中南大学大学物理实验预习答案.docx

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中南大学大学物理实验预习答案

实验一迈克耳孙干涉仪的调整与使用

【预习思考题】

1．迈克尔孙干涉仪是利用什么方法产生两束相干光的？

答：

迈克尔孙干涉仪是利用分振幅法产生两束相干光的。

2．迈克尔孙干涉仪的等倾和等厚干涉分别在什么条件下产生的？

条纹形状如何？

随M1、M2’的间距d如何变化？

答：

（1）等倾干涉条纹的产生通常需要面光源，且M1、M2’应严格平行；等厚干涉条纹的形成则需要M1、M2’不再平行，而是有微小夹角，且二者之间所加的空气膜较薄。

（2）等倾干涉为圆条纹，等厚干涉为直条纹。

（3）d越大，条纹越细越密；d越小，条纹就越粗越疏。

3．什么样条件下，白光也会产生等厚干涉条纹？

当白光等厚干涉条纹的中心被调到视场中央时，M1、M2’两镜子的位置成什么关系？

答：

白光由于是复色光，相干长度较小，所以只有M1、M2’距离非常接近时，才会有彩色的干涉条纹，且出现在两镜交线附近。

当白光等厚干涉条纹的中心被调到视场中央时，说明M1、M2’已相交。

【分析讨论题】

1．用迈克尔孙干涉仪观察到的等倾干涉条纹与牛顿环的干涉条纹有何不同？

答：

二者虽然都是圆条纹，但牛顿环属于等厚干涉的结果，并且等倾干涉条纹中心级次高，而牛顿环则是边缘的干涉级次高，所以当增大（或减小）空气层厚度时，等倾干涉条纹会向外涌出（或向中心缩进），而牛顿环则会向中心缩进（或向外涌出）。

2．想想如何在迈克尔孙干涉仪上利用白光的等厚干涉条纹测定透明物体的折射率？

答：

首先将仪器调整到M1、M2’相交，即视场中央能看到白光的零级干涉条纹，然后根据刚才镜子的移动方向选择将透明物体放在哪条光路中（主要是为了避免空程差），继续向原方向移动M1镜，直到再次看到白光的零级条纹出现在刚才所在的位置时，记下M1移动的距离所对应的圆环变化数N，根据，即可求出n。

实验二　用动态法测定金属棒的杨氏模量

【预习思考题】

1．试样固有频率和共振频率有何不同，有何关系?

固有频率只由系统本身的性质决定。

和共振频率是两个不同的概念，它们之间的关系为：

式中Q为试样的机械品质因数。

一般悬挂法测杨氏模量时，Q值的最小值约为50，所以共振频率和固有频率相比只偏低0.005%，故实验中都是用f共代替f固，

2．如何尽快找到试样基频共振频率?

测试前根据试样的材质、尺寸、质量，通过（5.7-3）式估算出共振频率的数值，在上述频率附近寻找。

【分析讨论题】

1．测量时为何要将悬线吊扎在试样的节点附近？

理论推导时要求试样做自由振动，应把线吊扎在试样的节点上，但这样做就不能激发试样振动。

因此，实际吊扎位置都要偏离节点。

偏离节点越大，引入的误差就越大。

故要将悬线吊扎在试样的节点附近。

2．如何判断铜棒发生了共振?

可根据以下几条进行判断：

（1）换能器或悬丝发生共振时可通过对上述部件施加负荷（例如用力夹紧），可使此共振信号变小或消失。

（2）发生共振时，迅速切断信号源，观察示波器上李萨如图形变化情况，若波形由椭圆变成一条竖直亮线后逐渐衰减成为一个亮点，即为试样共振频率。

（3）试样发生共振需要一个孕育的过程，切断信号源后信号亦会逐渐衰减，它的共振峰宽度较窄，信号亦较强。

试样共振时，可用尖嘴镊子纵向轻碰试样，这时会按图5.7-1的规律发现波腹、波节。

（4）在共振频率附近进行频率扫描时，共振频率两侧信号相位会有突变导致李萨如图形在Y轴左右明显摆动。

实验三分光计的调整与使用

【预习思考题】

1.分光计由哪几部分组成，各部分的作用是什么？

答：

分光计由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四部分组成。

（1）平行光管用来提供平行入射光。

（2）望远镜用来观察和确定光束的行进方向。

（3）载物台用来放置光学元件。

（4）读数装置用来测量望远镜转动的角度。

2.调节望远镜光轴垂直于仪器中心轴的标志是什么？

答：

通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“”形叉丝的上十字重合。

3.“+”字像、狭缝像不清晰分别如何调整？

答：

（1）“+”字像不清晰说明分划板没有位于物镜的焦平面上，应松开目镜紧锁螺钉，前后伸缩叉丝分划板套筒，使“+”字像清晰并做到当眼睛左右移动时，“+”字像与叉丝分划板无相对移动，然后锁紧目镜紧锁螺钉。

