2025年大学《物理学》专业题库- 光学实验中的光速测定

2025年大学《物理学》专业题库——光学实验中的光速测定考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题3分，共15分。请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.在利用旋转反射镜法测量光速的实验中，通过测量光在已知路径上往返所需的时间来计算光速。为了提高测量精度，关键在于（）。A.使用亮度极高的光源B.确保反射镜旋转角度非常小C.使用单色光而非白光D.延长测量路径的总长度2.迈克尔逊干涉仪测量光速的基本原理是利用光程差的变化引起干涉条纹的移动。当动反射镜移动一小段距离时，若观察到干涉条纹移动了N条，则光在该段距离内传播的速度近似为（）。A.1/2*λ*NB.λ*NC.2*λ*ND.λ/N3.在光速测定的实验中，以下哪种因素主要引入系统误差？（）A.空气温度的微小波动B.计时器启动和停止的微小延迟C.反射镜表面不完全理想，有微小起伏D.实验室环境存在微弱震动4.傅科测定光速的方法与迈克尔逊方法的主要区别在于（）。A.使用光源不同B.反射镜的运动方式不同C.干涉条纹的观察方式不同D.光程差测量的原理不同5.若在光速测定实验中，已知光程差随时间的变化关系为Δ=kλ+(λ/2)sin(ωt)，其中k为整数，则测量到的光频（角频率ω与频率f的关系为ω=2πf）为（）。A.ω/2πB.ωC.2π/ωD.λω/2π二、填空题（每空3分，共18分。请将答案填在题中横线上。）6.光速在真空中的值是一个基本物理常数，其近似值约为______米/秒。7.利用旋转反射镜法测定光速时，如果已知反射镜旋转的角速度为ω，测量到在反射镜旋转半圈（即π弧度）期间，光从光源出发返回到观察点的光束扫过接收屏上的刻度线数为N，则光速v的表达式为______。8.迈克尔逊干涉仪测量光速实验中，若动反射镜以速度v匀速移动，观察到干涉条纹移动的速率为ν，则光速v的表达式为______。9.在进行光速测定实验时，若使用钠光灯作为光源，其谱线宽度（单色性）对测量结果的影响是______。10.光速测定实验中，若采用激光作为光源，其主要优点是______。11.若某次光速测定实验得到的结果为3.00×10⁸m/s，已知真实值约为2.9979×10⁸m/s，则该实验结果的绝对误差约为______m/s，相对误差约为______%。三、简答题（每题8分，共24分。请简要回答下列问题。）12.简述利用迈克尔逊干涉仪测量光速的原理。在实验中，需要测量哪些物理量？13.列举光速测定实验中可能存在的两种主要系统误差来源，并简要说明减小这些误差的方法。14.相对于经典的旋转反射镜法，现代利用激光和精确计时器的光速测定方法有哪些突出的优点？四、计算题（每题10分，共20分。请列出必要的计算步骤，并给出最终结果。）15.在利用旋转反射镜法测量光速的实验中，已知光路距离L=45.00米，反射镜以ω=600.0rad/s的角速度旋转。当反射镜旋转半圈时，观察者发现光束在屏幕上移动了Δx=5.00厘米。请计算光速的测量值。16.某实验小组使用迈克尔逊干涉仪测量光速。他们使用频率f=5.00×10¹⁴Hz的单色光，动反射镜以v=0.500m/s的速度移动。在动反射镜移动距离Δd=0.100m的过程中，观察到干涉条纹移动了N=125条。请计算光速的测量值。试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.B5.A二、填空题6.3.00×10⁸7.2Lω/N8.2Lv/ν9.增大测量的困难度，降低测量精度10.单色性好（或相干性好，或波长短）11.0.0011×10⁸;0.037%三、简答题12.原理：利用迈克尔逊干涉仪，通过移动一个反射镜改变光程差，观察干涉条纹的移动。当动反射镜移动距离Δd时，光程差改变2Δd，引起干涉条纹移动ΔN条。由此可知λ=2Δd/ΔN。测量出Δd和ΔN，即可计算光速v=c=λf=2Δd*f/ΔN。需要测量的物理量：光源频率f、动反射镜移动距离Δd、干涉条纹移动数目ΔN。13.系统误差来源1：仪器误差，如反射镜的安装误差、导轨不水平等。减小方法：选用高精度仪器，仔细调节仪器，多次测量取平均值。系统误差来源2：环境因素，如温度、湿度、风的影响导致空气折射率变化。减小方法：选择恒温恒湿的实验环境，进行温度补偿。14.优点1：测量精度高，因为使用激光（波长远短，干涉效果好）和精确电子计时器。优点2：实验装置相对简单，原理清晰。优点3：易于实现自动化测量和数据采集。四、计算题15.解析：反射镜旋转半圈，对应的角度为π弧度，所需时间为t=π/ω。在此时间内，光走过路程为2L，因此光速v=2L/t=2Lω/π。计算：v=2*45.00m*600.0rad/s/π≈1.72×10⁷m/s答案：1.72×10⁷m/s16.解析：动反射镜移动距离Δd=0.100m，所需时间t=Δd/v=0.100m/0.500m/s=0.200s。在此时间内，光波振荡次数变化为ΔN*f。由于移动距离Δd引起光程差改变2Δd，对应干涉条纹移动N条，所以ΔN*f=2Δd/λ=N。由此λ=2Δd/N。光速v=c=λf=(2