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出版者:

作者:王宙斐 编

出品人:

页数:251

译者:

出版时间:2009-12

价格:25.50元

装帧:

isbn号码:9787811179170

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• 大学物理
• 物理实验
• 实验教学
• 高等教育
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• 物理学
• 实验报告
• 教学参考书
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• 实践教学

跨越经典，探索前沿：现代物理实验技术与数据分析 书籍信息： 书名： 现代物理实验技术与数据分析 作者群： 资深物理实验教学与研究专家团队 目标读者： 高年级本科生、研究生、科研人员及对精密测量感兴趣的工程技术人员 --- 摘要：从基础到前沿的实验方法论革新 本书旨在系统梳理和深入阐述当代物理学研究中至关重要的实验技术、精密测量方法以及复杂数据的处理与分析流程。它并非对基础力学或电磁学现象的重复验证，而是将焦点置于如何利用现代仪器、先进的信号处理技术和严格的统计学框架，去探索自然界中那些需要极高灵敏度和精确定量能力的物理效应。全书内容紧密围绕“测量”这一核心环节展开，强调理论指导下的实验设计、误差的精确量化与控制，以及结果的可重复性与可靠性验证。 第一部分：精密测量的基础理论与误差控制 本部分奠定了进行高水平物理实验的理论基石，侧重于如何从根本上理解和管理测量过程中的不确定性。 第一章：现代实验学的范式转变 本章首先回顾了传统经典物理实验的局限性，继而深入探讨了进入21世纪后，物理学实验对精度和灵敏度提出了哪些新的要求。重点讨论了基于量子效应、超导技术、超高真空环境等前沿技术对实验装置提出的根本性挑战。 1.1 测量的物理本质与信息论视角： 引入香农信息论的基本概念，探讨测量极限与系统信噪比（SNR）的关系，明确区分了“精度”（Precision）与“准确度”（Accuracy）在现代研究中的不同侧重。 1.2 误差理论的深化： 摒弃简单的算术平均方法，系统介绍高斯误差传播公式在多变量、非线性系统中的应用。重点讲解系统误差的识别、定性和定量的分析技术，例如使用校准标准、交叉比对方法来系统性地降低系统偏差。 1.3 不确定度评估的国际标准： 详细解读ISO/BIPM对不确定度报告（A类和B类合成不确定度）的规范要求，指导读者如何撰写符合国际标准的实验不确定度声明，为结果的国际交流打下基础。 第二章：数据采集系统的硬件基础 本章聚焦于如何构建能够忠实记录物理信号的电子和机械系统。 2.1 传感器与跨导技术： 深入分析光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、超导量子干涉器件（SQUID）等关键传感器的物理工作原理、噪声源分析及其适用场景。特别关注如何根据被测信号的频率特性选择合适的传感器带宽。 2.2 信号调理电路设计： 介绍低噪声放大器（LNA）的设计原则，包括如何有效屏蔽电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）。详细阐述锁相放大器（Lock-in Amplifier）在从噪声中提取微弱周期性信号方面的应用原理、参数设置与优化策略。 2.3 高速数字化与时间分辨测量： 讨论模数转换器（ADC）的关键指标（有效位数、采样率、非线性），以及时间相关单光子计数（TCSPC）技术在超快过程测量中的应用。 