中南大學(xué)大學(xué)物理實驗預(yù)習(xí)答案

1、中南大學(xué)大學(xué)物理實驗預(yù)習(xí)答案實驗一邁克耳孫干涉儀的調(diào)整與使用【預(yù)習(xí)思考題】1邁克爾孫干涉儀是利用什么方法產(chǎn)生兩束相干光的？答：邁克爾孫干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生兩束相干光的。2邁克爾孫干涉儀的等傾和等厚干涉分別在什么條件下產(chǎn)生的？條紋形狀如何？隨M1、M2的間距d如何變化？答：（1）等傾干涉條紋的產(chǎn)生通常需要面光源，且M1、M2應(yīng)嚴(yán)格平行；等厚干涉條紋的形成則需要M1、M2不再平行，而是有微小夾角，且二者之間所加的空氣膜較薄。（2）等傾干涉為圓條紋，等厚干涉為直條紋。（3）d越大，條紋越細(xì)越密；d 越小，條紋就越粗越疏。3什么樣條件下，白光也會產(chǎn)生等厚干涉條紋？當(dāng)白光等厚干涉條紋的中心被調(diào)到視場

2、中央時，M1、M2兩鏡子的位置成什么關(guān)系？答：白光由于是復(fù)色光，相干長度較小，所以只有M1、M2距離非常接近時，才會有彩色的干涉條紋，且出現(xiàn)在兩鏡交線附近。當(dāng)白光等厚干涉條紋的中心被調(diào)到視場中央時，說明M1、M2已相交?！痉治鲇懻擃}】1用邁克爾孫干涉儀觀察到的等傾干涉條紋與牛頓環(huán)的干涉條紋有何不同？答：二者雖然都是圓條紋，但牛頓環(huán)屬于等厚干涉的結(jié)果，并且等傾干涉條紋中心級次高，而牛頓環(huán)則是邊緣的干涉級次高，所以當(dāng)增大（或減?。┛諝鈱雍穸葧r，等傾干涉條紋會向外涌出（或向中心縮進(jìn)），而牛頓環(huán)則會向中心縮進(jìn)（或向外涌出）。2想想如何在邁克爾孫干涉儀上利用白光的等厚干涉條紋測定透明物體的折射率？答：首

3、先將儀器調(diào)整到M1、M2相交，即視場中央能看到白光的零級干涉條紋，然后根據(jù)剛才鏡子的移動方向選擇將透明物體放在哪條光路中（主要是為了避免空程差），繼續(xù)向原方向移動M1鏡，直到再次看到白光的零級條紋出現(xiàn)在剛才所在的位置時，記下M1移動的距離所對應(yīng)的圓環(huán)變化數(shù)N，根據(jù)，即可求出n。實驗二用動態(tài)法測定金屬棒的楊氏模量【預(yù)習(xí)思考題】1試樣固有頻率和共振頻率有何不同，有何關(guān)系?固有頻率只由系統(tǒng)本身的性質(zhì)決定。和共振頻率是兩個不同的概念，它們之間的關(guān)系為：式中Q為試樣的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。一般懸掛法測楊氏模量時，Q值的最小值約為50，所以共振頻率和固有頻率相比只偏低0.005%，故實驗中都是用f共代替f固，2如

4、何盡快找到試樣基頻共振頻率?測試前根據(jù)試樣的材質(zhì)、尺寸、質(zhì)量，通過（5.7-3）式估算出共振頻率的數(shù)值，在上述頻率附近尋找?！痉治鲇懻擃}】1測量時為何要將懸線吊扎在試樣的節(jié)點附近？理論推導(dǎo)時要求試樣做自由振動，應(yīng)把線吊扎在試樣的節(jié)點上，但這樣做就不能激發(fā)試樣振動。因此，實際吊扎位置都要偏離節(jié)點。偏離節(jié)點越大，引入的誤差就越大。故要將懸線吊扎在試樣的節(jié)點附近。2如何判斷銅棒發(fā)生了共振?可根據(jù)以下幾條進(jìn)行判斷：（1）換能器或懸絲發(fā)生共振時可通過對上述部件施加負(fù)荷(例如用力夾緊)，可使此共振信號變小或消失。（2）發(fā)生共振時，迅速切斷信號源，觀察示波器上李薩如圖形變化情況，若波形由橢圓變成一條豎直亮線

