普通物理实验(第二版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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物理学阐述自然现象及其变化因果关系，为研习各工程学科之基础。对学生而言，其感受清晰易明，但于理论则不易融会贯通，唯有透过实验印证，方可加深观念，进而培养学生吸收科技知识的潜力。

　　本教材系参考坊间大学物理实验教本及现行学校物理课程，俾使实验能与课堂理论完全配合。教材中所述之实验步骤完全配合现有设备而规划内容，学生进行实验时，当不会有无从下手之慨。每个单元之后，本教材特附上实验及计算范例，且尽量提供图片说明，方便教师及学生参考。「从做中学习」，期冀本实验教材对于学生的学习有所助益，帮助学生愉快学习物理实验。

跨越物理的边界：探索宏观与微观世界的实验方法论 图书名称：量子光学与信息处理导论 作者：张文华 教授，李明 博士 出版社：高等教育出版社 定价：88.00 元 --- 内容概要 《量子光学与信息处理导论》是一部面向高年级本科生、研究生以及相关领域科研人员的专业教材和参考书。本书系统地阐述了量子光学领域的基础理论、前沿实验技术及其在信息科学中的关键应用。全书旨在构建一个清晰的理论框架，同时侧重于现代实验方法的严谨性和可操作性，帮助读者深入理解光的量子特性，并掌握利用这些特性进行信息编码、传输和计算的前沿技术。 本书严格遵循物理学的基本原理，从电磁场的量子化入手，逐步过渡到光与物质的相互作用，最终聚焦于量子信息处理的实际工程实现。内容覆盖了量子场论的初步概念、相干态、压缩态的制备与测量，以及单光子源、量子存储器等核心器件的技术细节。 详细章节划分与核心内容 第一部分：量子光学基础理论 (Fundamentals of Quantum Optics) 第1章：电磁场的量子化与光子概念的引入 (Quantization of the Electromagnetic Field and Introduction to Photons) 本章深入探讨经典电磁场理论到量子场论的过渡。详细介绍了谐振腔的量子化处理，推导出光子的能量和动量本征值。着重阐述了光场量子态的描述，包括狄拉克符号（Bra-Ket Notation）在光场中的应用。重点讨论了光场的零点能问题及其物理意义，为后续的相干态和压缩态奠定理论基础。本章不涉及经典力学或宏观力学实验中的普遍适用定律，而是专注于微观电磁场的量子特性描述。 第2章：光场量子态的描述与演化 (Description and Evolution of Quantum Light States) 本章系统性地介绍了光场的各种重要量子态。详细推导了相干态（Coherent States）的性质，包括它们与经典光场的联系。随后，深入探讨了压缩态（Squeezed States）的理论，解释了如何通过压缩光场的某一个正交分量（如相位或幅度）的涨落来降低噪声，这与传统光学中对强度或相位稳定性的机械性控制有着本质区别。本章还涵盖了光场演化方程（如薛定谔方程和演化算符）在量子系统中的应用，重点关注量子噪声的量化。 第3章：光与物质的相互作用：半经典与全量子描述 (Light-Matter Interaction: Semiclassical and Full Quantum Descriptions) 本章剖析了光子与原子、分子系统的相互作用机制。从半经典方法（将光场视为经典电磁波，物质视为量子系统）出发，推导出里德伯格公式和拉比振荡现象。随后，转向全量子描述，引入Jaynes-Cummings模型，精确分析了单个原子在腔内受激辐射、自发辐射和吸收过程的动力学行为。本章的数学工具侧重于哈密顿量的构建和对特定耦合系统的精确求解，与涉及大量粒子统计的宏观热力学处理保持距离。 第二部分：现代量子光学实验技术 (Modern Experimental Techniques in Quantum Optics) 第4章：单光子源的制备与表征 (Generation and Characterization of Single-Photon Sources) 本章聚焦于现代实验物理中对单个光子精确控制的需求。