第二部分：前沿实验技术与装置构建 本部分将视角转向当代物理学研究中常用的、对技术要求极高的特定实验平台和技术模块。 第三章：真空、低温与高场技术 许多前沿物理现象（如凝聚态物理、粒子物理）的观测依赖于极端环境的构建和维持。 3.1 超高真空（UHV）技术： 介绍抽气理论、真空泵的选型与组合（涡轮分子泵、离子泵、钛升华泵），以及真空度的实时监测与污染控制，尤其是在表面科学实验中的应用。 3.2 低温物理学： 详细讲解稀释制冷机（Dilution Refrigerator）的工作循环、温度梯度控制，以及如何将精密光学/电子元件安全地集成到毫开尔文量级的低温环境中。 3.3 强磁场实验技术： 探讨超导磁体（NbTi, Nb3Sn）的设计原理、液氦的使用与循环系统，以及如何处理强磁场对测量电子学设备的磁致影响和霍尔效应的校正。 第四章：光学测量与干涉计量学 激光、非线性光学和干涉测量是现代计量学的核心工具。 4.1 激光器技术与光束整形： 比较不同类型的激光器（固态、光纤、半导体）的优劣，重点分析激光的频率稳定性和线宽控制技术。讲解傅里叶光学原理在光束质量检测（M²因子）中的应用。 4.2 干涉仪的设计与稳定性： 深入分析迈克尔逊、萨尼亚克、马赫-曾德尔干涉仪的结构优化，特别是如何设计隔离振动、温度漂移和空气折射率变化的平台以实现亚纳米级的位移测量。 4.3 非线性光学与频率转换： 介绍参量振荡器（OPO）和和频/倍频晶体（如KDP, BBO）的使用，及其在产生特定波长激光源中的作用，为超光谱学实验提供技术支持。 第三部分：高级数据处理与计算建模 在数据量爆炸的时代，如何有效地从海量原始数据中提取物理结论是实验成功的关键。 第五章：先进信号处理与滤波技术 本章从信息处理的角度切入，讲解如何从复杂背景中分离出目标信号。 5.1 数字信号处理基础： 介绍快速傅里叶变换（FFT）的实际应用，包括频谱泄漏的校正和窗口函数的选择。讲解数字滤波器的设计（FIR与IIR）及其在去除特定频率噪声中的作用。 5.2 统计推断与模型拟合： 详细介绍最大似然估计法（MLE）和卡方检验（$chi^2$ Test）作为数据拟合和模型选择的黄金标准。重点讲解如何评估拟合参数的协方差矩阵，以量化参数之间的关联性。 5.3 蒙特卡洛模拟在实验中的应用： 阐述如何利用诸如MCNP、Geant4等工具包进行高能物理、辐射探测或复杂辐射传输过程的仿真，并将仿真结果与实际测量数据进行对比验证。 第六章：实验数据的可视化与报告规范 优秀的数据分析必须辅以清晰、有说服力的展示。 6.1 数据可视化的高级原则： 讨论如何选择合适的图表类型（例如，使用散点图矩阵分析多变量相关性），以及如何避免误导性的视觉呈现。介绍使用Python（Matplotlib/Seaborn）或Origin进行专业级绘图的技巧。 6.2 可重复性与代码管理： 强调实验数据处理流程的“可追溯性”。介绍版本控制系统（如Git）在管理分析脚本和原始数据版本中的重要性，确保任何时刻都能重现分析过程。 6.3 实验报告的结构化撰写： 指导读者撰写高质量的实验报告，确保“方法”部分的描述足够详细，以支持同行评审和结果的独立重复，尤其关注对所有仪器校准历史的记录。 --- 本书特色： 本书的编写严格遵循“原理-技术-应用”的逻辑，每章节均包含大量来自当前主流研究领域的实际案例（如引力波探测器的噪声抑制、量子计算系统的读出电路优化等），而非停留在基础物理定律的验证层面。它是一本面向未来研究生的实验工具箱，旨在培养读者独立解决复杂实验难题、设计创新测量方案的综合能力。通过对现代计算工具的深度集成，确保读者能够驾驭当今物理实验的全部流程，从设计初衷到最终发表的每一个环节。

