大學物理試驗課思考題參考答案

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大學物理試驗思考題參考答案

目錄

一、轉動慣量：

二、伏安法與補償法三、混沌思考題四、半導體PN結五、地磁場六、牛頓環(huán)

七、麥克爾遜干擾儀八、全息照相九、光電效應十、聲速測量

十一、用電位差計校準毫安表十二、落球法測量液體的黏度十三、電子束偏轉與電子比荷測量十四、鐵磁材料磁化特性研究十五、光柵衍射十六、電橋十七、電位差計十八、密立根油滴十九、模擬示波器二十、金屬楊氏摸量二十一、導熱系數(shù)二十二、分光計

二十三、集成霍爾傳感器特性與簡諧振動

一、轉動慣量：

1、由于采用了氣墊裝置，這使得氣墊擺擺輪在搖擺過程中受到的空氣粘滯阻尼力矩降低至最小程度，可以忽略不計。但假使考慮這種阻尼的存在，試問它對氣墊擺的搖擺（如頻率等）有無影響？在擺輪搖擺中，阻尼力矩是否保持不變？

答：假使考慮空氣粘滯阻尼力矩的存在，氣墊擺搖擺時頻率減小，振幅會變小。（或者說

對頻率有影響，對振幅有影響）

在擺輪搖擺中，阻尼力矩會越變越小。

2、為什么圓環(huán)的內(nèi)、外徑只需單次測量？試驗中對轉動慣量的測量精度影響最大的是哪些因素？

答：圓環(huán)的內(nèi)、外徑相對圓柱的直徑大好多，使用一致的測量工具測量時，相對誤差較小，

故只需單次測量即可。（對測量結果影響大?。?/p>

試驗中對轉動慣量測量影響最大的因素是周期的測量。（或者阻尼力矩的影響、擺輪是否正常、平穩(wěn)的搖擺、物體擺放位置是否適合、擺輪搖擺的角度是否適合等）3、試總結用氣墊擺測量物體轉動慣量的方法有什么基本特點？

答：原理明了、結論簡單、設計巧妙、測量便利、最大限度的減小了阻尼力矩。二、伏安法與補償法

1、利用補償法測量電阻消除了伏安法的系統(tǒng)誤差，還可能存在的誤差包括：讀數(shù)誤差、

計算產(chǎn)生的誤差、儀器誤差、導線阻值的影響等或其他。2、能利用電流補償電路對電流表內(nèi)接法進行改進：

三、混沌思考題

1、

有程序（各種語言皆可）、K值的取值范圍、圖+5分有程序沒有K值范圍和圖+2分只有K值范圍+1分有圖和K值范圍+2分

2、（1）混沌具有內(nèi)在的隨機性：從確定性非線性系統(tǒng)的演化過程看，它們在混沌

區(qū)的行為都表現(xiàn)出隨機不確定性。然而這種不確定性不是來源于外部環(huán)境的隨機因素對系統(tǒng)運動的影響，而是系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的

（2）混沌具有分形的性質（3）．混沌具有標度不變性（4）．混沌現(xiàn)象還具有對初始條件的敏感依靠性：對具有內(nèi)在隨機性的混沌系統(tǒng)而言，從兩個十分

接近的初值出發(fā)的兩個軌線在經(jīng)過長時間演化之后，可能變得相距“足夠〞遠，表現(xiàn)出對初值的極端敏感，即所謂“失之毫厘，謬之千里〞。

答對2條以上+1分，否則不給分，只舉例的不給分。

四、半導體PN結

1、用集成運算放大器組成電流一電壓變換器測量10?6~10?11A電流，有哪些優(yōu)點?答：具有輸入阻抗低、電流靈敏度高、溫漂小、線性好、設計制作簡單、結構牢靠等優(yōu)點。

2、本試驗在測量PN結溫度時，應當注意哪些問題？

答：在記錄數(shù)據(jù)開始和終止時，同時都要記錄下干井中溫度?，取溫度平均值?。3、在用基本函數(shù)進行曲線擬合求經(jīng)驗公式時，如何檢驗哪一種函數(shù)式擬合得最好，或者擬合的經(jīng)驗公式最符合試驗規(guī)律？