详细介绍了基于半导体量子点、稀土离子掺杂晶体以及基于参量下转换（SPDC）和四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）的“准”单光子源的实验搭建和性能评估。特别强调了“光子反聚束”（Photon Antibunching）的判据——二阶关联函数 $g^{(2)}(0) < 1$ 的实验测量方法，这是区分单光子源和经典弱光的重要手段。本章不涉及如经典光学中透镜成像、光栅衍射等基础性、几何光学实验。 第5章：压缩态光的实验实现与噪声抑制 (Experimental Realization of Squeezed Light and Noise Suppression) 本章详述了如何通过非线性晶体将输入激光的量子噪声转移到特定自由度上。重点介绍腔内参量放大（Cavity Parametric Amplification）的实验方案，包括泵浦光、信号光和闲频光的精确频率锁定技术。详细讨论了如何设计干涉仪（如Sagnac或Michelson型结构）来测量相位压缩或幅度压缩的程度，以及如何利用压缩光来提高引力波探测器等精密测量的信噪比。实验细节着重于皮秒脉冲的同步和相位稳定技术。 第6章：量子态层析成像与量子探测 (Quantum State Tomography and Quantum Detection) 本章介绍了重建未知量子态的实验方法。详细阐述了密度矩阵的定义及其在多模光场中的应用。重点介绍了光场单模和双模系统的量子态层析成像（QST）技术，包括光子计数探测器阵列的使用和最小二乘重建算法。同时，探讨了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的工作原理及其在低光子通量下的高效率和低噪声特性，这是实现高精度量子测量的关键技术。 第三部分：量子信息处理的前沿应用 (Frontiers of Quantum Information Processing) 第7章：量子隐形传态与纠缠分发 (Quantum Teleportation and Entanglement Distribution) 本章将理论与实验应用紧密结合，阐述了利用纠缠光子对实现量子隐形传态的实验流程。详细分析了贝尔态测量（Bell State Measurement, BSM）的实验挑战，特别是如何设计高效的线性光学BSM方案。深入讨论了纠缠光子在光纤或自由空间中进行远距离分发的损耗和退相干问题，并介绍了基于量子中继器的概念框架。 第8章：光量子计算的基本模型与实验平台 (Basic Models and Experimental Platforms for Photonic Quantum Computation) 本章探讨了基于光子的量子计算范式。详细介绍了线性光学量子计算（LOQC）的基本逻辑门（如CNOT门的实现，基于波导耦合器和可逆计算原理）。此外，还介绍了基于腔QED系统的光子与固态量子比特（如NV色心）的接口技术，旨在实现远距离、高保真度的量子网络节点。本章的重点在于构建可编程的、容错的量子计算架构。 第9章：量子计量学与精密测量 (Quantum Metrology and Precision Measurement) 本章将量子光学与基础物理测量的前沿结合。介绍了如何利用纠缠态和压缩态超越标准量子极限（SQL）来提高测量的精度。具体讨论了在原子钟、超灵敏磁场测量中应用量子增强技术。重点分析了量子噪声如何限制测量精度，以及如何通过巧妙的量子态工程来规避这些限制，实现下一代超精密计量。 --- 本书的独特价值 本书强调理论的深度与实验的可实现性之间的桥梁搭建。与侧重于经典力学、电磁学或热力学等宏观物理实验指导书不同，《量子光学与信息处理导论》完全聚焦于微观量子现象的精确控制与量化表征。全书的案例和推导均围绕光子的量子特性展开，例如：对光场零点涨落的精确处理、对单光子源的非经典性判据的严格验证、以及对量子纠缠态的创建与测量。本书的数学工具集中于线性代数、群论在量子力学中的应用，以及非线性光学理论，旨在培养读者在量子信息前沿领域进行独立科学研究的能力。本书中的实验设计均是当前国际物理学界最前沿、最复杂的系统，例如对高保真度压缩态的制备与验证，以及对量子态层析重建的复杂数据处理，这些内容是基础物理实验课程所不包含的。

