大學物理實驗報告思考題

實驗十三

拉伸法測金屬絲的揚氏彈性摸量

【預習題】

1．如何根據幾何光學的原理來調節望遠鏡、光杠桿和標尺之間的位置關系？如何調節望遠鏡？

答：（1）根據光的反射定律分兩步調節望遠鏡、光杠桿和標尺之間的位置關系。第一步：調節來自標尺的入射光線和經光杠桿鏡面的反射光線所構成的平面大致水平。具體做法如下：①用目測法調節望遠鏡和光杠桿大致等高。②用目測法調節望遠鏡下的高低調節螺釘，使望遠鏡大致水平；調節光杠桿鏡面的仰俯使光杠桿鏡面大致鉛直；調節標尺的位置，使其大致鉛直；調節望遠鏡上方的瞄準系統使望遠鏡的光軸垂直光杠桿鏡面。第二步：調節入射角（來自標尺的入射光線與光杠桿鏡面法線間的夾角）和反射角（經光杠桿鏡面反射進入望遠鏡的反射光與光杠桿鏡面法線間的夾角）大致相等。具體做法如下：沿望遠鏡筒方向觀察光杠桿鏡面，在鏡面中若看到標尺的像和觀察者的眼睛，則入射角與反射角大致相等。如果看不到標尺的像和觀察者的眼睛，可微調望遠鏡標尺組的左右位置，使來自標尺的入射光線經光杠桿鏡面反射后，其反射光線能射入望遠鏡內。

（2）望遠鏡的調節：首先調節目鏡看清十字叉絲，然后物鏡對標尺的像（光杠桿面鏡后面2D處）調焦，直至在目鏡中看到標尺清晰的像。

2．在砝碼盤上加載時為什么采用正反向測量取平均值的辦法？

答：因為金屬絲彈性形變有滯后效應，從而帶來系統誤差。

【思考題】

1．光杠桿有什么優點？怎樣提高光杠桿測量微小長度變化的靈敏度？

答：（1）直觀、簡便、精度高。

（2）因為，即，所以要提高光杠桿測量微小長度變化的靈敏度，應盡可能減小光杠桿長度（光杠桿后支點到兩個前支點連線的垂直距離），或適當增大D（光杠桿小鏡子到標尺的距離為D）。

2．如果實驗中操作無誤，得到的數據前一兩個偏大，這可能是什么原因，如何避免？

答：可能是因為金屬絲有彎曲。避免的方法是先加一兩個發碼將金屬絲的彎曲拉直。

3．如何避免測量過程中標尺讀數超出望遠鏡范圍？

答：開始實驗時，應調節標尺的高低，使標尺的下端大致與望遠鏡光軸等高，這樣未加砝碼時從望遠鏡當中看到的標尺讀數接近標尺的下端，逐漸加砝碼的過程中看到標尺讀數向上端變化。這樣就避免了測量過程中標尺讀數超出望遠鏡范圍。

實驗十四

冰的熔解熱的測定

【思考題】

1．設計一實驗，通過實驗的方法測定量熱器的水當量。

答：用混合法，將質量分別為、，溫度分別為、的兩份水放入量熱器里混合，熱平衡方程式，式中

為量熱器的水當量（、分別為量熱器的質量和材料的比熱容），為溫度計的水當量，為水的比熱容，測出各溫度和質量即可求出。

2．為了減小實驗誤差，操作時應注意哪些問題？

答：（1）在測量量熱器質量時注意使量熱器干燥。

（2）加入熱水的溫度不超過室溫10℃，水量為量熱器的五分之二

（3）加冰前讀出熱水的溫度

（4）冰塊大小合適，應該是熔化的冰，但表面用紙吸干水。

（5）加冰后攪動冰塊，仔細觀察混合后混度的變化，讀出最低溫度。

實驗十五

牛頓環和劈尖干涉

【預習題】

1．何為等厚干涉?

答：對分振幅薄膜干涉，當入射角一定、入射光波波長一定，光程差僅是膜厚e的函數，干涉條紋是厚度相同點的軌跡時，這樣的干涉為等厚干涉。

2．如何正確調節讀數顯微鏡?

在測量中怎樣避免空程誤差?

答：先將顯微鏡降到靠近牛頓環裝置附近,然后慢慢而又小心地自下而上調節鏡筒,直至看到清晰的牛頓環為止。在測量中為了避免空程誤差，應作到兩點：①先轉動測微鼓輪向右側(或向左側)移動,將顯微鏡的十字叉絲超過第35條暗紋(到40條),然后再退到35條暗紋,進行測量；②測量中

讀數顯微鏡只向一方向移動，中途不可倒退。

3．測量牛頓環直徑時要注意哪些問題?