答：運用最小二乘法，將試驗數(shù)據(jù)分別代入線性回歸、指數(shù)回歸、乘冪回歸這三種常用的基本函數(shù)，然后求出衡量各回歸方程好壞的擬合度R2。擬合度最接近于1的函數(shù)，擬合得最好。

五、地磁場

1、磁阻傳感器和霍耳傳感器在工作原理有什么區(qū)別？

答：前者是磁場變化引起材料阻值變化，最終使得電橋外接電壓轉變?yōu)閷妮敵鲭妷?；后者是磁場變化引起流?jīng)材料內(nèi)部的載流子發(fā)生偏轉而產(chǎn)生電壓。

2、為何坡莫合金磁阻傳感器遇到較強磁場時，其靈敏度會降低？用什么方法來恢復其原來的靈敏度？

答：傳感器遇到強磁場感應時，對應的磁阻材料將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，外加磁場很難改變磁阻材料的阻值，所以傳感器靈敏度會降低。方法是：在硅片上設計兩條鋁制電流帶，一條是置位與復位帶，該傳感器遇到強磁場感應時，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，可用此來置位或復位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產(chǎn)生一個偏置磁場，補償環(huán)境磁場中的弱磁場部分(當外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與磁感應強度成平方關系)，使磁阻傳感器輸出顯示線性關系。（或者按復位鍵）

六、牛頓環(huán)

1、利用透射光觀測牛頓環(huán)與用反射光觀測會有什么區(qū)別?

答：干擾條紋明暗互補，即，在透射方向觀測因不存在半波損失，仍會觀測到亮暗相間的同心圓環(huán)干擾條紋，但亮暗正好與在反射方向觀測互補！

a)測量暗環(huán)直徑時，叉絲交點沒有通過環(huán)心，因而測量的是弦而非直徑，對試驗結

果是否有影響?為什么?答：

2rk2?lk??2

222rm?rn2?lm?ln

條紋間距?r?(k?1)R??kR?

?R?(k?1?k)

1?R?

k?1?k

k??r?隨著環(huán)數(shù)增加，條紋越密（一問1分）所以

所以，沒有影響，圓環(huán)直徑的平方差等于對應的弦的平方差。（一問1分）

b)為什么由平凸透鏡和平板玻璃形成的牛頓環(huán)離中心越遠，條紋越密?答：第k級暗環(huán)的半徑r?kR?k七、麥克爾遜干擾儀

1.測He-Ne激光波長時，微調手輪始終只能朝一個方向轉動，為什么？答：防止引入空程差。

2.為什么M1與M2必需完全平行時，才能見到一組同心的圓形干擾條紋？假使M1與

??M2不平行，將出現(xiàn)什么樣的干擾條紋？（一問1分）

答：當M1和M2′平行，設M1和M2′距離為d，面光源上某點發(fā)出的光線以一致的入射角i入射，經(jīng)反射后，相干光1、2的光程差??2dcosi。由上式可知，當d一定時，光程差僅與入射角有關，即具有同一入射角i的光束所形成的是光程差一致的同級條紋。在整個干擾區(qū)域內(nèi)，不同傾角的光束可形成以E為圓心的一組明暗相間的同心圓環(huán)。

當M1、M2′不再平行而是有微小夾角?、且M1和M2′之間形成的楔形空氣層較薄時，

2

會形成等厚干擾條紋。假使入射角?很小，光束近于垂直入射時，cos?=1-?/2，故

22Δ=2d(1??2)=2d?d?,在M、M′相交處，d=0，光程差為0，出現(xiàn)中央直條紋；而在

12

兩鏡面交線附近，d?2遠比?要小，故可忽略，則Δ的變化主要取決于厚度d的變化。所以，在楔形空氣層上厚度一致的地方，光程差也一致，將出現(xiàn)一組平行于兩鏡面交線的直線，這就是等厚干擾條紋；當厚度d變大時，d?2可以與?比較，此時Δ既決定于d又與?有關，這時得到的干擾條紋將隨角?的增大逐漸發(fā)生彎曲，凸向兩鏡交線，此時已不再是等厚干擾

