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大学物理实验(第一册)思考题

2021-12-27 来源:花图问答
霍尔效应及其应用

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 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。

1.在示波器状况良好的情况下,荧光屏看不见亮点,怎样才能 找到亮点?显示的图形不清晰怎么办? 首先将亮点旋钮调至适中位置,不宜过大,否则损坏荧光屏,也不宜聚焦。在示波器面板上关掉扫描信号后(如按下x-y键),调节上下位移键或左右位移键。调整聚焦旋钮,可使图形更清晰。

2.如果正弦电压信号从Y轴输入示波器,荧光屏上要看到正弦波,却只显示一条铅直或水平直线,应该怎样调节才能显示出正弦波?

如果是铅直直线,则试检查x方向是否有信号输入。如x-y键是否弹出,或者(t/div)扫描速率是否在用。

如果是水平直线,则试检查y方向是否信号输入正常。如(v/div)衰减器是否打到足够档位。3.观察正弦波图形时,波形不稳定时如何调节?

调节(t/div)扫描速率旋钮及(variable)扫描微调旋钮,以及(trig level)触发电平旋钮。 4.观察李萨如图形时,如果只看到铅直或水平直线的处理方法?

因为李萨如图形是由示波器x方向的正弦波信号和y方向的正弦波信号合成。所以,试检查CH1通道中的(v/div)衰减器旋钮或CH2通道中的(v/div)衰减器旋钮。

5.用示波器测量待测信号电压的峰-峰值时,如何准确从示波器屏幕上读数?

在读格数前,应使“垂直微调”旋到CAL处。建议用上下位移(position)旋钮将正弦波的波峰或波谷对齐某一横格再数格数,就不会两头数格时出现太大的误差。 6.用示波器怎样进行时间(周期)的测量?

在读格数前,应使“垂直微调”旋到CAL处。根据屏幕上x轴坐标刻度,读得一个周期始末两点间得水平距离(多少div),如果t/div档示值为0.5ms/div,则周期=水平距离(div)×0.5ms/div。 7.李萨如图形不稳定怎么办? 调节y方向信号的频率使图形稳定。 霍尔效应

1、实验过程中导线均接好,开关合上,但Vh无示数,Im和Is示数正常,为什么?

(1) Vh组的导线可能接触不良或已断。仔细检查导线与开关连接以及导线是否完好正常。 (2)Vh的开关可能接触不良。反复扳动开关看是否正常。 (3)可能仪器的显示本身有问题。

2、Im和Is示数稳定,Vh示数极不稳定,为什么? 仪器本身问题。更换仪器。

3、利用对称测量法测霍耳电压时,改变Is或Im方向,霍耳电压值的符号不改变? (1)可能由于霍耳元件的四根连线连接错误而导致霍耳元件已烧坏。 (2)可能导线未接在中间的接线柱上,导致开关不能改变方向。

4、接好连线后打开仪器Im或Is示数为零,Vh有示数?

(1) 导线及霍耳元件的连线接触不良或已断,重新将连线连好,已断的重新焊接。 (2) 两组开关可能接触不良。

5、Im或Is示数不稳定从而Vh示数不稳定? (1)仪器本身有故障。

(2)调节Im或Is过快使仪器反应发生失灵现象。关闭仪器,重新打开仪器后缓慢调节Im或Is (3)调节Im或Is的旋钮接触不良。 6、结果误差偏大?

(1)霍耳电压电压值偏离原定的值,而操作者未注意。 (2)长时间通电流是霍耳元件性能有影响,造成误差偏大。

(3)仪器X2刻度尺下的小游标的位置可能被移动,使得结果误差偏大。

声速测量

1.用“驻波共振法”测波长时,如何调出示波器上正弦波形? ⑴示波器“Y轴衰减”旋钮应置于较小数值档。

⑵移动接收器S2时,荧光屏上宽带的宽度应变化。如不变,可交换输入到示波器的两接线柱位置,或交换输入到发射器S1的两接线柱位置。 ⑶调节扫描频率即可调出正弦波。

2.用“相位比较法”测波长时,如何调出椭圆或直线?

⑴接收器S2接收到的信号应从示波器“X输入”端输入,发射器S1信号应输入到示波器“Y轴输入”端,且“Y轴衰减”旋钮应置于较大数值档。

⑵如果还不能出现椭圆或直线,可交换S1或S2两接线柱位置。

3.用“驻波共振法”和“相位比较法”测波长时,如严格按上述方法操作,还是调不出应有波形,怎么办? 此时可能是连接导线断路或接头接触不好,应用万用电表欧姆档对每根导线进行检查,确保每根导线无断裂,各个接头接触良好。

4.为什么在实验过程中改变S1、S2间距离时,压电换能器S1和S2两表面应保持互相平行且正对?不平行会产生什么问题?

因为只有当S1、S2表面保持互相平行且正对时,S1S2间才可能形成驻波,才会出现波腹和波节,S2表面才会出现声压极大值,屏幕上才会出现正弦波振幅发生变化,由此可测超声声波波长。

如果S1、S2表面不平行,则S1、S2间形不成驻波,屏幕上正弦波振幅不会发生变化,就不能用驻波共振法测波长,故实验中必须使S1、S2表面平行。

5.如何调节与判断测量系统是否处于共振状态?

