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1、大学物理实验课思考题参考答案大学物理实验考虑题参考答案目录一、转动惯量：二、伏安法与补偿法三、混沌考虑题四、半导体PN结五、地磁场六、牛顿环七、麦克尔逊干预仪八、全息照相九、光电效应十、声速测量十一、用电位差计校准毫安表十二、落球法测量液体的黏度十三、电子束偏转与电子比荷测量十四、铁磁材料磁化特性研究十五、光栅衍射十六、电桥十七、电位差计十八、密立根油滴十九、模拟示波器二十、金属杨氏摸量二十一、导热系数二十二、分光计二十三、集成霍尔传感器特性与简谐振动一、转动惯量：1、由于采用了气垫装置，这使得气垫摆摆轮在摆动经过中遭到的空气粘滞阻尼力矩降低至最小程度，能够忽略不计。但假如考虑这种阻尼的存在，
2、试问它对气垫摆的摆动如频率等有无影响？在摆轮摆动中，阻尼力矩能否保持不变？答：假如考虑空气粘滞阻尼力矩的存在，气垫摆摆动时频率减小，振幅会变小。或者讲对频率有影响，对振幅有影响在摆轮摆动中，阻尼力矩会越变越小。2、为什么圆环的内、外径只需单次测量？实验中对转动惯量的测量精度影响最大的是哪些因素？答：圆环的内、外径相对圆柱的直径大很多，使用一样的测量工具测量时，相对误差较小，故只需单次测量即可。对测量结果影响大小实验中对转动惯量测量影响最大的因素是周期的测量。或者阻尼力矩的影响、摆轮能否正常、平稳的摆动、物体摆放位置能否适宜、摆轮摆动的角度能否适宜等3、试总结用气垫摆测量物体转动惯量的方法有什么
3、基本特点？答：原理明晰、结论简单、设计巧妙、测量方便、最大限度的减小了阻尼力矩。二、伏安法与补偿法1、利用补偿法测量电阻消除了伏安法的系统误差，还可能存在的误差包括：读数误差、计算产生的误差、仪器误差、导线阻值的影响等或其他。2、能利用电流补偿电路对电流表内接法进行改良：三、混沌考虑题1、有程序各种语言皆可、K值的取值范围、图+5分有程序没有K值范围和图+2分只要K值范围+1分有图和K值范围+2分2、1混沌具有内在的随机性：从确定性非线性系统的演化经过看，它们在混沌区的行为都表现出随机不确定性。然而这种不确定性不是来源于外部环境的随机因素对系统运动的影响，而是系统自发产生的2混沌具有分形的性质
4、3混沌具有标度不变性4混沌现象还具有对初始条件的敏感依靠性：对具有内在随机性的混沌系统而言，从两个非常接近的初值出发的两个轨线在经过长时间演化之后，可能变得相距“足够远，表现出对初值的极端敏感，即所谓“失之毫厘，谬之千里。答对2条以上+1分，否则不给分，只举例的不给分。四、半导体PN结1、用集成运算放大器组成电流一电压变换器测量11610-A电流，有哪些优点?10-答：具有输入阻抗低、电流灵敏度高、温漂小、线性好、设计制作简单、构造牢靠等优点。2、本实验在测量PN结温度时，应该注意哪些问题？答：在记录数据开场和结束时，同时都要记录下干井中温度，取温度平均值。3、在用基本函数进行曲线拟合求经历公
5、式时，怎样检验哪一种函数式拟合得最好，或者拟合的经历公式最符合实验规律？答：运用最小二乘法，将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数，然后求出衡量各回归方程好坏的拟合度R2。拟合度最接近于1的函数，拟合得最好。五、地磁场1、磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理有什么区别？答：前者是磁场变化引起材料阻值变化，最终使得电桥外接电压转变为对应的输出电压；后者是磁场变化引起流经材料内部的载流子发生偏转而产生电压。2、为何坡莫合金磁阻传感器碰到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？答：传感器碰到强磁场感应时，对应的磁阻材料将产生磁畴饱和现象，外加磁场很难改变磁
6、阻材料的阻值，所以传感器灵敏度会降低。方法是：在硅片上设计两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器碰到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，可用此来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。或者按复位键六、牛顿环1、利用透射光观测牛顿环与用反射光观测会有什么区别?答：干预条纹明暗互补，即，在透射方向观察因不存在半波损失，仍会观察到亮暗相间的同心圆环干预条纹，但亮暗正好与在反射方向观察互补！a)测量暗环直径时，叉丝交点没有通过环心，因此测量的是弦而非直径，对实验结果
