大学物理实验教程预习思考题,分析讨论题答案

大学物理实验教程预习思考题,分析讨论题答案

大学物理实验第一季

1.用电流场模拟静电场的理论依据是什么?模拟的条件是什么?

用电流场模拟静电场的理论依据是:对稳恒场而言,微分方程及边界条件唯一地决定了场的结构或分布,若两种场满足相同的微分方程及边界条件,则它们的结构也必然相同,静电场与模拟区域内的稳恒电流场具有形式相同的微分方程,只要使他们满足形式相同的边界条件,则两者必定有相同的场结构。模拟的条件是:稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同;稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀,并满足σ极>>σ介以保证电流场中的电极(良导体)的表面也近似是一个等势面;模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同。

2.等势线和电场线之间有何关系?

等势线和电场线处处相互垂直。

3.在测绘电场时,导电微晶边界处的电流是如何流动的?此处的电场线和等势线与边界有什么关系?它们对被测绘的电场有什么影响?

在测绘电场时,导电微晶边界处的电流为0。此处的电场线垂直于边界,而等势线平行于边界。这导致被测绘的电场在近边界处受边界形状影响产生变形,不能表现出电场在无限空间中的分布特性。

【分析讨论题】

1.如果电源电压增大一倍,等势线和电场线的形状是否发生变化?电场强度和电势分布是否发生变化?为什么?

如果电源电压增大一倍,等势线和电场线的形状没有发生变化,但电场强度增强,电势的分布更为密集。因为边界条件和导电介质都没有变化,所以电场的空间分布形状就不会变化,等势线和电场线的形状也就不会发生变化,但两电极间的电势差增大,等势线的分布就更为密集,相应的电场强度就会增加。

2.在测绘长直同轴圆柱面的电场时,什么因素会使等势线偏离圆形?

测绘长直同轴圆柱面的电场时测到的等势线偏离圆形,可能的原因有:电极形状偏离圆形,导电介质分布不均匀,测量时的偶然误差等等。

3.从对长直同轴圆柱面的等势线的定量分析看,测得的等势线半径和理论值相比是偏大还是偏小?有哪些可能的原因导致这样的结果?

⑴偏大,可能原因有电极直径测量偏大,外环电极表面有氧化层产生附加电阻,电压标示器件显示偏大等;⑵偏小,可能原因有电极直径测量偏小,中心电极表面有氧化层产生附加电阻,电压标示器件显示偏小等。

3.分光计【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

4.灵敏电流计特性研究

【预习思考题】

1. 叙述电流常数的物理意义。为什么使用灵敏电流计作定量测量时需测定电流常数?

答:灵敏电流计的电流常数(分度值),是由灵敏电流计本身结构决定的一个常数,表示“光指针”每偏转单位长度(此处为一个最小分度)所需的电流,单位是A/div.

因为测定出电流常数才能知道最小分度代表多少电流,这样可以根据指针偏转的格数确定电流值。

2. 本实验采用两次分压电路(参见图5.1-6)的目的是什么?

答:由于灵敏电流计只能通过极小电流,因此,实验电路采用两次分压电路以获得灵敏电流计允许的低电压。

3. 灵敏电流计与普通电流计的构造有何不同?说明其灵敏度高的原因。答:电流常数的倒数称为灵敏电流计的电流灵敏度

为了提高灵敏电流计的灵敏度,灵敏电流计与普通电流计的构造不同,其读数系统采用多次反射光学系统(即在光路中增加反射镜),这相当于增大了式中的值,而且结构也不因此而庞大。