（2）狭缝像不清晰说明狭缝没有位于平行光管准直透镜的焦平面上，应松开狭缝紧锁螺钉，前后伸缩狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中清晰地看到边缘锐利的狭缝像时，然后锁紧狭缝紧锁螺钉。

【分析讨论题】

1.当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于“”形叉丝的上十字上下对称位置时，说明望远镜和载物台哪部分没调好？

当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于叉丝分划板同一水平位置时，说明望远镜和载物台哪部分没调好？

应怎样调节？

答：

（1）当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于“”形叉丝的上十字上下对称位置时，说明载物台没调好，望远镜已水平。

应调载物台下调平螺钉b或c，使双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“”形叉丝的上十字重合。

（2）当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于叉丝分划板同一水平位置时，说明望远镜不水平，双面镜镜面法线已水平。

应调节望远镜倾角螺钉，使双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“”形叉丝的上十字重合。

2.如何用反射法（一束平行光由三棱镜的顶角入射，在两光学面上分成两束平行光）测三棱镜的顶角？

解：

如图所示，由平行光管射出的平行光束照射在三棱镜顶角上，分别射向三棱镜的两个光学面AB和AC，并分别被反射。

由反射反射法光路图

定律和几何关系可证明反射光线1、2的夹角与棱镜顶角关系为                 

先使望远镜接收光线1，记下两个角游标的读数和，然后，再转动望远镜使望远镜接收光线2，记下两个角标读数和，两次读数相减即得

 实验四用牛顿环法测定透镜的曲率半径

【预习思考题】

1．白光是复色光，不同波长的光经牛顿环装置各自发生干涉时，同级次的干涉条纹的半径不同，在重叠区域某些波长的光干涉相消，某些波长的光干涉相长，所以牛顿环将变成彩色的。

2．说明平板玻璃或平凸透镜的表面在该处不均匀，使等厚干涉条纹发生了形变。

3．因显微镜筒固定在托架上可随托架一起移动，托架相对于工作台移动的距离也即显微镜移动的距离可以从螺旋测微计装置上读出。

因此读数显微镜测得的距离是被测定物体的实际长度。

4．

（1）调节目镜观察到清晰的叉丝；

（2）使用调焦手轮时，要使目镜从靠近被测物处自下向上移动，以免挤压被测物，损坏目镜。

（3）为防止空程差，测量时应单方向旋转测微鼓轮。

5．因牛顿环装置的接触处的形变及尘埃等因素的影响，使牛顿环的中心不易确定，测量其半径必然增大测量的误差。

所以在实验中通常测量其直径以减小误差，提高精度。

6．有附加光程差d0,空气膜上下表面的光程差 =2dk+d0+ ,产生k级暗环时, =（2k+1） /2，k=0,1,2…,暗环半径rk= ；则Dm2=（m —d0）R，Dn2= （n —d0）R，R= 。

【分析讨论题】

1．  把待测表面放在水平放置的标准的平板玻璃上，用平行光垂直照射时，若产生牛顿环现象，则待测表面为球面；轻压待测表面时，环向中心移动，则为凸面；若环向中心外移动，则为凹面。

　2．牛顿环法测透镜曲率半径的特点是：

实验条件简单，操作简便，直观且精度高。

　　3．参考答案

 若实验中第35个暗环的半径为a ,其对应的实际级数为k,

a2=kR   k= 

 =2d35+ +d0=（2k+1）                        （k=0,1,2…）

d= 

实验七用惠斯通电桥测量电阻

【预习思考题】

1.电桥的平衡与工作电流I的大小有关吗？

为什么？

答：

电桥的平衡与工作电流I的大小无关。

电桥接通后，一般在桥路上应有电流流过，检流计的指针会发生偏转。

适当调节R1、R2、Rs的值，使检流计中的电流Ig等于零，指针应指在零位，这时电桥达到了平衡。

电桥达到平衡后应满足：

I1=I2  Ix=Is  UAB=UAD   UBC=UDC

即     则  ——电桥的平衡条件                

由电桥的平衡条件可知，电桥的平衡与工作电流I的大小无关。

2.在调节比较臂电阻Rs使电桥平衡的过程中，若电流计相邻两次偏转方向相同或相反，各说明什么问题？

下一步应该怎样调节Rs，才能尽快使电桥平衡？

答：

电桥面板右上方为依次相差10倍的四个读数盘，联合使用，共同表示比较臂电阻Rs的值。

在调节比较臂电阻Rs，使电桥平衡的过程中，若电流计相邻两次偏转方向相同，且指针的摆幅减小或摆速减慢，说明该读数盘调整的方向正确，下一步应继续沿这个方向调整该盘；若电流计相邻两次偏转方向相反，说明该读数盘数值调过了，需要倒回一挡，然后调整减小10倍的另一读数盘。

