大學(xué)物理實驗教程預(yù)習(xí)思考題、分析題參考答案

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【預(yù)習(xí)思考題】1．用電流場模擬靜電場的理論依據(jù)是什么？模擬的條件是什么？用電流場模擬靜電場的理論依據(jù)是：對穩(wěn)恒場而言，微分方程及邊界條件唯一地決定了場的結(jié)構(gòu)或分布，若兩種場滿足相同的微分方程及邊界條件，則它們的結(jié)構(gòu)也必然相同，靜電場與模擬區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)恒電流場具有形式相同的微分方程，只要使他們滿足形式相同的邊界條件，則兩者必定有相同的場結(jié)構(gòu)。模擬的條件是：穩(wěn)恒電流場中的電極形狀應(yīng)與被模擬的靜電場中的帶電體幾何形狀相同；穩(wěn)恒電流場中的導(dǎo)電介質(zhì)是不良導(dǎo)體且電導(dǎo)率分布均勻，并滿足σ極>>σ介以保證電流場中的電極（良導(dǎo)體）的表面也近似是一個等勢面；模擬所用電極系統(tǒng)與被模擬電極系統(tǒng)的邊界條件相同。2．等勢線和電場線之間有何關(guān)系？等勢線和電場線處處相互垂直。3．在測繪電場時，導(dǎo)電微晶邊界處的電流是如何流動的？此處的電場線和等勢線與邊界有什么關(guān)系？它們對被測繪的電場有什么影響？在測繪電場時，導(dǎo)電微晶邊界處的電流為0。此處的電場線垂直于邊界，而等勢線平行于邊界。這導(dǎo)致被測繪的電場在近邊界處受邊界形狀影響產(chǎn)生變形，不能表現(xiàn)出電場在無限空間中的分布特性?！痉治鲇懻擃}】1．如果電源電壓增大一倍，等勢線和電場線的形狀是否發(fā)生變化？電場強度和電勢分布是否發(fā)生變化？為什么？如果電源電壓增大一倍，等勢線和電場線的形狀沒有發(fā)生變化，但電場強度增強，電勢的分布更為密集。因為邊界條件和導(dǎo)電介質(zhì)都沒有變化，所以電場的空間分布形狀就不會變化，等勢線和電場線的形狀也就不會發(fā)生變化，但兩電極間的電勢差增大，等勢線的分布就更為密集，相應(yīng)的電場強度就會增加。2．在測繪長直同軸圓柱面的電場時，什么因素會使等勢線偏離圓形？1.

敘述電流常數(shù)的物理意義。為什么使用靈敏電流計作定量測量時需測定電流常數(shù)？答：靈敏電流計的電流常數(shù)（分度值），是由靈敏電流計本身結(jié)構(gòu)決定的一個常數(shù)，表示“光指針”每偏轉(zhuǎn)單位長度（此處為一個最小分度）所需的電流，單位是A/div.因為測定出電流常數(shù)才能知道最小分度代表多少電流，這樣可以根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的格數(shù)確定電流值。2.

本實驗采用兩次分壓電路（參見圖5.1-6）的目的是什么？答：由于靈敏電流計只能通過極小電流，因此，實驗電路采用兩次分壓電路以獲得靈敏電流計允許的低電壓。3.

靈敏電流計與普通電流計的構(gòu)造有何不同？說明其靈敏度高的原因。答：電流常數(shù)的倒數(shù)稱為靈敏電流計的電流靈敏度

為了提高靈敏電流計的靈敏度，靈敏電流計與普通電流計的構(gòu)造不同，其讀數(shù)系統(tǒng)采用多次反射光學(xué)系統(tǒng)（即在光路中增加反射鏡），這相當于增大了式中的值，而且結(jié)構(gòu)也不因此而龐大。

【分析討論題】1.

推證“半偏法”測內(nèi)阻的原理。答：參見圖5.1-6，當R2=0，“光指針”偏轉(zhuǎn)格數(shù)為d0,即

當R2=R2′，“光指針”偏轉(zhuǎn)格數(shù)為d0/2（半偏），此時

所以，，Rg=R2′2.

