大学物理实验思考题

第1页共21页测非线性电阻的伏安特性[思考题]：⒈从二极管伏安特性曲线导通后的部分找出一点，根据实验中所用的电表，试分析若电流表内接，产生的系统误差有多大？如何对测量结果进行修正？答：如图5.9-1，将开关接于“1”，称电流表内接法。由于电压表、电流表均有内阻（设为RL与RA），不能严格满足欧姆定律，电压表所测电压为（RL＋RA）两端电压，这种“接入误差”或“方法误差”是可以修正的。测出电压V和电流I，则VI＝RL＋RA，所以RL＝VI－RA＝RL´＋RA①。接入误差是系统误差，只要知道了RA，就可把接入误差计算出来加以修正。通常是适当选择电表和接法，使接入误差减少至能忽略的程度。由①式可看出，当RARL时，其影响可忽略，换言之，若RLRA，应采用内接法。⒉根据实验中所用仪器，如果待测电阻为线性电阻，要求待测电阻R的测量相对误差不大于4%，若不计接入误差，电压和电流的测量值下限Vmin和Imin应取何值？答：根据误差均分原则，电流表、电压表的准确度等级、量程进行计算.第2页共21页迈克尔逊干涉仪的使用[预习思考题]1、根据迈克尔逊干涉仪的光路，说明各光学元件的作用。答：在迈克尔逊干涉仪光路图中（教材Ｐ１８１图5.13--4），分光板G将光线分成反射与透射两束；补偿板G/使两束光通过玻璃板的光程相等；动镜M１和定镜M２分别反射透射光束和反射光束；凸透镜将激光汇聚扩束。2、简述调出等倾干涉条纹的条件及程序。答：因为公式λ＝２△d△k是根据等倾干涉条纹花样推导出来的，要用此式测定λ，就必须使M１馆和M2/（M2的虚像）相互平行，即M１和M2相互垂直。另外还要有较强而均匀的入射光。调节的主要程序是：①用水准器调节迈氏仪水平；目测调节激光管（本实验室采用激光光源）中心轴线，凸透镜中心及分束镜中心三者的连线大致垂直于定镜M２。②开启激光电源，用纸片挡住M１，调节M２背面的三个螺钉，使反射光点中最亮的一点返回发射孔；再用同样的方法，使M１反射的最亮光点返回发射孔，此时M１和M2/基本互相平行。③微调M２的互相垂直的两个拉簧，改变M２的取向，直到出现圆形干涉条纹，此时可以认为M１与M２/已经平行了。同方向旋动大、小鼓轮，就可以观察到非定域的等倾干涉环纹的“冒”或“缩”。3、读数前怎样调整干涉仪的零点？答：按某一方向旋动微调鼓轮，观察到圆环的“冒”或“缩”后，继续第3页共21页ADBCAB按原方向旋转微调鼓轮，使其“0”刻线与准线对齐；然后以相同方向转动粗调鼓轮，从读数窗内观察，使其某一刻度线与准线对齐。此时调零完成，测量中只能按最初的旋转方向，转动微调鼓轮，不可再动粗调鼓轮。4、什么是空程？测量中如何操作才能避免引入空程？答：装在导轨上的动镜M１，通过传动系统与丝杆相连。微调鼓轮与丝杆间通过蜗轮蜗杆的传动方式连结。转动微调鼓轮时，M１在导轨上移动。由于螺母与丝杆有间隙，反向旋转鼓轮时，M１并未随之马上反向移动，而鼓轮上的读数已经发生变化，这便造成了空程误差。在测量中只沿一个方向转动微调鼓轮，中途不反转，则可避免引入空程。[实验后思考题]1、根据下图（即教材Ｐ１８０图5.13--3中的几何图形ABCD）导出两束光的光程差解：（见图）两束光的光程差：2、总结迈克尔逊干涉仪的调整要点及规律。答：调整迈氏干涉仪的要点及规律如下：,sin2sincostgdACADdAB，cossin22sin2cos22ddtgddcos2cos)sin1(22dd第4页共21页cos2d222)2sin21(2cos2dddd，可得①迈氏干涉仪导轨水平（调迈氏仪底脚螺丝）；②激光束水平并垂直于干涉仪导轨，且应反射到M１·M２反射镜中部（调激光管，实验室已调好）；③M１与M２/应平行，即M１与M２垂直。调节方法有两种：一种见预习思考题2-②；另一种即教材所述，通过调节M２背面的螺丝，使两排光点中，最亮的两点重合。