答：應注意兩點：①

在測量中，測微鼓輪只能向一個方向旋轉，否則會產生空程誤差.②

測量牛頓環直徑時,注意左右兩側環紋不要數錯,且十字叉絲縱絲對準暗紋中心，防止工作臺震動。

【思考題】

1．若把牛頓環倒過來放置,干涉圖形是否變化?

答：不變。

2．在測量牛頓環直徑時,若實際測量的是弦,而不是牛頓環直徑,對結果有何影響?

答：沒有影響。

3．實驗中如何使十字叉絲的水平絲與鏡筒移動方向平行?若與鏡筒移動方向不平行,對測量有何影響?

答：測量過程中如何豎叉絲始終與干涉圓環相切則十字的水平絲與鏡筒移動方向平行，若不是，則須調節目鏡叉絲的方位。若與鏡筒移動方向不平行,干涉圓環直徑的測量將產生誤差。

4．牛頓環和劈尖干涉條紋有何相同和不同之處?

為什么?

答：牛頓環和劈尖干涉條紋有何相同為都是等厚干涉。不同之處為牛頓環的干涉條紋為明暗相間的同心圓，相鄰條紋間距不等；劈尖的干涉條紋為明暗相間的直條紋，且相鄰條紋間距相等。因為牛頓環和劈尖干涉條紋都是厚度相同點的軌跡，牛頓環厚度相同點的軌跡是圓，劈尖厚度相同點的軌跡是直線。

5．用什么方法來鑒別待測光學面為平面、球面和柱面?

球面是凸球面還是凹球面?

如何鑒別?

答：將一平晶置于待測光學面上，當（1）待測光學面為平面時，干涉條紋為明暗相間的直條紋，且相鄰條紋間距相等；（2）待測光學面為球面時，干涉條紋為明暗相間的同心圓；（3）待測光學面為柱面時，干涉條紋為明暗相間的直條紋，條紋對稱于平面和柱面的交線，相鄰條紋間距不等。（4）當輕按球面，干涉圓環向外擴張時球面是凸球面；干涉圓環向內收縮時球面是凹球面。

實驗十六

示波器的使用

【預習題】

1．示波器為什么能把看不見的變化電壓顯示成看得見的圖象？簡述其原理。

答：（1）示波管內高速電子束使熒光屏上產生光亮點，而電子束的偏轉角度（光點在熒光屏上的位移）是

受X軸和Y軸偏轉板上所加電壓的控制。

（2）若只在X軸偏轉板上加一個鋸齒波電壓（該電壓隨時間從-U按一定比例增大到+U），則光點就會從熒光屏左端水平地移動到右端（稱為掃描），由于熒光屏上的發光物質的特性使光跡有一定保留時間，因而在屏幕水平方向形成一條亮跡（稱為掃描線）。

（3）若只在Y軸偏轉板上加信號電壓，則隨著信號幅度的變化光點就會在熒光屏豎直方向作上下移動形成一條豎直亮跡。

（4）如在Y軸偏轉板加上電壓信號，同時又在X軸偏轉板加上鋸齒波掃描電壓，則電子束受到水平和豎直電場的共同作用，光點的軌跡呈現二維圖形（光點在X方向均勻地從左向右水平移動的同時又在Y方向隨信號幅度的變化在豎直方向作上下移動），即將Y軸偏轉板上電壓信號幅度隨時間變化的規律在屏幕上展開成為函數曲線（即信號波形）。

（5）要得到清晰穩定的信號波形，掃描電壓的周期與信號電壓的周期必須滿足，以保證的起點始終與電壓信號固定的一點相對應（稱同步），屏幕上的波形才能穩定。

（6）為了得到可觀察的圖形，鋸齒波掃描電壓必須重復掃描．

2．觀察波形的幾個重要步驟是什么?

答：（1）開啟示波器電源開關后，將耦合開關置“⊥”，調整輝度、聚焦以及垂直、水平位移旋鈕使屏幕中部出現亮度適中細小的亮點。

（2）觀察、測量時將耦合開關置“AC”或“DC”，觸發選擇開關置“INT”，將信號用同軸電纜線連接到Y軸輸入端。

（3）調節Y軸靈敏度選擇開關和X軸掃描選擇開關以及觸發電平旋鈕，使信號幅度在屏幕范圍內（屏幕豎直標尺的2/3左右），且有2—5個完整穩定的波形。

（4）定量測量時還應注意將掃描微調旋鈕和Y軸微調旋鈕置于校準位置（順時針旋轉至最大）。

3．怎樣用李薩如圖形來測待測信號的頻率?

