大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)思考題答案

實(shí)驗(yàn)一：用三線擺測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

1.

是否可以測(cè)擺動(dòng)一次的時(shí)間作周期值？為什么？

答：不可以。因?yàn)橐淮螠y(cè)量隨機(jī)誤差較大，多次測(cè)量可減少隨機(jī)誤差。

2.

將一半徑小于下圓盤(pán)半徑的圓盤(pán)，放在下圓盤(pán)上，并使中心一致，討論此時(shí)三線擺的周期和空載時(shí)的周期相比是增大、減小還是不一定？說(shuō)明理由。

答：當(dāng)兩個(gè)圓盤(pán)的質(zhì)量為均勻分布時(shí)，與空載時(shí)比較，擺動(dòng)周期將會(huì)減小。因?yàn)榇藭r(shí)若把兩盤(pán)看成為一個(gè)半徑等于原下盤(pán)的圓盤(pán)時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I0小于質(zhì)量與此相等的同直徑的圓盤(pán)，根據(jù)公式(3-1-5)，擺動(dòng)周期T0將會(huì)減小。

3.

三線擺在擺動(dòng)中受空氣阻尼，振幅越來(lái)越小，它的周期是否會(huì)變化？對(duì)測(cè)量結(jié)果影響大嗎？為什么？

答：周期減小，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)間比較短。

[實(shí)驗(yàn)二]

金屬絲彈性模量的測(cè)量

1.

光杠桿有什么優(yōu)點(diǎn)，怎樣提高光杠桿測(cè)量的靈敏度?

答：優(yōu)點(diǎn)是：可以測(cè)量微小長(zhǎng)度變化量。提高放大倍數(shù)即適當(dāng)?shù)卦龃髽?biāo)尺距離D或適當(dāng)?shù)販p小光杠桿前后腳的垂直距離b，可以提高靈敏度，因?yàn)楣飧軛U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(duì)著目鏡上、下移動(dòng)，若望遠(yuǎn)鏡十字叉絲的水平線與標(biāo)尺的刻度有相對(duì)位移，這種現(xiàn)象叫視差，細(xì)調(diào)調(diào)焦手輪可消除視差。

3.

為什么要用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?

答：逐差法是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的一種基本方法，實(shí)質(zhì)就是充分利用實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，減少隨機(jī)誤差，具有對(duì)數(shù)據(jù)取平均的效果。因?yàn)閷?duì)有些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若簡(jiǎn)單的取各次測(cè)量的平均值，中間各測(cè)量值將全部消掉，只剩始末兩個(gè)讀數(shù)，實(shí)際等于單次測(cè)量。為了保持多次測(cè)量的優(yōu)越性，一般對(duì)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(gè)差的平均值。

[實(shí)驗(yàn)三]

隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律

1.

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

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

如果測(cè)量次數(shù)愈多，區(qū)間愈分愈小，則統(tǒng)計(jì)直方圖將逐漸接近一條光滑的曲線，當(dāng)n趨向于無(wú)窮大時(shí)的分布稱(chēng)為正態(tài)分布，分布曲線為正態(tài)分布曲線。

2.

如果所測(cè)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(huì)差異很大?

答：（不會(huì)有很大差距，根據(jù)隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn)規(guī)律，我們知道當(dāng)測(cè)量次數(shù)比較大時(shí)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)取和求平均，正負(fù)誤差幾乎相互抵消，各誤差的代數(shù)和趨于零。

[實(shí)驗(yàn)四]

電熱法測(cè)熱功當(dāng)量

1.

該實(shí)驗(yàn)所必須的實(shí)驗(yàn)條件與采用的實(shí)驗(yàn)基本方法各是什么?系統(tǒng)誤差的來(lái)源可能有哪些?

答：實(shí)驗(yàn)條件是系統(tǒng)與外界沒(méi)有較大的熱交換，并且系統(tǒng)（即水）應(yīng)盡可能處于準(zhǔn)靜態(tài)變化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)方法是電熱法。系統(tǒng)誤差的最主要來(lái)源是系統(tǒng)的熱量散失，而終溫修正往往不能完全彌補(bǔ)熱量散失對(duì)測(cè)量的影響。其他來(lái)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(lái)誤差。③溫度，質(zhì)量及電功率等物理量的測(cè)量誤差。

2.

試定性說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中發(fā)生以下情況時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是偏大還是偏小?