條紋。

3.對定域干擾和非定域干擾觀測方法有何不同？

答：非定域干擾在光場中任何位置都可看到干擾條紋，定域干擾只能在某些特定的區(qū)域（無窮遠或透鏡焦平面處）觀測到干擾條紋。

4．點光源照射時看到的干擾圖與牛頓環(huán)試驗中看到的干擾圖從現(xiàn)象上看有什么共同之處？從本質上看有什么共同之處、有什么不同之處？

答：從現(xiàn)象上看都是同心圓環(huán)狀的干擾條紋，內(nèi)疏外密。

從本質上看都是分振幅法產(chǎn)生的干擾圖像，邁克爾是等傾干擾，級次內(nèi)高外低；牛頓環(huán)是等厚干擾，級次內(nèi)低外高。

5．測量石英晶片厚度時，為什么必需用白光而不用單色光？白光干擾條紋在沒有補償板的狀況下能否調出來？（一問1分）

答：白光相干長度特別小，只有當光程差幾乎為零時才發(fā)生干擾，參與石英晶片后光路2的光程改變了，只有光路2的長度改變使光程差再次相等時才能再次出現(xiàn)干擾條紋。假使用其他光，譬如激光，由于激光的相干長度較大，即使光程差不相等，光程差不為零，也能出現(xiàn)干擾條紋，公式4.16.8中的d就不確鑿，不能用來計算晶片厚度。

從光的單色性和相干性（相干長度）好壞考慮。Na光和He—Ne激光單色性好，相干長度較大，沒有補償板P2，移動M1，加大M1和M2/間的距離仍能產(chǎn)生干擾，干擾條紋不會重疊，仍可觀測。但白光單色性差，分出的兩束光只有在δ≈0時，才能看到彩色干擾條紋，在δ稍大時，不同波長的干擾條紋會相互重疊，使光強趨于均勻，彩色干擾條紋會消失。不能調出來。

6．空氣折射率與壓強有關，真空時的折射率為1，標準大氣壓時空氣折射率為n，請?zhí)岢鲈O計方案，用邁克爾孫干擾儀測量空氣折射率。（1分）

答：試驗原理：從光源S發(fā)出的一束光，在分束鏡G的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1從G反射出后投向M1鏡，反射回來再穿過G；光束2投向M2鏡，經(jīng)M2鏡反射回來再通過G膜面上反射。于是，反射光束1與透射光束2在空間相遇，發(fā)生干擾。

激光SM1?M2L1n1G1O

L2n2MM2

2圖1邁克爾遜干擾儀光路示意圖

由圖1可知，邁克爾遜干擾儀中，當光束垂直入射至M1、M2鏡時，兩束光的光程差?為

??2(n1L1?n2L2)（1）

式中，n1和n2分別是路程L1、L2上介質的折射率。設單色光在真空中的波長為?，當

??K?,K?0,1,2,3,?（2）

時干擾相長，相應地在接收屏中心的總光強為極大。由式（1）知，兩束相干光的光程差不但與幾何路程有關，還與路程上介質的折射率有關。

當L1支路上介質折射率改變?n1時，因光程的相應改變而引起的干擾條紋的變化數(shù)為

N。由（1）式和（2）式可知

?n1?N?（3）2L1例如：取??633.0nm和L1?100mm，若條紋變化N?10，則可以測得

?n?0.0003?？梢姡瑴y出接收屏上某一處干擾條紋的變化數(shù)N，就能測出光路中折射率的微小變化。

正常狀態(tài)（t?15C,P?1.01325?10Pa）下，空氣對在真空中波長為633.0nm的光的折射率n?1.00027652，它與真空折射率之差為(n?1)?2.765?10不易測出這個折射率差，而用干擾法能很便利地測量，且確鑿度高。試驗裝置

激光器

O圖2測量空氣折射率試驗裝置示意圖HTLM1?405。用一般方法

氣壓表

氣室GMM2打氣球

試驗裝置如圖2所示。用He-Ne激光作光源（He-Ne激光的真空波長為??633.0nm），并附加小孔光欄H及擴束鏡T。擴束鏡T可以使激光束擴束。小孔光欄H是為調理光束使之垂直入射在M1、M2鏡上時用的。另外，為了測量空氣折射率，在一支光路中參與一個玻璃氣室，其長度為L。氣壓表用來測量氣室內(nèi)氣壓。在O處用毛玻璃作接收屏，在它上面可看到干擾條紋。測量方法