使用驻波共振法,当示波器上出现振幅最大正弦波时,表示S1、S2间处于驻波共振状态。调节方法是移动S2,观察示波器上正弦波振幅变化。

6.使用“驻波共振法”测声速时,为什么示波器上观察到的是正弦波而不是驻波?

因为驻波是在发射器S1与接收器S2间形成,接收器S2接收到的是一个声压信号,在驻波波节位置,声压信号最强,输入到示波器Y偏转板,经X偏转板扫描,故示波器上观察到的是正弦波。

7.使用“驻波共振法”测声速时,示波器上观察到的正弦波振幅为什么随S1S2间距增大而越来越小? 这是因为超声波在空气中传播时,由于波动能量总有一部分会被空气吸收,波的机械能会不断减少,波强逐渐减弱,振幅逐渐减少。

8.用“相位比较法”测声速时,为什么只有当李萨如图为直线时才读数?

因为李萨如图形为椭圆时,由于椭圆形状、大小不确定,接收器S2位置难以确定。只有当李萨如图形为直线时,图形直观唯一,容易确定S2位置。

9.测声速时,“驻波共振法”与“位相比较法”两种电路可交换吗?

不能。因为驻波共振法只把接收器S2接收到的信号输入到示波器Y偏转板,观察到的是正弦波信号。而位相比较法把接收器S2信号输入示波器X偏转板,发射器S1信号输入到Y偏转板,观察到的是李萨如图形。 10.为何两种方法均测半波长值而不直接测波长值?

因为超声波在空气中有衰减,如果直接测波长值,测得数据个数少,由于衰减,后面数据测不出来。而测半波长,数据个数多,又便于用逐差法处理数据,减少测量误差

分光计

1.总结分光计精细调节应满足那几点要求?怎么判断是否调节好?

2.调节望远镜时,若找不到平面镜反射回来的绿色亮“十”字,估计有哪些原因? 3.在在舞台上放置三棱镜时,为什么要使折射面垂直于在舞台调平螺钉的连线? 1 分光计要作精密测量,它必须首先满足下述两个要求: ①入射光和出射光应当是平行光;

②入射光和出射光的方向以及反射面和出射面的法线都与分光计的刻度盘平行. 为达此目的,对分光计的调节要求是: a.望远镜聚焦于无穷远;

b.望远镜光轴与分光计中心轴垂直;

c.平行光管发射平行光,且其光轴也与分光计中心轴垂直 2 如果找不到,则粗调没有达到要求,应重调 3 方便调节,只有这两个螺钉影响镜面的垂直度

1.已调好望远镜光轴垂直仪器主轴,若将平面镜取下后又放到载物台上(放的位置与拿下前的位置不同),发现两镜面又不垂直望远镜光轴了,即反射像的位置又不正确了,这是为什么?是否说明望远镜光轴还没调好?

2.用汞灯做光源测定最小偏向角时,当测完黄光的最小偏向角后,能否不再转动载物台,只稍微移动望远镜即可测出其他波长的最小偏向角?试说明之。

1.答:不能说明望远镜光轴还没有调好。因为将平面镜取下后,又放到载物台上(放的位置与拿下前的位置不同),这时平面镜已经不与仪器主轴平行了,所以不能说明望远镜光轴还没有调好。

2.因为黄光在此四色光中最小偏向角最小,当测试完黄光之后,若再把其他光的光谱线向光轴延长线方向移动,必然会向相反方向移动,此既说明其他光谱线已在最小偏向角需测量位置,故可以

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V

误差”或 “方法误差”是可以修正的。测出电压V和电流I,则 =RL+RA,

I

V

所以RL= -RA=RL´+RA ①。

I

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RA<>RA,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. 1、推导自组惠斯通电桥实验公式:RX=RS·RS 。 2、何谓比较法?实验中用哪两个物理量进行比较?

答:比较法是将相同类型的被测量与标准量直接或间接地进行比较,从而求出其大小的一种测量方法。电桥法测电阻是将被测电阻与已知阻值的标准电阻进行比较。 3、何谓电桥平衡?实验中如何判断电桥平衡?

答:电桥电路中,桥支路的两个顶点(教材P81图4.7-1中的B、D两点)的电势相等时,检流计中无电流通过,称为电桥达到平衡。判断电桥平衡的方法有二:一是反复通断G键,看检流计有无偏转(跃接法);二是稍稍改变RS ,观察检流计有无偏转。

惠更斯

[实验后思考题]

1、自组电桥实验中,检流计指针总向一边偏转,可能的原因有几种?

答:检流计指针总偏向一边,可能是比率臂(倍率)C选择不恰当,此时只要改变C的值,就能使指针偏向另一边。另一种可能是四个桥臂中有一个桥臂断开,或者两个正对的桥臂同时断开。

2、为什么G要用按扭开关而不用一般的开关? 答:便于跃接,以防非瞬时的过载电流损坏检流计。 3、箱式电桥中选择比率C时应注意什么?

答:选择比率时,应根据被测电阻的粗测值来选定相应的倍率值,要保证RS 可读出四位有效数字,即四个读数盘都要用上。

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4、QJ--23电桥接线柱“内接”和“外接”的作用是什么?实验结束后为什么要将短路片接到“内接”接线柱上?

答:“外接”是指使用内附检流计,此时短路金属片应接到“外接”位置。“内接”是使内附检流计短路,此时检流计处于阻尼状态,在搬动电桥时不会受到损害。

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