扬州大学大物实验思考题答题201312

图所示：入射光线（或其延长线）通过第一节点N时，出射光线（或其延长线）必通过第二节点N?，并与过N的入射光线平行。过节点垂直于光轴的平面分别称为第一、第二节面。

当共轴球面系统处于同一媒质时，两主点分别与两节点重合。

2．实验中确定节点的依据是什么？如何确定？

答：入射光线通过第一节点N时，出射光线必通过第二节点N?，并与过N的入射光线平行。实验时不断改变光具组在上层导轨上的位置并使上层导轨饶回转轴转动，当屏上则像点位置不动时，光具组的第二节点N?恰好在回转轴O点的位置上。

3．如何调共轴，在实验中调共轴有什么必要性？

答：用两次成像法调节共轴。实验中调共轴可减小测量误差。

【思考题】

1．当顺时针转动上层导轨时，屏上的像反时针移动，此时节点是在转轴的哪一方？反之如何？试绘图说明。 答：当顺时针转动上层导轨时，屏上的像反时针移动，此时节点在转轴的左侧（图1）；反之在转轴的右侧（图2）。

图1 图2

2．第一主面靠近第一透镜，第二主点靠近第二透镜，在什么条件下才是对的？（光具组由二薄透镜组成） 答：当HH??0即d?f1??f2?时，第一主面靠近第一透镜，第二主点靠近第二透镜。 3．由一凸透镜和一凹透镜组成的光具组，如何测量其基点？（距离d可自己设定）

答：根据自己选定的d，计算主点及焦点的大小，若焦点在光具组外，测量方法同实验所介绍方法相同。若焦点在光具组内，则需增加一凸透镜，使光具组内焦点的像经凸透镜后成像在屏上，再改变光具组在上层导轨上的位置并使上层导轨饶回转轴转动，当屏上的像点不动时，转轴O点的位置即节点位置，焦点的位置可根据凸透镜的焦距和所测像距算出。

实验二十 棱镜玻璃折射率的测定

【预习题】

1．为什么汞灯光源发出的光经过三棱镜以后会形成光谱？

答：当复合光入射三棱镜以后，由于棱镜的色散作用，不同波长的光将被分散开来。汞灯光源是复合光源，所以它发出的光经过三棱镜以后就会形成光谱。 2．怎样用反射法测定棱镜的顶角？

答：反射法测定棱镜的顶角即教材中所介绍的自准直法。具体方法如下： 将待测棱镜置于分光计的载物台上。固定望远镜，点亮小灯照亮目镜中的 叉丝，旋转棱镜台，使棱镜的一个折射面对准望远镜，用自准直法调节望 远镜的光轴与此折射面严格垂直，即使十字叉丝的反射像和调整叉丝完全 重合。如图20-5所示，记录刻度盘上两游标读数v1,v2；再转动游标盘联带 载物平台，依同样方法使望远镜光轴垂直于棱镜第二个折射面，记录相应的

?；同一游标两次读数之差等于棱镜角A的补角?： 游标读数v'1,v2图20-5自准直法

即棱镜角A?180??，重复测量几次，计算棱镜角A的平均值和标准不确定度。

3．何为最小偏向角？实验中如何确定最小偏向角？

答：当入射光线与折射光线左右对称时，即当i?i?，????时，光线的偏向角?最小，此角称为最小偏向角，以?m表示。实验中将三棱镜放置在调好的分光计载物台上，放置时注意将棱镜一底角对准平行光管，眼睛从另一

???[(v'2?v2)?(v'1?v1)]12底角方向找到经棱镜折射后形成的谱线。然后慢慢转动棱镜台，缓慢改变入射角i1,谱线会向一方向移动。当棱镜台转到某一位置，该谱线不再移动，这时无论棱镜台向何方向转动，该谱线匀向相反方向移动，这个谱线反向移动的极限位置就是棱镜对该谱线最小偏向角的位置。 【思考题】

