大學物理實驗思考題答案

實驗一：用三線擺測物體的轉(zhuǎn)動慣量

1.

是否可以測擺動一次的時間作周期值？為什么？

答：不可以。因為一次測量隨機誤差較大，多次測量可減少隨機誤差。

2.

將一半徑小于下圓盤半徑的圓盤，放在下圓盤上，并使中心一致，討論此時三線擺的周期和空載時的周期相比是增大、減小還是不一定？說明理由。

答：當兩個圓盤的質(zhì)量為均勻分布時，與空載時比較，擺動周期將會減小。因為此時若把兩盤看成為一個半徑等于原下盤的圓盤時，其轉(zhuǎn)動慣量I0小于質(zhì)量與此相等的同直徑的圓盤，根據(jù)公式(3-1-5)，擺動周期T0將會減小。

3.

三線擺在擺動中受空氣阻尼，振幅越來越小，它的周期是否會變化？對測量結(jié)果影響大嗎？為什么？

答：周期減小，對測量結(jié)果影響不大，因為本實驗測量的時間比較短。

[實驗二]

金屬絲彈性模量的測量

1.

光杠桿有什么優(yōu)點，怎樣提高光杠桿測量的靈敏度?

答：優(yōu)點是：可以測量微小長度變化量。提高放大倍數(shù)即適當?shù)卦龃髽顺呔嚯xD或適當?shù)販p小光杠桿前后腳的垂直距離b，可以提高靈敏度，因為光杠桿的放大倍數(shù)為2D/b。

2.

何謂視差，怎樣判斷與消除視差?

答：眼睛對著目鏡上、下移動，若望遠鏡十字叉絲的水平線與標尺的刻度有相對位移，這種現(xiàn)象叫視差，細調(diào)調(diào)焦手輪可消除視差。

3.

為什么要用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)?

答：逐差法是實驗數(shù)據(jù)處理的一種基本方法，實質(zhì)就是充分利用實驗所得的數(shù)據(jù)，減少隨機誤差，具有對數(shù)據(jù)取平均的效果。因為對有些實驗數(shù)據(jù)，若簡單的取各次測量的平均值，中間各測量值將全部消掉，只剩始末兩個讀數(shù)，實際等于單次測量。為了保持多次測量的優(yōu)越性，一般對這種自變量等間隔變化的情況，常把數(shù)據(jù)分成兩組，兩組逐次求差再算這個差的平均值。

[實驗三]

隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律

1.

什么是統(tǒng)計直方圖?什么是正態(tài)分布曲線?兩者有何關系與區(qū)別?

答：對某一物理量在相同條件下做n次重復測量，得到一系列測量值，找出它的最大值和最小值，然后確定一個區(qū)間，使其包含全部測量數(shù)據(jù)，將區(qū)間分成若干小區(qū)間，統(tǒng)計測量結(jié)果出現(xiàn)在各小區(qū)間的頻數(shù)M，以測量數(shù)據(jù)為橫坐標，以頻數(shù)M為縱坐標，劃出各小區(qū)間及其對應的頻數(shù)高度，則可得到一個矩形圖，即統(tǒng)計直方圖。

如果測量次數(shù)愈多，區(qū)間愈分愈小，則統(tǒng)計直方圖將逐漸接近一條光滑的曲線，當n趨向于無窮大時的分布稱為正態(tài)分布，分布曲線為正態(tài)分布曲線。

2.

如果所測得的一組數(shù)據(jù)，其離散程度比表中數(shù)據(jù)大，也就是即S(x)比較大，則所得到的周期平均值是否也會差異很大?

答：（不會有很大差距，根據(jù)隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律的特點規(guī)律，我們知道當測量次數(shù)比較大時，對測量數(shù)據(jù)取和求平均，正負誤差幾乎相互抵消，各誤差的代數(shù)和趨于零。

[實驗四]

電熱法測熱功當量

1.

該實驗所必須的實驗條件與采用的實驗基本方法各是什么?系統(tǒng)誤差的來源可能有哪些?

答：實驗條件是系統(tǒng)與外界沒有較大的熱交換，并且系統(tǒng)（即水）應盡可能處于準靜態(tài)變化過程。實驗方法是電熱法。系統(tǒng)誤差的最主要來源是系統(tǒng)的熱量散失，而終溫修正往往不能完全彌補熱量散失對測量的影響。其他來源可能有①水的溫度不均勻，用局部溫度代替整體溫度。②水的溫度與環(huán)境溫度差異較大，從而給終溫的修正帶來誤差。③溫度，質(zhì)量及電功率等物理量的測量誤差。

2.