5、后逐漸衰減成為一個亮點，即為試樣共振頻率。（3）試樣發(fā)生共振需要一個孕育的過程，切斷信號源后信號亦會逐漸衰減，它的共振峰寬度較窄，信號亦較強(qiáng)。試樣共振時，可用尖嘴鑷子縱向輕碰試樣，這時會按圖5.7-1的規(guī)律發(fā)現(xiàn)波腹、波節(jié)。（4）在共振頻率附近進(jìn)行頻率掃描時，共振頻率兩側(cè)信號相位會有突變導(dǎo)致李薩如圖形在Y軸左右明顯擺動。實驗三分光計的調(diào)整與使用【預(yù)習(xí)思考題】1. 分光計由哪幾部分組成，各部分的作用是什么？答：分光計由平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺和讀數(shù)裝置四部分組成。（1）平行光管用來提供平行入射光。(2) 望遠(yuǎn)鏡用來觀察和確定光束的行進(jìn)方向。(3) 載物臺用來放置光學(xué)元件。(4) 讀數(shù)裝置用來測量望

6、遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動的角度。2. 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于儀器中心軸的標(biāo)志是什么？答：通過目鏡觀察到雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像都與分劃板上“ ”形叉絲的上十字重合。3. “+”字像、狹縫像不清晰分別如何調(diào)整？答：（1）“+”字像不清晰說明分劃板沒有位于物鏡的焦平面上，應(yīng)松開目鏡緊鎖螺釘，前后伸縮叉絲分劃板套筒，使“+”字像清晰并做到當(dāng)眼睛左右移動時，“+”字像與叉絲分劃板無相對移動，然后鎖緊目鏡緊鎖螺釘。（2）狹縫像不清晰說明狹縫沒有位于平行光管準(zhǔn)直透鏡的焦平面上，應(yīng)松開狹縫緊鎖螺釘，前后伸縮狹縫套筒，當(dāng)在已調(diào)焦無窮遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡目鏡中清晰地看到邊緣銳利的狹縫像時，然后鎖緊狹縫緊鎖螺釘?！痉治鲇懻擃}】1.

7、 當(dāng)通過目鏡觀察到雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像處于“ ”形叉絲的上十字上下對稱位置時，說明望遠(yuǎn)鏡和載物臺哪部分沒調(diào)好？當(dāng)通過目鏡觀察到雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像處于叉絲分劃板同一水平位置時，說明望遠(yuǎn)鏡和載物臺哪部分沒調(diào)好？應(yīng)怎樣調(diào)節(jié)？答：（1）當(dāng)通過目鏡觀察到雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像處于“ ”形叉絲的上十字上下對稱位置時，說明載物臺沒調(diào)好，望遠(yuǎn)鏡已水平。應(yīng)調(diào)載物臺下調(diào)平螺釘b或c，使雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像都與分劃板上“ ”形叉絲的上十字重合。（2）當(dāng)通過目鏡觀察到雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像處于叉絲分劃板同一水平位置時，說明望遠(yuǎn)鏡不水平，雙面鏡鏡面法線

8、已水平。應(yīng)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾角螺釘，使雙面鏡正反兩面反射回來的“+”字像都與分劃板上“ ”形叉絲的上十字重合。2. 如何用反射法（一束平行光由三棱鏡的頂角入射，在兩光學(xué)面上分成兩束平行光）測三棱鏡的頂角？解：如圖所示，由平行光管射出的平行光束照射在三棱鏡頂角上，分別射向三棱鏡的兩個光學(xué)面AB和AC，并分別被反射。由反射反射法光路圖定律和幾何關(guān)系可證明反射光線1、2的夾角與棱鏡頂角關(guān)系為先使望遠(yuǎn)鏡接收光線1，記下兩個角游標(biāo)的讀數(shù)和，然后，再轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡使望遠(yuǎn)鏡接收光線2，記下兩個角標(biāo)讀數(shù)和，兩次讀數(shù)相減即得實驗四用牛頓環(huán)法測定透鏡的曲率半徑【預(yù)習(xí)思考題】1白光是復(fù)色光，不同波長的光經(jīng)牛頓環(huán)裝置各自發(fā)生干

