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出版者:华南理工大

作者:段长虹 编

出品人:

页数:220

译者:

出版时间:2005-1

价格:22.00元

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isbn号码:9787562321873

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《光影炼金术：现代物理实验的视觉奇迹》 前言 我们生活在一个由光影编织的奇妙世界，而现代物理实验正是揭示这些光影背后奥秘的钥匙。从微观粒子的奇异舞蹈到宏观宇宙的壮丽图景，物理学以其独有的语言，通过精心设计的实验，让我们得以窥探自然的深层规律。本书并非一部枯燥的公式堆砌，而是一次关于“视觉实验”的探索，旨在通过生动具体的案例，展现物理学在视觉感知和技术应用上的无限魅力。我们将一同走进实验室，感受那些闪烁着智慧光芒的实验装置，理解那些改变我们世界观的惊人发现。 第一章：光之魅影——光的波动与粒子之辩 光的本质是什么？这个问题困扰了人类数个世纪，也催生了无数精彩绝伦的实验。在本章，我们将回顾那些奠定现代光学基石的经典实验，但视角将聚焦于它们如何通过“看见”来确证理论。 杨氏双缝干涉实验的重现与解析： 我们将不止步于理解干涉条纹的形成，而是深入探讨如何利用不同波长的光（可见光、紫外光等）进行实验，观察条纹间距的变化，从而直观理解光的衍射角与波长的关系。更进一步，我们会模拟一些现代的改进型双缝实验，例如单光子干涉，通过探测器捕捉每一个光子的行为，感受微观粒子在宏观观测下的“非经典”表现。我们会探讨如何通过改变缝的宽度、间距以及探测器的灵敏度，来观察干涉效果的细微变化，甚至是如何在不同介质中观察光的干涉，理解折射率对光程的影响。 光电效应的视觉演示： 爱因斯坦提出的光电效应理论，革命性地揭示了光的粒子性。在本章，我们将模拟演示光电管的工作原理，通过改变不同颜色的滤光片（对应不同频率的光）照射在金属板上，观察电流表指示的变化。我们将着重演示如何通过调节反向电压，找到“截止电压”，并解释这个电压与入射光的频率之间的线性关系，这不仅仅是数据的记录，更是将抽象的能量量子化概念转化为可观测的现象。我们会讨论不同金属材料对光电效应的敏感度差异，以及如何通过改变入射光的强度来观察光电流的大小，从而区分光的粒子性和波动性的不同体现。 麦克尔逊-莫雷实验的误差分析与现代光学干涉的应用： 虽然麦克尔逊-莫雷实验的初衷是探测以太，但其精确的光学干涉测量技术至今仍是物理学的重要工具。我们将从光路设计和干涉条纹的观测入手，理解如何通过精密移动反射镜来产生清晰的干涉图样。我们会重点讲解如何通过数码图像处理技术对干涉条纹进行分析，即使在弱光或存在环境干扰的情况下，也能提取出关键数据。我们将拓展其应用，例如在纳米制造中的应用，如何利用干涉光刻技术制造出精密的微纳结构，这些结构在光学器件、生物传感器等领域发挥着关键作用。 第二章：粒子的舞蹈——量子世界的奇妙景象 微观粒子的行为远超我们的日常直觉，而物理实验正是打开这个奇妙世界大门的窗口。本章将聚焦于那些展现量子特性的经典与现代实验，用视觉化的方式呈现粒子的“非凡”演出。 