【分析讨论题】

1. 推证“半偏法”测内阻的原理。

答:参见图5.1-6,当R2 =0,“光指针”偏转格数为d0, 即

当R2=R2′,“光指针”偏转格数为d0/2(半偏),此时

所以,,Rg=R2′

2. 说明力矩M磁、M弹、M阻产生的原因以及它们对线圈的作用。

答:线圈的竖直两边所在处磁场的磁感应强度大小相等、方向始终在线圈本身的平面内,从而它们受到的安培力大小相等、方向始终与线圈平面垂直,这一对力产生的磁力矩即为。线圈偏转使得悬丝发生扭转而产生反方向的弹性恢复力矩。M磁和M弹决定了线圈最后到达的平衡位置。线圈在转动时,还要受到电磁阻尼力矩的作用,电磁阻尼力矩的大小决定线圈的运动特性。

3. 阻尼开关的作用是什么?简述其工作原理。

答:阻尼开关的作用是使线圈处于欠阻尼状态下在“0”点附近振动时,当“光指针”经过零点时按下此开关,光标就会停在零点,这就大大方便了我们的调节。

其工作原理主要是利用过阻尼状态,即当R外较小(P较大)时,电磁阻尼力矩M阻较大,此时线圈将缓慢地趋向平衡位置。

4. 试分析本实验的主要误差来源,。

答:造成实验误差的原因有以下几处。(1) 电流计中Ig 与光斑移动距离x不成正比;2) 电流计灵敏阈过大, 造成指示不灵敏(当电阻箱数值变化ΔR2 不够大时, 观察不到电流计的电流变化ΔI。因为由ΔR2 引起的偏转格数变化Δd , 一定要大于0.1 格, 否则人眼很难分辨出d 是否有变化);(3) 可变电阻R2 不准;

(4) 电源电压不稳;(5) 伏特表读数不准。

5. 用惠斯通电桥测电阻的温度系数

【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。

6.预习思考题

1.光电池在工作时为什么要处于零偏或反偏

硅光电池负载为零时,短路电流在相当大的范围由与光照度成线性关系;而开路电压与光照度的关系,显非线性。因此,由实验知,负载电阻愈小,光电流与照度之间线性关系愈好。且线性范围宽。光功率计中的内部电路,须达到在待测量光照度的范围内,其等效电阻大小达到规定小的要求。

2.光电池对入射光的波长有何要求

光子能量公式E=hv中,一般频率高的能量比较大,所以以能在金属板上打出电子的前提下,波长越短越好的。

分析讨论题

2.当单个光电池外加负载时,其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7伏?

当单个光电池生产出来后它的电动势就确定了,而且光电池的内阻较大,当加负载后内阻上会有分压,所以外电压会小于电动势(可近似认为是不加负载时用电压表所测电压),当负载增加即电流增加时,内电压增加而外电压(即加负载时电池两端电压)减小,这是由光电池的特点决定的。如果电池的内阻很小则负载变化时外电压的变化就较小

3.如何获得输出高电压、大电流输出的光电池

需要高电压时应将光电池串联使用;需要大电流时应将光电池并联使用

7.热导率和对流传热系数的测量

【预习思考题】

1.热导率的物理意义是什么?对流传热系数是什么?

热导率的物理意义为:当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时,在单位时间内通过单位面积所传导的热量。对流传热系数是在对流传热条件下,单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1-T2和表面积S的比例。2.如果用本实验装置测定良导体的热导率,样品的形状应有何改变?为什么?若要测量良导体样品,则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。因为良导体的导热性能好,样品只有做的比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差,而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。3.用式(5.3-6)或式(5.3-14)测热导率要求哪些实验条件,在实验中如何保证?

需要热电偶的冷端保持温度恒定,实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃;需要尽可能减小样品侧面散热的影响,因此将样品做成薄圆盘状;需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量,实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、下表面分别密切接触;需要易于散热,实验中采用风扇对散热盘吹风来保证;等等。

【分析讨论题】

1.为什么能将数字电压表的示值当作温度值直接代入式(5.3-6)或式(5.3-14)中计算热导率κ?

