大学物理实验 第二版 (张志东 展永 著) 科学出版社 课后答案 28页

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课后答案网www.khdaw.com大学物理实验报告答案大学物理实验报告答案大全（实验数据及思考题答案全包括）大全大全（实验数据及思考题答案全包括）（实验数据及思考题答案全包括）伏安法测电阻实验目的(1)利用伏安法测电阻。(2)验证欧姆定律。(3)学会间接测量量不确定度的计算；进一步掌握有效数字的概念。U实验方法原理根据欧姆定律，R=，如测得U和I则可计算出R。值得注意的是，本实验待测电阻有两只，I一个阻值相对较大，一个较小，因此测量时必须采用安培表内接和外接两个方式，以减小测量误差。实验装置待测电阻两只，0～5mA电流表1只，0－5V电压表1只，0～50mA电流表1只，0～10V电压表一只，滑线变阻器1只，DF1730SB3A稳压源1台。实验步骤本实验为简单设计性实验，实验线路、数据记录表格和具体实验步骤应由学生自行设计。必要时，可提示学生参照第2章中的第2.4一节的有关内容。分压电路是必须要使用的，并作具体提示。(1)根据相应的电路图对电阻进行测量，记录U值和I值。对每一个电阻测量3次。(2)计算各次测量结果。如多次测量值相差不大，可取其平均值作为测量结果。(3)如果同一电阻多次测量结果相差很大，应分析原因并重新测量。数据处理测量次数123U1/V5.46.98.5I1/mA2.002.603.20R1/Ω270026542656测量次数123U2/V2.082.222.50I2/mA38.042.047.0R2/Ω54.752.953.2(1)由∆U=U×1.5%，得到∆U=0.15V,∆U=0.075V；max12(2)由∆I=I×1.5%，得到∆I=0.075mA,∆I=0.75mA；max12∆U2∆I21(3)再由u=R()+()，求得u=9×10Ω,u=1Ω；RR1R23V3I3(4)结果表示R=.2(92±.009)×10Ω,R=(44±)1Ω12光栅衍射实验目的(1)了解分光计的原理和构造。(2)学会分光计的调节和使用方法。(3)观测汞灯在可见光范围内几条光谱线的波长实验方法原理 课后答案网www.khdaw.com若以单色平行光垂直照射在光栅面上，按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定：(a+b)sinψk=dsinψk=±kλ如果人射光不是单色，则由上式可以看出，光的波长不同，其衍射角也各不相同，于是复色光将被分解，而在中央k=0、ψ=0处，各色光仍重叠在一起，形成中央明条纹。在中央明条纹两侧对称地分布着k=1，2，3，…级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，这样就把复色光分解为单色光。如果已知光栅常数，用分光计测出k级光谱中某一明条纹的衍射角ψ，即可算出该明条纹所对应的单色光的波长λ。实验步骤(1)调整分光计的工作状态，使其满足测量条件。(2)利用光栅衍射测量汞灯在可见光范围内几条谱线的波长。①由于衍射光谱在中央明条纹两侧对称地分布，为了提高测量的准确度，测量第k级光谱时，应测出+k级和-k级光谱线的位置，两位置的差值之半即为实验时k取1。②为了减少分光计刻度盘的偏心误差，测量每条光谱线时，刻度盘上的两个游标都要读数，然后取其平均值(角游标的读数方法与游标卡尺的读数方法基本一致)。③为了使十字丝对准光谱线，可以使用望远镜微调螺钉12来对准。④测量时，可将望远镜置最右端，从-l级到+1级依次测量，以免漏测数据。数据处理左1级右1级谱线游标φλ／nmλ0／nmE(k=-1)(k=+1)黄l(明)左102°45′62°13′20.258°577.1579.00.33％右282°48′242°18′黄2(明)左102°40′62°20′20.158°574.4577.90.45％右282°42′242°24′绿(明)左101°31′63°29′19.025°543.3546.10.51％右281°34′243°30′紫(明)左97°35′67°23′(1)与公认值比较15.092°433.9435.80.44％计算出各条谱线的相对误右277°37′247°28′λ0−λx差E=其中λ0λ0为公认值。(2)计算出紫色谱线波长的不确定度2⎡∂((a+b)sinϕ))⎤u(λ)=⎢u(ϕ)⎥=(a+b)|cosϕ|u(ϕ)⎣∂ϕ⎦1�π=×cos15.092×=0.467nm;U=2×u(λ)=0.9nm60060×180最后结果为:λ=(433.9±0.9)nm1.当用钠光(波长λ=589.0nm)垂直入射到1mm内有500条刻痕的平面透射光栅上时，试问最多能看到第几级光谱?并请说明理由。答：由(a+b)sinφ=kλ得k={(a+b)/λ}sinφ∵φ最大为90º所以sinφ=1-6-9又∵a+b=1/500mm=2*10m，λ=589.0nm=589.0*10m-6-9∴k=2*10/589.0*10=3.4最多只能看到三级光谱。2.当狭缝太宽、太窄时将会出现什么现象?为什么?答：狭缝太宽，则分辨本领将下降，如两条黄色光谱线分不开。狭缝太窄，透光太少，光线太弱，视场太暗不利于测量。3.为什么采用左右两个游标读数?