7、能否有影响?为什么?答：222+=kklr2222nmnmllrr-=-所以，没有影响，圆环直径的平方差等于对应的弦的平方差。一问1分b)为什么由平凸透镜和平板玻璃构成的牛顿环离中心越远，条纹越密?答：第k级暗环的半径条纹间距所以随着环数增加，条纹越密一问1分七、麦克尔逊干预仪1.测He-Ne激光波长时，微调手轮始终只能朝一个方向转动，为什么？答：防止引入空程差。2.为什么M1与2M必须完全平行时，才能见到一组同心的圆形干预条纹？假如M1与2M不平行，将出现什么样的干预条纹？一问1分答：当M1和M2平行，设M1和M2距离为d，面光源上某点发出的光线以一样的入射角i入射，经反射后，相干光1、2的
8、光程差idcos2=?。由上式可知，当d一定时，光程差仅与入射角有关，即具有同一入射角i的光束所构成的是光程差一样的同级条纹。在整个干预区域内，不同倾角的光束可构成以E为圆心的一组明暗相间的同心圆环。当M1、M2不再平行而是有微小夹角?、且M1和M2之间构成的楔形空气层较薄时，会构成等厚干预条纹。假如入射角很小，光束近于垂直入射时，cos=1-2/2，故=22(12)d-=22dd-,在M1、M2相交处，d=0，光程差为0，出现中央直条纹；而在两镜面交线附近，d2远比要小，故可忽略，则的变化主要取决于厚度d的变化。所以，在楔形空气层上厚度一样的地方，光程差也一样，将出现一组平行于两镜面交线的直
9、线，这就是等厚干预条纹；当厚度d变大时，d2能够与比拟，此时既决定于d又与有关，这时得到的干预条纹将随角的增大逐步发生弯曲，凸向两镜交线，此时已不再是等厚干预kRrk=kRRkr-+=?)1()1(kkR-+=kkR+=11?rk条纹。3.对定域干预和非定域干预观察方法有何不同？答：非定域干预在光场中任何位置都可看到干预条纹，定域干预只能在某些特定的区域无穷远或透镜焦平面处观察到干预条纹。4点光源照射时看到的干预图与牛顿环实验中看到的干预图从现象上看有什么共同之处？从本质上看有什么共同之处、有什么不同之处？答：从现象上看都是同心圆环状的干预条纹，内疏外密。从本质上看都是分振幅法产生的干预图像，
10、迈克尔是等倾干预，级次内高外低；牛顿环是等厚干预，级次内低外高。5测量石英晶片厚度时，为什么必须用白光而不用单色光？白光干预条纹在没有补偿板的情况下能否调出来？一问1分答：白光相干长度十分小，只要当光程差几乎为零时才发生干预，参加石英晶片后光路2的光程改变了，只要光路2的长度改变使光程差再次相等时才能再次出现干预条纹。假如用其他光，比方激光，由于激光的相干长度较大，即便光程差不相等，光程差不为零，也能出现干预条纹，公式4.16.8中的d就不准确，不能用来计算晶片厚度。从光的单色性和相干性相干长度好坏考虑。Na光和HeNe激光单色性好，相干长度较大，没有补偿板P2，移动M1，加大M1和M2/间的
11、距离仍能产生干预，干预条纹不会重叠，仍可观察。但白光单色性差，分出的两束光只要在0时，才能看到彩色干预条纹，在稍大时，不同波长的干预条纹会相互重叠，使光强趋于均匀，彩色干预条纹会消失。不能调出来。6空气折射率与压强有关，真空时的折射率为1，标准大气压时空气折射率为n，请提出设计方案，用迈克尔孙干预仪测量空气折射率。1分答：实验原理：从光源S发出的一束光，在分束镜G的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1从G反射出后投向M1镜，反射回来再穿过G；光束2投向M2镜，经M2镜反射回来再通过G膜面上反射。于是，反射光束1与透射光束2在空间相遇，发生干预。由图1可知，迈克尔逊干预仪中，当光束垂直
12、入射至M1、M2镜时，两束光的光程差为)(22211LnLn-=1式中，1n和2n分别是路程1L、2L上介质的折射率。设单色光在真空中的波长为，当,3,2,1,0,=KK2时干预相长，相应地在接收屏中心的总光强为极大。由式1知，两束相干光的光程差不但与几何路程有关，还与路程上介质的折射率有关。当1L支路上介质折射率改变1n?时，因光程的相应改变而引起的干预条纹的变化数为N。由1式和2式可知112LNn=?3例如：取nm0.633=和mmL1001=，若条纹变化10=N，则能够测得0003.0=?n。可见，测出接收屏上某一处干预条纹的变化数N，就能测出光路中折射率的微小变化。正常状态PaPCt5