9、涉時，同級次的干涉條紋的半徑不同，在重疊區(qū)域某些波長的光干涉相消，某些波長的光干涉相長，所以牛頓環(huán)將變成彩色的。2說明平板玻璃或平凸透鏡的表面在該處不均勻，使等厚干涉條紋發(fā)生了形變。3因顯微鏡筒固定在托架上可隨托架一起移動，托架相對于工作臺移動的距離也即顯微鏡移動的距離可以從螺旋測微計裝置上讀出。因此讀數(shù)顯微鏡測得的距離是被測定物體的實際長度。4（1）調(diào)節(jié)目鏡觀察到清晰的叉絲；（2）使用調(diào)焦手輪時，要使目鏡從靠近被測物處自下向上移動，以免擠壓被測物，損壞目鏡。（3）為防止空程差，測量時應(yīng)單方向旋轉(zhuǎn)測微鼓輪。5因牛頓環(huán)裝置的接觸處的形變及塵埃等因素的影響，使牛頓環(huán)的中心不易確定，測量其半徑必然增

10、大測量的誤差。所以在實驗中通常測量其直徑以減小誤差，提高精度。6有附加光程差d0,空氣膜上下表面的光程差 =2dk+d0+ ,產(chǎn)生k級暗環(huán)時, =(2k+1) /2，k=0,1,2,暗環(huán)半徑rk= ；則Dm2=(m d0)R，Dn2= (n d0)R，R= ?！痉治鲇懻擃}】1把待測表面放在水平放置的標(biāo)準(zhǔn)的平板玻璃上，用平行光垂直照射時，若產(chǎn)生牛頓環(huán)現(xiàn)象，則待測表面為球面；輕壓待測表面時，環(huán)向中心移動，則為凸面；若環(huán)向中心外移動，則為凹面。2牛頓環(huán)法測透鏡曲率半徑的特點是：實驗條件簡單，操作簡便，直觀且精度高。3參考答案若實驗中第35個暗環(huán)的半徑為a ,其對應(yīng)的實際級數(shù)為k, a2=kR k=2

11、d35+ +d0=(2k+1) (k=0,1,2)d=實驗七用惠斯通電橋測量電阻【預(yù)習(xí)思考題】1. 電橋的平衡與工作電流I的大小有關(guān)嗎？為什么？答：電橋的平衡與工作電流I的大小無關(guān)。電橋接通后，一般在橋路上應(yīng)有電流流過，檢流計的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、Rs的值，使檢流計中的電流Ig等于零，指針應(yīng)指在零位，這時電橋達(dá)到了平衡。電橋達(dá)到平衡后應(yīng)滿足：I1=I2 Ix=Is UAB=UAD UBC=UDC即則電橋的平衡條件由電橋的平衡條件可知，電橋的平衡與工作電流I的大小無關(guān)。2. 在調(diào)節(jié)比較臂電阻Rs使電橋平衡的過程中，若電流計相鄰兩次偏轉(zhuǎn)方向相同或相反，各說明什么問題？下一步應(yīng)該怎樣

12、調(diào)節(jié)Rs，才能盡快使電橋平衡？答：電橋面板右上方為依次相差10倍的四個讀數(shù)盤，聯(lián)合使用，共同表示比較臂電阻Rs的值。在調(diào)節(jié)比較臂電阻Rs，使電橋平衡的過程中，若電流計相鄰兩次偏轉(zhuǎn)方向相同，且指針的擺幅減小或擺速減慢，說明該讀數(shù)盤調(diào)整的方向正確，下一步應(yīng)繼續(xù)沿這個方向調(diào)整該盤；若電流計相鄰兩次偏轉(zhuǎn)方向相反，說明該讀數(shù)盤數(shù)值調(diào)過了，需要倒回一擋，然后調(diào)整減小10倍的另一讀數(shù)盤。這樣依次調(diào)整，直至電橋達(dá)到平衡。【分析討論題】1. 若電橋內(nèi)所用干電池已使用很久，你認(rèn)為會影響測量的準(zhǔn)確度嗎？為什么？答：若電橋內(nèi)所用干電池已使用很久，會影響測量的準(zhǔn)確度。電橋的靈敏程度直接影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。電橋的靈敏