作者简介

吕正中

　　学历：国立成功大学物理研究所博士
　　现职：崑山科技大学机械工程学系所教授

江智伟

　　学历：国立中央大学物理所博士
　　现职：崑山科技大学机械工程学系所助理教授

周荣芳

　　学历：辅仁大学物理系学士
　　现职：崑山科技大学电机工程学系所助理教授

莫定山

　　学历：国立成功大学物理研究所博士
　　现职：崑山科技大学光电工程系所副教授

黄耿凌

　　学历：国立成功大学物理研究所博士
　　现职：崑山科技大学光电工程系所副教授

翟大钧

　　学历：淡江大学物理研究所硕士
　　现职：崑山科技大学机械工程学系所助理教授

谢明君

　　学历：国立成功大学电机研究所博士
　　现职：崑山科技大学电子工程系所副教授

实验一  自由落体运动实验
实验二  虎克定律实验
实验三  力的合成实验
实验四  摩擦系数测定实验
实验五  斜面加速度运动实验
实验六  牛顿第二运动定律实验
实验七  向心力实验
实验八  碰撞实验  
实验九  线膨胀系数测定实验
实验十  超声波的都卜勒效应实验
实验十一  折射定律实验
实验十二  线偏振光特性量测实验
实验十三  薄透镜成像实验
实验十四  表面张力实验
实验十五  双狭缝干涉实验
实验十六  绕射与光栅实验
实验十七  克希荷夫定律实验
实验十八  电阻定律实验
实验十九  欧姆定律实验
实验二十  电位测定实验
实验二十一  RC电路实验
实验二十二  亥姆霍兹线圈的磁场实验
实验二十三  电流天平实验
实验二十四  地磁测定实验
实验二十五  基础太阳能电池特性实验
实验二十六  电子荷质比实验
实验二十七  光电效应实验
附录  实验应注意事项

物理学(Physics)阐述自然现象及其变化因果关系，属于基本学科，为研习各工程学科之基础。对于学生而言。其感受清晰易明，至于理论则不易融会贯通，可谓知其然而不知其所以然；唯有透过实验印证，方可加深观念，进而培养学生吸收科技知识的潜力。

　　本校物理实验室在本校李创办人正合先生及历任校长精心擘划及全力支持，教师同仁热心参与下，软硬体设施大幅成长，各项教材、教案不断改进，实习设备更是全面更新充实，特别是雷射光学及精致力学实验设备，堪称全国数一数二，与国立大专院校相较，不遑多让。学生得以在良好的师资指导下，应用现代化设备进行实验印证，其效巨矣！

　　「从做中学习(Learning by doing)」，我们用心编着本实验教材，期冀对于学生的学习有所助益，帮助学生愉快学习物理实验。本教材系参考坊间大学物理实验教本，并配合本校现有设备而编着。每部份之原理皆参考本校现行物理课程，俾使实验能与课堂理论完全配合。本教材中所述之实验步骤完全配合现有设备规划内容，学生进行实验时，当不会有无从下手之慨。所以本书特于每个单元之后，附上实验及计算范例，且尽量提供图片说明，方便教师及学生参考。

　　本教材之完成，首先要感谢本校李创办人及苏校长的支持、鼓励与指导，并感谢图书资讯馆闵馆长及工学院周院长的鼎力协助，也要感谢工学院各系主任提供宝贵意见。为求本教材更加完整。编写过程中，在教学之余本会同仁一再讨论与沟通，尤其寒、暑假期中，更是完全投入。因此，我们也要感谢家人的体谅及鼓励，也邀请他们共享本教材完成之喜悦！

实验一
自由落体运动实验
 
一、目的
探讨自由落体运动并测量重力加速度g值。
 
二、原理
一物体运动的平均速度可定义为行走距离 与所需时间 的比值 (1)
 
此为此段时间内的平均速度。瞬时速率为此比值在此段时间趋近于零之极限时,或以极限符号写出为 (2)
 
其中乃为物体在时间内距离的增加量。
 
图一的曲线表示了一自由落体运动距离与时间的关系图，在任何时刻 的瞬时速率很显然的就是在那个时刻的曲线斜率，注意式(2)即为斜率的定义。若一等速运动的物体，其斜率必为常数，则此曲线必为一直线，对自由落体运动而言。这距离与时间关系图曲线显然并非直线，因为速率一直随着时间的增长而加快。在物体速度有变化时，这种运动称为加速运动，我们把加速度定义为 时间内速度的改变，也就是 (3)
 
显然 为速度在 时间内，由 变成 的平均加速度。因为加速度的单位是速度除以时间，所以在公制cgs中加速度的单位为厘米／秒２。
 
若一物体沿直线运动，而且速度的改变一定，则加速度必为常数，这种运动也称为等加速度运动，这种类型的运动乃是物体受一定外力下的结果，最常见的例子就是自由落体运动，而加速度 乃称为重力加速度，它大约为980厘米／秒２，
 
在地球上不同的地点会有少许的变化。距离、速度与时间的关系，在等加速度下，从式(3)的定义直接可得(4)
 
它表示了速度 和时间 的关系，这方程式为一直线方程式，此直线的斜率即为 。由于是等加速度，所以在 时间内速度的平均值可以 来表示．从式(1)中可得 (5)
 
将式(4)代入式(5)，得 (6)
 
式(6)为一曲线方程式，此曲线在各点的斜率即为各该时刻的速度。
 
当初速度 时，即为自由落体运动，图二的曲线为一自由落体运动的速度与时间关系图。此即为 (7) (8)
 
