大學物理實驗教材課后思考題答案

大學物理實驗教材課后思考題答案轉動慣量：1．由于采用了氣墊裝置，這使得氣墊擺擺輪在擺動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。但如果考慮這種阻尼的存在，試問它對氣墊擺的擺動（如頻率等）有無影響？在擺輪擺動中，阻尼力矩是否保持不變？答：如果考慮空氣粘滯阻尼力矩的存在，氣墊擺擺動時頻率減小，振幅會變小。（或者說對頻率有影響，對振幅有影響）在擺輪擺動中，阻尼力矩會越變越小。2．為什么圓環(huán)的內、外徑只需單次測量？實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、外徑相對圓柱的直徑大很多，使用相同的測量工具測量時，相對誤差較小，故只需單次測量即可。（對測量結果影響大?。嶒炛袑D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)的擺動、物體擺放位置是否合適、擺輪擺動的角度是否合適等）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：原理清晰、結論簡單、設計巧妙、測量方便、最大限度的減小了阻尼力矩。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賴性：對具有內在隨機性的混沌系統(tǒng)而言，從兩個非常接近的初值出發(fā)的兩個軌線在經過長時間演化之后，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A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）本實驗在測量PN結溫度時，應該注意哪些問題？答：在記錄數(shù)據(jù)開始和結束時，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，或者擬合的經驗公式最符合實驗規(guī)律？答：運用最小二乘法，將實驗數(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經材料內部的載流子發(fā)生偏轉而產生電壓。（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)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：干涉條紋明暗互補，即，在透射方向觀察因不存在半波損失，仍會觀察到亮暗相間的同心圓環(huán)干涉條紋，但亮暗正好與在反射方向觀察互補！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，對實驗結果是否有影響?為什么?答：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與氣壓的變化量成正比：所以（5）將（3）式代入該式，可得（6）式（6）給出了氣壓為時的空氣折射率?？梢姡灰獪y出氣室內壓強由變化到時的條紋變化數(shù)，即可由式（6）計算壓強為時的空氣折射率，氣室內壓強不必從0開始。例如，取=760mmHg，改變氣壓的大小，測定條紋變化數(shù)目，用（6）式就可以求出一個大氣壓下的空氣折射率的值。實驗步驟按實驗裝置示意圖把儀器放好。打開激光光源。調節(jié)光路光路調節(jié)的要求是：M1、M2兩鏡相互垂直；經過擴束和準直后的光束應垂直入射到M1、M2的中心部分。粗調H、T先不放入光路，調節(jié)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。注意操作要小心，動作要輕慢，防止損壞儀器。細調=1\*GB3①放入H，使激光束正好通過小孔H。然后，在光源和干涉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，應該緩慢調整激光管的仰俯傾角，最后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\*GB3②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，稍稍調節(jié)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節(jié)無關，可不管它）。此時，光束已垂直入射到M1鏡上了。調節(jié)時應注意盡量使光束垂直入射在M1鏡的中心部分。=3\*GB3③用小紙片擋住M1鏡，看到由M2鏡反射回來的光斑，調節(jié)M2鏡后面的三個調節(jié)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\*GB3④放入擴束鏡，并調節(jié)擴束鏡的方位，使經過擴束后的光斑中心仍處于原來它在M2鏡上的位置。調節(jié)至此，通常即可在接收屏O上看到非定域干涉圓條紋。若仍未見條紋，則應按=2\*GB3②、=3\*GB3③、=4\*GB3④步驟重新調節(jié)。