1．在用棱脊分束法测三棱镜的顶角时，为什么三棱镜放在载物台上的位置，要使得三棱镜的顶角离平行光管远

一些，而不能太靠近平行光管呢?试画出光路图，分析其原因。

答：用棱脊分束法测三棱镜的顶角时若三棱镜太靠近平行光管，反射光将不能进入望远镜，在目镜中将不能看到平行光管狭缝的的像。其光路图如下：

2．设计一种不测最小偏向角而能测棱镜玻璃折射率的方案。

答：具体方法请学生自行设计。

实验二十一 多普勒效应的研究与应用

【思考题】

1．电磁波与声波的多普勒效应原理是否一致？

答：是一致的。多普勒效应是当波源和接收器之间有相对运动而产生接收器的频率与波源的频率不同的现象。 2．本实验中，频率的调节是以什么为标准的？为什么？

答：调节发生器驱动频率以接收器的谐振电流达到最大，作为频率的调节标准。因为在超声应用中，要将发生器与接收器频率匹配，即将驱动频率调到谐振频率，这时其接收器谐振频率最大。才能有效的发射与接收超声波。

实验二十二 霍尔效应及磁场的测定

【预习题】

1．当磁感应强度B的方向与霍耳元件的平面不完全垂直时，测得的磁感应强度实验值比实际值大还是小？为什么？请作图说明。

答：小一些。因为当磁感应强度B的方向与霍耳元件的平面不完全垂直时，实验所测得的磁感应强度为实际磁强应强度B在与霍尔元件平面垂直方向上的一个分量。如图所示，设磁感应强度B与霍耳元件平面法线间的夹角为?，则实验值为B??Bcos?。因为cos??1，所以实验值B?比实际值B小。

【思考题】

1．在“用霍尔元件测螺线管磁场”实验中，若某一同学将工作电流回路接入“霍尔电压”接线柱上，而将电位差计（或数字电压表）接在“工作电流”接线柱上。他能测得磁场吗？为什么？

答：能。由霍尔元件的工作原理可得，半导体中的电荷受到洛伦兹力产生偏转，将工作电流回路接入“霍尔电压”接线柱上,电荷同样受到洛伦兹力发生偏转，将在“工作电流”接线柱上产生霍尔电压。

B端口? ，分析其结果。 2．根据实验结果比较螺线管中部与端口处的磁感应强度，求：B中部答： 端口的磁感应强度B端口应为中部磁感应强度B中部的一半，由于存在漏磁现象，实际测量出的B端口?B中部。

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实验二十三 密立根油滴实验

【思考题】

1．实验时，怎样选择适当的油滴，如何判断油滴是否静止？ 答：（1）在工作、平衡状态下，电压调至350以上。喷油，通过正负及电压调节在150以上能静止的小油滴。

（2）带电静止的油在0时会匀速下降，在工作电压平衡时不上下游动。 2．油滴太大或太小或者可带电荷量太多，对试验结果会产生什么影响？ 答：（1）油滴太大或太小，使得油滴的运动受空气阻力的作用变化太大，难以平衡。

（2）电荷太多，一是难平衡，二是下降速度太快测不准，三是电荷多总电压量大，单位电荷更是不准确。

实验二十四 导热系数的测定

【预习题】

1．实验中为什么要在样品上、下表面的温度几乎保持不变时，才能测?1和?2？

答：本实验中采用稳态法测不良导体导热系数，所谓稳态法，是要求利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布，然后进行测量。在加热过程中，当样品上、下表面的温度几乎保持不变时，传热达到动态平衡，样品内部形成一个稳定的温度分布内，这时才能测量温度示值?1和?2。 【思考题】

1．什么是稳态法？在实验中如何实现它？

?Q答：所谓稳态法，是要求利用热源在待测样品内部形成一个稳定的温度分布，然后测量该状态的热量传递?t，

T?T2?Q?K?S?1代入式中可解出导热系数K。 ?th在实验中加热过程中，观察样品盘上、下表面的温度，若在10min内保持不变（?1和?2不变）可认为已达到稳态。利用公式

