大学物理实验答案 10页

实验7分光计的调整与使用★1、本实验所用分光计测量角度的精度是多少？仪器为什么设两个游标？如何测量望远镜转过的角度？本实验所用分光计测量角度的精度是：1＇。为了消除因刻度盘和游标盘不共轴所引起的偏心误差，所以仪器设两个游标。望远镜从位置Ⅰ到位置Ⅱ所转过的角度为，注：如越过刻度零点，则必须按式来计算望远镜的转角。★2、假设望远镜光轴已垂直于仪器转轴，而平面镜反射面和仪器转轴成一角度β，则反射的小十字像和平面镜转过1800后反射的小十字像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。反射的小十字像和平面镜转过180o后反射的小十字像的位置是一上一下，此时应该载物台下螺钉，直到两镜面反射的十字像等高，才表明载物台已调好。光路图如下：ABABA或B★3、对分光计的调节要求是什么？如何判断调节达到要求？怎样才能调节好？调节要求：①望远镜、平行光管的光轴均垂直于仪器中心转轴；②望远镜对平行光聚焦（即望远调焦于无穷远）；③平行光管出射平行光；④待测光学元件光学面与中心转轴平行。判断调节达到要求的标志是：①望远镜对平行光聚焦的判定标志；②望远镜光轴与分光计中心转轴垂直的判定标志；③平行光管出射平行光的判定标志；④平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直的判定标志。调节方法：①先进行目测粗调；②进行精细调节：分别用自准直法和各半调节法进行调节。4、在分光计调节使用过程中，要注意什么事项？①当轻轻推动分光计的可转动部件时，当无法转动时，切记不能强制使其转动，应分析原因后再进行调节。旋转各旋钮时动作应轻缓。②严禁用手触摸棱镜、平面镜和望远镜、平行光管上各透镜的光学表面，严防棱镜和平面镜磕碰或跌落。③转动望远镜时，要握住支臂转动望远镜，切忌握住目镜和目镜调节手轮转动望远镜。④望远镜调节好后不能再动其仰角螺钉。5、测棱镜顶角还可以使用自准法，当入射光的平行度较差时，用哪种方法测顶角误差较小？的成立条件是入射光是平行的，当入射光的平行度较差时，此公式已不再适用，应用自准直法测三棱镜的顶角，用公式来计算，误差较小。\n★6、假设平面镜反射面已经和转轴平行，而望远镜光轴和仪器转轴成一定角度β，则反射的小十字像和平面镜转过1800后反射的小十字像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。反射的小十字像和平面镜转过180o后反射的小十字像的位置不变，此时应该调节望远镜仰角螺钉，使十字反射像落在上十字叉线的横线上。光路图如下ABAABBABA或B图3望远镜光轴未与中心轴垂直的表现及调整7、是否对有任意顶角A的棱镜都可以用最小偏向角测量的方法来测量它的材料的折射率？为什么？不能。8、在测角时某个游标读数第一次为343°56'，第二次为33°28'，游标经过圆盘零点和不经过圆盘零点时所转过的角度分别是多少？游标经过圆盘零点：不经过圆盘零点：9、在实验中如何确定最小偏向角的位置？向一个方向缓慢的转动游标盘（连同三棱镜），并用望远镜跟踪狭缝像，在望远镜中观察狭缝像的移动情况，当随着游标盘转动而向某方向移动的狭缝像，正要开始向相反方向移动时，固定游标盘，此时确定的角度即是最小偏向角。10、测量三棱镜折射率实验中，从对准平行光管的位置开始转动望远镜，看到的折射谱线颜色排列顺序是什么？黄、绿、紫实验8迈克尔逊干涉仪的调整与使用1、从迈克尔逊干涉形成条纹的条件、条纹的特点、条纹出现的位置和测量波长的公式。比较等倾干涉条纹和牛顿环（等厚干涉）异同。迈克尔孙同心圆条纹是等倾干涉形成的，中间级次高（中心级次最高），越往边缘级次越低，若光程差为半波长的奇数倍，中心暗，若光程差为半波长的偶数倍，中心明。牛顿环同心圆条纹是等厚干涉形成的，中间级次低（中心级次最低），越往边缘级次越高，从反射方向观察中心是暗斑。\n2、迈克尔逊干涉仪中的补偿板、分光板各起什么作用？用钠光或激光做光源时，没有补偿板P2能否产生干涉条纹？用白光做光源呢？补偿板起补偿光程的作用。分光板使入射光束分为振幅（或光强）近似相等的透射光束和反射光束。