S为球至光闸A的距离，t为球经过光闸A的时间。
 
当初速度 时，当自由落体落下时，经过某一点Ａ，至另二点Ｂ、Ｃ的距离各为 与 ，时间为与 ，则 (9) (10)
 
由式(9)、式(10)两式得 (11)
 
S1 为光电闸A至光电闸B之距离
S2 为光电闸A至光电闸C之距离
t1  为光电闸A至光电闸B之时间（即光电计时器之数据时间2减时间1）
t2  为光电闸A至光电闸C之时间（即光电计时器之数据时间3减时间1）
 
三、实验仪器
电磁铁、实验球、光电闸、光电闸固定座、实验支架、铅垂线、实验底座、光电计时器。

评分☆☆☆☆☆

《普通物理实验（第二版）》这本书，我当初拿到它的时候，还以为会是一本厚重、枯燥的理论参考书，毕竟“普通物理实验”这几个字眼，总让人联想到堆积如山的公式和晦涩难懂的原理。然而，翻开之后，我惊喜地发现，它并没有让我失望，反而给我带来了不少启发。首先，这本书的排版非常清晰，每一个实验项目都有明确的标题、目的、原理简介、实验步骤、数据记录表格以及结果分析与讨论部分。这使得我在进行实验前，能够对整个流程有一个初步的了解，心中有数。尤其值得称赞的是，它在原理简介部分，并没有一味地罗列公式，而是尝试用更易于理解的语言来解释背后的物理思想，这对于我这种并非物理学专业出身的读者来说，简直是福音。很多时候，我们学习物理，往往是被那些抽象的数学符号吓退，而这本书却巧妙地将它们与实际的实验现象联系起来，让我能更直观地感受到物理规律的魅力。

评分☆☆☆☆☆

总而言之，《普通物理实验（第二版）》这本书，在我看来，不仅仅是一本实验指导书，更是一本能够引导读者理解和热爱物理的启蒙读物。它用清晰的逻辑、严谨的内容、生动的图示和富有启发性的问题，将抽象的物理世界变得触手可及。对于任何一位正在学习普通物理的学生来说，这本书都是一份宝贵的财富。我强烈推荐给所有需要学习物理实验的朋友们，相信你们也会和我一样，在这本书中找到学习的乐趣和科学的启迪。它不仅仅是完成实验任务的工具，更是一种思维方式的培养，一种科学精神的熏陶，让我对物理这门学科有了更深刻的认识和更浓厚的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

从这本书的语言风格来看，它在保持专业性的同时，也努力做到了通俗易懂。没有过多的专业术语堆砌，即使有，也都会给出相应的解释。这让我能够在一个相对轻松的环境下阅读。我曾尝试阅读过一些其他学校的实验教材，感觉很多都过于学术化，让人望而却步。而《普通物理实验（第二版）》就显得很友好，它更像是老师在课堂上循循善诱地讲解，而不是冷冰冰的教科书。我尤其喜欢它在一些关键概念的引入时，会先讲一个生活中的例子，然后再引出相关的物理原理，这种方式非常有代入感，让我更容易记住。我记得有一次在讲解摩擦力时，书中先提到了推箱子，然后才引出了静摩擦和动摩擦的区别，这种接地气的讲解方式，一下子就让我明白了。

评分☆☆☆☆☆

更让我惊喜的是，《普通物理实验（第二版）》在实验的扩展性和思考题的设计上也花了心思。在每个实验项目完成后，除了基本的数据分析，它还会提出一些开放性的问题，引导读者去思考实验的局限性、误差的来源，甚至是如何改进实验。这些问题没有标准答案，却能够激发我们独立思考的能力。我常常会花很多时间去琢磨这些问题，尝试从不同的角度去解答。有的时候，我会主动去查阅一些额外的资料，来拓展对某个实验的理解。这本书就像一个引路人，它不仅教会我如何做实验，更重要的是，它点燃了我对物理探索的兴趣。我尤其喜欢那些涉及到“如果……会怎么样？”这类假设性问题，它们让我能够跳出书本的框架，进行更深层次的思考。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的另一个深刻印象，来自于它在实验设计上的周全考虑。每一个实验项目都配有详细的实验器材清单，这在实际操作中至关重要。很多时候，我们在准备实验时，会因为对器材的了解不足而手忙脚乱，甚至影响实验的顺利进行。这本书在这方面做得非常到位，它不仅列出了主要的器材，还对一些关键的、可能不常见的器材给出了简要的说明，这极大地减少了我们摸索的时间。此外，实验步骤的描述也极其细致，几乎到了手把手的程度，无论是连接电路、调节仪器，还是测量数据，都有清晰的指导。我尤其喜欢它在步骤中穿插的“注意事项”和“提示”，这些往往是实验过程中最容易出错的地方，而有了这些提醒，我能避免很多不必要的弯路。我记得有一次做光学实验，书上特别强调了调节光源角度的细微之处，果然，按照书上的提示操作后，我得到了比以往更精确的结果，当时真的觉得这本书太贴心了。

