2006年09月21日

低年级实验室的目的是教给你一些现代物理学实验基础的实践经验，并在这个过程中，还可以加深你对实验和理论，主要是和原子与核物理之间关系的认识。你将对一些现象进行实验，这些现象的发现曾导致物理学的重大进展。你获得的数据将有不可避免的系统和随机误差。它们的存在会模糊在基于感官经验的宏观观察量和支配原子和原子核的亚微观世界理想规律之间的关系。学习每一个实验设置是如何工作的，而且如何熟练掌握其操作以便让你取得最可能好的数据，然后如何以理论的观点来解释数据并对误差有一个量化的估计，这些对你而言是富有挑战意义的。我们认为在观察，测量和理解以后，你会满意地发现这些现象中有许多如果是你发现的话，想必你也会获得诺贝尔奖。

　　我们希望你们两人一组进行实验，在对数据的测量、分析和解释方面尽可能做到均匀分工。对一个实验室合作伙伴的最佳选择可能是住在你附近并且日程安排与你一样的某位同学。这样你可以在课堂之外一起分析和解释结果。大多数学生发现他们至少每周需要18小时来完成本课程的工作。

　　在 秋季学期，头两节课是教给每位同学在实验技术，数据分析和计算工具的共同基础知识，包括MATLAB ?和LaTex，以便使你们熟悉实验室。其中一次3个小时的课安排了两个简短的介绍性实验：其中一个一定是“泊松统计”，而另一个则可能是“电磁脉冲的传输”或“光电效应”。 预习（在该实验室指南）问题并给出一个对这些初步实验的书面总结会有评分（以便让你知道你做得怎样），但将不会用来记分，所以您的最终成绩将不会受到影响。完成介绍性实验后，学生将要计划和执行4个较长的实验。第一个需要5节课来完成，而最后3个将每个需要4节课来完成。整个学期将在为期一周时间里，以进行一连串面向同行、朋友和系里的老师公开，而且标准与美国物理学会大会一样的学生口头报告方式来结束。

　　在 春季学期，第一堂课是专门用来挑选合作伙伴和让指导老师对一些注意事项进行简要介绍的。学生将选择4个不同的实验，每一个将需要5次独立的实验课。你可以选择的实验包括： 塞曼效应

　　光泵（有两个装置可用）

　　脉冲核磁共振

　　穆斯堡尔谱（由两个设置可用）

　　超导

　　无多普勒效应谱

　　量子信息处理（需要做过核磁共振实验）

　　21厘米无线电天体物理学

　　请注意，这增加的第5天（超出你在8.13秋季学期的时间）提高了对完成实验室指南给出的各种“挑战”方面和超出标准材料方面的期望水平。在学期末有额外的课时可以让学生们获取附加的数据或重复一个实验的选做部分。

　　要求的教材 实验室实验指南：在实验室课程中提供。

　　贝文顿，菲利普河，和D.基思罗宾逊。物理科学的数据简化和误差分析。 第3版。波士顿，马萨诸塞州：麦格劳希尔，2002。书号：9780072472271。

　　贝文顿和罗宾逊的教材包含了详尽的误差分析处理，并会在你整个的职业生涯非常有用。

　　经常需要查阅的其他教材 Melissinos，阿德里安。 近代物理实验。第1和第2版。马萨诸塞州伯灵顿：学术出版社，1966年和2003年。

　　在Melissinos的教材中可以找到的对理解一个实验的基本材料。这些材料通常在实验室指南中都省略掉了。在你进行调查之前和期间请同时查阅两个版本（因为每个版本提供了不同的材料，您应该查阅它们两个！）。

　　普雷斯顿，达里尔和埃里克迪茨。 实验物理的艺术。纽约，NY：John Wiley & Sons，1991。

　　泰勒，约翰。 误差分析简介。第二版。纽约，NY：大学科技书籍出版社，1997年。

　　本书涵盖了罗宾逊和贝文顿教材中许多一样的材料，更容易阅读。

　　参考文章及设备使用手册

　　在作为实验人员的培训阶段，你应该认识到，没有“全面”或完美的教科书。有许多你需要深入挖掘的材料是早期杂志的论文，它们给出了这些重要发现的许多详细信息。许多这些参考文献在实验室课中都有罗列。欲了解更多有关科技写作方面的信息，请参阅 科技写作的梅菲尔德手册。 低年级实验室实验的分布