說明力矩M磁、M彈、M阻產(chǎn)生的原因以及它們對線圈的作用。答：線圈的豎直兩邊所在處磁場的磁感應(yīng)強度大小相等、方向始終在線圈本身的平面內(nèi)，從而它們受到的安培力大小相等、方向始終與線圈平面垂直，這一對力產(chǎn)生的磁力矩即為

。線圈偏轉(zhuǎn)使得懸絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生反方向的彈性恢復(fù)力矩

。M磁和M彈決定了線圈最后到達的平衡位置。線圈在轉(zhuǎn)動時，還要受到電磁阻尼力矩的作用，電磁阻尼力矩的大小決定線圈的運動特性。3.

阻尼開關(guān)的作用是什么？簡述其工作原理。答：阻尼開關(guān)的作用是使線圈處于欠阻尼狀態(tài)下在“0”點附近振動時，當“光指針”經(jīng)過零點時按下此開關(guān)，光標就會停在零點，這就大大方便了我們的調(diào)節(jié)。其工作原理主要是利用過阻尼狀態(tài)，即當R外較?。≒較大）時，電磁阻尼力矩M阻較大，此時線圈將緩慢地趨向平衡位置。4.

試分析本實驗的主要誤差來源，。答：造成實驗誤差的原因有以下幾處。(1)電流計中Ig與光斑移動距離x不成正比；2)電流計靈敏閾過大,造成指示不靈敏(當電阻箱數(shù)值變化ΔR2不夠大時,觀察不到電流計的電流變化ΔI。因為由ΔR2引起的偏轉(zhuǎn)格數(shù)變化Δd,一定要大于0.1格,否則人眼很難分辨出d是否有變化)；(3)可變電阻R2不準；(4)電源電壓不穩(wěn)；(5)伏特表讀數(shù)不準。

５.用惠斯通電橋測電阻的溫度系數(shù)

【預(yù)習(xí)思考題】1.電橋的平衡與工作電流I的大小有關(guān)嗎？為什么？答：電橋的平衡與工作電流I的大小無關(guān)。電橋接通后，一般在橋路上應(yīng)有電流流過，檢流計的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。適當調(diào)節(jié)R1、R2、Rs的值，使檢流計中的電流Ig等于零，指針應(yīng)指在零位，這時電橋達到了平衡。電橋達到平衡后應(yīng)滿足：I1=I2

Ix=Is

UAB=UAD

UBC=UDC即

則

——電橋的平衡條件

由電橋的平衡條件可知，電橋的平衡與工作電流I的大小無關(guān)。2.在調(diào)節(jié)比較臂電阻Rs使電橋平衡的過程中，若電流計相鄰兩次偏轉(zhuǎn)方向相同或相反，各說明什么問題？下一步應(yīng)該怎樣調(diào)節(jié)Rs，才能盡快使電橋平衡？答：電橋面板右上方為依次相差10倍的四個讀數(shù)盤，聯(lián)合使用，共同表示比較臂電阻Rs的值。在調(diào)節(jié)比較臂電阻Rs，使電橋平衡的過程中，若電流計相鄰兩次偏轉(zhuǎn)方向相同，且指針的擺幅減小或擺速減慢，說明該讀數(shù)盤調(diào)整的方向正確，下一步應(yīng)繼續(xù)沿這個方向調(diào)整該盤；若電流計相鄰兩次偏轉(zhuǎn)方向相反，說明該讀數(shù)盤數(shù)值調(diào)過了，需要倒回一擋，然后調(diào)整減小10倍的另一讀數(shù)盤。這樣依次調(diào)整，直至電橋達到平衡。【分析討論題】1.若電橋內(nèi)所用干電池已使用很久，你認為會影響測量的準確度嗎？為什么？

答：若電橋內(nèi)所用干電池已使用很久，會影響測量的準確度。電橋的靈敏程度直接影響了測量結(jié)果的準確度。電橋的靈敏度愈高，測量誤差愈小。提高電橋靈敏度是減小測量誤差的一個重要方法。在電橋偏離平衡時，應(yīng)用基爾霍夫定律，可以推導(dǎo)出電橋靈敏度為

其中ε為電源電動勢。由上式可以看出電橋靈敏度和電源電動勢的大小有關(guān)，干電池使用久了，電源電動勢減小，會降低電橋的靈敏度，影響測量結(jié)果的準確度。2.QJ23型電橋中按鈕“B”和“G”的作用是什么？應(yīng)按怎樣的順序操作？為什么？答：QJ23型電橋面板的右下方處，B和G是兩個按鈕開關(guān)，分別控制電源回路和檢流計回路。測量時B、G開關(guān)應(yīng)采用點接法。接通電路時，應(yīng)先按下B，再按G；斷開時，先斷G，再斷B。按這樣的順序操作，是為了保護檢流計，以免在電源接通和斷開時產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，而造成檢流計的損壞。