13、度愈高，測量誤差愈小。提高電橋靈敏度是減小測量誤差的一個重要方法。在電橋偏離平衡時，應(yīng)用基爾霍夫定律，可以推導(dǎo)出電橋靈敏度為其中為電源電動勢。由上式可以看出電橋靈敏度和電源電動勢的大小有關(guān)，干電池使用久了，電源電動勢減小，會降低電橋的靈敏度，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。2. QJ23型電橋中按鈕“B”和“G”的作用是什么？應(yīng)按怎樣的順序操作？為什么？答：QJ23型電橋面板的右下方處，B和G是兩個按鈕開關(guān)，分別控制電源回路和檢流計回路。測量時B、G開關(guān)應(yīng)采用點接法。接通電路時，應(yīng)先按下B，再按G；斷開時，先斷G，再斷B。按這樣的順序操作，是為了保護(hù)檢流計，以免在電源接通和斷開時產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，而造

14、成檢流計的損壞。實驗九霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用【預(yù)習(xí)思考題】1列出計算霍爾系數(shù)、載流子濃度n、電導(dǎo)率及遷移率的計算公式，并注明單位?；魻栂禂?shù)，載流子濃度，電導(dǎo)率，遷移率。2如已知霍爾樣品的工作電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，如何判斷樣品的導(dǎo)電類型？以根據(jù)右手螺旋定則，從工作電流旋到磁感應(yīng)強(qiáng)度B確定的方向為正向，若測得的霍爾電壓為正，則樣品為P型，反之則為N型。3本實驗為什么要用3個換向開關(guān)？為了在測量時消除一些霍爾效應(yīng)的副效應(yīng)的影響，需要在測量時改變工作電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，因此就需要2個換向開關(guān)；除了測量霍爾電壓，還要測量A、C間的電位差，這是兩個不同的測量位置，又需要1個換向開關(guān)?？傊?，一共需要3個

15、換向開關(guān)?！痉治鲇懻擃}】1若磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾器件平面不完全正交，按式（5.2-5）測出的霍爾系數(shù)比實際值大還是?。恳獪?zhǔn)確測定值應(yīng)怎樣進(jìn)行？若磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾器件平面不完全正交，則測出的霍爾系數(shù)比實際值偏小。要想準(zhǔn)確測定，就需要保證磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾器件平面完全正交，或者設(shè)法測量出磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾器件平面的夾角。2若已知霍爾器件的性能參數(shù)，采用霍爾效應(yīng)法測量一個未知磁場時，測量誤差有哪些來源？誤差來源有：測量工作電流的電流表的測量誤差，測量霍爾器件厚度d的長度測量儀器的測量誤差，測量霍爾電壓的電壓表的測量誤差，磁場方向與霍爾器件平面的夾角影響等。實驗十一聲速的測量【預(yù)習(xí)思考題】1. 如何調(diào)

16、節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否處于共振狀態(tài)？為什么要在系統(tǒng)處于共振的條件下進(jìn)行聲速測定？答：緩慢調(diào)節(jié)聲速測試儀信號源面板上的“信號頻率”旋鈕，使交流毫伏表指針指示達(dá)到最大（或晶體管電壓表的示值達(dá)到最大），此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，顯示共振發(fā)生的信號指示燈亮，信號源面板上頻率顯示窗口顯示共振頻率。在進(jìn)行聲速測定時需要測定駐波波節(jié)的位置，當(dāng)發(fā)射換能器S1處于共振狀態(tài)時，發(fā)射的超聲波能量最大。若在這樣一個最佳狀態(tài)移動S1至每一個波節(jié)處，媒質(zhì)壓縮形變最大，則產(chǎn)生的聲壓最大，接收換能器S2接收到的聲壓為最大，轉(zhuǎn)變成電信號，晶體管電壓表會顯示出最大值。由數(shù)顯表頭讀出每一個電壓最大值時的位置，即對應(yīng)的波節(jié)位置。因此在系統(tǒng)