?Q?T??cm?t?t将传热速率转换成在稳态附近样品下表面温度变化速率，即温度示值的变化速率

T?T2???T1?????（），测出稳态附近样品下表面温度示值随时间t的变化，作—t曲线，并从曲线上求出

?t?t??t，代

???2入公式K??4mch???D2(?1??2)?t中即可。

???22．观察实验过程中环境温度的变化，分析散热速率与时间的关系，讨论环境温度的变化对实验结果的影响。

答：环境温度较高，则样品盘侧面散热较少，系统误差小。（若不考虑侧面散热，夏天和冬天测出的导热系

??数同，因稳态温度梯度和稳态散热速率均与环境温度有关。夏天?t小，而?1－?2也小。）

在过程中，开始时候，环境温度相对较低，随着实验的进行，环境温度逐渐升高，导致测量数据变小。 3．分析用稳态传热法测定不良导体热系数中误差的主要来源。

答：（1）样品侧面不严格绝热；

（2）以散热盘的冷却速率代替样品盘的散热速率，而样品与散热盘之间接触不甚严密； （3）冷却速率测量引起的误差在整个误差中所占比例大。

实验二十五 磁场分布的测绘

【预习题】

1．感应法测磁场的基本原理是什么？

答：感应法测磁场的原理是：根据法拉第磁感应定律，处在磁场中导体回路上的感应电动势的大小与穿过它的磁通量的变化率成正比，因此在待测磁场中引入试探线圈，在交变磁场中不同部位，转动线圈，测出各处线圈中最大的感应电动势和线圈的方向，可得各点磁感应强度的大小和方向。 2．为什么测定圆线圈轴上

BU?x曲线，便能确定?x的分布规律？

B0U0NS?答：因为B0?kUmax，U?0Bm

23．怎样利用试探线圈测量磁场的大小和方向？

答：可将探测线圈放在待测点，转动线圈的方向，直到数字电压表读数最大为止。把所得读数代入（9）式即可算出该点的磁场。

4．如何测定磁场的方向？为什么不根据转动试探线圈使毫伏表达最大值来确定磁场方向？

答：确定磁场的方向原可用数字电压表读数最大值时所对应的试探线圈法线方向来表示，但是磁通量?的变化率小，因此测量方向的误差较大，当试探线圈转过90°时，磁场方向与试探线圈法线方向相垂直，?的变化率最大，误差较小，所以我们利用数字电压表读数的最小值来确定磁场的方向。 5．如何描绘磁感应线？

将探测线圈的小铜钉放在待测点的位置，用手按探测线圈，小铜钉就在坐标纸上记下一个小圆点，表示待测点的位置，转动探测线圈使数字电压表读数最小值（为0），与探测线圈法向垂直的方向即为此范围内磁场方向，用细铅笔在坐标纸上沿探测线圈底边画一直线，然后以首尾相接，再找出下一小区域内磁感应线，将这些折线连成光滑曲线即成。 【思考题】

1．试分析感应法测磁场的优缺点和适应的条件？

答：电磁感应法测量磁场的优点是，原理简单，且可直接测得磁场的大小和方向，缺点是，如果磁场分布不匀用普通的探测线圈只能测出线圈平面内磁感应强度法向分量的平均值，而不能测出非均匀磁场中各点的值，除非将探测线圈做得非常小，但这又会使N0S很小而影响测量的灵敏度。适应的条件：交变磁场。

2．怎样用感应法测量磁场的绝对值？

答：由U?N0S?2N0S?Bmcos?可知，角?越小，交流数字电压表的读数越大，当试探线圈法线与圆线圈轴方向一致

时，??0，则U?2Bm为最大值。测量时，可将探测线圈放在待测点，转动线圈的方向，直到数字电压表读数

最大为止。把所得读数代入（9）式即可算出该点的磁场。

3．若亥姆霍兹线圈中通以直流电，其磁场又如何测定？试画出测量线路图，简要说明其实验步骤。 答：让线圈以一定的速度转动，测线圈电动势。

实验二十七 动力学共振法测定材料的杨氏弹性模量

【预习题】

1．外延测量法有什么特点？使用时应注意什么问题？

答：所谓外延测量法，就是所需要的数据在测量数据范围之外，一般很难测量，为了求得这个数，采用作图外推求值的方法。具体地说就是先使用已测数据绘制出曲线，再将曲线按原规律延长到待求值范围，在延长线部分求出所要的值。