試定性說明實驗中發(fā)生以下情況時，實驗結(jié)果是偏大還是偏小?

(1)

攪拌時水被濺出；

答：實驗結(jié)果將會偏小。水被濺出，即水的質(zhì)量減少，在計算熱功當量時，還以稱橫水的質(zhì)量計算，即認為水的質(zhì)量不變，但是由于水的質(zhì)量減少，對水加熱時，以同樣的電功加熱，系統(tǒng)上升的溫度要比水沒有上升時的溫度要高，即水沒濺出在同樣電功加熱時，應上升T度，而水濺出后上升的溫度應是T+ΔT度。用

，有Q=（cimiT），，分母變大J變小。

(2)

攪拌不均勻；

答：J

偏大、偏小由溫度計插入的位置與電阻絲之間的距離而定。離電阻絲較遠時，系統(tǒng)溫度示數(shù)比，勻均系統(tǒng)溫度低，設T為均勻系統(tǒng)溫度，溫度計示值應為T-ΔT，用J=A/θ計算，分母變小，則J變大；離電阻絲較近時，溫度計示值應為T+ΔT，分母變大，因而J變小。

(3)

室溫測得偏高或偏低。

答：設θ0為室溫，若測得值偏高Δθ時，測量得到的溫度值為θ0+Δθ；偏低Δθ時，測量溫度值為θ0-Δθ，在計算溫度虧損時，dTi=k(Ti-θ)，k是與是室溫無關的量(k與

代入（2）式得:

Rx/(r+Rx)Ex=AL2

(3)

(1)式除(3)式，整理后得：

r

=[(L1-L2)/L2]Rx

3.

用箱式電位差計可以測定電阻或校準電流表。在圖3-10-7(a)中，A是待校準電流表，Rx是待測定的電阻，R0是可調(diào)的準確度很高的電阻箱，其值可直接讀出，圖(b)是UJ37箱式電位差計。怎樣才能把Rx測算出來?A表如何校正??

答：測量電阻Rx

①

調(diào)整可變精密電阻箱R0（作標準電阻用）的阻值，使電流表有適當偏轉(zhuǎn)，如可能，使R0與Rx相接近。

②

將1點接Ex

(+)，2點接Ex

(-)，測出Vx(Rx兩端的電位差)。

③

將2點接Ex

(+)，3點接Ex

(-)，保持電流不變，測出V0(R0兩端的電位差)。

④

因Rx和R0通過的電流相同，故：Rx=(Vx/V0)R0

校準電流表

①

將3點接Ex(-)，2點接Ex(+),調(diào)整R0，使電流表A指示第一個校準點。測出R0兩端的電位差V1，得第一校準點的電流I1(I1=V1/R0)。

②

同法測出同一校準點的電流I2,

I3,……。

③

作出校準曲線。

4.

如圖3-10-4所示的電位差計，由A到B是11m長的電阻絲，若設a=0.1V/m，11m長的電壓降是1.1V，用它測僅幾毫伏的溫差電動勢，誤差太大。為了減少誤差，采用圖3-10-8所示電路。圖3-10-8是將11m長的電阻絲AB上串接了兩個較大的電阻R1和R2。若AB的總電阻已知為r,且R1、R2、r上的總電壓為1.1V，并設計AB(11m)電阻絲上的a=0.1mV/m，試問R1+R2的電阻值應取多少?若標準電池E0的電動勢為1.0186V，則R1可取的最大值和最小值分別為多少(用線電阻r表示)?

答：①由于電位差計單位長度電阻線的電位差為a，則電阻線AB上的電位差VAB=11a＝1.1mV，而回路電流應為I

=VAB/r。另一方面，由于

I(R1+R2+r)=1.1V，

所以

(VAB/r)(R1+R2+r)=1.1V

即

VAB[(R1+R2)/r

+1]=1.1V

所以

R1+R2=[(1.1/VAB)-1]

r

=(1.1/0.0011-1)r＝999r

②當R2I

=E0時，R1為最小，即R1=

R1min，此時有R1I

+E0+

Ir

=1.1。由于I

=VAB/r

=0.0011/r，所以

R1min=(1.1-E0-Ir)/I=73r

當R2I+Ir

=E0則R1為最大，即R1=

R1max，此時有R1I

+E0=1.1。所以

R1max=(1.1-E0)/I=74r

[實驗十一]

超聲波聲速的測量

1.