調好光路后，先將氣室抽成真空（氣室內(nèi)壓強接近于零，折射率n?1），然后再向氣室

內(nèi)緩慢充氣，此時，在接收屏上看到條紋移動。當氣室內(nèi)壓強由0變到大氣壓強p時，折射率由1變到n。若屏上某一點（尋常觀測屏的中心）條紋變化數(shù)為N，則由式（3）可知

n?1?N?（4）2L但實際測量時，氣室內(nèi)壓強難以抽到真空，因此利用（4）式對數(shù)據(jù)作近似處理所得結果的誤差較大。應采用下面的方法才比較合理。

理論證明，在溫度和濕度一定的條件下，當氣壓不太大時，氣體折射率的變化量?n與氣壓的變化量?p成正比：

所以

n?1?n??常數(shù)p?p?n?pn?1?將（3）式代入該式，可得

p（5）

n?1?N?p（6）

2L?p式（6）給出了氣壓為p時的空氣折射率n。

可見，只要測出氣室內(nèi)壓強由p1變化到p2時的條紋變化數(shù)N，即可由式（6）計算壓強為p時的空氣折射率n，氣室內(nèi)壓強不必從0開始。

例如，取p=760mmHg，改變氣壓?p的大小，測定條紋變化數(shù)目N，用（6）式就可以求出一個大氣壓下的空氣折射率n的值。試驗步驟

1、按試驗裝置示意圖把儀器放好。開啟激光光源。2、調理光路

光路調理的要求是：M1、M2兩鏡相互垂直；經(jīng)過擴束和準直后的光束應垂直入射到M1、M2的中心部分。

（1）粗調

H、T先不放入光路，調理激光管支架，目測使光束基本水平并且入射在M1、M2反射鏡中心部分。若不能同時入射到M1、M2的中心，可稍微改變光束方向或光源位置。注意操作要防備，動作要輕慢，防止損壞儀器。

（2）細調

①放入H，使激光束正好通過小孔H。然后，在光源和干擾儀之間沿光束移動小孔H。若移動后光束不再通過小孔而位于小孔上方或下方，說明光束未達到水平入射，應當緩慢調整激光管的仰俯傾角，最終使得移動小孔時光束總是正好通過小孔為止。此時，在小孔屏上可以看到由M1、M2反射回來的兩列小光斑。

②用小紙片擋住M2鏡，H屏上留下由M1鏡反射回來的一列光斑，稍稍調理光束的方位，

使該列光斑中最亮的一個正好進入小孔H（其余較暗的光斑與調理無關，可不管它）。此時，光束已垂直入射到M1鏡上了。調理時應注意盡量使光束垂直入射在M1鏡的中心部分。

③用小紙片擋住M1鏡，看到由M2鏡反射回來的光斑，調理M2鏡后面的三個調理螺釘，使最亮的一個光斑正好進入小孔H。此時，光束已垂直入射到M2鏡的中心部分了。記住此時光點在M2鏡上的位置。

④放入擴束鏡，并調理擴束鏡的方位，使經(jīng)過擴束后的光斑中心仍處于原來它在M2鏡上的位置。

調理至此，尋常即可在接收屏O上看到非定域干擾圓條紋。若仍未見條紋，則應按②、③、④步驟重新調理。

條紋出現(xiàn)后，進一步調理垂直和水平拉簧螺絲，使條紋變粗、變疏，以便于測量。3、測量

測量時，利用打氣球向氣室內(nèi)打氣，讀出氣壓表指示值p1，然后再緩慢放氣，相應地看到有條紋“吐出〞或“吞進〞（即前面所說條紋變化）。當“吐出〞或“吞進〞N=60個條紋時，記錄氣壓表讀數(shù)p2值。然后重復前面的步驟，共取6組數(shù)據(jù)，求出移過N=60個條紋所對應的氣室內(nèi)壓強的變化值p2?p1的6次平均值.?p。

4、計算空氣的折射率

氣壓為p時的空氣的折射率為

n?1?N?p

2L?p我們要求測量p為1個大氣壓強時空氣的折射率。

八、全息照相

1、全息照相與普通照相不同，它可以不用透鏡或其他成像裝置，而是利用光的干擾和衍射原理來記錄和再現(xiàn)物光波；普通照相只是記錄光的強度（振幅），而全息照相是把物體發(fā)出全部光信息，即振幅和相位都記錄下來，人們就可以看清物體的顏色、明暗、位置、形狀和遠近等。