因为热电偶冷端温度为0℃,所以通过热电偶测得的电压。所以有,而这就是式(5.3-6)中所包含的全部和温度相关的项。由此可见可以将数字电压表的电压示值当作温度值直接代入式(5.3-6)中进行计算。

2.对环境温度的测量为什么要在实验的最后一步而不是在较靠前的步骤进行?理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的,但是从实际情况分析还是后测量比较准确,这是从减小实验误差的角度考虑的。实验进行前,由于还没有进行实验,实验过程中的散热也没有影响,因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的,此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化,因此最后测量环境温度,测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。因此,对环境温度的测量放在了实验的最后一步进行。

8.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。

9.光电效应测定普朗克常量

【预习思考题】

1.一般来说,光电管的阳极和阴极的材料不同,它们的逸出功也不同,而且阴极的逸出功总是小于阳极的逸出功,因此它们之间的接触电势差在K-A空间形成的是一个反向阻挡电场,试定量说明接触电势差对光电管伏安曲线的影响?答:接触电势差使光电管伏安曲线向右平移。

2.什么是遏止电势差Uc?影响遏止电势差确定的主要因素有哪些?在实验中如何较精确地确定遏止电势差?

答:在阴极光电效应中,当光电管两端加上反向电压时,阴极光电流迅速减小,但直到反电压达到某个Uc时阴极光电流才为零, Uc称为阴极光电流遏止电势差。影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有二:1.当光照射到阴极时,必然有部分光漫反射至阳极,至使阳极产生光电效应并发射光电子,这些光电子很易到

达阳极而形成阳极光电流;2.当光电管无任何光照时,在外加电压作用下仍会有微弱电流流过,我们称之为光电管的暗电流。在实验中较精确地确定阴极光电流遏止电势差的方法是:拐点法

3.如何由光电效应测出普朗克常量h?

答:由实验得到遏止电势差Uc和照射光的频率的直线关系,由直线斜率可求出h

【分析讨论题】

1.根据遏止电势差Uc与入射光频率的关系曲线,请大致确定阴极材料逸出功与阳极材料逸出功之间的差值?

答:

2.在用光电效应测定普朗克常量的实验中有哪些误差来源?在实验中是如何减小误差的?你有何建议?

答:在用光电效应测定普朗克常量的实验中的误差来源主要来自单色光不够严格以及阴极光电流的遏止电势差的确定,而影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有光电管的阳极光电流和光电流的暗电流。在实验中主要通过分析阳极光电流和暗电流的特点(阳极光电流在反向区域几乎呈饱和状态,而暗电流很小,且电流随电压线性变化,它们均对阴极光电流在Uc显著拐弯的性质无影响),在实验中通过对实际光电流测定,找到曲线拐点的方法来精确地求得Uc的。

单色光的获得尽可能用精度较高的单色仪获得,而不用滤色(片)的方法获得;此外应尽量减小反射到阳极的散射光,适当提高光电管的真空度以及二电极之间的距离,以减小暗电流的大小。

3.作为比较,试用交点法确定遏止电势差Uc,并由此利用作图法求出普朗克常量h,讨论两种方法的优点以及误差因素。

答:交点法:交点易找,也能比较精确确定,但由于暗电流与电压大小有关;阳极光电流的饱和电流与光强有关,故由交点法确定的遏止电势差Uc,不再仅仅与光的波长有关,而且也将与光的光强以及反向电压的大小有关,由此误差很大,也难以分析以加于剔除。

拐点法:确定的遏止电势差Uc,仅仅与光的波长有关,而与光的光强以及反向电压的大小无关,缺点是拐点的确定不易,有一定的误差。

大学物理实验第二季

实验一霍尔效应及其应用

【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。

实验二声速的测量

【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。

实验三衍射光栅

【预习思考题】

1. 如何调整分光计到待测状态?

答:(1)调节望远镜适合接收平行光,且其光轴垂直于仪器中心轴;

(2)平行光管能发出平行光,且其光轴垂直于仪器中心轴;

(3)载物台的台面垂直于仪器中心轴。

2. 调节光栅平面与入射光垂直时,为什么只调节载物台调平螺钉b、c,而当各级谱线左右两侧不等高时,又只能调节载物台调平螺钉a?