用钠光或激光做光源时，没有补偿板P2能产生干涉条纹，用白光做光源不能。Na光和He—Ne激光单色性好，没有补偿板P2，移动M1，改变由M1和M2反射到达观察屏的两光束的光程差，使其小于相干长度，即可观察到干涉条纹。白光单色性差，分出的两束光只有在光程差δ≈0时，才能看到彩色干涉条纹，如果没有补偿板P2，由M1反射的光经过分光板三次，而由M2反射的光只经过分光板一次，对两束光产生不同的色散，导致不同波长的干涉条纹位置不同，使光强趋于均匀，干涉条纹会消失。只有使用补偿板，才可以使不同波长的光被分成的两束光都满足光程差δ≈0。3、怎样准确读出可动反射镜的位置？先从主尺上读出整数部分，再从粗动手轮上读出小数点后第一、第二位数，最后从微动手轮上读出小数点后第三、第四位数并加一位估计数字，即最后一位小数为估计数字。4、在迈克尔逊干涉仪的一臂中，垂直插入折射率为1.45的透明薄膜，此时视场中观察到15个条纹移动，若所用照明光波长为500nm，求该薄膜的厚度。插入n1透明薄膜后，光程差改变了2d（n1-1），即Δδ=2d（n1-1），所以根据Δδ=Δkλ式和Δk=ΔN，可得，即薄膜的厚度为。实验9RLC电路的稳态特性1、测量幅频特性时，是否要保持电压Us不变？测量幅频特性时，要保持电压Us不变。这样放大器输出电压的高低就代表着放大器的放大量，这样就可以测出幅频特性。2、如何用实验的方法找出RLC电路的谐振频率？如图1所示，连接好电路，电源用函数信号发生器提供，再利用示波器，使其同时显示电源的输出波形与电阻两•图1RLC串联电路端电压的波形，接着调节示波器和函数信号发生器，使两个波形基本上重合，则此时函数信号发生器上显示的频率即为谐振频率。3、改变信号源频率f时，不调节信号发生器的“输出信号幅度”旋钮，其输出电压Us是否变化？改变信号源频率f时，不调节信号发生器的“输出信号幅度”\n旋钮，其输出电压Us会发生变化。因为频率f越接近谐振频率时，电路中的电流就会越大，而信号发生器是有一定的内阻，当电流变大时，信号源输出的电压就会变小。4、RLC串联电路中，已知电容C耐压为50V，回路品质因数Q=100，为了保证电容C不被击穿，电源电压Us最大不能超过多少？由公式Uc=QUs得Us=Uc/Q=50V/100=0.5V。5、交流电路中，如何表示电压和电流的大小和相位的变化？用复数及矢量图解法来表示。6、什么是RLC串联谐振？谐振时回路参数有何特征？RLC串联电路中，当信号的频率f为谐振频率，即感抗与容抗相等（）时，电路的阻抗有最小值（Z=R），电流有最大值（），电路为纯电阻，这种现象称为RLC串联谐振。谐振时，有品质因数，通频带，。7、什么是RLC串联电路的幅频特性曲线？根据幅频特性曲线怎样求通频带？RLC串联回路电流I与电源的频率f（w=2pf）有关，RLC串联电路的I―f的图3RLC串联幅频曲线关系曲线称为RLC串联电路的幅频特性曲线（如图3所示）。在RLC串联幅频曲线图中，将电流I=0.707I0的两点频率f1、f2的间距定义为RLC回路的通频带Df0.7，则。8、什么是回路的品质因数?谐振时，回路的感抗（或容抗）与回路的电阻之比成为回路的品质因数。9、什么是RLC回路的通频带？如何比较RLC回路的滤波性能？将电流I=0.707I0的两点频率f1、f2的间距定义为RLC回路的通频带Df0.7。电阻R越大，则品质因数Q越小，通频带Df0.7越宽，滤波性能就越差10、电路谐振时，电感、电容的电压与品质因数Q有什么关系？谐振时，电感与电容的电压有最大值，是电源电压的Q倍，即\n图4LRC串联相频曲线11、RLC串联电路的相频特性是什么？RLC串联电路的j-f的关系曲线称为RLC串联电路的相频特性曲线，如图4所示。12、使串联电路发生谐振的方法有几种？怎样确定电路呈电感性还是呈电容性？使串联电路发生谐振的方法有：调节电源频率；f不变，调节C；f不变，调节L。UR波形在US波形左边，则US落后于UR（即电压滞后于电流），电路为电容性，j值应取负号。US超前于UR，电路为电感性，则US超前于UR，j值应取正号。实验16用分光计研究光栅光谱1、光栅光谱和棱镜光谱有哪些不同之处?