答：1．將示波器功能置于外接狀態（觸發選擇開關置“EXT”，觸發信號極性開關置“X”）。將信號發生器的正弦波信號用同軸電纜線連接到X軸輸入端，待測頻率的信號用同軸電纜線連接到Y軸輸入端，分別調節信號發生器幅度旋鈕和Y軸靈敏度選擇開關，使亮跡形成的圖形在屏幕范圍內。

2．調節信號發生器輸出信號的頻率，使合成的李薩如圖形為穩定的“○”形，從信號發生器上讀出輸出信號的的頻率值Fx1，根據合成李薩如圖形的兩個信號頻率比與圖形切點數的關系Fx：Fy=NY：NX，求出Fy1。

3．再改變信號發生器輸出信號的頻率，使合成的圖形為“∞”、“

8”、“000”等，NY：NX分別為“1：2”、“2：1”、“1：3”等，相應地讀出信號發生器輸出信號的頻率為FX2、FX3、FX4

等，求出FY2、FY3、FY4等，算出的FY的平均值即為待測信號的頻率。

【思考題】

1．在示波器的熒光屏上得到一李薩如圖形，Y軸、X軸與圖形相交時交點數之比，已知，求。

答：。

2．為什么在共振狀態下測聲速?如何判斷系統是否處于共振狀態?

答：本實驗中將電信號轉換為超聲波信號的器件是壓電陶瓷換能器，該換能器有一最佳響應的頻率，當電信號頻率等于該響應的頻率時，壓電

陶瓷片產生共振，輸出信號最大，便于測量。示波器屏幕上的信號幅度為最大值時，系統處于共振狀態。

實驗十七

分光計的使用

用光柵測波長

【預習題】

1．分光計主要由幾部分組成？各自作用是什么？

答：（1）分光計主要由底座、平行光管、載物臺、望遠鏡和刻度盤五個部分組成。（2）底座上承載著其它四個部分，其中載物臺、望遠鏡和刻度盤都可繞底座上的主軸轉動；平行光管用來產生平行光；載物臺用來放置被測樣品；望遠鏡用來接收平行光；刻度盤與游標盤配合用來讀取數據。

2．分光計調節要求是什么？

答：分光計的調節要達到三個要求：（1）望遠鏡能接收平行光。（2）平行光管能發出平行光。（3）望遠鏡的光軸和平行光管的光軸與儀器的主軸垂直。載物臺與儀器的主軸垂直。

3．用光柵測波長時，光柵應如何放置？為什么？

答：用光柵測波長時按圖17-7放置光柵。因為這樣放置可方便調節。當調節平行光垂直照射光柵表面時（即光柵平面與平行光管軸線垂直），只須調節螺釘Ⅰ和Ⅱ；調節平行光管的狹縫與光柵刻痕平行時，只須調節螺釘Ⅲ。

【思考題】

1．為什么要用各半調節法調節望遠鏡的主軸垂直于儀器的主軸？

答：綜合考慮調節載物臺調平螺釘Ⅰ或Ⅱ與調節望遠鏡水平度調節螺釘對正反兩面亮十字反射像與分劃板上方的水平刻線間高度差的相互影響，從而加快調節速度。

2．當狹縫過寬或過窄時，將會出現什么現象？為什么？

答：當狹縫過寬時，衍射條紋將變粗，相互靠近的條紋無法分開，在測量時難以確定條紋的中心位置。

當狹縫過窄時，將看不見衍射條紋，因而無法測量。

3．用公式

測光波波長應保證什么條件？實驗中如何檢查條件是否滿足？

答：用公式

測光波波長應保證：平行光垂直照射在光柵上。實驗中通過檢查0級譜線和光柵面反射的綠十字像的位置檢查條件是否滿足。0級譜線應與豎叉絲重合，且被測量用（中叉絲）的水平叉絲平分。光柵面反射的綠十字像應與調整叉絲（上叉絲）重合。

實驗十九　光具組基點的測定

【預習題】

1．主點（或面）、節點（或面）的含義是什么？它們在什么條件下重合在一起？

答：主點是橫向放大率的一對共軛點。若將物體垂直于系統的光軸放置在第一主點處，則必成一個與物體同樣大小的正立像于第二主

面處。過主點垂直于光軸的平面，分別稱為第一、第二主面（如圖中、所示）。第一、第二主面主面是一對橫向放大率的共軛面。節點是角放大率的一對共軛點。如圖所示：入射光線（或其延長線）通過第一節點時，出射光線（或其延長線）必通過第二節點，并與過的入射光線平行。過節點垂直于光軸的平面分別稱為第一、第二節面。