左右游标在安装位置上有何要求?答：采用左右游标读数是为了消除偏心差，安装时左右应差180º。 课后答案网www.khdaw.com光电效应实验目的(1)观察光电效现象,测定光电管的伏安特性曲线和光照度与光电流关系曲线;测定截止电压,并通过现象了解其物理意义。(2)练习电路的连接方法及仪器的使用;学习用图像总结物理律。实验方法原理(1)光子打到阴极上,若电子获得的能量大于逸出功时则会逸出，在电场力的作用下向阳极运动而形成正向电流。在没达到饱和前，光电流与电压成线性关系,接近饱和时呈非线性关系,饱和后电流不再增加。22(2)电光源发光后,其照度随距光源的距离的平方成(r)反比即光电管得到的光子数与r成反比,因此打出的电子22-2数也与r成反比,形成的饱和光电流也与r成反比,即I∝r。(3)若给光电管接反向电压u反，在eU反EX，测试过程中Rc调好后不再变动，RX是个准确度很高的电阻箱。R是一根均匀的电阻丝。L1、L2分别为KX断开和接通时电位差计处于补偿状态时电阻丝的长L−L12度。试证明电池EX的内阻r=Rx（RX为已知）。L21.按图3-10-4联好电路做实验时，有时不管如何调动a头和b头，检流计G的指针总指零，或总不指零，两种情况的可能原因各有哪些?答：总指零的原因：测量回路断路。总不指零的原因：①E和Ex极性不对顶；②工作回路断路；③RAB上的全部电压降小于ES，Ex二者中小的一个。图3-10-6思考题2附图 课后答案网www.khdaw.com2.用电位差计可以测定电池的内阻，其电路如图3-10-6所示，假定工作电池E＞Ex，测试过程中Rc调好后不再变动，Rx是个准确度很高的电阻箱。R是一根均匀的电阻丝。L1、L2分别为Kx断开和接通时电位差计处于补偿状态时电阻丝的长度。试证明电池Ex的内阻r=[(L1-L2)/L2]Rx(Rx为已知)。证明：设A为R上单位长度的电位差，Vx为K2的端电压，则有：Ex=AL1(1)Vx=AL2(2)而代入（2）式得:Rx/(r+Rx)Ex=AL2(3)(1)式除(3)式，整理后得：r=[(L1-L2)/L2]Rx4.如图3-10-4所示的电位差计，由A到B是11m长的电阻丝，若设a=0.1V/m，11m长的电压降是1.1V，用它测仅几毫伏的温差电动势，误差太大。为了减少误差，采用图3-10-8所示电路。图3-10-8是将11m长的电阻丝AB上串接了两个较大的电阻R1和R2。若AB的总电阻已知为r,且R1、R2、r上的总电压为1.1V，并设计AB(11m)电阻丝上的a=0.1mV/m，试问R1+R2的电阻值应取多少?若标准电池E0的电动势为1.0186V，则R1可取的最大值和最小值分别为多少(用线电阻r表示)?答：①由于电位差计单位长度电阻线的电位差为a，则电阻线AB上的电位差VAB=11a＝1.1mV，而回路电流应为I=VAB/r。另一方面，由于I(R1+R2+r)=1.1V，所以(VAB/r)(R1+R2+r)=1.1V,即VAB[(R1+R2)/r+1]=1.1V。所以R1+R2=[(1.1/VAB)-1]r=(1.1/0.0011-1)r＝999r。②当R2I=E0时，R1为最小，即R1=R1min，此时有R1I+E0+Ir=1.1。由于I=VAB/r=0.0011/r，所以R1min=(1.1-E0-Ir)/I=73r。当R2I+Ir=E0则R1为最大，即R1=R1max，此时有R1I+E0=1.1。所以R1max=(1.1-E0)/I=74r电热法测热功当量实验目的(1)学习用电热法测热功当量，即Q与W的比值。(2)了解热学实验的特殊条件和基本方法。(3)学会用修正中温的方法作散热修正。实验方法原理将一电阻放入一定量的水中，电阻通电t秒，则电功为A=VIt，由电流的热效应，这些功将转化为参与热交换的工作物质的温升，则Q=(cm+cm+cm+⋯+.046δV)⋅(T−T)，001122f0A如没有热量散失到环境中去，必有热功当量J为J=QdT终温修正是将散失到环境中的热量的温度的形式补偿回来，依据牛顿冷却公式。即=k(T−θ),而dt1Tf′−θk=ln，采用逆推的方法可以求到温度亏损δT=dT+dT+⋯+dT(计算机中有现成计算程序引1215t′T0−θ资利用)实验步骤(1)先将温度传感器探头悬在空气中，直接读室温θ下的电阻值。(2)用天平分别称量量热器内筒及内筒盛水后的质量。(3)按图接好电路。(4)再接通电源，立即开始搅拌，当温度高于室温后，听到报时器响声，即记录起始电阻值R0，然后每隔1分钟记一次电阻值，共记16次，然后断开电源。(5)切断电源后，待温度不再升高后，开始记录降温的初始阻值R´0，之后每隔一分钟记录一次电阻值，共记16次。