在上述两种光谱中，哪种颜色的光偏转最大?光栅光谱——依据光栅衍射产生色散形成。同一级次K，λ↑→φ↑，所以可见光中的红光衍射角最大。棱镜光谱——根据不同的光在玻璃中的折射率不同而产生色散。λ↑→n↓→偏向角δ↓，故紫光偏转最大。2、什么是光栅常数及光栅分辨力？如何测定？光栅常数是指光栅两刻线之间的距离。光栅分辨力是指把波长靠的很近的两条谱线分辨清楚的能力。光栅常数d可由公式计算出，其中为光谱线的衍射角，k为光谱级数，为该谱线的波长。光栅分辨力R可由公式R=kN算出，其中k为光谱级数，N为被入射平行光照射的光栅有效面积内的狭缝总条数。★3、如果在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，应如何调整？这是由于平行光管透光狭缝倾斜不竖直所致。应把平行光管透光狭缝调竖直。★4、如何测量光栅的衍射角？根据测量数据怎样计算谱线的衍射角和光栅常数？以绿光普线为例：按照实验要求调节好实验装置，转动望远镜，分别对准+1和-1级绿光谱线，记录相应的角位置读数（，）和（，），则绿光谱线的衍射角。光栅常数。★5、用白光照射光栅时，将会形成什么样的光谱？从光栅方程中可以看出，对于给定的光栅常数d，λ不同，第k级主极大的位置不同。红光对应的衍射角大于紫光的，因此，光栅能把不同频率的光分开。如果\n用日光作实验，就能得到除0级谱线为白光亮线外，各级是从紫光到红光排列的彩色光谱★6、当用波长为589.3nm的钠黄光垂直照射到每毫米具有500条刻痕的平面透射光栅上时，最多能观察到第几级谱线？由光栅方程，显然当时，有，由本实验测得光栅常数d=1687.26nm，则，即最多能观察到第3级谱线。7、如果平行光并非垂直入射光栅片，而是斜入射，衍射图样会有何变化？这时光栅方程变为，显然衍射图样的0级亮线两边谱线位置分布不对称（±K级谱线的衍射角不相等）。8、如何判断平行光是否垂直入射光栅面？以光栅面作为反射面，用自准直法调节，当反射绿十字像与分划板的上十字线重合，则平行光垂直入射光栅面。9、实验中当狭缝太宽或太窄时将会出现什么现象？为什么？狭缝太宽则分辨本领下降，如两条黄光线分辨不清；太窄，透光量太少，光线亮度太弱，视场太暗不利于测量。实验17等厚干涉实验1、什么是光的“干涉现象”？光的干涉条件是什么？什么是等厚干涉、定域干涉及半波损失？两列频率相同的光波在空中相遇时发生叠加，在某些区域总加强，在另外一些区域总减弱，出现明暗相间的条纹或者是彩色条纹的现象叫做光的干涉。光的干涉条件：两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源。由同一厚度薄膜产生同一干涉条纹的干涉称作等厚干涉。在特定区域内存在的干涉称为定域干涉。半波损失，就是当光从折射率小的光疏介质射向折射率大的光密介质时，在入射点，反射光相对于入射光有相位突变π，即在入射点反射光与入射光的相位差为π，由于相位差π与光程差λ/2相对应，它相当于反射光多走了半个波长λ/2的光程，故这种相位突变π的现象叫做半波损失。dndmDnDmhRnRm2、用读数显微镜测量出来的牛顿环直径是其真实大小吗？如何调节使视场变清晰？是。读数显微镜就是拿来测长度的，它的显微镜部分是让你更清楚地看到被测量物，而读数则是与显微镜的移动有关，测得的数值是实际的大小，而不是像的大小。通过适当调节望远镜的目镜和反光镜可以使视场变清晰。3、从牛顿环装置的下方投射上来的光，能否形成干涉条纹，如果能的话，它和反射光形成的干涉条纹有何不同？牛顿环下方透射出来的光，也能产生干涉条纹。但由于透射光没有半波损失，中心点的光程差δ=2d=0，所以形成的干涉条纹为中心为亮斑的明暗相间同心圆环。4、假如在测量过程中，叉丝中心未与牛顿环中心重合，测得的\n是弦而不是直径，则对R的结果有无影响？为什么？如果测得的是弦而不是直径，对R的计算结果没有影响。因为，如右图所示，可得①②①-②得表明，若测得的是弦，而不是直径，则对R计算无影响。5、从牛顿环形成的条件、条纹的特点、条纹出现的位置和测量波长的公式，比较牛顿环和劈尖的干涉条纹的异同点。