试验题目1测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数.docx
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试验题目1测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
8th亚洲物理奥林匹克竞赛
中国上海
2007年4月25日，星期三
实验试题1（时间2小时45分）
在实验前请仔细阅读实验题
考前须知：
1．实验题包含两个实验。
实验1考试时间2小时45分，实验2考试时间2小时15分。
2．使用考场提供的笔和仪器。
3．只能在纸的正面答题。
4．每个题目除空白纸外，还有答题纸。
你必须在答题纸上概括你已获得的结果，数字结果必须有适合的有效数字和单位。
5．在空白纸上写上所有你认为对答题有用的测量结果等你认为有用的内容。
答题时尽可能少用文字；主要用方程、数字和图表达。
6．在每页答案纸、白纸以及作图纸顶端的格子里填上你的胸牌上的学生代码（StudentCode），另外白纸的顶端填上序号n（Page）以及用每一题于评分的总页数N（TotalNumberofPages）。
7．开始解答每一个问题时，另起一页纸。
每张纸的开头都要有题目号和小题号。
不用于评分的草稿纸，在整张纸上打一个大叉，不要编号。
8．在考试结束时,请将每题的答题纸和空白纸按下列顺序整理好：
答案纸（最上面），已编序号、用于评分的空白纸，不用于评分的草稿纸，考题（最后）。
最后把所有纸张放入所给的大信封，其他所有的东西放在桌上。
不允许带走室内的任何东西。
实验第1题
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数（10分）
一.实验说明
光学仪器常常需要在高温或低温的条件下使用。
当光学仪器在不同温度下使用时,其光学元件材料的热学性质，包括热膨胀系数和折射率温度系数，会直接影响它的光学性质。
热膨胀系数
的定义为
，折射率温度系数
的定义为
，其中L是材料的长度、T是温度、n是折射率。
本实验要求测量一种玻璃材料的
和
。
二．实验装置与器材
1.样品：
实验所用的样品由均匀各向同性的待测玻璃制成，如图1所示。
其中A是被切去一部份的玻璃圆柱体，上下表面基本平行；B和B’是两块也被切去一部份的圆形玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。
三块玻璃A、B、B’胶合成一体，如图1所示。
胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。
2.加热装置：
该实验的加热装置如图2所示，图中电炉右边的旋钮用于调节电炉温度。
大铝块中间有一个圆柱形的样品腔，样品可放在其中。
小铝块上有两个孔，小孔可用于通光，大孔可用来插温度计的探头。
如要对样品加热，可先小心地将样品滑入大铝块的样品腔中（这时应将大铝块倾斜，以防样品撞碎），再放入小铝块，然后把整个大铝块放入电炉上的钢杯中，就可以对样品加热。
（钢杯内不可放水；也不可取下钢杯把大铝块直接放在电炉上加热。
）
3.光源支架：
如图3所示，在支架的上部装有He-Ne激光器及其电源，在激光器的下面有一个倾斜的搁架，上面搁放了一块带小孔的平板，贴有方格纸，可用作观察屏。
支架底部有三个脚，C脚是固定的，不可调节，A脚和B脚可以调节。
图3
4.样品平台：
光源支架底部有一圆形平台，用于放置样品或电炉，其底部有三个脚a、b、c，高低可调，见图3。
5.数字式温度计
6.直尺：
7.水盆：
（内有冷却用水）
8.毛巾：
9.作图用坐标纸：
10.计算器：
11.铅笔与水笔：
【注意】
a.眼睛不可正对激光入射方向去看激光，否则可能损伤视网膜！
b.不要触摸样品的光学表面，实验时注意轻拿轻放，以免弄坏样品。
三．实验内容
1．问题（2.4分）
1.1一束白色自然光通过一片红色透光纸片后，投射到一2厘米左右厚玻璃块。
光束在玻璃块的上下表面反射并在观察屏上相遇，形成一没有干涉条纹的光斑，如图4（a）.然而当激光束投射到相同的玻璃块时，两束反射光在同样的观察屏上相遇，形成具有干涉条纹的光斑，形成这两种不同现象的原因是什么？