　　散射和量子化实验

　　康普顿散射

　　弗兰克-赫兹

　　卢瑟福散射

　　原子物理学

　　氢原子的光学光谱

　　X射线物理

　　光泵（春）

　　塞曼效应（春）

　　无多普勒效应谱（春）

　　核物理

　　α衰变的量子机制

　　中子物理（春）

　　穆斯堡尔谱（春）

　　凝聚态物理和统计

　　脉冲核磁共振

　　约翰逊噪声和发射噪声

　　量子信息处理（春）

　　超导（春）

　　狭义相对论和粒子物理学

　　宇宙线缪子的速度和平均寿命

　　相对论动力学

　　天体物理

　　21厘米无线电天体物理（春）

　　期望和评分标准

　　分级标准

　　活动

　　8.13秋季学期

　　8.14春季学期

　　出勤率和实验室表现 10% 10%

　　实验室笔记本 10% 8%

　　预习问题和数据分析作业 10% 10%

　　口试 (4次不公开) 30% 40%

　　最终的公开口头报告 10% 不适用

　　4页的文件总结 30% 32%

　　出勤率和实验室表现- 10％秋季（8.13）/ 10％，春季（8.14）

　　你在课内定期的出勤状况，以及你为测量和与你的合作伙伴轮流负责实验操作所做的准备工作，将是决定你本课程成绩的一个因素。

　　至关重要的是，你可以有效地使用分配给你的所有实验室时间，有时甚至更多。每次安排的实验课都会有一个有经验的实验物理学家到现场。他或她将得到研究生助教的协助。此外，低年级实验室工作人员还包括负责相关设备的维护和发展新实验的技术指导老师。我们已经作好了准备，热心帮助您把事情做对，并回答问题。

　　实验室笔记本- 10％春季（8.13）/ 8％，春季（8.14）

　　这门课程的一个重要目标就是要你保持做实验记录的习惯，这将有助于你在今后的研究工作。为此，您将使用一个标准的实验笔记本，在里面应该保留有完整的实验步骤、事情经过、原始数据，计算和每一个实验结果并带有日期的记录。本课程不接受任何其他形式的笔记本。虽然你通常要求两人一组，并被敦促在实验的各个方面和分析进行合作，但是每个学生必须保持一个完整的，每个实验及分析均带有日期的纪录。在计算书中带有交叉影线的纸张对制作表格、画线与做粗略图提供了方便。高分辨率图，照片和共享数据的拷贝应进行粘贴或用胶带粘好。在实验进行当中，你必须写出足够的说明。这样，几年以后，你可以重复你过去取得的结果。注意，表格和图表应该是整洁，紧凑的，尽可能少地在实验室笔记本留下空白，同时在清晰度与组织逻辑方面均有兼顾。不应该有活页或乱插的图表。

　　初步分析实验室的数据以检查其合理性。如果你改变其它条件对一个量进行了一系列测量，把结果画出来可以使你看出趋势，找出错误，并判断在什么地方你也许需要更多或更少的数据。每次测量重复至少3次，尽可能做到独立测量，以便为估计随机误差打下统计的基础并减少失误的机会。如果你在四个规定布置的实验课中做完一个实验的所有操作和初步分析， 可以借此机会部分或全部完善该实验，以得到最可能好的数据。

　　许多实验将要求你将数据传输到计算机，并存储在磁盘上。显然，在这种情况下，打印出所有的数据并粘贴到你的笔记本上是不实际的。但是，我们希望看到，在你的实验室笔记本中有代表性的图或表格。此外，我们期待对数据文件有一个明确的说明和总结，这样当你几天或几周后再用到该数据时，可以找出在实验室做实验的过程当中所对应的文件。

　　每个学生的笔记本在秋季学期 （8.13）要检查三次。第一个将在实验介绍后进行，检查的结果将被评分但没有记录，以帮助学生了解什么是被期望做到的。在完成第一和第三个主要实验以后，将有两个有评分记录的笔记本检查。这些将在实验室课中进行。

　　每个学生的笔记本在春季学期 （8.14）将检查两次：一次是在第一次实验以后，一次是在第三次实验以后。已经上过8.13的学生，应该很了解如何保管自己的实验室笔记本。