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我最近拜读了一本有关量子力学基础的选读材料，它最大的特色在于其独特的历史叙事角度和对哥本哈根诠释的批判性反思。这本书几乎没有复杂的矩阵对角化运算，而是将重点放在了20世纪初物理学家们是如何一步步被实验现象推向量子世界的思维历程。作者花了大量篇幅细致重构了黑体辐射的提出背景，以及普朗克是如何“被迫”引入能量量子化的概念，这种情境化的描述让人感觉自己像是参与了一场伟大的科学革命。接着，对波粒二象性的讨论，作者没有直接给出薛定谔方程，而是通过大量对双缝实验的哲学辩论和思想实验（比如延迟选择实验），来展示量子世界在观测者介入后的非定域性和不确定性。书中对波函数的“坍缩”问题持谨慎态度，详细对比了多世界解释等其他诠释的逻辑自洽性，这使得这本书超越了一般的教学工具，成为了一部关于物理学认识论的深刻探讨。对于那些希望在掌握基本数学框架之余，对量子力学的“怪异”本质进行深度思考的读者来说，这本书提供了绝佳的视角。

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这本关于基础热力学原理的专著，简直是为那些初次踏入物理世界的新手量身定制的。作者的叙述风格极其平易近人，仿佛一位经验丰富的导师在耳边细细讲解。开篇并没有直接抛出复杂的数学公式，而是从生活中的常见现象入手，比如冰块融化、水壶烧水，引导读者去思考“热”与“功”之间的本质联系。书中对熵增定律的阐释尤其精彩，它没有停留在抽象的定义上，而是通过大量的类比——比如房间的自然变乱、信息的丢失——让这个看似玄奥的概念变得清晰可见。我尤其欣赏它对卡诺循环的深入剖析，作者没有满足于仅仅展示那个经典的效率公式，而是细致地描绘了四个过程的微观粒子状态变化，让我真切地感受到了理想热机的运作机制。读完这部分，我感觉自己对能量守恒的理解不再仅仅停留在高中课本的机械记忆上，而是上升到了一个全新的、更具哲学思辨的高度。书中的插图质量极高，许多流程图和示意图都精准地补充了文字的不足，使得复杂的概念得以直观呈现。如果你正被宏大的物理概念吓到，这本书绝对能帮你建立起坚实的信心和兴趣。

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这份关于固体物理学的参考资料，其内容深度和广度令人叹为观止，它完全不像一本入门读物，更像是一部为材料科学家准备的详尽工具箱。书中对晶体结构和布拉维点的描述详尽到令人发指，作者甚至列出了所有230个空间群的详细信息及其对称操作，这对于进行晶体结构分析的读者是无价之宝。随后，对能带理论的阐释更是展现了作者深厚的功底。它从紧束缚近似开始，逐步引入布洛赫定理，并用三维周期势场下的电子行为来解释绝缘体、半导体和金属的区分，其中关于费米面附近电子态密度的计算推导，逻辑链条异常紧密，没有一丝含糊之处。特别值得一提的是，书中对晶格振动（声子）的讨论，它不仅推导了色散关系，还详细阐述了德拜模型和爱因斯坦模型的适用范围差异，以及声子在热导率中的作用机制。阅读这本书需要极强的数学耐力和对周期性边界条件的深刻理解，但一旦掌握，你对材料的宏观电学、热学性质的微观起源将有一个无可辩驳的清晰认识。

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我最近接触了一本专注于经典电磁场理论的教材，它最大的特点在于其严谨的数学推导和对边界条件的详尽处理。这本书的难度显然是面向专业高年级或研究生的，每一个定理的引入都建立在扎实的向量分析和偏微分方程基础上。对于麦克斯韦方程组的介绍，作者采取了极其系统化的分步推导，从安培定律和法拉第定律的积分形式出发，逐步过渡到微分形式，并清晰地展示了电位移场的引入是如何解决矛盾的。尤其在处理波导管和腔谐振器问题时，书中对亥姆霍兹方程在不同几何结构下的分离变量法应用，提供了详尽的步骤分解，每一步的逻辑跳跃都考虑得非常周全，即便是复杂的本征值求解过程，作者也给出了清晰的边界条件匹配策略。虽然阅读过程需要不断查阅微积分和线性代数的参考资料，但这种精细入微的推导过程，极大地锻炼了我的数学物理建模能力。对于那些希望深入理解电磁波在复杂介质中传播细节的读者来说，这本书无疑是一座难以逾越的知识高峰。

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这本关于光学成像原理的著作，其叙事节奏感与前几本我读过的教科书截然不同，它更像是一本专业工具书，注重实用性和可操作性。全书结构非常清晰，围绕“物体的光信息是如何被捕捉、传输和重构的”这一核心问题展开。开篇的几何光学部分，作者运用大量实际案例来讲解光线追踪和透镜像差，比如数码相机镜头的设计缺陷如何影响最终画质，这种联系实际的描述让人印象深刻。更值得称赞的是，它对傅里叶光学和衍射理论的讲解，并没有被抽象的数学公式所淹没。作者巧妙地引入了二维傅里叶变换的物理意义——即频率域分析——来解释孔径对图像的影响，清晰地展示了低通滤波和高通滤波在图像处理中的物理基础。书中包含大量实验设计指南，不仅仅是给出理论，还提供了具体的光路搭建和数据采集建议，对于实验室工作者来说，参考价值极高。读完后，我对如何通过调整系统参数（如光瞳、有效孔径）来优化成像质量，有了非常直观和系统的认识。

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