牛顿环的干涉条纹为以接触点为中心的明暗相间的同心圆环，且中心暗环附近同心圆环条纹粗、较稀疏；离中心越远，条纹越细、越密。劈尖的干涉条纹为平行于棱边且间隔相等的明暗相间的平行条纹。6、如何应用光的等厚干涉测量平凸透镜的曲率半径？（掌握求曲率半径的数据处理方法）由公式可计算出曲率半径R，其中m、n表示干涉条纹的暗环序数，分别表示第m级和第n级暗环的直径。7、为什么采用测量干涉圆环直径来求得牛顿环装置的曲率半径，而不直接测量干涉环的半径，由条件得到曲率半径R.，请说明具体的原因。因为在实际操作中，透镜和平面玻璃接触处由于接触压力会产生弹性形变，而且接触处也可能存在尘埃，使干涉圆环中心不是一个暗点而是一个不太规则的圆斑，使干涉圆环的级次k难于准确确定，因此，在实际测量中没有测量暗环半径而采取测量彼此相隔一定环数的暗环直径。8、如果待测透镜是平凹透镜，观察到的干涉条纹将是怎样的？如果待测透镜是平凹透镜，仍形成以平凹透镜的顶点为圆心的明暗相间的同心圆环，但边缘处δ=2nd+λ/2=λ/2（d=0，n=1）为0级暗纹；中心处，当δ\n=（2k+1）λ/2时，为暗纹，当δ=kλ时，为亮纹，否则其明暗程度介于明纹最亮和暗纹最暗之间。9、观察牛顿环时将会发现，牛顿环中心不是一点，而是一个不甚清晰的暗或亮的圆斑，为什么？对透镜曲率半径R的测量有无影响?为什么？透镜和平玻璃板接触时，由于接触压力引起形变，使接触处为一圆面；又镜面上可能有微小灰尘等存在，从而引起附加的光程差。没有影响。由于附加的光程差一定，取二个暗条纹直径平方差的方法处理，可消除附加的光程差。10、牛顿环的干涉条纹各环间的间距是否相等?为什么?不相等。,即第级暗环的半径与的平方根成正比，随着级数增大，干涉条纹变密。实验22光速测量1、光波的波长、频率及速度是如何定义的？波长：指一个周期内波传播的距离。频率：指单位时间内波发生周期振动的次数。速度：单位时间内波传播的距离。2、能否对光的频率进行绝对测量，为什么？不能。因为光的频率高达Hz，目前的光电接收器中无法响应频率如此高的光强变化，迄今仅能响应频率在Hz左右的光强变化并产生相应的光电流。3、等相位测量波长法与等距离测量波长法，哪一种方法有较高的测量精度？等距离测量波长法有较高的测量精度。因为当两次位置时的计数值相差0.1°以上时，就必须重测。而等相位测量波长法当两次0°时的距离读数误差超过1mm时，就必须重测。由此可见等距离测量波长法有较高的测量精度。4、仪器中光源的波长为0.65微米，为什么还要测量波长？因为仪器中有可能是通过光栅选择输出波长的，光栅是需要校准的，所以要测量、校准。5、什么是相位法测定调制波的波长？在本实验中是如何实现的？相位法测定调制波的波长：就是利用相位差来测量相移量对应的距离，再由公式求出波长。在本实验中，首先在导轨上任取一点为，并在示波器上找出信号相位波形上一特征点作为相位差0°位置，接着取示波器上波形移动两小格为测量相位距离，移动棱镜小车，迅速读取此时的距离值，多次重复此操作并作方差取平均值。6、红光的波长为671.64nm，在空气中只走0.325微米就会产生相位差π。而我们在实验中却将棱镜小车移动了0.75米左右的距离，才能产生相位差π。这是为什么？\n由可知，在实验中，我们利用调制的方法将光的频率降到可测量的范围之内，则频率减小了，波长增大了，所以要产生相同的相位差则需要移动更长的距离。7、本实验所测定的是100MHz调制波的波长和频率，能否把实验装置改成直接发射频率为100MHz的无线电波并对它的波长和频率进行绝对测量。为什么？可以，因为目前的光电接收器能响应频率在的光强变化并产生相应的光电流。8、本实验中，光速测量的误差主要来源于什么物理量的测量误差？为什么？误差主要来源于波长的测量误差，因为频率可以做到很稳定，而波长的测量却受到人为和仪器两方面的影响。9、通过光速测量实验，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？波长测量的主要误差来源是相位的测量误差，可采用高精度的相位计来提高测量精度。10、如何将光速仪改成测距仪？运用光速仪测量出时间Δt，再由公式计算出距离x，即把光速仪当成测距仪。