示波器在使用過程中熒光屏上只有一條水平亮線而沒有被測信號是什么原因造成的?

答：在示波器的使用過程中，上述現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因很多，大致可歸納為：

①示波器接地（GND）（測量時接地按鍵GND應該彈起）；

②衰減開關VOLTS/DIV選擇過大（測量時可先選擇小些）；

③信號發(fā)生器輸出過小或沒有輸出；

④信號發(fā)生器輸出直流信號；

⑤在信號的傳輸中，導線或接頭接觸不良，也可造成該現(xiàn)象；

⑥示波器的相關功能鍵都應選擇在正確工作狀態(tài)下。

總之，影響的因素很多，要求使用者在使用前一定認真閱讀教材。

2.

在測量聲速時，Y1(CH1)的輸入信號，由于示波器的Y軸放大器、壓電轉(zhuǎn)換器、聯(lián)接線路的相移等原因并不與聲波的位相相同，這對于觀察測量聲波波長有無影響?為什么?

答：沒有影響。因為波長是波在傳播過程中位相差為2π的兩點間的距離，與該處位相無關，所以無影響。

3.

試比較幾種測聲速方法的優(yōu)缺點。

答：實驗講義上共列出了三種測量方法：①李薩如圖相位比較法，②共振法，③波形相位比較法。

一般說來，李薩如圖相位比較法測量的比較準，同時便于對知識的溫新和鞏固，對于示波器的使用以及學生動手能力和思考問題的培養(yǎng)，不失是一種較好的途徑，但操作比較繁；對于共振法，判斷相對要困難一些，所以測量誤差一般要大一些，但可以直觀地了解共振現(xiàn)象；而波形相位比較法比的現(xiàn)象較直觀，可操作性強，只是相位判別不如李薩如圖相位比較法準確，但只要認真操作，誤差也不會太大。

實驗十二：激光全息照相

1.

全息照像有哪些重要特點?

答：全息照相是利用光波的干涉和衍射原理，將物體“發(fā)出”的特定波前（同時包括振幅和位相）以干涉條紋的形式記錄下來，然后在一定條件下，利用衍射再現(xiàn)原物體的立體像。全息照相必須分兩步進行：（1）物體全息圖的記錄過程；（2）立體物像的再現(xiàn)過程。

2.

全息底片和普通照像底片有什么區(qū)別?

答：（1）全息照相能夠把物光波的全部信息（即振幅和相位）全部記錄下來，而普通照相只能記錄物光波的強度（既振幅），因此，全息照片能再現(xiàn)出與原物體完全相同的立體圖象。

（2）由于全息照片上的每部分都包含了被攝物體上每一點的光波信息，所以，它具有可分割性，即全息照片的每一部分都可以再現(xiàn)出原物體的立體圖象。

（3）在同一張全息底片上，可以采用不同的角度多次拍攝不同的物體，再現(xiàn)時，在不同的衍射方向上能夠互不干擾地觀察到每個物體的立體圖象。

3.

為什么安裝底片后要靜止一段時間，才能進行曝光?

答：為了減少震動，提高拍攝質(zhì)量，減震是全息照相的一項重要措施，要保證照相質(zhì)量，光路中各元器件的相對位移量要限制在<λ/2范圍內(nèi)。

5.

普通照像在沖洗底片時是在紅光下進行的，全息照像沖洗底片時為什么必須在綠光甚至全黑下進行?

答：因為全息干板涂有對紅光敏感的感光材料，所以沖洗底片時必須在綠光甚至全黑下進行。

[實驗十三]光電效應

1.

臨界截止電壓與照度有什么關系?從實驗中所得的結(jié)論是否同理論一致?如何解釋光的波粒二象性?

答：臨界截止電壓與照度無關，實驗結(jié)果與理論相符。

光具有干涉、衍射的特性，說明光具有撥動性。從光電效應現(xiàn)象上分析，光又具有粒子性，由愛因斯坦方程來描述：hν=(1/2)mv2max+A

2.

可否由Us′?ν曲線求出陰極材料的逸出功?