请选择一个正确答案（0.4分）
A.激光束比红色光更强
B.激光准直性比红色光更好
C.激光的相干性比红色光好
D．激光的波长比红色光短
图4
1.2a如图5所示，如有一束激光分别近正入射到a、b、c三个区域时，其反射光应有几个主要光斑（不考虑多次反射）？
这些反射光斑的光场分布是否必然与入射光的一样？
1.2b如果有的反射光斑光场分布可能与入射光的分布不一样，请说明理由。
图5
2．实验：
测量玻璃的β和γ（7.6分）
已知激光的波长λ=632.8nm，样品中玻璃圆柱体A的高度L=10.12±0.05mm，该玻璃对应此波长在测量温度范围内的平均折射率为n=1.515，要求测出该玻璃的温度在40℃－90℃范围内的热膨胀系数
和折射率温度系数
（在测量温度范围内
和
可视为常数）。
2.1设计实验方案，画出实验光路图并推导出有关的测量公式。
（3.2分）
2.2进行实验，记录测量β和γ所需要的数据。
（1.6分）
2.3求出该材料的β和γ并估算它们的不确定度。
（2.6分）
2.4写出最后的实验结果。
（0.2分）
【注意】
1．将样品放入大铝块样品腔中时，为避免样品撞碎，应将大铝块倾斜，小心地让样品慢慢地滑入样品腔的底部。
2．实验时可连续升温，边升温边测数据，以免时间不够。
对样品加热时可把电炉的旋钮旋到最大，当温度接近90oC时（85℃左右），立即将旋钮旋到最小，停止加热。
在加热的过程中，左边的加热指示灯会变暗又变亮，这是仪器在自动控制温度，不用理会。
3．大铝块样品腔中的样品加热后，自然冷却很慢。
如要它快速冷却，可以先将加热过的放有大铝块的钢杯放入水盆中，冷却一段时间后（至少5分钟），再用毛巾小心地裹着大铝块将它直接放入水中，加速冷却。
小心烫手！
冷却后擦干，仍放回钢杯中，可再次加热。
电炉切不可用水冷却，以免短路。
4．实验操作完成后，应及时关断电炉的电源，以免过热。
警告：
实验中要加倍小心！
因为实验中没有足够的样品和备用仪器，如果样品和仪器被损坏，你可能难以完成你的实验。
Studentcode
答题纸实验1-1（共4页）
实验题1：
用干涉的办法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
1.回答问题（2.4分）
1．1产生这现象的原因（单选）。
（0.4分）
A.激光束比红色光更强
B.激光准直性比红色光更好
C.激光的相干性比红色光好
D．激光的波长比红色光短
1.2a
将结果填入下表（填对一格给0.1分，填错或多填一格扣0.1分，扣完为止）
激光近正入射的区域
反射光的主要光斑数
这些反射光斑光场的分布与入射光的分布是否必然相同？
“是”填“Y”，“否”填“N”
光斑1
（若有）
光斑2
（若有）
光斑3
（若有）
光斑4
（若有）
…
a
b
c
1.2b
（0.2分）
如果有的反射光斑光场分布可能与入射光的不一样，即上表中有“否”（N），
请用一个关键词说明理由:
。
Studentcode
答题纸实验1-2（共4页）
实验题1：
应用干涉的方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
2测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数（7.6分）
2.1
画出实验光路图并给出公式
测量热膨胀系数β的光路图
测量折射率温度系数γ光路图
测量公式
β＝
测量公式
γ＝
Studentcode
答题纸实验1-3（共4页）
实验题1：
用干涉到方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
2.2
测量β和γ的数据记录（自行列表）：
Studentcode
答题纸实验1-4（共4页）
实验题1：
用干涉到方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
2.3
计算β和γ并估算它们的不确定度（写出估算不确定度的公式）：
∆β=
∆γ＝
2.4
最后实验结果为：
β=
γ=
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