17、處于共振的條件下進(jìn)行聲速測定，可以容易和準(zhǔn)確地測定波節(jié)的位置，提高測量的準(zhǔn)確度。2. 壓電陶瓷超聲換能器是怎樣實現(xiàn)機(jī)械信號和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換的？答：壓電陶瓷超聲換能器的重要組成部分是壓電陶瓷環(huán)。壓電陶瓷環(huán)由多晶結(jié)構(gòu)的壓電材料制成。這種材料在受到機(jī)械應(yīng)力，發(fā)生機(jī)械形變時，會發(fā)生極化，同時在極化方向產(chǎn)生電場，這種特性稱為壓電效應(yīng)。反之，如果在壓電材料上加交變電場，材料會發(fā)生機(jī)械形變，這被稱為逆壓電效應(yīng)。聲速測量儀中換能器S1作為聲波的發(fā)射器是利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷環(huán)片在交變電壓作用下，發(fā)生縱向機(jī)械振動，在空氣中激發(fā)超聲波，把電信號轉(zhuǎn)變成了聲信號。換能器S2作為聲波的接收器是利用了

18、壓電材料的壓電效應(yīng)，空氣的振動使壓電陶瓷環(huán)片發(fā)生機(jī)械形變，從而產(chǎn)生電場，把聲信號轉(zhuǎn)變成了電信號。【分析討論題】1. 為什么接收器位于波節(jié)處，晶體管電壓表顯示的電壓值是最大值？答：兩超聲換能器間的合成波可近似看成是駐波。其駐波方程為A（x）為合成后各點的振幅。當(dāng)聲波在媒質(zhì)中傳播時，媒質(zhì)中的壓強(qiáng)也隨著時間和位置發(fā)生變化，所以也常用聲壓P描述駐波。聲波為疏密波，有聲波傳播的媒質(zhì)在壓縮或膨脹時，來不及和外界交換熱量，可近似看作是絕熱過程。氣體做絕熱膨脹，則壓強(qiáng)減??；做絕熱壓縮，則壓強(qiáng)增大。媒質(zhì)體元的位移最大處為波腹，此處可看作既未壓縮也未膨脹，則聲壓為零，媒質(zhì)體元位移為零處為波節(jié)，此處壓縮形變最大，則

19、聲壓最大。由此可知，聲波在媒質(zhì)中傳播形成駐波時，聲壓和位移的相位差為。令P（x）為駐波的聲壓振幅，駐波的聲壓表達(dá)式為波節(jié)處聲壓最大，轉(zhuǎn)換成電信號電壓最大。所以接收器位于波節(jié)處，晶體管電壓表顯示的電壓值是最大值。2. 用逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是什么？答：逐差法是物理實驗中處理數(shù)據(jù)的一種常用方法，是對等間隔變化的被測物理量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐項或隔項相減，來獲得實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法。逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理有很多優(yōu)點，可以驗證函數(shù)的表達(dá)形式，也可以充分利用所測數(shù)據(jù)，具有對數(shù)據(jù)取平均的效果，起到減小隨機(jī)誤差的作用。本實驗用隔項逐差法處理數(shù)據(jù)，減小了測量的隨機(jī)誤差實驗十三示波器的使用【預(yù)習(xí)思考題】1.什么是同步？

20、用Y軸信號頻率去控制掃描發(fā)生器的頻率，使信號頻率準(zhǔn)確地等于掃描頻率或成整數(shù)倍，該電路的控制作用，稱為同步。.在觀察李薩如圖形時，能否用示波器的“同步”將其穩(wěn)定下來？如果不能，那是為什么？不能，因為觀察李薩如圖形時工作在X-Y方式下，內(nèi)部鋸齒波掃描信號被切斷，兩路信號都是從外部輸入，而示波器的“同步”是調(diào)節(jié)內(nèi)部鋸齒波掃描信號的，所以“同步”對李薩如圖形沒有影響。.如果被觀測的圖形不穩(wěn)定，出現(xiàn)向左移或向右移的原因是什么？如何使之穩(wěn)定？由波形顯示原理知：原因是其掃描電壓的周期與被測信號的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開始時波形曲線上的起點均不一樣所造成的。要想使顯示屏上的圖形穩(wěn)定，必須使掃描電壓的周期與被測信號的周期之間滿足Tx/Ty=n（