使用外延测量法时应注意：外延法只适用于在所研究范围内没有突变的情况，否则不能使用 2．悬丝的粗细对共振频率有何影响？

答：在一定范围内，悬丝的直径越大时，共振频率反而越小。因为共振频率与阻尼的关系为???02?2?2，悬丝直径大时，阻尼相应较大，即?大，则共振频率应该较小。当然，悬丝直径也不可过粗，太粗的悬丝对于棒振动时振幅的影响很大，即A?m(???)?4??2022p22p变小，而不利于信号的拾取。

【思考题】

1．在实际测量过程中如何辨别共振峰真假？

答：理论上认为，“改变信号发生器输出信号的频率，当其数值与试样棒的某一振动模式的频率一致时发生共振，这时试样振动振幅最大，拾振器输出电信号也达到最大”。实验中，并非示波器检测到信号峰值处频率都为样品棒的共振频率，由样品支架和装置其它部分的振动也会导致示波器检测到极值信号。因此正确真假判别共振信号对于测量相当重要。

真假共振峰的判别方法有好几种，如预估法和撤耦法，预估法指利用已知的金属杨氏模量，利用公式估算出共振频率，撤耦法指用手托起试样棒，此时拾振信号应消失，反之为假信号。预估法和撤耦法结合起来用比较好：预估法可判断出共振频率的大致范围，而撤耦法则可做进一步精确判断。另外，还可以在不放铜棒的情况下先做一个粗略检测，即将可能的干扰信号频率做一个排除。 2．如何测量节点的共振频率。

答：从实验装置图中可以看出，试样振动时，由于悬丝的作用，棒的振动并非原理中要求的自由振动，而是存在阻尼下的受迫振动，所检测共振频率随悬挂点到节点的距离增大而增大。若要测量（27-1）式中所需的试样棒基频共振频率，只有将悬丝挂在节点处，处于基频振动模式时，试样棒上存在两个节点，它们的位置距离分别为0.224L和0.776L处。在节点处的振动幅度几乎为零，很难检测，所以要想测得试样棒的基频共振频率需要采取内插测量法。所谓内插测量法，就是所需要的数据在测量数据范围之内，而不方便进行测量，为了求得这个数，采用作图内插求值的方法。具体地说就是先使用已测数据绘制出曲线，再求出所要的值。内插法只适用于在所研究范围内没有突变的情况，否则不能使用。在本实验中就是以悬挂点位置为横坐标，以共振频率为纵坐标作出关系曲线图，求得曲线最低点（节点）对应的频率即为试样棒的基频共振频率f。

实验二十八 迈克耳孙干涉仪的调节和使用

【预习题】

1．迈克耳孙干涉仪主要由哪些光学元件组成，各自的作用是什么？

答：迈克耳孙干涉仪主要由分光板G1、补偿板G2、可移动平面反射镜M1和固定平面反射镜M24种光学元件组成。G1的作用是将一束光分成强度大致相同的两束光——反射光（1）和透射光（2）；G2的材料和厚度与G1相同，作用是补偿光束（2）的光程，使光束（2）与光束（1）在玻璃中走过的光程大致相同；M1的作用是反射（1）光；

M2的作用是反射（2）光。

2．怎样调节可以得到等倾干涉条纹？怎样调节可以得到等厚干涉条纹？

答：当M1、M2严格垂直时，调出的圆条纹为等倾干涉条纹。当M1、M2不垂直时，调出的干涉条纹为等厚干涉条纹。 3．如何用He一Ne激光调出非定域的等倾干涉条纹？在调节和测其波长时要注意什么？ 答：① 用He一Ne激光调出非定域的等倾干涉条纹的方法如下： （1）调节He一Ne激光束大致与平面镜M2垂直。 （2）遮住平面镜M1，用自准直法调节M2背后的三个微调螺丝，使由M2反射回来的一组光点象中的最亮点返回激光器中，此时入射光大致垂直平面镜M2。