大学物理实验课思考题参考答案

1、大学物理实验思考题参考答案目录一、 转动惯量：二、 伏安法与补偿法三、 混沌思考题四、 半导体PN结五、 地磁场六、 牛顿环七、 麦克尔逊干涉仪八、 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过程中受到的空气粘滞阻尼力矩降低至最小程度，可以忽略不计。但如果

2、考虑这种阻尼的存在，试问它对气垫摆的摆动（如频率等）有无影响？在摆轮摆动中，阻尼力矩是否保持不变？答：如果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。（或者说对频率有影响，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，使用相同的测量工具测量时，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、摆轮是否正常、平稳的摆动、物体摆放位置是否合适、摆轮摆动的角度是否合适等）3、试总结

3、用气垫摆测量物体转动惯量的方法有什么基本特点？答：原理清晰、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进：三、 混沌思考题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分只有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过程看，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

4、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（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赖性：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A电流，有哪些优点?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、结构牢靠等优点。2、本实验在测量PN结温度时，应该注意哪些问题？答：在记录数据开始和结束时，同时都要记录下干井

5、中温度，取温度平均值。3、在用基本函数进行曲线拟合求经验公式时，如何检验哪一种函数式拟合得最好，或者拟合的经验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遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？答：传感器遇到强磁场感

6、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，该传感器遇到强磁场感应时，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：干涉条纹明暗互补，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涉条纹，但亮暗正好与在反射方向观察互补！a) 测量暗环

7、直径时，叉丝交点没有通过环心，因而测量的是弦而非直径，对实验结果是否有影响?为什么?答： 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形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、麦克尔逊干涉仪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与必须完全平行时，才能见到一组同心的圆形干涉条纹？如果M1与不平行，将出现什么样的干涉条纹？ （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相同的入射角

8、i入射，经反射后，相干光1、2的光程差。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的光束所形成的是光程差相同的同级条纹。在整个干涉区域内，不同倾角的光束可形成以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之间形成的楔形空气层较薄时，会形成等厚干涉条纹。如果入射角很小，光束近于垂直入射时，cos=1-2/2 ，故=,在 M1、M2相交处，=0，光程差为0 ，出现中央直条纹；而在两镜面交线附近，2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相同的地方，光程差也相同，将出现一组平行于两镜面交线的直线，这就是等

9、厚干涉条纹；当厚度d变大时，2可以与比较，此时既决定于d又与有关，这时得到的干涉条纹将随角的增大逐渐发生弯曲，凸向两镜交线，此时已不再是等厚干涉条纹。3.对定域干涉和非定域干涉观察方法有何不同？答：非定域干涉在光场中任何位置都可看到干涉条纹，定域干涉只能在某些特定的区域（无穷远或透镜焦平面处）观察到干涉条纹。4点光源照射时看到的干涉图与牛顿环实验中看到的干涉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涉条纹，内疏外密。从本质上看都是分振幅法产生的干涉图像，迈克尔是等倾干涉，级次内高外低；牛顿环是等厚干涉，级次内低外高。5测量石英晶片厚度

10、时，为什么必须用白光而不用单色光？白光干涉条纹在没有补偿板的情况下能否调出来？（一问1分） 答：白光相干长度特别小，只有当光程差几乎为零时才发生干涉，加入石英晶片后光路2的光程改变了，只有光路2的长度改变使光程差再次相等时才能再次出现干涉条纹。如果用其他光，比如激光，由于激光的相干长度较大，即使光程差不相等，光程差不为零，也能出现干涉条纹，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/间的距离仍能产生干涉，干涉条纹不会重叠，仍可观察。但白光单色性差，分出的两束

11、光只有在0时，才能看到彩色干涉条纹，在稍大时，不同波长的干涉条纹会互相重叠，使光强趋于均匀，彩色干涉条纹会消失。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，用迈克尔孙干涉仪测量空气折射率。（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，发生干涉。O 图1 迈克尔逊干涉仪光路示意图激光SG12由图1可知，迈克尔逊干涉仪中，当光束垂直入射至M1、M2镜时，

12、两束光的光程差为 （1）式中，和分别是路程、上介质的折射率。设单色光在真空中的波长为，当 （2）时干涉相长，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。当支路上介质折射率改变时，因光程的相应改变而引起的干涉条纹的变化数为。由（1）式和（2）式可知 （3）例如：取和，若条纹变化，则可以测得。可见，测出接收屏上某一处干涉条纹的变化数，就能测出光路中折射率的微小变化。正常状态（）下，空气对在真空中波长为的光的折射率，它与真空折射率之差为。用一般方法不易测出这个折射率差，而用干涉法能很方便地测量，且准确度高。实验装置O图2 测量空气