(1)

攪拌時(shí)水被濺出；

答：實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)偏小。水被濺出，即水的質(zhì)量減少，在計(jì)算熱功當(dāng)量時(shí)，還以稱(chēng)橫水的質(zhì)量計(jì)算，即認(rèn)為水的質(zhì)量不變，但是由于水的質(zhì)量減少，對(duì)水加熱時(shí)，以同樣的電功加熱，系統(tǒng)上升的溫度要比水沒(méi)有上升時(shí)的溫度要高，即水沒(méi)濺出在同樣電功加熱時(shí)，應(yīng)上升T度，而水濺出后上升的溫度應(yīng)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(jì)插入的位置與電阻絲之間的距離而定。離電阻絲較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)溫度示數(shù)比，勻均系統(tǒng)溫度低，設(shè)T為均勻系統(tǒng)溫度，溫度計(jì)示值應(yīng)為T(mén)-ΔT，用J=A/θ計(jì)算，分母變小，則J變大；離電阻絲較近時(shí)，溫度計(jì)示值應(yīng)為T(mén)+ΔT，分母變大，因而J變小。

(3)

室溫測(cè)得偏高或偏低。

答：設(shè)θ0為室溫，若測(cè)得值偏高Δθ時(shí)，測(cè)量得到的溫度值為θ0+Δθ；偏低Δθ時(shí)，測(cè)量溫度值為θ0-Δθ，在計(jì)算溫度虧損時(shí)，dTi=k(Ti-θ)，k是與是室溫?zé)o關(guān)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(jì)可以測(cè)定電阻或校準(zhǔn)電流表。在圖3-10-7(a)中，A是待校準(zhǔn)電流表，Rx是待測(cè)定的電阻，R0是可調(diào)的準(zhǔn)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(jì)。怎樣才能把Rx測(cè)算出來(lái)?A表如何校正??

答：測(cè)量電阻Rx

①

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

②

將1點(diǎn)接Ex

(+)，2點(diǎn)接Ex

(-)，測(cè)出Vx(Rx兩端的電位差)。

③

將2點(diǎn)接Ex

(+)，3點(diǎn)接Ex

(-)，保持電流不變，測(cè)出V0(R0兩端的電位差)。

④

因Rx和R0通過(guò)的電流相同，故：Rx=(Vx/V0)R0

校準(zhǔn)電流表

①

將3點(diǎn)接Ex(-)，2點(diǎn)接Ex(+),調(diào)整R0，使電流表A指示第一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。測(cè)出R0兩端的電位差V1，得第一校準(zhǔn)點(diǎn)的電流I1(I1=V1/R0)。

②

同法測(cè)出同一校準(zhǔn)點(diǎn)的電流I2,

I3,……。

③

作出校準(zhǔn)曲線。

4.

如圖3-10-4所示的電位差計(jì)，由A到B是11m長(zhǎng)的電阻絲，若設(shè)a=0.1V/m，11m長(zhǎng)的電壓降是1.1V，用它測(cè)僅幾毫伏的溫差電動(dòng)勢(shì)，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(zhǎng)的電阻絲AB上串接了兩個(gè)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(shè)計(jì)AB(11m)電阻絲上的a=0.1mV/m，試問(wèn)R1+R2的電阻值應(yīng)取多少?若標(biāo)準(zhǔn)電池E0的電動(dòng)勢(shì)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(jì)單位長(zhǎng)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(yīng)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(dāng)R2I

=E0時(shí)，R1為最小，即R1=

R1min，此時(shí)有R1I

+E0+

Ir

=1.1。由于I

=VAB/r

=0.0011/r，所以

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

當(dāng)R2I+Ir

=E0則R1為最大，即R1=

R1max，此時(shí)有R1I

+E0=1.1。所以

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

[實(shí)驗(yàn)十一]

超聲波聲速的測(cè)量

1.

示波器在使用過(guò)程中熒光屏上只有一條水平亮線而沒(méi)有被測(cè)信號(hào)是什么原因造成的?

答：在示波器的使用過(guò)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(cè)量時(shí)接地按鍵GND應(yīng)該彈起）；

②衰減開(kāi)關(guān)VOLTS/DIV選擇過(guò)大（測(cè)量時(shí)可先選擇小些）；

③信號(hào)發(fā)生器輸出過(guò)小或沒(méi)有輸出；

④信號(hào)發(fā)生器輸出直流信號(hào)；

⑤在信號(hào)的傳輸中，導(dǎo)線或接頭接觸不良，也可造成該現(xiàn)象；

⑥示波器的相關(guān)功能鍵都應(yīng)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(rèn)真閱讀教材。

2.

在測(cè)量聲速時(shí)，Y1(CH1)的輸入信號(hào)，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(duì)于觀察測(cè)量聲波波長(zhǎng)有無(wú)影響?為什么?

答：沒(méi)有影響。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)是波在傳播過(guò)程中位相差為2π的兩點(diǎn)間的距離，與該處位相無(wú)關(guān)，所以無(wú)影響。

3.