磁化曲线和磁滞回线测量1、什么是硬、软磁材料？为什么测磁化曲线要先退磁？硬磁材料的剩磁和矫顽力大可做永久磁铁。软磁材料的剩磁和矫顽力小，容易磁化和去磁，广泛用于电机和仪表制造业。为了保证每次都是从原始状态（H=0,B=0）开始，所以要先退磁。2、为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼？为什么动态法测量时不需要人为进行磁锻炼？进行磁锻炼是为了得到稳定闭合的磁滞回线。因为动态法测量磁化曲线时，采用交变电流，每个状态都经过充分的磁锻炼。3、什么是静、动态法？为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大？静态法是用直流来磁化材料。动态法是用交流来磁化材料。因为动态磁滞回线不仅与磁化磁场的大小有关，还与磁化场的频率有关，磁样品中不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗，所以动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大。4、在测量磁滞回线下降段曲线时，励磁电流先从0.55A变到了0.25A测量，如果想补测0.40A这点，能否将电流直接从0.25A调回0.40A测量，然后再从0.40A调到0.10A继续测量，为什么？图7实验测量曲线由于磁材料磁化过程的不可逆性及磁材料具有剩磁的特点，以及磁化状态与磁化历史有关，磁滞回线又与其起始端点的磁化状态有关。因此，在测同一条磁滞回线时，磁化电流只允许单调地增加或减少，不能时增时减，即励磁电流必须沿同一个方向单调增大或减小，不允许突然改变增减方向。5、在电流步进法测图7所示的磁滞回线时，若在励磁电流为正向饱和电流Is时突然断开测试仪电源，此时铁磁材料的剩磁为多少？\n由图7可得，当在励磁电流为正向饱和电流Is时突然断开测试仪电源，此时电流为零，则铁磁材料的剩磁为1.0×10-5T。6、什么是磁化曲线？什么是磁滞回线？HS、BS、Br、Hc各特征参数是什么含义？磁化曲线：表示某种铁磁物质的磁感应强度随磁场强度变化的曲线。磁滞回线：当磁场强度周期性变化时，表示铁磁性物质或亚铁磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。HS表示饱和磁场强度；BS表示饱和磁感应强度；Br表示剩磁，反映介质记忆能力的大小；Hc表示矫顽力，反映铁磁材料是硬磁还是软磁。7、本实验中应用到的物理原理有哪些？分别用于测量那些参数？本实验中应用到的物理原理有安培环路定理和电磁感应定律。分别用于测量磁场强度H和磁感应强度B。太阳能电池特性的测量1、掌握太阳能电池的基本原理。太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。2、无光源的条件下，太阳能电池施加正向偏压时的伏安特性？怎样求常数和的值？无光源的条件下，太阳能电池施加正向偏压时的伏安特性：电流随电压的增大而增大。,当偏压U较大时，远大于1，故，以为纵坐标，偏压U为横坐标，作——U图，其斜率即为，纵轴截距即为。3、恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性？如何求短路电流；开路电压；最大输出功率；填充因子FF？恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性：电流随电压的增大而减小。作出恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性曲线，按曲线的趋势外推，分别与横轴（电压）和纵轴（电流）相交，即为开路电压和短路电流。再作出P—R曲线，从图中求出最大功率，由公式计算出填充因子FF。4、如何对太阳能电池基本特性进行测量？电路图？5、温度会对太阳能电池带来什么影响？太阳能电池的理想工作温度为25摄氏度，电池板的功率随着温度的升高而降低的。不过一般温度不超过45摄氏度都可以正常使用。如果温度过高还会影响电池的寿命。