13、折射率实验装置示意图激光器G气压表HTL气室打气球实验装置如图2所示。用He-Ne激光作光源（He-Ne激光的真空波长为），并附加小孔光栏H及扩束镜T。扩束镜T可以使激光束扩束。小孔光栏H是为调节光束使之垂直入射在M1、M2镜上时用的。另外，为了测量空气折射率，在一支光路中加入一个玻璃气室，其长度为。气压表用来测量气室内气压。在O处用毛玻璃作接收屏，在它上面可看到干涉条纹。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），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变到大气压强时，折射率由1变到。若屏上某一点（通常观察屏的中心）条纹变化数为，则由式（

14、3）可知 （4）但实际测量时，气室内压强难以抽到真空，因此利用（4）式对数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较合理。理论证明，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与气压的变化量成正比：所以 （5）将（3）式代入该式，可得 （6）式（6）给出了气压为时的空气折射率。可见，只要测出气室内压强由变化到时的条纹变化数，即可由式（6）计算压强为时的空气折射率，气室内压强不必从0开始。例如，取=760mmHg，改变气压的大小，测定条纹变化数目，用（6）式就可以求出一个大气压下的空气折射率的值。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

15、路调节的要求是：M1、M2两镜相互垂直；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，可稍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，在光源和干涉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，说明光束未达到水平入射，应该缓慢调整激光管的仰俯倾角，最后使得移动小孔时光束总是正好通过小孔为止。此时，在小孔屏上可以看到由M1、M2反射回来的两列小光斑。用小纸片

16、挡住M2镜，H屏上留下由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。记住此时光点在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上看到非定域干涉圆条纹。若仍未见条纹，则应按、步骤重新调节。条纹出现后，进一

17、步调节垂直和水平拉簧螺丝，使条纹变粗、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，然后再缓慢放气，相应地看到有条纹“吐出”或“吞进”（即前面所说条纹变化）。当“吐出”或“吞进”=60个条纹时，记录气压表读数值。然后重复前面的步骤，共取6组数据，求出移过=60个条纹所对应的气室内压强的变化值的6次平均值。4、 计算空气的折射率气压为时的空气的折射率为我们要求测量为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，它可以不用透镜或其他成像装置，而是利用光的干涉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

18、部光信息，即振幅和相位都记录下来，人们就可以看清物体的颜色、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，从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、在实验中可以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，反复比较，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：如果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射阴极金属板。2、从截止电压与入射光频率的关系曲线中，你能确定阴极

19、材料的逸出功么？答：根据，测出不同频率的入射光所对应的截止电压，由此可做-图线，由截距-A/e可求得逸出功A。3、如果某种材料的逸出功为2.0eV，用它做阴极时能探测的波长红限时多少？答：=2.0eV/4.1356674310 eVs=4.83610HZ十、声速测量1、因为换能器只有在共振状态下，它发出的信号才最强，也才有可能被接收器所接受，否则接收器是无法接受到信号，也无法进行测量。调节方法是将两个换能器平面平行放置好，两者之间相距1CM左右，连接好线路，调节信号发生器的频率，实验中所用换能器频率大概在33K38KHZ 之间，所以可以从33KHZ的频率开始上调频率，观察示波器上的信号幅度大小

20、，当幅度越来越大，并且达到最大值时，该频率即为谐振频率。2、当空气温度变化时，声音的频率不变，但波长有变化。三、 在实验过程中，应尽量保持换能器S1 的 S2的表面互相平行，两者平行时，测量的误差最小。如果两者不平行，两者间的驻波随着距离的增大会减小，引起测量误差。十一、用电位差计校准毫安表1、如何确定负载电阻的阻值范围，为什么？答：用滑线变阻器组成的分压电路中，负载电阻为滑线变阻器阻值2倍以上时，均匀调节滑片可以使得输出电压均匀线性变化。本实验要求电流表电流可调，滑动变阻器阻值为R=550，R=100,所以R2*R- R=10002、分析试验中引起校准误差的主要原因有哪些？你采用何种措施使误

21、差减小？答：系统误差：电表的不确定性（包括标准电池，电位差计，电阻箱等），导线电阻引起的电流减小的误差等。随机误差：电源的波动，估读数据数据的读数误差，做修正曲线时描点等误差。措施：1电位差计在测量的过程中，其工作条件会发生改变，为保证电流保持规定的数值，每次测量都必须经过校准和测量两个基本步骤，两个基本步骤的间隔时间不能过长，而且每次要达到补偿都要细致的调节。2 电流表读数时要使目光正视指针，不能斜视。3、能否用UJ360电位差计校准0-3V的电压表，提出你的设计线路并拟定实验方案。（共3分）答：实验电路图如图：电压表和电位差计都是测量电位的仪器，只要两者并联去测量同一个电压即可进行校准。只

22、是一般的电位计的量程较小，不能与量程较大的电压表同时去测一较大的电压，为此我们可以将一分压箱与电压表并联，只要用电位差计测得分压箱上一定比例的电压，再乘上所使用的分压箱的倍率，即可得到电压表两端的实际电压，同样，调节滑线变阻器，读出电压表量程范围内均匀分布的810个电压值，即可作出电压表的校准曲线。次数12345678910V的示数V0.30.60.91.21.51.82.12.42.73.0上行U1下行U2真值U偏差U表中数据电压单位均为V.为上行测量时电位差计的读数，为下行测量时电位差计的读数真值U为电压表两端的实际电位差测量值的平均，十二、落球法测量液体的黏度1、 测量蓖麻油的黏度时，测