数据处理δ降温初1.1水吕内筒搅拌器铜电阻丝电压4.90VV=1.30阻值261KΩ降温终1.1比热容1.0000.2102.100.0930.105电流1.00A阻值228KΩ降温时室1.0905质量/g142.4523.853.0023.000.30015min间温阻值KΩ 课后答案网www.khdaw.com升R0R1R2R3R4R5R6R7R8温1.10311.10491.10641.10801.10951.11111.11261.11421.1157阻阻R9R10R11R12R13R14R15/KΩ1.11721.11871.12021.12171.12321.12471.1262降R0´R1´R2´R3´R4´R5´R6´R7´R8´温1.12611.12581.12561.12531.12511.12491.12471.12451.1243阻值R9´R10´R11´R12´R13´R14´R15´/KΩ1.12401.12381.12361.12341.12321.12301.1228K0.0061/minδT-1.2039°C计W/JQ/calJ△JE算4410.0895.8317值修正前4.92280.735805.5734%4410.01077.42.2450修正后4.09300.094005%1.该实验所必须的实验条件与采用的实验基本方法各是什么?系统误差的来源可能有哪些?答：实验条件是系统与外界没有较大的热交换，并且系统（即水）应尽可能处于准静态变化过程。实验方法是电热法。系统误差的最主要来源是系统的热量散失，而终温修正往往不能完全弥补热量散失对测量的影响。其他来源可能有①水的温度不均匀，用局部温度代替整体温度。②水的温度与环境温度差异较大，从而给终温的修正带来误差。③温度，质量及电功率等物理量的测量误差。2.试定性说明实验中发生以下情况时，实验结果是偏大还是偏小?(1)搅拌时水被溅出；答：实验结果将会偏小。水被溅出，即水的质量减少，在计算热功当量时，还以称横水的质量计算，即认为水的质量不变，但是由于水的质量减少，对水加热时，以同样的电功加热，系统上升的温度要比水没有上升时的温度要高，即水没溅出在同样电功加热时，应上升T度，而水溅出后上升的温度应是T+ΔT度。用J=A/Q，有Q=（cimiT），J=A/[（T+△T）/mc]，分母变大J变小。(2)搅拌不均匀；答：J偏大、偏小由温度计插入的位置与电阻丝之间的距离而定。离电阻丝较远时，系统温度示数比，匀均系统温度低，设T为均匀系统温度，温度计示值应为T-ΔT，用J=A/θ计算，分母变小，则J变大；离电阻丝较近时，温度计示值应为T+ΔT，分母变大，因而J变小。(3)室温测得偏高或偏低。答：设θ0为室温，若测得值偏高Δθ时，测量得到的温度值为θ0+Δθ；偏低Δθ时，测量温度值为θ0-Δθ，在计算温度亏损时，dTi=k(Ti-θ)，k是与是室温无关的量(k与室温有关)，只与降温初温和降温终温以及降温时间有关，测得室温偏高时，dTi=k[Ti-(θ0+Δθ)]，每秒内的温度亏损dTi小于实际值，t秒末的温度亏损δTi=∑k[Ti-(θ0+Δθ)]。此值小于实际值，由于散热造成的温度亏损δTi=Tf+Tf″，修正后的温度Tf″为：Tf″=Tf-δTi，δTi为负值，当测量值低于实际室温时，δTi的绝对值变小：Tf″=Tf+｜δTi｜，即Tf″变小，ΔT变小（其中ΔT＝Tf″-Tf初，Tf初：升温初始值），AAJ==Q∑cimi∆T,J变大，反之J变小。电表的改装和校正实验目的(1)掌握将微安表改装成较大量程的电流表和电压表的原理和方法。(2)了解欧姆表的测量原理和刻度方法。(3)学会绘制校准曲线的方法并对改装表进行校对。实验方法原理设微安表头满量程是Ig,内阻为Rg.(1)将表头并联一个分流阻值Rs改成量成为I的电流表，如图（a)示，则有（I-Ig）Rs=IgRg，即Rs=Rg/(n-1) 课后答案网www.khdaw.com(n=I/Ig)(2)将微安表头串联一个分压电阻RH改成量程为Ud电压表，如图（b)示，则有Ig(Rg+RH)=U即RH=U/Ig－Rｇ实验步骤(1)改装量程为5A电流表①计算分流阻值Rs的理论值，负载电阻RL取1000Ω左右。②按图3-7-8连接电路，各部件摆放原则是方便于观擦与调节。③自查电路（线路的连接、标准表量程的选取、滑线变阻器初值的设定、各阻值的取值）。④校准电表：首先进行满量程校正，然后进行逐点校正（完成数据表格）(2)改装电压表（程序与上面相同，电路图按3-7-10进行）数据处理改装表示值I/mA0.001.002.003.004.005.00减小时1.031.993.023.985.00标准表示值增加时1.012.013.003.995.00I0/mA平均1.022.003.013.995.00差值＝I0-I/mA0.020.000.01-0.010.00改装表示值U/V0.001.002.003.004.005.00减小时1.021.983.014.025.00标准表示值增加时1.011.993.024.015.00U0/V平均1.021.993.024.015.00差值＝U0-U/V0.02-0.010.020.010.001.校正电流表时，如果发现改装的毫安表读数总是高于标准表的读数，分流电阻应调大还是调小?为什么?答：应调小。让电路中标准表读数不变，即保持回路电流不变，分流电阻值减小后将会分得更多的电流，从而使流过被改装表表头的电流减小，改装表的读数也减小。2.校正电压表时，如果发现改装的电压表读数总是低于标准表的读数，分压电阻应调大还是调小?为什么?答：应调小。让电路中标准表读数不变，即加在改装电表上电压值不变。调小电阻，改装表的总电阻降低，流过改装毫安表的电流增大，从而读数也增加。3.试证明用欧姆表测电阻时，如果表头指针正好指在表盘标度尺的中心，则这时的欧姆表指示值为什么正好等于该欧1I=Ig姆表的内阻值。