答:调节光栅平面与入射光垂直时,光栅放在载物台调平螺钉b、c的垂直平分线上,望远镜和平行光管已调好,调节载物台调平螺钉a不能改变光栅面与入射光的夹角,只能调节螺钉b或c使光栅面反射回来的“+”字像与分划板上“”形叉丝的上十字重合,此时光栅平面与入射光垂直。

当各级谱线左右两侧不等高时,说明光栅刻线与载物台平面不垂直,调节b、c破坏入射光垂直光栅面,只调节a即可使各级谱线左右两侧等高。

【分析讨论题】

1. 利用本实验的装置如何测定光栅常数?

答:与实验步骤一样,调出光谱线,已知绿光波长m,测量一级()绿光衍射角,根据光栅方程,可计算出光栅常数d 。

2. 三棱镜的分辨本领,b是三棱镜底边边长,一般三棱镜约为1000cm-1。问边长多长的三棱镜才能和本实验用的光栅具有相同的分辨率?

解:已知:实验测得=27000,cm-1 求b。

由得b= (cm)

答:略。

实验四多用电表的设计与制作

【分析讨论题】

1.校准电表时,如果发现改装表的读数相对于标准表的读数都偏高或偏低,即总向一个方向偏,试问这是什么原因造成的?欲使有正有负(合理偏向)应采取什么措施?

分流电阻或分压电阻的阻值不符合实际情况,导致读数都偏高或偏低。欲使有正有负(合理偏向)应选择合适的分流电阻或分压电阻。

2.证明欧姆表的中值电阻与欧姆表的内阻相等。

满偏时(因Rx=0)

半偏时

可得中值电阻综合内阻

实验五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。实验六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=

实验七传感器专题实验

电涡流传感器

【预习思考题】

1.电涡流传感器与其它传感器比较有什么优缺点?

这种传感器具有非接触测量的特点,而且还具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单及安装方便等优点。缺点是电涡流位移传感器只能在一定范围内呈线性关系。

2.本试验采用的变换电路是什么电路。

本实验中电涡流传感器的测量电路采用定频调幅式测量电路。

【分析讨论题】

1.若此传感器仅用来测量振动频率,工作点问题是否仍十分重要?

我们所说的工作点是指在振幅测量时的最佳工作点,即传感器线性区域的中间位置。若测量振幅时工作点选择不当,会使波形失真而造成测量的误差或错误。但仅测量频率时波形失真不会改变其频率值。所以,仅测量频率时工作点问题不是十分重要。

2.如何能提高电涡流传感器的线性范围?

一般情况下,被测体导电率越高,灵敏度越高,在相同的量程下,其线性范围越宽线性范围还与传感器线圈的形状和尺寸有关。线圈外径大时,传感器敏感范围大,线性范围相应也增大,但灵敏度低;线圈外径小时,线性范围小,但灵敏度增大。可根据不同要求,选取不同的线圈内径、外径及厚度参数。

实验八:霍尔传感器

【预习思考题】

1.写出调整霍尔式传感器的简明步骤。

(1)按图6.2-6接线;

(2)差动放大器调零;

(3)接入霍尔式传感器,安装测微头使之与振动台吸合;

(4)上下移动测微头±4mm,每隔0.5mm读取相应的输出电压值。

2.结合梯度磁场分布,解释为什么霍尔片的初始位置应处于环形磁场的中间。在环形磁场的中间位置磁感应强度B为零。由霍尔式传感器的工作原理可知,当霍尔元件通以稳定电流时,霍尔电压UH的值仅取决于霍尔元件在梯度磁场中的位移x,并在零点附近的一定范围内存在近似线性关系。

【分析讨论题】

1.测量振幅和称重时的作用有何不同?为什么?