23、量起点是否可以选择液面，为什么？不可以，小球刚进入液面时没有达到受力平衡，不是匀速运动。2、 如何保证在小球运动过程中不产生漩涡？使落球导管的末端浸入蓖麻油，让小球沿着落球导管慢慢进入液体。十三、电子束偏转与电子比荷测量1、 请从理论和实验方法上比较各实验的误差，讨论其产生的原因，并提出改进意见零电场法测量中，电子速度与轴向的夹角很小，近似认为电子在均匀磁场中运动时具有相同的轴向速度，当运动一个周期后，所有的电子聚焦于一点，实际上此焦点有一定的宽度，导致测量观察时有误差。电偏转法测量中螺旋线的起点不明确，螺旋线的起点会不会随加速电压的改变而改变也不明确，试验中采用的是一种折中的办法认为螺旋线的

24、起点在偏转板中，引入了误差；其次，在判断亮线的角度的时候也会出现错误。总体来说，零电场法比电偏转法测量的误差要小。十四、铁磁材料磁化特性研究1、 顺磁材料2、 分子电流说和有序排列3、 加反向磁场；摔打；高温；交变并且逐渐变小的外磁场十五、光栅衍射1. 适用条件：平行光垂直入射。判断：平行光，分光计调节中光缝成清晰的象 垂直入射，光栅玻璃面反射的亮十字和望远镜的上叉丝重合。2. 光栅：由于不同波长的光在其衍射角不同产生的衍射光谱。谱线是分级的。棱镜：不同波长的光在棱镜材料中的折射率不同产生的折射光谱。谱线是分立的。十六、电桥1、试证明单臂电桥平衡时，四个桥臂的阻值满足.答：当电桥平衡时，检流计

25、中电流为零，即,所以,所以，,即。2、若单臂电桥中有一个桥臂断开（或短路），电桥是否能调到平衡状态？若实验中出现该故障，则调节时会出现什么现象？答：不能调到平衡，检流计的指针始终朝一个方向偏转。3、在实际操作电桥测电阻时，总是要先预置仪器上的数值大致等于被测电阻的阻值，为什么要这样做？答：这样使电阻箱的阻值与待测电阻的阻值较接近，B、D之间的压降不会太大，检流计的偏转不会过于剧烈，从而保护检流计；同时先预置阻值可以使调节过程更加方便快捷。十七、电位差计1、 电位差计具有很高的准确度和灵敏度，与电路中的哪些元件关系密切？ 答：标准电池、检流计 、11米电阻丝。2、 如果实验中发现检流计总往一边偏

26、，无法调到平衡，试分析可能有哪些原因？ 答：电源电压过大或过小；补偿电路正负极接反；回路中发生断路现象；标准电池损坏；待测电池带电量过小3、 根据式（4.9.6），推导内阻测量不确定度的计算公式。答： 十八、密立根油滴1、 向油雾室喷油时为什么要使两极板短路？答：由于两极板间有电容的存在,在通电之后电容充电,使两极板短路是为了电容放电,消除极板间的电场.若在向气室喷雾时,会由于电场的存在影响实验效果2、 实验时如何保证测量的时间是对应油滴做匀速运动的时间？答：. 释放油滴后，让它自由下落通过分划板上两格的距离后，再启动计时按钮。3、密立根油滴实验的设计思想，实验技巧对你的实验素质和能力的提高有

27、何帮助？做完该试验后有何心得体会？答：密立根油滴实验的巧妙之处在于通过测量实验中得到的宏观物理量，从而推算出难以直接测量的微观物理量。十九、模拟示波器1、当Y轴输入端有信号，但屏上只有一条垂直亮线是什么原因？如何调节才能使波形沿X轴展开？答：运用示波器观波形时，常把被研究信号电压加到Y轴输入端。为了使波形展开，在X轴加上扫描电压。这样，荧光屏上的光点除了沿Y轴方向运动外，还沿X轴方向被扫描，电子束在X、Y轴电压的共同作用下偏转运行。调整扫描周期为信号周期的整数倍。则在显示屏上将看到一个周期的、稳定的信号图形。2、用示波器观察周期为0.2ms的信号电压，若在屏上呈现5个周期的稳定波形，扫描电压的周期应等于多少？答：0.2ms5=1ms3、若示波器观察的波形不断的向右移动，说明扫描频率偏高还是偏低？答：示波器上的图形不断的向右跑，此时扫描周期小于信号周期，说明扫描频率与被测信号频率相比偏高。要使波形稳定，需调节水平偏转因素，设置档位降低，增大水平扫描锯齿波周期，当水平扫描周期与信号周期相同时信号波形达到稳定状态。另外还可以调节触发电平消除由于环境等因素影响而使输入信号