评分☆☆☆☆☆

从内容的深度来看，《普通物理实验（第二版）》在保持“普通”的基础上，又有着不错的深度。它并没有为了追求“普通”而牺牲掉实验的科学性和严谨性。每个实验项目都围绕着一个核心的物理概念展开，通过实验操作，引导读者去验证、去理解这些概念。例如，在讲到测量误差时，书中不仅介绍了系统误差和随机误差的区别，还给出了如何通过多次测量、数据处理来减小误差的方法，并且在后续的实验中，反复强调了在数据分析时对误差的考量。这让我意识到，物理实验不仅仅是“做”，更重要的是“思”，是将理论知识与实践相结合，并从中提炼出科学结论的过程。我对书中关于不确定度分析的部分印象尤其深刻，它让我明白，在科学研究中，诚实地面对和分析误差，比得到一个“完美”但可能不真实的数据更为重要。

评分☆☆☆☆☆

从另一个角度来看，《普通物理实验（第二版）》在培养读者的科学探究精神方面，起到了积极的作用。它鼓励读者不只是被动地接受知识，而是主动地去观察、去思考、去验证。书中的一些实验项目，虽然看起来很简单，但它们背后所蕴含的科学方法论，却对我们的思维方式有着潜移默化的影响。我感觉通过这本书的学习，我变得更加愿意去质疑，去探究事物的本质。我不再满足于知道“是什么”，而是更想知道“为什么”。这种主动学习的态度，是我从这本书中最宝贵的收获之一。我记得有一次在做关于牛顿第三定律的实验时，书中并没有直接给出结论，而是让我们自己去观察和分析，结果我发现了一些书本上没提到的细节，这让我更有成就感。

评分☆☆☆☆☆

这本书在图示方面也做得非常出色。大量的插图和照片，清晰地展示了实验装置的搭建、仪器的使用方法以及可能出现的各种情况。这对于我这种视觉型学习者来说，是极大的帮助。我常常会把书上的图与我实际操作的装置进行对比，确保自己没有弄错。尤其是那些复杂的电路图或者仪器内部结构图，配上详细的文字说明，让我能够快速理解其工作原理。我还发现，书中有些插图非常生动，比如在讲解某个物理现象时，配上了一幅与生活场景相关的示意图，这一下子就把抽象的物理知识拉近了距离，让我觉得物理原来离我们生活并不遥远。我记得有一次在看关于电磁感应的实验时，书上有一幅图描绘了磁场穿过线圈的示意，配合着文字解释，我瞬间就理解了感应电动势的产生过程，比单纯看文字描述要容易得多。

评分☆☆☆☆☆

在数据记录和分析方面，《普通物理实验（第二版）》的表格设计非常规范。清晰的列标题，明确的数据单位，以及用于计算的辅助列，都极大地简化了我们的数据处理过程。而且，书中还提供了一些基本的数据处理方法和公式，比如平均值、标准差的计算，以及如何绘制拟合直线等。这对于初学者来说，是非常实用的指导。我曾经自己尝试过设计实验表格，发现很多细节都考虑不周，容易遗漏。而这本书的表格，简直就是范本，让我每次都能有序地记录和处理数据。我尤其喜欢它在一些实验后面附带的“数据分析示例”，这能够帮助我更好地理解如何运用书中的方法进行分析。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实验设计，也体现了一种循序渐进的教学理念。从最基础的测量、验证性实验，到后面稍微复杂一些的研究性实验，它的难度梯度设置得非常合理。这让我在掌握了基本操作和分析方法后，能够逐步挑战更深入的内容。我感觉自己在这本书的引导下，物理实验技能得到了扎实的提升，而不是仅仅停留在表面。我曾尝试过一些更高级的物理实验，发现很多时候，那些实验的设计和分析方法，其实都可以从这本书的基础实验中学到影子。这种“打牢基础”的理念，对于长远的学习和研究来说，是非常宝贵的。这本书让我明白，每一个看似简单的实验，都蕴含着深刻的物理思想。