條紋出現(xiàn)后，進一步調節(jié)垂直和水平拉簧螺絲，使條紋變粗、變疏，以便于測量。測量測量時，利用打氣球向氣室內打氣，讀出氣壓表指示值，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”=60個條紋時，記錄氣壓表讀數(shù)值。然后重復前面的步驟，共取6組數(shù)據(jù)，求出移過=60個條紋所對應的氣室內壓強的變化值的6次平均值。計算空氣的折射率氣壓為時的空氣的折射率為我們要求測量為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，而是利用光的干涉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。實驗中，采用導線測量的方法，來確定大致相等的光程。3、在實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。如用實驗室提供的硬紙板遮擋住一路光，觀察另一路光在白板上的光亮度情況，反復比較，調整擴束境的相對位置來實現(xiàn)。九、光電效應1實驗時為什么不能將濾色片罩在光源的出光孔上？答：如果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)，測出不同頻率的入射光所對應的截止電壓，由此可做-圖線，由截距-A/e可求得逸出功A。3如果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：=2.0eV/4.13566743×10eV·s=4.836×10HZ十、聲速測量：因為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。調節(jié)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，調節(jié)信號發(fā)生器的頻率，實驗中所用換能器頻率大概在33K~38KHZ之間，所以可以從33KHZ的頻率開始上調頻率，觀察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。當空氣溫度變化時，聲音的頻率不變，但波長有變化。在實驗過程中，應盡量保持換能器S1的S2的表面互相平行，兩者平行時，測量的誤差最小。如果兩者不平行，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，均勻調節(jié)滑片可以使得輸出電壓均勻線性變化。本實驗要求電流表電流可調，滑動變阻器阻值為R=550，R=100,所以R2*R-R=10002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，每次測量都必須經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節(jié)。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實驗方案。（共3分）答：實驗電路圖如圖：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，即可得到電壓表兩端的實際電壓，同樣，調節(jié)滑線變阻器，讀出電壓表量程范圍內均勻分布的8～10個電壓值，即可作出電壓表的校準曲線。次數(shù)12345678910V的示數(shù)V3.0上行U1下行U2真值U偏差ΔU表中數(shù)據(jù)電壓單位均為V.為上行測量時電位差計的讀數(shù)，為下行測量時電位差計的讀數(shù)真值U為電壓表兩端的實際電位差測量值的平均，十二、落球法測量液體的黏度測量蓖麻油的黏度時，測量起點是否可以選擇液面，為什么？不可以，小球剛進入液面時沒有達到受力平衡，不是勻速運動。如何保證在小球運動過程中不產生漩渦？使落球導管的末端浸入蓖麻油，讓小球沿著落球導管慢慢進入液體十三、電子束偏轉與電子比荷測量請從理論和實驗方法上比較各實驗的誤差，討論其產生的原因，并提出改進意見零電場法測量中，電子速度與軸向的夾角很小，近似認為電子在均勻磁場中運動時具有相同的軸向速度，當運動一個周期后，所有的電子聚焦于一點，實際上此焦點有一定的寬度，導致測量觀察時有誤差。電偏轉法測量中螺旋線的起點不明確，螺旋線的起點會不會隨加速電壓的改變而改變也不明確，試驗中采用的是一種折中的辦法認為螺旋線的起點在偏轉板中，引入了誤差；其次，在判斷亮線的角度的時候也會出現(xiàn)錯誤?？傮w來說，零電場法比電偏轉法測量的誤差要小。實驗4.13鐵磁材料磁化特性研究順磁材料分子電流說和有序排列加反向磁場；摔打；高溫；交變并且逐漸變小的外磁場實驗5.11光柵衍射適用條件：平行光垂直入射。判斷：平行光，分光計調節(jié)中光縫成清晰的象垂直入射，光柵玻璃面反射的亮十字和望遠鏡的上叉絲重合。光柵：由于不同波長的光在其衍射角不同產生的衍射光譜。譜線是分級的。棱鏡：不同波長的光在棱鏡材料中的折射率不同產生的折射光譜。譜線是分立的。弗蘭克-赫茲實驗1．