　　预习问题和数据分析作业- 10％秋季（8.13）/ 10％，春季（8.14）

　　每个实验室指南都有一套预习问题，以便引导你了解相关实验的要点。在每个实验的头一节课，都期望你找到解决预习问题的方法和/或在您的实验室书中预测的结果。拷贝一份你的解决方案，并存放在你的助教的邮件箱中。这份拷贝在第一次实验课开始后不久将会被收集上来。逾期的解决方案将不接受，这是因为你需要在该实验前知道该材料。你的解决方案将被研究生助教评分，并在下次实验课时返回。介绍性实验的预习问题也将被评分以作为反馈，但不会计入最后的课程成绩。

　　口试（4次非公开） - 30％秋季（8.13）/ 40％，春季（8.14）

　　在 秋季学期 （8.13），每个主要实验将有总长度为一小时的（2学生× 30分钟）口头考核和讨论，这将在合作的两个学生和他们的一个或多个的指导教师在相应实验最后计划的实验课的十天内完成。为了让你熟悉的这一程序，一小时的口头考查将安排在头两个介绍性实验中一个来进行。该口头考查将以相同方式考查其他学生并进行评分，但不会计入学生最后的课程成绩。这是旨在给学生在没有评分压力的情况下就内容、形式和表达方面提供反馈意见。一起合作的学生应该选择在不同介绍性实验中进行这项初始的口试。这些练习的口试录像将给麻省理工学院写作课程的老师进行指导与建议用。学生应该在他们进行完口试练习的一周内安排与这些老师约谈1小时以便接受反馈意见。

　　每个学生必须在考试课中带上实验室笔记本。每个学生应就实验的一个部分在理论和实验方面内容准备一份15分钟的口头报告。 15分钟是很短的时间，因此本质上的是给自己演练在美国物理协会大会上做一个15分钟报告的机会。请检查 协会指南。我们建议最多10张幻灯片，并强烈建议你的演示文稿是以电子方式（如LaTex或微软PPT）来准备，并使用LCD投影机尽可能做到给出最清楚与最专业的报告。学习资料部分有详细的说明及模板供你做成自己的演示文稿。理论部分应表现对理解实验结果的意义有关的理论部分有很好的掌握。较大的实验部分应占主导地位，并能证明你对设备是如何运作的，测量量是什么，数据如何导出的，以及随机和系统误差是如何估计的这几个问题上有很好的理解。每个学生必须讨论理论和实验的动机，只讨论理论或只讨论实验是不能接受的。我们鼓励与实验室的合作伙伴和其他学生进行全面合作来准备口头报告。这后一方面尤其重要，因为它可以确保两对合作伙伴的报告具有相同的结果！

　　在 春季学期 （8.14），每个学生应准备一份关于实验的单一部分的理论和实验方面的20分钟口头报告。这是一个比8.13稍长的报告，因此，预期学生对其所做实验的物理和误差的分析要钻研得深入一些。

　　最终公开的口头报告- 10％秋季（8.13）/不适用于春季（8.14）

　　在12月份学期结束时，每个学生作公开的口头报告，所有学生都要参加。该公开的口头报告是8.13课要求实现专业交流强化 （CI-M）要求的重要组成部分。这是除了4个给指导老师准备的口头报告以外的一个附加要求。公开的口头报告应该按在大会中发表论文的形式来进行，注意，材料的准备通常是以电子文稿或幻灯片的形式来完成，而且还要注意口头讨论的清楚程度。鼓励同学与听众提问题，并允许就相关实验进行一般性的讨论。每个学生，都需要在其口头报告前至少4天预约1小时的报告时间。应该为其公开的报告做“预演”并听取反馈意见。预演的结果不会被用来评分，但不这样将会导致口头报告评分成绩不会很好。

　　4页的文字总结- 30％秋季（8.13）/ 32％，春季（8.14）

　　你必须以Adobe ?PDF文件格式，将自己准备的包括实验目的、理论与结果的书面总结（4页包括图）在给口头报告当天的子夜通过电子邮件提交。在口试与提交论文之间的时间延迟，是给你纠正在考试时发现的大错误，以免在书面报告中重复这些错误而受到双重扣分！所有的实验工作都要总结，不能仅限于选为口头报告的部分。上交的每个实验总结应该表现出你对整个实验有很好的掌握，并且在英文文体上表述简洁与正确。其组织和风格应该像在物理评论快报的文章，有标题与紧随的摘要。这里摘要是必不可少的。它应该简要地给出动机（目的），方法（如何测量），而且最重要的是结果表示带有误差。基于这些，也许需要给出一个结论。该报告必须是适于稿件提交的书写形式。为此，我们给你们准备了一个以LaTex格式写成的示例文件，并鼓励你们学习和使用它提交你们自己论文。