當共軸球面系統處于同一媒質時，兩主點分別與兩節點重合。

2．實驗中確定節點的依據是什么？如何確定？

答：入射光線通過第一節點時，出射光線必通過第二節點，并與過的入射光線平行。實驗時不斷改變光具組在上層導軌上的位置并使上層導軌饒回轉軸轉動，當屏上則像點位置不動時，光具組的第二節點恰好在回轉軸點的位置上。

3．如何調共軸，在實驗中調共軸有什么必要性？

答：用兩次成像法調節共軸。實驗中調共軸可減小測量誤差。

【思考題】

1．當順時針轉動上層導軌時，屏上的像反時針移動，此時節點是在轉軸的哪一方？反之如何？試繪圖說明。

答：當順時針轉動上層導軌時，屏上的像反時針移動，此時節點在轉軸的左側（圖1）；反之在轉軸的右側（圖2）。

圖1

圖2

2．第一主面靠近第一透鏡，第二主點靠近第二透鏡，在什么條件下才是對的？（光具組由二薄透鏡組成）

答：當即時，第一主面靠近第一透鏡，第二主點靠近第二透鏡。

3．由一凸透鏡和一凹透鏡組成的光具組，如何測量其基點？（距離可自己設定）

答：根據自己選定的，計算主點及焦點的大小，若焦點在光具組外，測量方法同實驗所介紹方法相同。若焦點在光具組內，則需增加一凸透鏡，使光具組內焦點的像經凸透鏡后成像在屏上，再改變光具組在上層導軌上的位置并使上層導軌饒回轉軸轉動，當屏上的像點不動時，轉軸點的位置即節點位置，焦點的位置可根據凸透鏡的焦距和所測像距算出。

實驗二十

棱鏡玻璃折射率的測定

【預習題】

1．為什么汞燈光源發出的光經過三棱鏡以后會形成光譜？

答：當復合光入射三棱鏡以后，由于棱鏡的色散作用，不同波長的光將被分散開來。汞燈光源是復合光源，所以它發出的光經過三棱鏡以后就會形成光譜。

2．怎樣用反射法測定棱鏡的頂角？

答：反射法測定棱鏡的頂角即教材中所介紹的自準直法。具體方法如下：

將待測棱鏡置于分光計的載物臺上。固定望遠鏡，點亮小燈照亮目鏡中的叉絲，旋轉棱鏡臺，使棱鏡的一個折射面對準望遠鏡，用自準直法調節望

遠鏡的光軸與此折射面嚴格垂直，即使十字叉絲的反射像和調整叉絲完全

重合。如圖20-5所示，記錄刻度盤上兩游標讀數；再轉動游標盤聯帶

載物平臺，依同樣方法使望遠鏡光軸垂直于棱鏡第二個折射面，記錄相應的游標讀數；同一游標兩次讀數之差等于棱鏡角A的補角：

圖20-5自準直法

即棱鏡角，重復測量幾次，計算棱鏡角A的平均值和標準不確定度。

3．何為最小偏向角？實驗中如何確定最小偏向角？

答：當入射光線與折射光線左右對稱時，即當，時，光線的偏向角最小，此角稱為最小偏向角，以表示。實驗中將三棱鏡放置在調好的分光計載物臺上，放置時注意將棱鏡一底角對準平行光管，眼睛從另一底角方向找到經棱鏡折射后形成的譜線。然后慢慢轉動棱鏡臺，緩慢改變入射角,譜線會向一方向移動。當棱鏡臺轉到某一位置，該譜線不再移動，這時無論棱鏡臺向何方向轉動，該譜線勻向相反方向移動，這個譜線反向移動的極限位置就是棱鏡對該譜線最小偏向角的位置。

【思考題】

1．在用棱脊分束法測三棱鏡的頂角時，為什么三棱鏡放在載物臺上的位置，要使得三棱鏡的頂角離平行光管遠一些，而不能太靠近平行光管呢?

試畫出光路圖，分析其原因。

答：用棱脊分束法測三棱鏡的頂角時若三棱鏡太靠近平行光管，反射光將不能進入望遠鏡，在目鏡中將不能看到平行光管狹縫的的像。其光路圖如下：

2．設計一種不測最小偏向角而能測棱鏡玻璃折射率的方案。

答：具體方法請學生自行設計。