应用 221 实验22-1 太阳能电池基本特性的测定 224 实验22-2　离网型太阳能光伏电源系统 226 实验23 半导体热电材料的热电性能及温差发电 229 实验24　风力发电系统研究 237 实验25 燃料电池特性测量与分析 243 第十一章 基于仿生的创新性物理实验研究 249 实验26 仿生超疏水表面的制备与减阻性能 249 实验27 仿贝壳复合材料的制备及其力学性能 254 实验28 仿生复眼的电化学刻蚀制备及测试 262