测量振幅时,直接测量位移与电压的关系。要求先根据测量数据作出U~x关系曲线,标出线性区,求出线性度和灵敏度。称重时测量电压与位移的关系,再换算成电压与重量的关系。振动台作为称重平台,逐步放上砝码,依次记下表头读数,并做出U~W曲线。在平台上另放置一未知重量之物品,根据表头读数从U~W曲线中求得其重量。

2.描述并解释实验内容2的示波器上观察到的波形。

交流激励作用下其输出~输入特性与直流激励特性有较大的不同,灵敏度和线性区域都发生了变化。示波器上的波形在振幅不太大时为一正弦波。若振幅太大,超出了其线性范围,则波形会发生畸变。

试验九:铁磁材料磁滞回线的测绘

【预习思考题】

1. 测绘磁滞回线和磁化曲线前为何先要退磁?如何退磁?

答:由于铁磁材料磁化过程的不可逆性即具有剩磁的特点,在测定磁化曲线和磁滞回线时,首先必须对铁磁材料预先进行退磁,以保证外加磁场H=0时B=0。退磁的方法,从理论上分析,要消除剩余磁感应强度Br,只需要通以反向电流,使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可,但实际上矫顽力的大小通常并不知道,则无法确定退磁电流的大小。常采用的退磁方法是首先给要退磁的材料加上一个大于(至少等于)原磁化场的交变磁场(本实验中顺时针方向转动“U选择”旋钮,令U从0依次增至3V),铁磁材料的磁化过程是一簇逐渐扩大的磁滞回线。然后逐渐减小外加磁场,(本实验中逆时针方向转动旋钮,将U从最大值依次降为0),则会出现一簇逐渐减小而最终趋向原点的磁滞回线。当外加磁场H减小到零时,铁磁材料的磁感应强度B亦同时降为零,即达到完全退磁。

2. 如何判断铁磁材料属于软、硬磁性材料?

答:软磁材料的特点是:磁导率大,矫顽力小,磁滞损耗小,磁滞回线呈长条状;硬磁材料的特点是:剩磁大,矫顽力也大,磁滞特性显著,磁滞回线包围的面积肥大。

【分析讨论题】

1. 本实验通过什么方法获得H和B两个磁学量?简述其基本原理。

答:本实验采用非电量电测技术的参量转换测量法,将不易测量的磁学量转换为易于测量的电学量进行测定。按测试仪上所给的电路图连接线路,将电压UH和UB分别加到示波器的“x输入”和“y输入”,便可观察到样品的磁滞回线,同时利用示波器测绘出基本磁化曲线和磁滞回线上某些点的UH和UB值。根据安培环路定律,样品的磁化场强为

(L为样品的平均磁路)

根据法拉弟电磁感应定律,样品的磁感应强度瞬时值

由以上两个公式可将测定的UH和UB值转换成H和B值,并作出H~B曲线。

2. 铁磁材料的磁化过程是可逆过程还是不可逆过程?用磁滞回线来解释。

答:铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。铁磁材料在外加磁场中被磁化时,外加磁场强度H与铁磁材料的磁感应强度B的大小是非线性关系。当磁场H从零开始增加时,磁感应强度B随之以曲线上升,当H增加到Hm时,B几乎不再增加,达到饱和值Bm,从O到达饱和状态这段B-H曲线,称为起始磁化曲线。当外加磁场强度H从Hm减小时,铁磁材料的磁感应强度B也随之减小,但不沿原曲线返回,而是沿另一曲线下降。当H下降为零时,B不为零,仍保留一定的剩磁Br,使磁场反向增加到-Hc时,磁感应强度B下降为零。继续增加反向磁场到-Hm,后逐渐减小反向磁场直至为零,再加上正向磁场直至Hm,则得到一条闭合曲线,称为磁滞回线。从铁磁材料的起始磁化曲线和磁滞回线可以看到,外加磁场强度H从Hm减小到零时的退磁曲线与磁场H从零开始增加到Hm时的起始磁化曲线不重合,说明退磁过程不能重复起始磁化过程的每一状态,所以铁磁材料的磁化过程是不可逆过程。

实验十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。

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