答：设表头指针满刻度电流为Ig、表头指针指表盘中心时电路中电流为I，根据题意2，当表V1VI==IgIg=Rg+Rx2Rg内阻为Rg、待测电阻为Rx时，；根据欧姆表工作原理，当待测电阻Rx＝0时，。即V1V=Rg+Rx2RgRx，因而可得Rx＝Rg。所以，欧姆表显示测读数即为该欧姆表的内阻。思考题(1)应调小。因为表头过载，所以需要再分掉一部分多余的电流。(2)应调小。因为串联电路中电压的分配和阻值成正比。(3)证明因为Ig＝U/(Rg+r)而I＝U/(Rg+r+Rx)所以当2I＝Ig时即2U/(Rg+r+Rx)＝U/(Rg+r)所以Rx＝Rg+r证毕(4)由误差＝量程×级别％，设改装表的级别为a′,则5×a′%=δmax+5×0.5%∴a′=0.9，故该装电流表的级别为1.0级I 课后答案网www.khdaw.com示波器的原理和使用实验目的(1)了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理；(2)掌握模拟示波器和函数信号发生器的使用方法；(3)观察正弦、矩形、三角波等信号发生器的使用方法；(4)通过示波器观察李萨如图形，学会一种测量正弦振动频率的方法，并加深对互相垂直振动合成理论的理解。实验方法原理(1)模拟示波器的基本构造示波器主要由示波管、垂直放大器、水平放大器、扫描信号放大器、触发同步等几个基本部分组成。(2)示波器显示波形原理如果只在垂直偏转板上加一交变正弦电压，则电子束的亮点随电压的变化在竖直方向上按正弦规律变化。要想显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束所产生的亮点沿水平方向拉开。(3)扫描同步当扫描电压的周期Tx是被观察周期信号的整数倍时，扫描的后一个周期扫绘的波形与前一个周期完全一样，荧光屏上得到清晰而稳定的波形，这叫做信号与扫描电压同步。(4)多踪显示根据开关信号的转换频率不同，有两种不同的时间分割方式，即“交替”和“断续”方式。(5)观察李萨如图形并测频率X方向切线对图形的切点数Nxfy=Y方向切线对图形的切点数Nfyxππ3π5π3π7π0π2π424424实验步骤(1)熟悉示波器各控制开关的作用，进行使用前的检查和校准。频率相同位相不同时的李萨如图形(2)将信号发生器的输出信号连接到示波器的CH1或CH2，观察信号波形。(3)用示波器测量信号的周期T、频率f、幅值U、峰－峰值Up-p、有效值Urms,频率和幅值任选。(4)观察李萨如图形和“拍”。(5)利用多波形显示法和李萨如图形判别法观测两信号的相位差①多波形显示法观测相位差。②李萨如图形判别法观测相位差。数据处理(1)测量正弦信号峰峰值UP-P，周期T示波器测量值信号发生器显示值H=4.0DIVV0/DIV=0.5V/DIVUP-P=2.0VU显=2.0VL=5.0DIVT0/DIV=20us/DIVT=0.10msT显=0.10msUp−p−U显T−T0E==0E==0up−pUTT显0(2)测量直流信号的幅度H=5.8V0／DIV=0.5V/DIVU＝2.9VU显＝3.0V(3)测量相移x1x1/DIVx/DIVθ=×360363600°x5.325.076.32°1.模拟示波器为何能显示高速变化的电信号轨迹？答：在模拟示波器垂直偏转板上加的是被观测信号电压，而在水平偏转板上加的是锯齿波（时间线性变化）信号电压， 课后答案网www.khdaw.com所以示波器的示波管的横轴相当于直角坐标的时间轴，经过一个锯齿波信号周期，电子束便在示波管的荧光屏上描绘出被观测信号的波形的一段轨迹。当锯齿波信号的周期大于或等于周期性观测信号的周期且与其相位锁定时（同步），电子束便在示波管的荧光屏上描绘出被观测信号的波形的同一段轨迹，由于人眼的视觉暂留和荧光屏的余辉，便可以观测到信号的波形。2.在本实验中，观察李萨如图形时，为什么得不到长时间稳定的图形？答：因为CH1与CH2输入的是两个完全不相关的信号，它们的位相差难以保持恒定，所以得不到长时间的稳定波形。3.假定在示波器的Y轴输入一个正弦信号，所用的水平扫描频率为120Hz，在荧光屏上出现三个稳定完整的正弦波形，那么输入信号的频率是什么？这是否是测量信号频率的好方法？为何？答：输入信号的频率是360Hz。这种方法不是测量信号频率的好方法，因为用此方法测量的频率精确度低。4.示波器的扫描频率远大于或远小于输入正弦信号的频率时，屏上的图形是什么情况？答：扫描频率远小于输入正弦信号频率时，出现图形是密集正弦波；扫描频率远大于输入正弦信号频率时，一个周期的信号波形将会被分解成数段，显示的图形将会变成网状交叉线。超声波声速的测量实验目的(1)进一步熟悉示波器的基本结构和原理。(2)了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。(3)学习几种测定声波传播速度的原理和方法。(4)通过时差法对声波传播速度的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。实验方法原理声波是一种弹性媒质中传播的纵波，波长、强度、传播速度等是声波的重要参数，超声波是频率大于20kH的机械波，本实验利用声速与振动频率f和波长λ之间的关系v=λf来测量超声波在空气中的传播速度。SV5型声速测量组合实验仪（含专用信号源），可以做时差法测定超声波传播速度的实验；配以示波器可完成利用共振干涉法，双踪比较法和相应比较法测量声速的任务。