　　该文件应包括实验目的与所涉及理论问题的讨论，实验装置和操作过程的叙述，结果的展示（包括误差！），以及对这些结果的讨论，最后一部分是简要给出你的结论。在该部分中重复你在论文摘要中的陈述。该总结的总长度（包括图）不要超过4页。如果你在文章中包括图会使其易于阅读。所给你的文章范本将教会你如何容易实现这一点。但是，不要泛滥地使用材料来唬弄读者。你应该找到一种方法，将结果总结在最多两张或三张图或表中。图表必须有适当的说明。来自他人工作的材料和想法必须有适当引用，并在将参考文献清单附在总结之后。

　　论文将使用以下标准来评分： 理论和/或实验动机- 10％

　　实验描述- 40％

　　数据分析和结果- 40％

　　格式和英语- 10％

　　口试后并未在子夜前提交总结论文的话，每晚交一天将扣4分。

　　在科学和科学教育中的道德

　　当你读了著名杂志的物理实验报告，通常可以假定它是一个由作者诚实地准确描述他们观察到的结果。您可能会怀疑其对结果的解释或为此提出的理论。但至少你可以相信，如果你按描述的方法重复实验的话，你会得到本质上是相同的实验结果。

　　大自然是科学真理的最终实施者。如果随后的工作证明，已发表的测量结果是大大高于估计误差极限的错误，会对作者的名誉大打折扣。如果发现是欺诈行为，其职业生涯可能会被葬送。因此，最专业的科学家对他们保留的实验记录与发表的结果都非常小心。

　　低年级实验室是针对实验物理学的科学与艺术提供专业培训而设计的。在你实验室笔记本留下的记录，以及你的书面报告和口头汇报，必须与你所观察到的包含有日期、时间和谁做的完全一致。

　　有时你会因为一个操作错误，设备故障，误解或计算错误而得到错误的东西。指导老师的工作是帮助你找出什么东西做错了，这样你下次可以做得更好。如果实验情况是这样，你不能得到自己的数据（如设备故障，恶劣的天气），你可以使用别人的数据，前提是你要承认这一点。

　　捏造或者伪造数据，使用他人的结果而不承认，并抄袭别人的报告是与剽窃问题一样严重的知识产权犯罪，有可能会被从研究所中开除。

　　关于承认使用他人数据的警示也适用于承认其他人的言论。汲取从课本或其它参考资料学到的想法的正确方法是研究其关键点直到完全弄懂，然后不是照搬照抄而是用自己的语言来描述该想法。

　　人们经常看到，在科学期刊上，如“根据阿尔伯特爱因斯坦...”这样的词句。它表明作者是跟随爱因斯坦的思想或逻辑而不是他的原话。如果你所引用的材料，即使是列在文章最后的参考文献中也还不够的活。您应该使用以下格式：

　　将引文两边缩格或两边加引号，并且必须以参考文献注释的方式给出引文的归属。

　　从已经发表的工作，其他学生的论文，或从实验指南中照搬照抄而不给出引文适当归属的做法，是一种严重违反职业道德的行为，将被送交纪律委员会处理。

　　大多数低年级实验室实验涉及对众所周知的基本常数，如 h, e, k, e/m, G或重要物理量，如μ子平均寿命或电子对光子的散射截面进行数据比较测量。这些实验的目的是给你们研究原子和核现象的动手经验，是给你对在课本和课堂上学习到的概念与理论真实性的感知认识，以及是为你在获取与识别可靠数据，并从中提取出有意义的结果方面所应具有的专业技巧提供了入门训练。 “偷窥”CRC手册或许多相关教材中的一本来看你的实验应该得到什么结果并没有什么错。事实上，从你的低年级实验室经历中获得最大收益的方法，是像玩游戏一样从现有的设备和分析的现实限制中得到最精确的测量，作出严格的误差估计，然后比较已有的结果。如果已有的结果在你的误差范围之外，尝试找出失误的原因，解决它，然后再试一次。如果该值是你误差范围内，也不要大意，为了证明你的结果并非偶然方面，无论什么工作，只要是有必要的都要去做。重复实验是获得一个结果的置信度与各种误差必不可少的关键，这对无论是单一测量或整个实验都成立！但是，无论实验的结果是什么，在你的口头或书面报告中必须如实描述你观察或测量到的结果，而不管结果可能有多“坏”。