答：可以。由愛因斯坦方程hυ=e|us|+hυo可求出斜率Δus/Δυ=h/e和普朗克常數(shù)，還可以求出截距（h/e)υo，再由截距求出光電管陰極材料的紅限υo，從而求出逸出功A=hυo。

[實驗十四]

邁克爾遜干涉儀

1.

這里觀察到的環(huán)形干涉條紋，從外觀上看，與牛頓環(huán)有哪些相似之處?從產(chǎn)生的原因和由內(nèi)向外級次的變化來看有何不同?

答：從外觀上看都是同心園環(huán)，而牛頓環(huán)是等厚干涉，這里是等傾干涉，牛頓環(huán)是低級次的干涉條紋在中心，越外級次越高，而邁氏干涉正相反。

2.

在M1如圖3-14-4所示的移動過程中，將看到條紋的疏密和運動情況有何變化?

答：從密到疏，從疏到密，從條紋向環(huán)心縮進到從環(huán)心向外涌出。

3.

白光照射下，M1在G1和M2′之間并逐漸向M2′移動過程中，能否觀察到彩色干涉條紋?可否用這種做法來測量薄膜厚度?為什么?

答：能觀察到，但是在實際測量中，一般不采用這種做法，原因是對初學者而言，由于實驗經(jīng)驗等因素，非常容易產(chǎn)生回程誤差，給實驗結(jié)果帶來影響。

[實驗十五]

薄透鏡焦距的測量

1.

你認為三種測量凸透鏡焦距的方法，哪種最好?為什么?

?

答：共軛法最好，因為這個方法把焦距的測量歸結(jié)為對可以精確測定的量L和e的測量，避免了在測量u和v時，由于估計透鏡光心位置不準確所帶來的誤差。

2.

由推導出共軛法測f的標準相對合成不確定度傳遞公式。根據(jù)實際結(jié)果，試說明uB(L)、uB(e)、uA(e)哪個量對最后結(jié)果影響最大?為什么?由此你可否得到一些對實驗具有指導性意義的結(jié)論?

答：uA(L)對最后結(jié)果影響最大，因為L為單次測量量。對O1、O2的測量時，要采用左右逼近法讀數(shù)。

3.

測量凹透鏡焦距f和實驗室給出的f0，比較后計算出的E值（相對誤差）一般比較大，試分析E大的原因?

答：E較大的原因可能是因為放入凹透鏡后所成像的清晰度很難確定，即像的聚焦情況不好，從而導致很難測出清晰成像的位置。

4.

在測量凸透鏡的焦距時，可以利用測得的多組u、v值，然后以u+v作縱軸，以u·v作橫軸，畫出實驗曲線。根據(jù)式(3-15-1)事先推斷一下實驗曲線將屬于什么類型，怎樣根據(jù)這條曲線求出透鏡的焦距f?

答斜率求出f，f=1/k，因：曲線是直線，可根據(jù)直線的為1/f=1/u+1/v，即

，故可有f=1/k。

5.

測量凸透鏡的焦距時，可以測得多組u、v值，以v/u(即像的放大率)作縱軸，以v作橫軸，畫出實驗曲線。試問這條實驗曲線具有什么形狀?怎樣由這條曲線求出透鏡的焦距f

?

答：曲線是直線，在橫軸上的截距就是f。

?

實驗十六：光的干涉——牛頓環(huán)、劈尖

1.

透射光牛頓環(huán)是如何形成的?如何觀察?畫出光路示意圖。

答：光由牛頓環(huán)裝置下方射入，在空氣層上下兩表面對入射光的依次反射，形成干涉條紋，由上向下觀察。

2.

在牛頓環(huán)實驗中，假如平玻璃板上有微小凸起，則凸起處空氣薄膜厚度減小，導致等厚干涉條紋發(fā)生畸變。試問這時的牛頓環(huán)(暗)將局部內(nèi)凹還是局部外凸?為什么?

答：將局部外凸，因為同一條紋對應的薄膜厚度相同。

3.

用白光照射時能否看到牛頓環(huán)和劈尖干涉條紋?此時的條紋有何特征?

答：用白光照射能看到干涉條紋，特征是：彩色的條紋，但條紋數(shù)有限。

[實驗十七]光柵衍射

1.

當用鈉光(波長λ=589.0nm)垂直入射到1mm內(nèi)有500條刻痕的平面透射光柵上時，試問最