卢瑟福散射实验的原子模型构建： α粒子散射实验不仅揭示了原子核的存在，更是量子原子模型的基石。我们将通过模拟演示，展示不同能量的α粒子轰击极薄金属箔时，散射角度的分布情况。我们将重点解读散射角分布曲线的形状，如何从中推断出原子核的电荷量和大小，以及电子围绕原子核运动的轨道模型是如何一步步被修正和完善的。我们会探讨不同散射物质（例如金箔、铝箔）对散射结果的影响，以及如何通过探测器的计数率来量化散射强度。 电子衍射实验的波粒二象性印证： 德布罗意提出的物质波理论，是量子力学的重要支柱。我们将通过演示电子通过晶体（如镍晶体）时的衍射现象，观察衍射花样的形成。我们将重点讲解如何通过改变电子的加速电压（从而改变电子的动量和波长），观察衍射峰位置的变化，直接验证电子的波动性。我们会深入分析衍射花样的对称性与晶体结构的关联，以及如何通过衍射图样来解析未知晶体的结构，这在材料科学中具有极其重要的意义。 叠加态与测量——量子比特的可视化探索： 量子计算的核心在于量子比特的叠加态。本章将以一个简化的实验模型，可视化展示一个量子比特是如何在测量前处于多种可能状态的叠加，以及一旦进行测量，其状态是如何“坍缩”到一个确定的结果。我们将通过模拟不同测量基下的观测，演示同一个量子比特在不同观测方式下呈现出的不同概率分布，揭示测量行为对量子系统的不可避免的影响，以及如何利用这种叠加特性进行高效的信息处理。 第三章：力与场的交响——经典力学与电磁学的视觉化 尽管量子世界如此迷人，经典力学和电磁学依然是理解宏观世界运行规律的基石。本章将关注那些能够直观展示力、能量和场作用的经典实验，并延伸至现代技术的应用。 摆的混沌运动与动力学系统的可视化： 单摆的周期性运动我们耳熟能详，但双摆或三摆的组合却能展现出惊人的混沌行为。我们将通过模拟演示，展示不同初始条件下，多摆系统的运动轨迹如何迅速分化，呈现出不可预测性。我们将重点解读李雅普诺夫指数的计算方法（尽管是简化形式），并可视化展示这些指数如何指示系统的混沌程度。我们会讨论混沌现象在天气预报、流体力学等领域的广泛应用。 法拉第电磁感应定律的动态演示： 电磁感应是发电机、变压器等现代电器的核心原理。我们将通过一个动态演示，展示线圈中通入变化的电流时，如何产生感应电动势，并通过电流计的指针摆动来直观感受。我们将重点演示如何通过改变磁铁的运动速度、线圈的匝数以及磁场强度，来观察感应电动势的变化规律，甚至是如何通过改变磁铁的极性来观察感应电流方向的反转，从而深刻理解楞次定律。 霍尔效应的电荷载流子性质探究： 霍尔效应实验是探测固体材料中电荷载流子性质的重要手段。我们将通过模拟演示，展示当电流通过放置在磁场中的导体时，导体两侧会出现电势差（霍尔电压）。我们将重点解读霍尔电压的符号和大小如何指示载流子的电性（电子还是空穴）和浓度，以及如何通过改变磁场强度和电流大小来观察霍尔电压的变化规律，理解其在磁传感器、半导体材料研究中的应用。 结语 《光影炼金术：现代物理实验的视觉奇迹》旨在打破物理实验的神秘感，让读者通过视觉化的语言，重新认识那些塑造我们世界的物理定律。我们相信，每一个经典的物理实验都蕴含着深邃的智慧，而每一次对自然的探索，都如同一次与光影的对话。希望本书能激发您对物理学的好奇心，并为您提供一个观察和理解这个精彩世界的全新视角。