④加入短焦距透镜，观察到干涉条纹后，在调出圆形条纹的过程中，需根据条纹的形状来判断M１与M２的相对倾度，分别调节M２的两个微调拉簧。⑤调等倾干涉时，M１应在标尺30mm的位置处。若顺时针旋转两个鼓轮，可观察到圆环的“缩入”。条纹的“缩入”比“冒出”容易数一些。3、用等厚干涉的光程差公式说明，当d增大时，干涉条纹由直变弯。答：根据（见教材P182图5.13-5）。在M1与M2/的交线处，d=0，δ=0，对应的干涉条纹称中央明纹。在交线两侧附近，因d和θ都很小，上式中dθ２可忽略，δ=2d，所以条纹近似直线。而离交线较远处，dθ２不能忽略，所以干涉条纹随d的增大而由直变弯。4、在非定域干涉中，一个实的点光源是如何产生两个虚的点光源的？答：激光光束经透镜汇聚而成为一个强度很高的点光源S（见教材P18１图5.13-4），S发出的发散角增大了许多倍的光束入射到分束镜的半反射膜上，经反射后的光束，好象从其虚光源S/发射出来的一样；等价于从S/发出的光，再经M1、M2/（等价于M２）反射（见教材P18１图5.13-４）。从观察屏第5页共21页E处观察，光源好象在M1、M2/的后面，即它们的虚像位置S１/和S2/。第6页共21页牛顿环[预习思考题]1、测量暗环直径时尽量选择远离中心的环来进行，为什么？答：由于牛顿环的环间距随着半径的增大而逐渐减小，而且中心变化快，边缘变化慢（可作数学证明），因此，选择边缘部分，即圆环变化比较慢且大致看成是均匀变化的部分进行测量，是比较合理的。2、正确使用测量显微镜应注意哪几点？答：①用调焦手轮对被测件进行调焦时，应先从外部观察，使物镜镜筒下降接近被测件，然后眼睛才能从镜中观察。旋转调焦手轮时，要由下向上移动镜筒；②防止空程误差。在测量时应向同一方向转动测微鼓轮，让十字叉丝垂线和各目标对准。若移动叉丝超过了目标时，应多退回一些，再重新向同一方向移动叉丝，完成测量。③要正确读数。3、试述用劈尖测薄纸厚度的主要步骤。答：①将薄纸夹入两块光学平玻璃之间，形成一空气劈尖；②将劈尖放到读数显微镜载物台上，调节出清晰的干涉条纹；③测出n（=20）条暗纹的长度xn和厚为d处纸片边缘暗纹到劈棱（两玻片交界棱边）的距离L，则薄纸厚度：d=nLλ2xn。[实验后思考题]1、牛顿环中心为什么是暗斑？如中心出现亮斑作何解释？对实验结果有影响吗？答：在凸透镜和平玻片的接触处eK=0,δ=π2，故牛顿环中心为暗斑。环第7页共21页，222)21(OASrmm，222)21(OASrnn中心出现亮斑是因为球面和平面之间没有紧密接触（接触处有尘埃，或有破损或磨毛），从而产生了附加光程差。这对测量结果并无影响（可作数学证明）。2、测暗环直径时(见下图)，若十字叉丝的交点未通过圆环的中心，可能所测长度非真正的直径而是弦长，这对实验结果有影响吗？试证明之。证明：得rm2-rn2=14(Sm2-Sn2),故Dm2-Dm2=Sm2-Sn2。证明说明，以弦长代替直径，对测量结果没有影响。3、为什么牛顿环的间距靠近中心的要大于靠近边缘的？答：见下图，设牛顿环的间距为tＫ、tＫ＋１、tＫ＋２、……；又hK=hK+1=hK+2=……λ2；从图中可知：tＫ＝hKtgθＫ＝λ２tgθＫtＫ＋１＝hK＋１tgθＫ＋１＝λ２tgθＫ＋１tＫ＋２＝hK＋２tgθＫ＋２＝λ２tgθＫ＋２…………又θＫ＜θＫ＜θＫ＜……，故tＫ＞tＫ+1＞tＫ+2＞……，另，t＝λ２tgθ，∴dtdθ=λ２(-csc2θ)，在０＜θ＜π２区间内，cscθ为递减函数，故牛顿环的间距随环半径的增加而逐渐减小。第8页共21页用分光计测棱镜玻璃的折射率[预习思考题]⒈望远镜调焦至无穷远是什么含义？为什么当在望远镜视场中能看见清晰且无视差的绿十字像时，望远镜已调焦至无穷远？答：望远镜调焦至无穷远是指将望远镜的分划板调至其物镜的焦面位置上，使从无穷远处射来的光线、即平行光会聚于分划板上。