本声速测量仪是利用压电体的逆压电效应而产生超声波，利用正压电效应接收超声波，测量声速的四种实验方法如下：（由于声波频率可通过声源的振动频率得出，所以测量声波波长是本实验主要任务。）（1）李萨如图形相位判别法频率相同的李萨如图形随着Δφ的不同，其图形的形状也不同，当形状为倾斜方向相同的直线两次出现时，Δφ变化2π，对应接受器变化一个波长。（2）共振法由发射器发出的平面波经接受器发射和反射器二次反射后，在接受器与发射器之间形成两列传播方向相同的叠加波，观察示波器上的图形，两次加强或减弱的位置差即为波形λ。（3）双踪相位比较法直接比较发信号和接收信号，同时沿传播方向移动接受器位置，寻找两个波形相同的状态可测出波长。（4）时差法测出脉冲声速传播距离X和所经历时间t,便可求得声速。实验步骤(1)李萨如图形相位比较法转动声速测量组合实验仪的距离调节鼓轮，观察波形当出现两次倾斜方向相同的倾斜直线时，记录这两次换能器的位置，两次位置之差为波长。(2)共振法移动声速测量仪手轮会发现信号振幅发生变化，信号变化相邻两次极大值或极小值所对应的接受器移动的距离即是λ/2，移动手轮，观察波形变化，在不同位置测6次，每次测3个波长的间隔。(3)比较法使双通道两路信号双踪显示幅度一样，移动手法会发现其中一路在移动，当移动信号两次与固定信号重合时所对应的接收器移动的距离是λ，移动手轮，观察波形变化，多记录几次两路信号重合时的位置，利用逐差法求波长。(4)时差法转动手轮使两换能器的距离加大，每隔10mm左右记录一次数据x和t,根据公式获得一系列vi后，可以利用逐差ii法求得声速v的平均值υ。数据处理(1)李萨如图形相位比较法温度＝20.8℃信号发生器显示频率＝37.003kHz接受器位置序号012345接受器位置坐标55.4064.5373.9483.4092.65101.90 课后答案网www.khdaw.com/mm接受器位置序号67891011接受器位置坐标111.30120.68129.95139.25148.60158.06/mmxj=xi+6−xi55.9056.1556.0155.8555.9556.16xλ=i9.329.369.349.319.339.36i615−32λ=Σλ=.934×10m;v=fλ=.34561×10m/sj6j=0(2)共振法温度＝20.8℃信号发生器显示频率＝37.012kHz接受器记被测λ数次数被测数x=a−a/mmλ=x/n/mmλ12录n148.2076.28328.089.36276.28104.40328.129.373104.40132.41328.019.34-39.36×104132.41160.59328.189.395160.59188.69328.109.376188.69216.72328.039.3416−32其中λ=Σλ=.936×10m；vv=fλ=.34649×10m/si6i=1(3)比较法温度＝20.8℃信号发生器显示频率＝37.015kHz接受器位置序号012345接受器位置坐标57.6567.0476.3886.7595.12104.59接受器位置序号67891011接受器位置坐标114.06123.50132.77142.26151.58161.09xj=xi+6−xi/mm56.4156.4656.3955.5156.4656.5015λj=Σλj9.409.419.409.259.419.426j=0(4)时差法温度＝20.8℃信号发生器显示频率＝37.032kHz接收器位置序号i012345接收器位置坐标xi/mm56.8566.8076.8086.8096.80106.80脉冲传播时间ti/us347377407434465491接收器位置序号i67891011接收器位置坐标xi/mm116.80126.80136.80146.80156.80166.80脉冲传播时间ti/us522551579606635663xi+6−xi−1vj=/ms342.57344.83348.84348.84352.94348.84t−ti+6i152υ=Συj=3.4781×10mm/s6j=0(5)环境温度为T(℃)时的声速 课后答案网www.khdaw.comT20.8ν=νo1+=331.5×1+=343.89m/sTo273.15(6)不确定度的计算及实验结果15−32λ=Σλj=9.38×10m;ν=fλ=3.4720×10m/s6j=02Σ(λ−λ)u(λ)=i=6.83×10−6m()110−5mAuBλ=×n(n−1)22−5(uλ)=uA(λ)+uB(λ)=1.21×10m−43)f(u=uB)f(=5×10×37.003×10+1=19.502Hz(uλ)2u()f2u)v(=f⋅λ⋅[]+[]cλf3−3−3=37.003×10×9.34×10×1.3986×10=0.4834m/s取k=2，则U=2uc)v(=0.9668m/sv=(v+v=(345.61)±0.97)m/s1.示波器在使用过程中荧光屏上只有一条水平亮线而没有被测信号是什么原因造成的?