这样依次调整，直至电桥达到平衡。

【分析讨论题】

1.若电桥内所用干电池已使用很久，你认为会影响测量的准确度吗？

为什么？

答：

若电桥内所用干电池已使用很久，会影响测量的准确度。

电桥的灵敏程度直接影响了测量结果的准确度。

电桥的灵敏度愈高，测量误差愈小。

提高电桥灵敏度是减小测量误差的一个重要方法。

在电桥偏离平衡时，应用基尔霍夫定律，可以推导出电桥灵敏度为

其中ε为电源电动势。

由上式可以看出电桥灵敏度和电源电动势的大小有关，干电池使用久了，电源电动势减小，会降低电桥的灵敏度，影响测量结果的准确度。

2.QJ23型电桥中按钮“B”和“G”的作用是什么？

应按怎样的顺序操作？

为什么？

答：

QJ23型电桥面板的右下方处，B和G是两个按钮开关，分别控制电源回路和检流计回路。

测量时B、G开关应采用点接法。

接通电路时，应先按下B，再按G；断开时，先断G，再断B。

按这样的顺序操作，是为了保护检流计，以免在电源接通和断开时产生较大的感应电流，而造成检流计的损坏。

实验九霍尔效应及其应用

【预习思考题】

1．列出计算霍尔系数、载流子浓度n、电导率σ及迁移率μ的计算公式，并注明单位。

霍尔系数，载流子浓度，电导率，迁移率。

2．如已知霍尔样品的工作电流及磁感应强度B的方向，如何判断样品的导电类型？

以根据右手螺旋定则，从工作电流旋到磁感应强度B确定的方向为正向，若测得的霍尔电压为正，则样品为P型，反之则为N型。

3．本实验为什么要用3个换向开关？

为了在测量时消除一些霍尔效应的副效应的影响，需要在测量时改变工作电流及磁感应强度B的方向，因此就需要2个换向开关；除了测量霍尔电压，还要测量A、C间的电位差，这是两个不同的测量位置，又需要1个换向开关。

总之，一共需要3个换向开关。

【分析讨论题】

1．若磁感应强度B和霍尔器件平面不完全正交，按式（5.2-5）测出的霍尔系数比实际值大还是小？

要准确测定值应怎样进行？

若磁感应强度B和霍尔器件平面不完全正交，则测出的霍尔系数比实际值偏小。

要想准确测定，就需要保证磁感应强度B和霍尔器件平面完全正交，或者设法测量出磁感应强度B和霍尔器件平面的夹角。

2．若已知霍尔器件的性能参数，采用霍尔效应法测量一个未知磁场时，测量误差有哪些来源？

误差来源有：

测量工作电流的电流表的测量误差，测量霍尔器件厚度d的长度测量仪器的测量误差，测量霍尔电压的电压表的测量误差，磁场方向与霍尔器件平面的夹角影响等。

实验十一声速的测量

【预习思考题】

1.如何调节和判断测量系统是否处于共振状态？

为什么要在系统处于共振的条件下进行声速测定？

答：

缓慢调节声速测试仪信号源面板上的“信号频率”旋钮，使交流毫伏表指针指示达到最大（或晶体管电压表的示值达到最大），此时系统处于共振状态，显示共振发生的信号指示灯亮，信号源面板上频率显示窗口显示共振频率。

