物理實驗(二)

Physics Labs. (II)

學期

109-2

學分

1 學分

當期課號

1330

永久課號

DEP1304

開課單位

電子物理學系

授課教師

鍾介文、謝東儒

校區

光復

類別

必修

上課時間表

節	週三
1 08:00–08:50	物理實驗(二) SA014 3 節連堂
2 09:00–09:50
3 10:10–11:00

* 根據陽明交大上課時間表所列

概述

本課程將讓同學練習「觀察、分析、討論物理現象」必備的技術。物理實驗(二)的內容為電磁學、光學、和電子學,課程中會讓同學觀察並分析電磁力、光學現象、和練習電子電路的組裝與量測。學生將學習到科學與工程領域中最基本的數據分析與手作技能。

先修科目

無

評分方式

口頭報告 20% 書面報告 80%

週次計畫

週次	主題
第 0 週	[簡諧振盪] 簡諧振盪是眾多物理模型的原型。我們從彈性體的振動和單擺的擺盪開始,推導出運動方程式,用動能和位能的交互轉換解釋這些物體為什麼會往復運動。接著我們會用同樣的思維,去解釋電子在原子中為什麼會有能階(電子軌域理論)、分子中的原子會怎樣振顫(鍵結理論與能階分裂)、電子在晶體中會如何傳播 (能帶理論)、晶格會如何集體性地振盪(聲子理論)。對簡諧振盪有透澈的認識,可以幫助大家理解近代物理和量子物理模型中抽象的概念,也可以幫助大家創造屬於自己的物理模型。簡諧振盪最重要的特徵是它的振盪頻率。振盪頻率在選定物質的彈性、質量、形狀、長度的一瞬間就決定了,因此也稱為自然頻率。在這次實驗中,請創作一個振盪器,一個單擺,並設計實驗,分析你的材料和組件的形狀如何影響的振盪的自然頻率。
第 0 週	[阻尼振盪-力學版] 用擺垂是磁鐵的單擺,加上渦電流磁場產生的阻力,觀察阻尼振盪的現象。請大家把注意力集中在觀察、紀錄單擺擺動的模式,辨識阻尼振盪的特徵。在力學版的阻尼振盪,擺動和振幅耗損都是很具體的、眼睛看得到的現象。在電子版的阻尼振盪,我們會用電阻、電感、電容讓電壓產生一樣的振盪。大家可以比較力學版和電子版的阻尼振盪:有沒有發現物理學一體適用的神奇? 任務一:調整磁場強度,觀察單擺,找出次阻尼、臨界組尼、過阻尼三種典型的擺動模式。任務二:想一個方法,量出單擺的自然頻率。任務三:想一個方法,量出你的實驗裝置的阻尼係數。
第 0 週	[阻尼振盪-電子版] 用電子元件與麵包版,組合出LC、RC電路、RL電路、和RLC電路,觀察電荷(對應到電壓)在電路中如何振盪或衰減。其中RLC電路可以製造出電荷在電路中的阻尼振盪。我們會讓學生調整電阻、電感、電容的數值,觀察電壓,找出次阻尼、臨界組尼、過阻尼三種典型的振盪型態。最後在比較電子電路和力學系統中的阻尼振盪,整合兩個系統中的參數與運動方程式。
第 0 週	[干涉與繞射] 任務一:觀察雙狹縫、單狹縫、圓孔、方孔、光柵的干涉與繞射條紋任務二:測量一根頭髮的直徑加分任務:抽一個神祕小元件,用干涉和繞射原理判斷它的結構干涉與繞射圖紋除了表現出光的波動性質,最厲害的地方在於我們可以用圖紋去判斷微結構的形狀。很多我們用肉眼看不清楚的微結構,只要用波長適當的光去照射它,把干涉繞射圖紋投影到螢幕上,我們就可以直接從圖紋判斷微結構的形狀和尺寸了。這個實驗中,請同學把注意力集中在觀察、紀錄各種不同的干涉和繞射圖紋。實驗室準備的狹縫和孔洞有很多種不同的形狀,請大家多嘗試不一樣的形狀,享受觀察各種圖紋的樂趣。
第 0 週	[基本電學] 練習一:學會看電阻色碼練習二:用三用電表測量直流串聯電路與並聯電路的電壓與電流練習三:用訊號產生器產生弦波、三角波、和方波練習四:用示波器展示弦波、三角波、和方波,測量波的週期與振幅練習五:分別用示波器和三用電表測量弦波、三角波、和方波的均方根電壓
第 0 週	[電動馬達 - 組裝] 學生將設計一個電動馬達,用磁鐵、電線、電源供應器、自製支架...等組裝起來,讓線圈在磁場中旋轉。第一次上課的目標: 理解載流導線在磁場中受力的方向與強度(Lorentz Force Law)。把線圈安裝在磁場中適當的位置,讓線圈穩定地旋轉。第二次上課的目標: 調控線圈旋轉的速度。找出能夠改變線圈轉速的因素,予以調控。自己設計實驗,測量出轉速對參數的變化,評估自己的電動馬達是否能合理、良好、穩定地運作。

教科書

必備教材 *物理實驗標準格式手冊 *教師編寫的作業單 1. 簡諧振盪 2. 振盪-力學版 3. 光的干涉與繞射 4. 基本電學量測 5. 振盪-電子版參考教材國立陽明交通大學物理實驗講義請搜尋「國立陽明交通大學物理教育網-->實驗講義」

Office Hours

地點: 物理實驗教學實驗室
時間: 實驗課進行時間
聯絡方式: jwtsung@nctu.edu.tw