試比較幾種測(cè)聲速方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

答：實(shí)驗(yàn)講義上共列出了三種測(cè)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(shuō)來(lái)，李薩如圖相位比較法測(cè)量的比較準(zhǔn)，同時(shí)便于對(duì)知識(shí)的溫新和鞏固，對(duì)于示波器的使用以及學(xué)生動(dòng)手能力和思考問(wèn)題的培養(yǎng)，不失是一種較好的途徑，但操作比較繁；對(duì)于共振法，判斷相對(duì)要困難一些，所以測(cè)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(qiáng)，只是相位判別不如李薩如圖相位比較法準(zhǔn)確，但只要認(rèn)真操作，誤差也不會(huì)太大。

實(shí)驗(yàn)十二：激光全息照相

1.

全息照像有哪些重要特點(diǎn)?

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(shí)包括振幅和位相）以干涉條紋的形式記錄下來(lái)，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(jìn)行：（1）物體全息圖的記錄過(guò)程；（2）立體物像的再現(xiàn)過(guò)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(lái)，而普通照相只能記錄物光波的強(qiáng)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(diǎn)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(shí)，在不同的衍射方向上能夠互不干擾地觀察到每個(gè)物體的立體圖象。

3.

為什么安裝底片后要靜止一段時(shí)間，才能進(jìn)行曝光?

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

5.

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

答：因?yàn)槿⒏砂逋坑袑?duì)紅光敏感的感光材料，所以沖洗底片時(shí)必須在綠光甚至全黑下進(jìn)行。

[實(shí)驗(yàn)十三]光電效應(yīng)

1.

臨界截止電壓與照度有什么關(guān)系?從實(shí)驗(yàn)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(wú)關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符。

光具有干涉、衍射的特性，說(shuō)明光具有撥動(dòng)性。從光電效應(yīng)現(xiàn)象上分析，光又具有粒子性，由愛(ài)因斯坦方程來(lái)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(ài)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(shí)驗(yàn)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(jí)次的變化來(lái)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(jí)次的干涉條紋在中心，越外級(jí)次越高，而邁氏干涉正相反。

2.

在M1如圖3-14-4所示的移動(dòng)過(guò)程中，將看到條紋的疏密和運(yùn)動(dòng)情況有何變化?

答：從密到疏，從疏到密，從條紋向環(huán)心縮進(jìn)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(dòng)過(guò)程中，能否觀察到彩色干涉條紋?可否用這種做法來(lái)測(cè)量薄膜厚度?為什么?

答：能觀察到，但是在實(shí)際測(cè)量中，一般不采用這種做法，原因是對(duì)初學(xué)者而言，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等因素，非常容易產(chǎn)生回程誤差，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)影響。

[實(shí)驗(yàn)十五]

薄透鏡焦距的測(cè)量

1.

你認(rèn)為三種測(cè)量凸透鏡焦距的方法，哪種最好?為什么?

?

答：共軛法最好，因?yàn)檫@個(gè)方法把焦距的測(cè)量歸結(jié)為對(duì)可以精確測(cè)定的量L和e的測(cè)量，避免了在測(cè)量u和v時(shí)，由于估計(jì)透鏡光心位置不準(zhǔn)確所帶來(lái)的誤差。

2.

由推導(dǎo)出共軛法測(cè)f的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)合成不確定度傳遞公式。根據(jù)實(shí)際結(jié)果，試說(shuō)明uB(L)、uB(e)、uA(e)哪個(gè)量對(duì)最后結(jié)果影響最大?為什么?由此你可否得到一些對(duì)實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)性意義的結(jié)論?

答：uA(L)對(duì)最后結(jié)果影響最大，因?yàn)長(zhǎng)為單次測(cè)量量。對(duì)O1、O2的測(cè)量時(shí)，要采用左右逼近法讀數(shù)。

3.

測(cè)量凹透鏡焦距f和實(shí)驗(yàn)室給出的f0，比較后計(jì)算出的E值（相對(duì)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?yàn)榉湃氚纪哥R后所成像的清晰度很難確定，即像的聚焦情況不好，從而導(dǎo)致很難測(cè)出清晰成像的位置。

4.

在測(cè)量凸透鏡的焦距時(shí)，可以利用測(cè)得的多組u、v值，然后以u(píng)+v作縱軸，以u(píng)·v作橫軸，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)曲線。根據(jù)式(3-15-1)事先推斷一下實(shí)驗(yàn)曲線將屬于什么類(lèi)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(cè)量凸透鏡的焦距時(shí)，可以測(cè)得多組u、v值，以v/u(即像的放大率)作縱軸，以v作橫軸，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)曲線。試問(wèn)這條實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(huà)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)致等厚干涉條紋發(fā)生畸變。試問(wèn)這時(shí)的牛頓環(huán)(暗)將局部?jī)?nèi)凹還是局部外凸?為什么?

答：將局部外凸，因?yàn)橥粭l紋對(duì)應(yīng)的薄膜厚度相同。

3.

用白光照射時(shí)能否看到牛頓環(huán)和劈尖干涉條紋?此時(shí)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(shí)驗(yàn)十七]光柵衍射

1.

當(dāng)用鈉光(波長(zhǎng)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(shí)，試問(wèn)最