在进行声速测定时需要测定驻波波节的位置，当发射换能器S1处于共振状态时，发射的超声波能量最大。

若在这样一个最佳状态移动S1至每一个波节处，媒质压缩形变最大，则产生的声压最大，接收换能器S2接收到的声压为最大，转变成电信号，晶体管电压表会显示出最大值。

由数显表头读出每一个电压最大值时的位置，即对应的波节位置。

因此在系统处于共振的条件下进行声速测定，可以容易和准确地测定波节的位置，提高测量的准确度。

2.压电陶瓷超声换能器是怎样实现机械信号和电信号之间的相互转换的？

答：

压电陶瓷超声换能器的重要组成部分是压电陶瓷环。

压电陶瓷环由多晶结构的压电材料制成。

这种材料在受到机械应力，发生机械形变时，会发生极化，同时在极化方向产生电场，这种特性称为压电效应。

反之，如果在压电材料上加交变电场，材料会发生机械形变，这被称为逆压电效应。

声速测量仪中换能器S1作为声波的发射器是利用了压电材料的逆压电效应，压电陶瓷环片在交变电压作用下，发生纵向机械振动，在空气中激发超声波，把电信号转变成了声信号。

换能器S2作为声波的接收器是利用了压电材料的压电效应，空气的振动使压电陶瓷环片发生机械形变，从而产生电场，把声信号转变成了电信号。

【分析讨论题】

1.为什么接收器位于波节处，晶体管电压表显示的电压值是最大值？

答：

两超声换能器间的合成波可近似看成是驻波。

其驻波方程为                             

A（x）为合成后各点的振幅。

当声波在媒质中传播时，媒质中的压强也随着时间和位置发生变化，所以也常用声压P描述驻波。

声波为疏密波，有声波传播的媒质在压缩或膨胀时，来不及和外界交换热量，可近似看作是绝热过程。

气体做绝热膨胀，则压强减小；做绝热压缩，则压强增大。

媒质体元的位移最大处为波腹，此处可看作既未压缩也未膨胀，则声压为零，媒质体元位移为零处为波节，此处压缩形变最大，则声压最大。

由此可知，声波在媒质中传播形成驻波时，声压和位移的相位差为。

令P（x）为驻波的声压振幅，驻波的声压表达式为

波节处声压最大，转换成电信号电压最大。

所以接收器位于波节处，晶体管电压表显示的电压值是最大值。

2.用逐差法处理数据的优点是什么？

答：

逐差法是物理实验中处理数据的一种常用方法，是对等间隔变化的被测物理量的数据，进行逐项或隔项相减，来获得实验结果的数据处理方法。

逐差法进行数据处理有很多优点，可以验证函数的表达形式，也可以充分利用所测数据，具有对数据取平均的效果，起到减小随机误差的作用。

本实验用隔项逐差法处理数据，减小了测量的随机误差

实验十三示波器的使用

【预习思考题】

1.什么是同步？

用Y轴信号频率去控制扫描发生器的频率，使信号频率准确地等于扫描频率或成整数倍，该电路的控制作用，称为同步。

２.在观察李萨如图形时，能否用示波器的“同步”将其稳定下来？

如果不能，那是为什么？

不能，因为观察李萨如图形时工作在X-Y方式下，内部锯齿波扫描信号被切断，两路信号都是从外部输入，而示波器的“同步”是调节内部锯齿波扫描信号的，所以“同步”对李萨如图形没有影响。

３.如果被观测的图形不稳定，出现向左移或向右移的原因是什么？

如何使之稳定？

由波形显示原理知：

原因是其扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。

要想使显示屏上的图形稳定，必须使扫描电压的周期与被测信号的周期之间满足Tx/Ty=n（n＝1，2，3，…），n是屏上显示完整波形的个数。

分析讨论题

1．荧光屏上无光点出现，有哪些可能的原因？

怎样调节才能使光点出现？

可能的原因有：

电源没有打开、亮度太小或没有、光点的位置偏离了显示屏。

首先检查电源开关是否打开，（看电源指示灯是否亮）然后将亮度旋钮调至较大，（顺时针方向调节）将Ｘ轴、Ｙ轴输入端接地，调节水平位移和竖直位移，直至亮点出现在显示屏上。

２.若被测信号幅度太大（在不引起仪器损坏的前提下），则在示波器上看到什么图形?

要想完整地显示图形，应如何调节？

若被测信号幅度太大时看到的是不完整的波形。

要想完整地显示图形，应将示波器的VOlTS/DIV垂直输入灵敏度选择开关根据被测信号的电压幅度，选择适当的档级以利观察，

3．示波器能否用来测量直流电压？

如果能测，应如何进行？

能。

要测量直流电压，所用示波器的Y通道应采用直流耦合方式（如果示波器的下限频率不是0，则不能用于测量直流电压）。

进行测量前，必须校准示波器的Y轴灵敏度，并将其微调旋钮旋至“校准”位置。

测量方法：

将垂直输入耦合选择开关置于“⊥”，采用自动触发扫描，使荧光屏上显示一条扫描基线，然后根据被测电压极性，调节垂直位移旋钮，使扫描基线处于某特定基准位置（作０V电压线）；将输入耦合选择开关置于“DC”位置；将被测信号经衰减探头（或直接）接入示波器Y轴输入端，然后再调节Y轴灵敏度（V/cm）开关，使扫描线有较大的偏移量。

设荧光屏显示直流电压的坐标刻度为H（cm），仪器的Y轴灵敏度所指档级为SY（V/cm），Y轴探头衰减系数K，则被测直流电压值为　　UX=H（cm）·SY（V/cm）·K。