答：在示波器的使用过程中，上述现象经常出现，造成这一现象的原因很多，大致可归纳为：①示波器接地（GND）（测量时接地按键GND应该弹起）；②衰减开关VOLTS/DIV选择过大（测量时可先选择小些）；③信号发生器输出过小或没有输出；④信号发生器输出直流信号；⑤在信号的传输中，导线或接头接触不良，也可造成该现象；⑥示波器的相关功能键都应选择在正确工作状态下。总之，影响的因素很多，要求使用者在使用前一定认真阅读教材。2.在测量声速时，Y1(CH1)的输入信号，由于示波器的Y轴放大器、压电转换器、联接线路的相移等原因并不与声波的位相相同，这对于观察测量声波波长有无影响?为什么?答：没有影响。因为波长是波在传播过程中位相差为2π的两点间的距离，与该处位相无关，所以无影响。3.试比较几种测声速方法的优缺点。答：实验讲义上共列出了三种测量方法：①李萨如图相位比较法，②共振法，③波形相位比较法。一般说来，李萨如图相位比较法测量的比较准，同时便于对知识的温新和巩固，对于示波器的使用以及学生动手能力和思考问题的培养，不失是一种较好的途径，但操作比较繁；对于共振法，判断相对要困难一些，所以测量误差一般要大一些，但可以直观地了解共振现象；而波形相位比较法比的现象较直观，可操作性强，只是相位判别不如李萨如图相位比较法准确，但只要认真操作，误差也不会太大。迈克耳逊干涉仪实验目的(1)了解迈克耳逊干涉仪的结构、原理及调节方法。(2)观察点光源的等倾干涉图样，用He-Ne激光器校准干涉仪的精密丝杠。（3）观察白光干涉图样，利用白光干涉测定透明薄膜的厚度。实验方法原理(1)仪器的结构原理如右上图，从光源S发出的光，经透镜扩束后射至分束板G1上，一部分被反射，一部分被透射，然后被相互垂直的两平面镜M1和M2反射后经G1而在屏E处相遇，形成干涉条纹。(2)产生干涉的等效光路 课后答案网www.khdaw.com′′如右下图，干涉现象可以看作是光源在M1和M2´反射镜中的虚光源和相干涉的结果。所以ss=2d,当12倾角为θ时,由S1´和S2´发出的相干光的光程差δ=n02dcosθ≈2dcosθ(n0≈)1。(3)单色点光源产生的干涉1当δ=kλ（k为整数）时为明条纹，而δ=(k+)λ2时为暗条纹。δ=2d光程差最大，δ随θ增加而减小，且θ相同点光程差δ也相同，因此屏上干涉条纹是一些同心圆环，越靠近环心条纹的级次越大。这种干涉是由光源发出的倾角相同的光干涉的结果，故称等倾干涉。当增加时，第k级条纹倾角θ必增大，在屏上将看到条纹从圆心向外“涌出”，反之“缩进”。每当d改变λ/2时，就从圆心“涌出”或“缩进”一个条纹。(4)等厚干涉、白光干涉当光源为面光源，M1与M2´有微小角度时，形成空气尖，发生等厚干涉。条纹是一些平行M1与M2´交线的直线。条纹间距与夹角呈反比。若用白光照射，可以直接在M1的反射面上观察到彩色条纹。实验步骤(1)用He-Ne激光器调节迈克耳逊干涉仪，校准精密丝杠。①转动干涉仪粗调手轮，使M1位置适当，调节M2背面的调节螺丝，使每个螺丝的位置适中，调节M2镜架下的拉簧螺丝也使他们处于适中位置。②打开激光器电源开关，让激光束射向M2中部，使激光返回光点在在激光器出射口附近。反射光线和投射光线在M1和M2中部。③调节M2背面的螺丝，使屏E上两排光点对应重合，并可在重合光点内看到干涉条纹④用透镜使激光扩束，调整扩束镜使扩束后的激光射到分束板上，在观察屏上就会出现明显的干涉条纹。若干涉条纹的圆心在视场之外，可轻微调整M2背面的螺丝使环心向视场趋近。⑤沿同方向转动微调股轮，使条纹缩进或涌出，记录M1的初始位置，然后每变化50条记录一次M1的位置，连初始位置共测8次。(2)用白光干涉的彩色条纹测定透明薄膜的厚度①在前一步实验的基础上，转粗调手轮使M1从M2´的外部向M2´靠近，同时配合调节M2背面的螺丝和下部的拉簧螺钉，直到条纹变宽变稀，视场中仅能容纳一条甚至不到一条条纹为止。②将毛玻璃放到分束板旁且垂直于激光束，放下观察屏，白织灯透过毛玻璃照射到分束板上,眼睛盯住平面镜M1，转动微调鼓轮使M1继续从M2´外部向M2´靠近，可见条纹向凹侧移动，直到视场中部条纹快变直时,就能观察到白光干涉的彩色条纹.此时记录M1的位置x1,然后在M1前与M1平行放入透明薄膜,必须继续沿原方向转动微调鼓轮,才能再次出现彩色条纹,在此读取M1位置x2.重复测量6次数据处理条纹变化数与其对应坐标值记录表条纹变050100150200250300350化数M1位置32.1607432.1766832.1926232.2084632.2243032.2407132.2560432.27202x/mm-2变化100条M1应移动的理论长度d=50λ=50×650=3.25×10mm。变化100条M1移动的实际程度为(x−x)+(x−x)+(x−x)+(x−x)40516273-2d′==3.18×10mm4×2d−d′E==-0.35%dd测定薄膜测量记录次M1位置/mm∆d=|x−x|平均修正后i12 课后答案网www.khdaw.com数/mm∆d/mm∆d=∆d+Ed∆dxx12/mm130.8336530.815100.01855230.8339130.816000.01791330.8337230.815800.017920.0181330.018070430.8336030.815080.01852530.9428130.924910.01790630.9426030.924600.0180062∑(∆d−∆d)ii=1u(∆d)==.000013mmu(∆d)=0.0002mmABn(n−)1−122⎛n⎞u(∆d)=u(∆d)+u(∆d)=.000024mmS=∆d⎜−1⎟=.00333670mmAB⎜n⎟⎝0⎠−1⎛n⎞uc(∆S)=⎜−1⎟u(∆d)=.00006mmU=2uc(∆S)=.00012mm⎜n⎟⎝0⎠S=S±U=.0(033±.0001)mmk=21.