13、01001325.1,15?=下，空气对在真空中波长为nm0.633的光的折射率00027652.1=n，它与真空折射率之差为410765.2)1(-?=-n。用一般方法不易测出这个折射率差，而用干预法能很方便地测量，且准确度高。实验装置nm0.633=，H是为调节光束气压表它上面可看到干预条纹。测量方法调好光路后，先将气室抽成真空气室内压强接近于零，折射率1=n，然后再向气室内缓慢充气，此时，在接收屏上看到条纹移动。当气室内压强由0变到大气压强p时，折射率由1变到n。若屏上某一点通常观察屏的中心条纹变化数为N，则由式3可知LNn21+=4但实际测量时，气室内压强难以抽到真空，因而利用4式对数
14、据作近似处理所得结果的误差较大。应采用下面的方法才比拟合理。理论证实，在温度和湿度一定的条件下，当气压不太大时，气体折射率的变化量n?与气压的变化量p?成正比：常数=?=-pnpn1所以ppnn?+=15将3式代入该式，可得ppLNn?+=216式6给出了气压为p时的空气折射率n。可见，只要测出气室内压强由1p变化到2p时的条纹变化数N，即可由式6计算压强为p时的空气折射率n，气室内压强不必从0开场。例如，取p=760mmHg，改变气压p?的大小，测定条纹变化数目N，用6式就能够求出一个大气压下的空气折射率n的值。实验步骤1、按实验装置示意图把仪器放好。打开激光光源。2、调节光路光路调节的要求
15、是：M1、M2两镜互相垂直；经过扩束和准直后的光束应垂直入射到M1、M2的中心部分。1粗调H、T先不放入光路，调节激光管支架，目测使光束基本水平并且入射在M1、M2反射镜中心部分。若不能同时入射到M1、M2的中心，可略微改变光束方向或光源位置。注意操作要小心，动作要轻慢，防止损坏仪器。2细调放入H，使激光束正好通过小孔H。然后，在光源和干预仪之间沿光束移动小孔H。若移动后光束不再通过小孔而位于小孔上方或下方，讲明光束未到达水平入射，应该缓慢调整激光管的仰俯倾角，最后使得移动小孔光阴束总是正好通过小孔为止。此时，在小孔屏上能够看到由M1、M2反射回来的两列小光斑。用小纸片挡住M2镜，H屏上留下由
16、M1镜反射回来的一列光斑，稍稍调节光束的方位，使该列光斑中最亮的一个正好进入小孔H其余较暗的光斑与调节无关，可不管它。此时，光束已垂直入射到M1镜上了。调节时应注意尽量使光束垂直入射在M1镜的中心部分。用小纸片挡住M1镜，看到由M2镜反射回来的光斑，调节M2镜后面的三个调节螺钉，使最亮的一个光斑正好进入小孔H。此时，光束已垂直入射到M2镜的中心部分了。记住此光阴点在M2镜上的位置。放入扩束镜，并调节扩束镜的方位，使经过扩束后的光斑中心仍处于原来它在M2镜上的位置。调节至此，通常即可在接收屏O上看到非定域干预圆条纹。若仍未见条纹，则应按、步骤重新调节。条纹出现后，进一步调节垂直和水平拉簧螺丝，使
17、条纹变粗、变疏，以便于测量。3、测量测量时，利用打气球向气室内打气，读出气压表指示值1p，然后再缓慢放气，相应地看到有条纹“吐出或“吞进即前面所讲条纹变化。当“吐出或“吞进N=60个条纹时，记录气压表读数2p值。然后重复前面的步骤，共取6组数据，求出移过N=60个条纹所对应的气室内压强的变化值12pp-的6次平均值p?.。4、计算空气的折射率气压为p时的空气的折射率为ppLNn?+=21我们要求测量p为1个大气压强时空气的折射率。八、全息照相1、全息照相与普通照相不同，它能够不用透镜或其他成像装置，而是利用光的干预和衍射原理来记录和再现物光波；普通照相只是记录光的强度振幅，而全息照相是把物体发出全部光信息，即振幅和相位都记录下来，人们就能够看清物体的颜色、明暗、位置、形状和远近等。2、要求物光和参考光的光程差尽量小，以保证它们具有良好的相干性，进而获得良好成像效果。实验中，采用导线测量的方法，来确定大致相等的光程。3、在实验中能够采用多种方法来调整与检验，以其实现合时的光强之比。如用实验室提供的硬纸板遮挡住一路光，观察另一路光在白板上的光亮度情况，反复比拟，调整扩束境的相对位置来实现。九、光电效应1、实验时为什么不能将滤色片罩在光源的出光孔上？答：假如滤色片不在入光孔处，会使得其它频率的光进入入光孔，无法实现单一频率光照