６.預(yù)習(xí)思考題

１.光電池在工作時為什么要處于零偏或反偏

硅光電池負載為零時，短路電流在相當大的范圍由與光照度成線性關(guān)系；而開路電壓與光照度的關(guān)系，顯非線性。因此，由實驗知，負載電阻愈小，光電流與照度之間線性關(guān)系愈好。且線性范圍寬。光功率計中的內(nèi)部電路，須達到在待測量光照度的范圍內(nèi)，其等效電阻大小達到規(guī)定小的要求。

２.光電池對入射光的波長有何要求

光子能量公式E=hv中，一般頻率高的能量比較大，所以以能在金屬板上打出電子的前提下，波長越短越好的。

分析討論題

２．當單個光電池外加負載時，其兩端產(chǎn)生的光伏電壓為何不會超過0.7伏？

當單個光電池生產(chǎn)出來后它的電動勢就確定了，而且光電池的內(nèi)阻較大，當加負載后內(nèi)阻上會有分壓，所以外電壓會小于電動勢（可近似認為是不加負載時用電壓表所測電壓），當負載增加即電流增加時，內(nèi)電壓增加而外電壓（即加負載時電池兩端電壓）減小，這是由光電池的特點決定的。如果電池的內(nèi)阻很小則負載變化時外電壓的變化就較小

３.如何獲得輸出高電壓、大電流輸出的光電池

需要高電壓時應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要大電流時應(yīng)將光電池并聯(lián)使用

７.熱導(dǎo)率和對流傳熱系數(shù)的測量

【預(yù)習(xí)思考題】1．熱導(dǎo)率的物理意義是什么？對流傳熱系數(shù)是什么？熱導(dǎo)率的物理意義為：當相距單位長度的兩個平行平面間的溫度相差一個單位時，在單位時間內(nèi)通過單位面積所傳導(dǎo)的熱量。對流傳熱系數(shù)是在對流傳熱條件下，單位時間內(nèi)經(jīng)對流方式從表面S傳出的熱量與溫度差T1－T2和表面積S的比例。2．如果用本實驗裝置測定良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率，樣品的形狀應(yīng)有何改變？為什么？若要測量良導(dǎo)體樣品，則樣品需做成截面積比較小而傳熱方向上的長度較大的細長形狀。因為良導(dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，樣品只有做的比較長才能在其兩端產(chǎn)生比較明顯、易于測量的溫差，而做的比較細是為了盡可能減小側(cè)面散熱的影響。3．用式（5.3-6）或式（5.3-14）測熱導(dǎo)率要求哪些實驗條件，在實驗中如何保證？需要熱電偶的冷端保持溫度恒定，實驗中采用冰水混合物來保證熱電偶的冷端保持0℃；需要盡可能減小樣品側(cè)面散熱的影響，因此將樣品做成薄圓盤狀；需要樣品的上、下表面各自溫度均勻且易于測量，實驗中加熱盤和散熱盤均為金屬盤且各自與樣品的上、下表面分別密切接觸；需要易于散熱，實驗中采用風(fēng)扇對散熱盤吹風(fēng)來保證；等等?！痉治鲇懻擃}】1．為什么能將數(shù)字電壓表的示值當作溫度值直接代入式（5.3-6）或式（5.3-14）中計算熱導(dǎo)率κ？因為熱電偶冷端溫度為0℃，所以通過熱電偶測得的電壓。所以有，而這就是式（5.3-6）中所包含的全部和溫度相關(guān)的項。由此可見可以將數(shù)字電壓表的電壓示值當作溫度值直接代入式（5.3-6）中進行計算。2．對環(huán)境溫度的測量為什么要在實驗的最后一步而不是在較靠前的步驟進行？理論上對環(huán)境溫度是先測量還是后測量都是一樣的，但是從實際情況分析還是后測量比較準確，這是從減小實驗誤差的角度考慮的。實驗進行前，由于還沒有進行實驗，實驗過程中的散熱也沒有影響，因而實驗前的環(huán)境溫度與實驗后相比必然有一定程度的偏低。而實驗中對散熱過程的測量是在實驗靠后的步驟進行的，此時實驗過程中的散熱必然已經(jīng)使環(huán)境溫度有一定程度的變化，因此最后測量環(huán)境溫度，測得的結(jié)果更接近散熱過程測量所需的環(huán)境溫度。因此，對環(huán)境溫度的測量放在了實驗的最后一步進行。８.預(yù)習(xí)思考題