这里观察到的环形干涉条纹，从外观上看，与牛顿环有哪些相似之处?从产生的原因和由内向外级次的变化来看有何不同?答：从外观上看都是同心园环，而牛顿环是等厚干涉，这里是等倾干涉，牛顿环是低级次的干涉条纹在中心，越外级次越高，而迈氏干涉正相反。2.在M1如图3-14-4所示的移动过程中，将看到条纹的疏密和运动情况有何变化?答：从密到疏，从疏到密，从条纹向环心缩进到从环心向外涌出。3.白光照射下，M1在G1和M2′之间并逐渐向M2′移动过程中，能否观察到彩色干涉条纹?可否用这种做法来测量薄膜厚度?为什么?答：能观察到，但是在实际测量中，一般不采用这种做法，原因是对初学者而言，由于实验经验等因素，非常容易产生回程误差，给实验结果带来影响。金属丝弹性模量的测量实验目的(1)掌握光杠杆放大法测微小长度变化量的原理。(2)学会测量弹性模量的方法。(3)学会使用逐差法处理数据。实验方法原理金属柱体长L，截面积为S，沿柱的纵向施力F1，物体伸长或缩短F/S为ΔL，则弹性模量Y=。由于ΔL甚小，需要用光杠杆放大∆L/L后才能被较准确的被测量。开始时平面镜M的法线on在水平位置，标尺H上的刻度no发出光通过平面镜反射，no的像在望远镜中被观察到。加砝码时，金属丝伸长ΔL，光杠杆后足下落ΔL，平面镜转过一个α角，此时标尺上刻线经平面镜反射在望远镜中被观察到。根据几何关系光杠杆放大原理图∆L∆nbtanα=tan2α=∆L=∆nbD2D 课后答案网www.khdaw.com8FLDb2D因而，Y=。由∆L=∆n可知，光杠杆的放大倍数为。2πdbδ2Dbn实验步骤1.弹性模量测定仪的调节(1)左右观察与调节(2)上下观察与调节(3)镜内观察与调节(4)视差的检测与排除2.加减砝码测量3.钢丝长度的测量4.钢丝直径的测量5.光杠杆足间距的测量数据处理单次测量数据处理表测量值N不确定度u=uBu/NN±uL/mm726.0±20.0028726±2D/mm1765.0±40.00231765±4b/mm77.5±0.90.011677.5±0.9钢丝直径d数据处理表次数n123456dUB/mmdi/mm0.7040.7040.7050.7040.7050.7020.7040.004Δdi=000.00100.0010.002di-d/mmnu(d)d=d±udΣ(∆d)2d(u)=u2d()+u2d()=.00057iABu(d)=i=1=0.002mmd=(.0704±.0004)mmAn(n−1)=0.004mm标度尺示数及数据处理砝码质量01.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.011.0／kg加码读数04.39.013.017.022.426.030.034.038.042.046.0(n)/mm加码读数/0.54.59.212.817.322.626.230.634.438.342.446.0(n)/mm平均值0.254.49.112.917.222.526.130.334.238.242.246.0(ni)/mmδ=n−n/mm6nii+6i125.825.925.125.325.124.5δn=Σδni=25.266i=1∆δni=δni−δn/mm-0.1-0.0-0.1-0.71620.490.64u(δ)=Σ(∆δ)=.015Anni611630i=1uB(δn)=/3.0mmu(δn)u(δ)=u2δ(+u2)δ=(8.0)=.0012nAnBnδn−3−38FLD8×6×.9808×726×10×1765×10112Y===.1979×10N/m2−6−3−3πdbδ.3142×.0704×10×775.×10×25.26×10nu(Y)u(F)2u()L2u()D22u(d)2u(b)2u(δn)2=()+()+()+()+()+()=.00205YFLDdbδnY⋅u(Y)112标准不确定度为u(Y)==.00401×10N/mY 课后答案网www.khdaw.com112扩展不确定度为U=2u(Y)=.008×10N/m112所以结果表达式为Y=(Y±U)=.1(98±.008)×10N/m1.光杠杆有什么优点，怎样提高光杠杆测量的灵敏度?答：优点是：可以测量微小长度变化量。提高放大倍数即适当地增大标尺距离D或适当地减小光杠杆前后脚的垂直距离b，可以提高灵敏度，因为光杠杆的放大倍数为2D/b。2.何谓视差，怎样判断与消除视差?答：眼睛对着目镜上、下移动，若望远镜十字叉丝的水平线与标尺的刻度有相对位移，这种现象叫视差，细调调焦手轮可消除视差。3.为什么要用逐差法处理实验数据?答：逐差法是实验数据处理的一种基本方法，实质就是充分利用实验所得的数据，减少随机误差，具有对数据取平均的效果。因为对有些实验数据，若简单的取各次测量的平均值，中间各测量值将全部消掉，只剩始末两个读数，实际等于单次测量。为了保持多次测量的优越性，一般对这种自变量等间隔变化的情况，常把数据分成两组，两组逐次求差再算这个差的平均值。