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拿起这本关于力学和热学实验的参考书，我最大的感受就是结构上的精妙布局和对物理思维的深刻培养。它没有停留在简单的“A做、B看、得出结论”的流程灌输，而是更注重实验设计背后的物理原理和逻辑推导。例如，在探讨转动惯量的测定部分，作者不仅详尽介绍了双盘法，还穿插了对伽利略相对性原理在转动系中应用的讨论，这种宏观与微观、理论与实践的交织，让人在动手操作的同时，思维也在不断拓展。最让我印象深刻的是关于热容量测定实验的章节，作者没有简单地给出冰水混合法的操作，而是深入探讨了热量散失的数学模型，并提供了几种高级数据拟合方法来校正这些损失，这对于我们准备参加高水平创新实验的学生来说，无疑是打开了一扇新的大门。排版上，大量使用的流程图和思维导图，极大地帮助了我梳理复杂的实验步骤之间的依赖关系，不再感觉实验是一连串孤立的动作，而是构成了一个严谨的科学探究链条。这本书的价值，远超于一本操作手册，更像是一本“如何像一个物理学家一样思考”的实战指南。

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对于这本书中关于近代物理实验的介绍，我只能用“高屋建瓴且脚踏实地”来形容。涉及到如光电效应、康普顿效应等经典实验时，它没有直接跳到复杂的量子力学解释，而是极其耐心地，一步步地引导读者去理解早期物理学家是如何被实验现象所‘说服’，最终放弃经典物理观的。比如，在讲解密立根油滴实验时，它不仅详细展示了如何计算油滴质量和电荷量，还花了很大的篇幅去讨论“如何在高压电场下稳定油滴”这一工程难题的解决方案，甚至给出了几种不同的控制策略。这种对实验“工程实现难度”的关注，极大地丰富了我们对基础物理常识测量的认知深度。此外，书中对真空技术和粒子探测器基础知识的介绍，虽然不是实验的主体，但作为背景知识的铺垫，却显得无比必要和恰当，它让那些看似高深的现代物理现象，变得可以被理解、可被操作。这本书成功地架起了一座从经典力学到前沿物理之间的坚实桥梁。

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说实话，这本书在声学和电磁学实验部分的讲解，彻底颠覆了我之前对“重复性劳动”的刻板印象。它没有将这些实验视为简单的验证性工作，而是着重强调了如何通过实验数据去发现和修正理论模型中的不完善之处。特别是在测量电磁波波长和频率的章节，它提供了一个非常具有挑战性的进阶项目——设计一个能够有效消除反射干扰的测量平台。书中的描述充满了探索欲，引导读者去思考“理想环境”与“真实世界”的差距。我尤其欣赏它对仪器校准和维护的独立章节，这部分内容常常被其他教材所忽略。作者细致地解释了万用表内部电阻的变化如何影响低电阻测量的精度，以及如何利用标准电压源对信号发生器进行周期性校准。这些“幕后”的知识，对于确保实验结果的可信度至关重要，也是我们在未来科研生涯中必须掌握的基本功。读完这部分，我感觉自己不再是一个被动接受数据的操作员，而是一个能够主动掌控测量工具的“实验工程师”。

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这本关于光学实验的教材，简直是为我这种理论功底扎实却在实际操作中摸不着头脑的学生量身定制的。它不是那种堆砌公式、让人望而生畏的教科书，而是更像一位经验丰富的老教授，手把手带着你走进实验室的迷宫。开篇部分对于误差分析的讲解，简直是化腐朽为神奇，它不再是冷冰冰的数学公式，而是通过一系列贴近实际的案例，让你深刻理解“精确测量”的真正含义。特别是关于系统误差和偶然误差的区分，作者用生动的语言，结合具体的实验场景进行剖析，即便是初次接触精密仪器的同学，也能迅速抓住重点。至于那些复杂的电学实验，比如利用示波器观察波形，书中的步骤讲解得极其细致，配图清晰到连每一个旋钮的朝向都标示得明明白白，这极大地降低了实验初期的挫败感。我记得有一次，我在调节米勒电桥平衡时遇到了难以定位的干扰源，翻阅这本书的对应章节后，作者提供的“异常排查清单”一下子就帮我锁定问题所在——原来是我忽略了环境磁场的微小影响。这种深入骨髓的实用性，是我在其他同类书籍中极少见到的。它真正做到了从“知道怎么做”到“做好它”的跨越。

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翻阅这本实验指导书，我感觉自己仿佛正在参与一场为期一年的科学项目，而非仅仅完成几门课程的考核。它最独特之处在于，它将“数据可视化”和“报告撰写”提升到了与实验操作同等重要的地位。在数据处理章节，它不仅仅推荐使用某一款软件，而是深入对比了不同拟合算法的适用性，并提供了大量关于如何用图形来“讲述”你的实验发现的范例。那些关于如何设计一个清晰、有逻辑的实验图表和附图的指导，对于我们习惯于简单罗列数据的学生来说，简直是醍醐灌顶。我记得有一次，我的温度测量数据波动很大，我原本打算直接取平均值了事，但书中关于“识别异常值与数据清洗”的规范提醒了我，我重新审视了记录过程，才发现是由于热电偶接触不良导致的间歇性错误。这本书的最终目标，似乎是培养我们成为一个能够独立完成科研项目的个体，它教会的不仅仅是“怎么做实验”，更是“如何系统性地、专业地呈现你的科学发现”，这种训练对于未来无论是深造还是就业，都是一笔宝贵的财富。

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