2、要求物光和參考光的光程差盡量小，以保證它們具有良好的相干性，從而獲得良好成像效果。試驗中，采用導線測量的方法，來確定大致相等的光程。

3、在試驗中可以采用多種方法來調整與檢驗，以其實現(xiàn)合時的光強之比。如用試驗室提供的硬紙板遮擋住一路光，觀測另一路光在白板上的光亮度狀況，反復比較，調整擴束境的相對位置來實現(xiàn)。

九、光電效應

1、試驗時為什么不能將濾色片罩在光源的出光孔上？

答：假使濾色片不在入光孔處，會使得其它頻率的光進入入光孔，無法實現(xiàn)單一頻率光照射陰極金屬板。

2、從截止電壓Ua與入射光頻率?的關系曲線中，你能確定陰極材料的逸出功么？

答：根據(jù)h??eUa?A，測出不同頻率?的入射光所對應的截止電壓Ua，由此可做Ua-?圖線，由截距-A/e可求得逸出功A。

3、假使某種材料的逸出功為2.0eV，用它做陰極時能探測的波長紅限時多少？答：?0?A/h=2.0eV/4.13566743×10?15eV·s=4.836×1014HZ

十、聲速測量

1、由于換能器只有在共振狀態(tài)下，它發(fā)出的信號才最強，也才有可能被接收器所接受，否則接收器是無法接受到信號，也無法進行測量。

調理方法是將兩個換能器平面平行放置好，兩者之間相距1CM左右，連接好線路，調理信號發(fā)生器的頻率，試驗中所用換能器頻率大約在33K~38KHZ之間，所以可以從33KHZ的頻率開始上調頻率，觀測示波器上的信號幅度大小，當幅度越來越大，并且達到最大值時，該頻率即為諧振頻率。

2、當空氣溫度變化時，聲音的頻率不變，但波長有變化。

三、在試驗過程中，應盡量保持換能器S1的S2的表面相互平行，兩者平行時，測量的

誤差最小。假使兩者不平行，兩者間的駐波隨著距離的增大會減小，引起測量誤差。

十一、用電位差計校準毫安表

1、如何確定負載電阻的阻值范圍，為什么？

答：用滑線變阻器組成的分壓電路中，負載電阻為滑線變阻器阻值2倍以上時，均勻調理滑片可以使得輸出電壓均勻線性變化。本試驗要求電流表電流可調，滑動變阻器阻值為RP=550?，RS=100?,所以RL?2*RP-RS=1000?

2、分析試驗中引起校準誤差的主要原因有哪些？你采用何種措施使誤差減??？答：系統(tǒng)誤差：電表的不確定性（包括標準電池，電位差計，電阻箱等），導線電阻引起的電流減小的誤差等。

隨機誤差：電源的波動，估讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的讀數(shù)誤差，做修正曲線時描點等誤差。

措施：1電位差計在測量的過程中，其工作條件會發(fā)生改變，為保證電流保持規(guī)定的數(shù)值，每次測量都必需經(jīng)過校準和測量兩個基本步驟，兩個基本步驟的間隔時間不能過長，而且每次要達到補償都要細致的調理。2電流表讀數(shù)時要使目光正視指針，不能斜視。3、能否用UJ360電位差計校準0-3V的電壓表，提出你的設計線路并擬定試驗方案。（共3分）EK答：試驗電路圖如圖：

電壓表和電位差計都是測量電位的儀器，只要兩者并聯(lián)去測量同一個電壓即可進行校準。只是一般的電位計的量程較R小，不能與量程較大的電壓表同時去測一較大的電壓，為此我們可以將一分壓箱與電壓表并聯(lián)，只要用電位差計測得分壓箱

V上一定比例的電壓，再乘上所使用的分壓箱的倍率，即可得到

R1R2電壓表兩端的實際電壓，同樣，調理滑線變阻器，讀出電壓表

量程范圍內(nèi)均勻分布的8～10個電壓值，即可作出電壓表的校準曲線。

電位差計

校準電壓表電路

次數(shù)V的示數(shù)V上行U1下行U2真值U偏差ΔU10.320.630.941.251.561.872.182.492