IP-Ua呈現(xiàn)出有規(guī)律的起伏變化，IP的谷峰不為零，而且沿U軸升高。由波爾理論可知，當電子與原子碰撞時，如果電子能量小于臨界能量，則發(fā)生彈性碰撞；如果電子能量大于臨界能量，則發(fā)生非彈性碰撞。從曲線中可知，當Ua從零增大，板極電流也隨之增大，表示電子動能增加，到達板極的電子數(shù)目必隨之增多，這說明電子在飛行途中盡管與管內的氣體原子碰撞，但不損失能量，是彈性碰撞。當Ua增大到原子的第一激發(fā)電位Uo時，這時電子與氣體原子發(fā)生非彈性碰撞，把幾乎全部的能量傳遞給氣體原子，使氣體原子激發(fā)，這些損失了能量的電子不能穿越減速電場到達板極，到達極板的電子數(shù)目減少，所以Ip下降。繼續(xù)增大Ua，板極電流又逐漸回升，說明電子與氣體原子碰撞后的剩余能量能使電子穿越電場到達板極。當Ua增大到2Uo時，Ip又轉為下降，說明電子與氣體原子發(fā)生了第二次非彈性碰撞而失去能量，并且受到減速電場的阻擋不能到達極板，電流再度下降，如此往復。2．電壓UR在G2與板極p之間形成一個減速電場，在穿越G2的電子中，只有能量大于eUR的電子才能到達板極P形成板極電流Ip,當UR增大時，到達板極p的電子數(shù)減小，相應的板極電流Ip減小。 音頻信號的光纖通信1．半導體發(fā)光二極管經光纖輸出的光功率與其驅動電流的關系稱為LED的光電特性。在信號傳輸中，為了避免和減少非線性失真，使用時應先給LED一個適當?shù)钠秒娏鱅D,如果直流偏置過大，出現(xiàn)飽和失真，直流偏置過小出現(xiàn)截止失真。對于非線性失真要求不高的情況下，可把偏置電流選為LED最大允許工作電流的一半，這樣可使LED獲得無截止畸變幅度最大的調制，有利于信號的遠距離傳輸。2.光發(fā)送器部分，光纖部分，光接收器部分都有可能引起光信號的衰減。3．光纖傳輸中對光源器件在發(fā)光波長、電光功率、光譜寬度和調制性能等許多方面都有特殊要求，目前能較好的滿足要求的光源器件主要有半導體發(fā)光二極管和半導體激光器。光探測器又叫光檢測器，光接收機的主要部件是光檢測器，也就是高靈敏度的光電二極管。與普通的半導體二極管一樣，SPD也是一個PN結，但SPD的管殼上有一個能讓光射入其光敏區(qū)的窗口。此外，與普通二極管不同，它經常工作在反向偏置電壓狀態(tài)或無偏壓狀態(tài)，因此，SPD的光電特性線性度好。常見的光電二極管有倆種：PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)由于光信號在光纖中有損耗和失真所以對光檢測器的性能要求很高。其中最重要的要求是在所用的光源的波長范圍內有較高的靈敏度、較小的噪聲，響應速度快以適應速率傳輸。光檢測器一般要滿足以下要求：（1）在系統(tǒng)工作要求的波長區(qū)域范圍內，有高的量子效率；（2）響應速度快；（3）具有好的線性輸入-輸出性質；（4）能在通常條件下可靠的工作。電橋1、試證明單臂電橋平衡時，四個橋臂的阻值滿足.答：當電橋平衡時，檢流計中電流為零，即,所以,所以，,即。2、若單臂電橋中有一個橋臂斷開（或短路），電橋是否能調到平衡狀態(tài)？若實驗中出現(xiàn)該故障，則調節(jié)時會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？答：不能調到平衡，檢流計的指針始終朝一個方向偏轉。3、在實際操作電橋測電阻時，總是要先預置儀器上的數(shù)值大致等于被測電阻的阻值，為什么要這樣做？答：這樣使電阻箱的阻值與待測電阻的阻值較接近，B、D之間的壓降不會太大，檢流計的偏轉不會過于劇烈，從而保護檢流計；同時先預置阻值可以使調節(jié)過程更加方便快捷。電位差計電位差計具有很高的準確度和靈敏度，與電路中的哪些元件關系密切？標準電池、檢流計11米電阻絲如果實驗中發(fā)現(xiàn)檢流計總往一邊偏，無法調到平衡，試分析可能有哪些原因？電源電壓過大或過?。谎a償電路正負極接反；回路中發(fā)生斷路現(xiàn)象；標準電池損壞；待測電池帶電量過小3、根據(jù)式（4.9.6），推導內阻測量不確定度的計算公式。密立根油滴1向油霧室噴油時為什么要使兩極板短路？答：由于兩極板間有電容的存在,在通電之后電容充電,使兩極板短路是為了電容放電,消除極板間的電場.若在向氣室噴霧時,會由于電場的存在影響實驗效果2實驗時如何保證測量的時間是對應油滴做勻速運動的時間？答：.釋放油滴后，讓它自由下落通過分劃板上兩格的距離后，再啟動計時按鈕。3密立根油滴實驗的設計思想，實驗技巧對你的實驗素質和能力的提高有何幫助？做完該試驗后有何心得體會？答：密立根油滴實驗的巧妙之處在于通過測量實驗中得到的宏觀物理量，從而推算出難以直接測量的微觀物理量。示波器1、當Y軸輸入端有信號，但屏上只有一條垂直亮線是什么原因？如何調節(jié)才能使波形沿X軸展開？答案：運用示波器觀波形時，常把被研究信號電壓加到Y軸輸入端。為了使波形展開，在X軸加上"掃描電壓"。這樣，熒光屏上的光點除了沿Y軸方向運動外，還沿X軸方向被掃描，電子束在X、Y軸電壓的共同作用下偏轉運行。調整掃描周期