随机误差的统计规律实验目的(1)通过一些简单测量，加深对随机误差统计规律的认识(2)学习正确估算随机误差、正确表达直接测量结果的一般方法(3)了解运用统计方法研究物理现象的简单过程实验方法原理对某一物理量在相同条件下进行n次重复测量(n>100),得到n个结果x,x,⋯,x,先找出它的最小值和最12n大值，然后确定一个区间[x′,x′′，使这个区间包含了全部测量数据。将区间][x′,x′′分成若干个小区间，比如]Kx′′−x′个，则每个小区间的间隔∆为∆=，统计测量结果出现在各个小区间的次数M(称为频数)。以测量数K据为横坐标，只需标明各区间的中点值，以频数M为纵坐标，画出各小区间及其对应的频数高度，则可得到一组矩形图，这就是统计直方图。直方图的包络表示频数的分布，它反映了测量数据的分布规律，也即随机误差的分布规律。实验步骤(1)用钢卷尺测量摆线长。(2)用游标卡尺测量摆球直径。o(3)当摆长不变，摆角(小于5)保持一定时，摆动的周期是一个恒量，用数字秒表测量单摆的周期至少100次，计算测量结果的平均值T和算术平均值的标准差S(x)。(4)保持摆长不变，一次测量20个以上全振动的时间间隔，算出振动周期。数据处理2.072.122.122.162.162.032.062.032.231.842.002.222.112.012.311.942.122.192.062.132.432.122.222.222.131.811.992.032.122.171.912.182.032.192.282.062.062.162.002.002.062.282.162.122.002.092.121.972.112.222.102.032.091.941.932.062.112.132.092.061.941.901.991.912.122.162.132.132.181.912.001.982.002.042.122.052.062.122.032.232.062.252.162.102.112.072.042.092.192.351.992.042.132.222.092.072.102.002.122.07小区间小区间中点值频数M相对频数M/n1.811～1.8721.84120.021.872～1.9341.09350.05 课后答案网www.khdaw.com1.934～1.9961.96580.081.996～2.0582.027180.182.058～2.1202.089340.342.120～2.1822.151190.192.182～2.2442.21380.082.244～2.3062.27530.032.306～2.3682.33720.022.368～2.4302.39910.01dl=.0990md=.003364mL=l+=.100682m220T′=40.44sM10040∑xii=1T==.2051s100301001010002∑(xi−x)20S(x)=i=1=0.006724sn(n−1)10T=T±2S(x)=.2(05±.001)sx40.441.8411.9031.9652.0272.0892.1512.2132.2752.3372.399T′==.2022s20单摆周期统计直方图24π2g=L=.92910m/sT2T24π2gT′=2L=.95594m/sT′2g=.980891m/s0g−gT0E=×100%=.528%Tg0gT′−g0E=×100%=.254%Tg01.什么是统计直方图?什么是正态分布曲线?两者有何关系与区别?答：对某一物理量在相同条件下做n次重复测量，得到一系列测量值，找出它的最大值和最小值，然后确定一个区间，使其包含全部测量数据，将区间分成若干小区间，统计测量结果出现在各小区间的频数M，以测量数据为横坐标，以频数M为纵坐标，划出各小区间及其对应的频数高度，则可得到一个矩形图，即统计直方图。如果测量次数愈多，区间愈分愈小，则统计直方图将逐渐接近一条光滑的曲线，当n趋向于无穷大时的分布称为正态分布，分布曲线为正态分布曲线。2.如果所测得的一组数据，其离散程度比表中数据大，也就是即S(x)比较大，则所得到的周期平均值是否也会差异很大?答：（不会有很大差距，根据随机误差的统计规律的特点规律，我们知道当测量次数比较大时，对测量数据取和求平均，正负误差几乎相互抵消，各误差的代数和趋于零。 课后答案网www.khdaw.com3.测量凹透镜焦距f和实验室给出的f0，比较后计算出的E值（相对误差）一般比较大，试分析E大的原因?答：E较大的原因可能是因为放入凹透镜后所成像的清晰度很难确定，即像的聚焦情况不好，从而导致很难测出清晰成像的位置。4.在测量凸透镜的焦距时，可以利用测得的多组u、v值，然后以u+v作纵轴，以u·v作横轴，画出实验曲线。根据式(3-15-1)事先推断一下实验曲线将属于什么类型，怎样根据这条曲线求出透镜的焦距f?uυf=答：曲线是直线，可根据直线的斜率求出f，f=1/k，因为1/f=1/u+1/v，即u+υ，故可有f=1/k。5.测量凸透镜的焦距时，可以测得多组u、v值，以v/u(即像的放大率)作纵轴，以v作横轴，画出实验曲线。试问这条实验曲线具有什么形状?怎样由这条曲线求出透镜的焦距f?答：曲线是直线，在横轴上的截距就是f。'