根据薄透镜近轴成像与光线反射的原理，当从分划板下方的透明十字中出射的光线经物镜折射与平面镜反射后能清晰且无视差地成像于望远镜的视场中（即成像于分划板上）时，分划板必处于望远镜物镜的焦面位置上，故此时望远镜已调焦至无穷远。⒉为什么当平面镜反射回的绿十字像与调节用叉丝重合时，望远镜主光轴必垂直于平面镜？为什么当双面镜两面所反射回的绿十字像均与调节用叉丝重合时，望远镜主光轴就垂直于分光计主轴？答：调节用叉丝与透明十字位于分划板中心两侧的对称位置上。根据薄透镜近轴成像与光线反射的原理，要使平面镜反射回的绿十字像与调节用叉丝重合，则与望远镜出射平行光平行的副光轴和与平面镜反射平行光平行的副光轴必须与望远镜主光轴成相等的角且三轴共面。要达到此要求，平面镜的镜面就必须垂直于望远镜主光轴。当双面镜两面所反射回的绿十字像均与调节用叉丝重合时，仪器系统必同时满足以下条件：①双面镜的镜面平行于载物台转轴，即分光计主轴；第9页共21页②望远镜的主光轴垂直于双面镜的镜面。根据立体几何的知识易知，此时望远镜的主光轴必垂直于分光计主轴。⒊为什么要用“二分法”调节望远镜主光轴与分光计的主轴垂直？答：事实上，调望远镜主光轴与分光计主轴严格垂直的方法不止一种，用“二分法”调节的优点在于快捷。可以证明，用“二分法”调节可以迅速地使双面镜的镜面平行于分光计主轴（实际操作中一般只需调两三次就可实现），同时在调节中又始终保持望远镜主光轴与双面镜镜面垂直，从而使调节工作迅速方便地完成。⒋如何测量最小偏向角？答：略（详见教材）。[实验后思考题]⒈通过实验，你认为分光计调节的关键在何处？答：主观题，请学生自答。⒉能否直接通过三棱镜的两个光学面来调望远镜主光轴与分光计主轴垂直？答：不能。原因如下。我们通过调节载物台面与望远镜的倾斜度总可以把仪器系统调整到如图所示的状态。图中，E为分光计主轴OO/上的任一点，EF、EQ分别为E点到三棱镜两光学面A/ACC/与A/ABB/的距离；θ1、θ2分别为EF、EQ与OO/轴第10页共21页的夹角，且θ1=θ2≠90°；望远镜主光轴∥EG。容易证明，在此状态下，望远镜的主光轴首先⊥A/ABB/面，而当三棱镜随载物台转过φ角（即EF与EG的夹角）后，A/ACC/面就转至与先前A/ABB/面平行或重合的位置，此时望远镜的主光轴又⊥A/ACC/面。由此可见，在三棱镜随同载物台转动φ角前后，三棱镜两光学面反回的绿十字像都与调节用叉丝重合，但此时，望远镜的主光轴显然不垂直OO/轴。⒊分光计的双游标读数与游标卡尺的读数有何异同点？答：分光计的双游标读数与游标卡尺的读数在读数方法上完全一致，所不同的是：游标卡尺的读数直接就是测量的结果，但分光计的双游标读数则不然。首先，从分光计游标上读取的数据只是代表某一光线或某一直线的空间方位角，而非测量结果----某一光线或某直线的转角、或是两光线或两直线的夹角，测量结果是游标两次读数之差的绝对值。其次，为消除分光计由于制造所带来的偏心差，须取两个游标各自测量结果的算术平载物台面望远镜主光轴分光计主轴ＯＯ／ＡＢＣＡ／Ｂ／Ｃ／ＦＧＥ望远镜第11页共21页均值作为最终的测量结果。另外，对分光计的读数还应注意以下两个问题：①分光计度盘的最小分度值为0.5°，故在读数时应看清游标零线过没过度盘上的半度线。若过半度线，则读数要加30′，反之则不加。②由于分光计度盘上的0°与360°线重合，所以若某一游标的两次读数位置恰好位于0°线两侧，则该游标两次读数之差的绝对值不能作为测量结果（详因见教材），此时，须用360°减去该数值，所得差值即为测量结果。⒋转动望远镜测角度之前，分光计的哪些部分应固定不动？望远镜应和什么盘一起转动？答：转动望远镜测角度之前，载物台与游标盘都应被锁紧，使它们不能被转动。测量时，望远镜应和度盘一起转动。第12页共21页2222)()()(4)()(bunuduRuLuYubndRL用拉伸法测金属丝的杨氏模量[预习思考题]1、使用螺旋测微器的注意事项是什么？棘轮如何使用？螺旋测微器用毕还回盒内时要