１.什么是同步？

用?Y軸信號頻率去控制掃描發(fā)生器的頻率，使信號頻率準確地等于掃描頻率或成整數(shù)倍，該電路的控制作用，稱為同步。

２.在觀察李薩如圖形時，能否用示波器的“同步”將其穩(wěn)定下來？如果不能，那是為什么？

不能，因為觀察李薩如圖形時工作在X-Y方式下，內(nèi)部鋸齒波掃描信號被切斷，兩路信號都是從外部輸入，而示波器的“同步”是調(diào)節(jié)內(nèi)部鋸齒波掃描信號的，所以“同步”對李薩如圖形沒有影響。

３.如果被觀測的圖形不穩(wěn)定，出現(xiàn)向左移或向右移的原因是什么？如何使之穩(wěn)定？

由波形顯示原理知：原因是其掃描電壓的周期與被測信號的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開始時波形曲線上的起點均不一樣所造成的。要想使顯示屏上的圖形穩(wěn)定，必須使掃描電壓的周期與被測信號的周期之間滿足Tx/Ty=n（n＝1，2，3，…），n是屏上顯示完整波形的個數(shù)。

分析討論題

1．熒光屏上無光點出現(xiàn)，有哪些可能的原因？怎樣調(diào)節(jié)才能使光點出現(xiàn)？

可能的原因有：電源沒有打開、亮度太小或沒有、光點的位置偏離了顯示屏。首先檢查電源開關(guān)是否打開，（看電源指示燈是否亮）然后將亮度旋鈕調(diào)至較大，（順時針方向調(diào)節(jié)）將Ｘ軸、Ｙ軸輸入端接地，調(diào)節(jié)水平位移和豎直位移，直至亮點出現(xiàn)在顯示屏上。

２.若被測信號幅度太大（在不引起儀器損壞的前提下），則在示波器上看到什么圖形?要想完整地顯示圖形，應(yīng)如何調(diào)節(jié)？

若被測信號幅度太大時看到的是不完整的波形。要想完整地顯示圖形，應(yīng)將示波器的VOlTS/DIV垂直輸入靈敏度選擇開關(guān)根據(jù)被測信號的電壓幅度，選擇適當?shù)臋n級以利觀察，

3．示波器能否用來測量直流電壓？如果能測，應(yīng)如何進行？

能。要測量直流電壓，所用示波器的Y通道應(yīng)采用直流耦合方式（如果示波器的下限頻率不是0，則不能用于測量直流電壓）。進行測量前，必須校準示波器的Y軸靈敏度，并將其微調(diào)旋鈕旋至“校準”位置。測量方法：將垂直輸入耦合選擇開關(guān)置于“⊥”，采用自動觸發(fā)掃描，使熒光屏上顯示一條掃描基線，然后根據(jù)被測電壓極性，調(diào)節(jié)垂直位移旋鈕，使掃描基線處于某特定基準位置（作０V電壓線）；將輸入耦合選擇開關(guān)置于“DC”位置；將被測信號經(jīng)衰減探頭（或直接）接入示波器Y軸輸入端，然后再調(diào)節(jié)Y軸靈敏度（V/cm）開關(guān)，使掃描線有較大的偏移量。設(shè)熒光屏顯示直流電壓的坐標刻度為H（cm），儀器的Y軸靈敏度所指檔級為SY(V/cm)，Y軸探頭衰減系數(shù)K，則被測直流電壓值為UX=H(cm)·SY(V/cm)·K。９.光電效應(yīng)測定普朗克常量

【預(yù)習(xí)思考題】

1．一般來說，光電管的陽極和陰極的材料不同，它們的逸出功也不同，而且陰極的逸出功總是小于陽極的逸出功，因此它們之間的接觸電勢差在K-A空間形成的是一個反向阻擋電場，試定量說明接觸電勢差對光電管伏安曲線的影響？

答：接觸電勢差使光電管伏安曲線向右平移。

2．什么是遏止電勢差Uc？影響遏止電勢差確定的主要因素有哪些？在實驗中如何較精確地確定遏止電勢差？

答：在陰極光電效應(yīng)中，當光電管兩端加上反向電壓時,陰極光電流迅速減小,但直到反電壓達到某個Uc時陰極光電流才為零,Uc稱為陰極光電流遏止電勢差。影響陰極光電流遏止電勢差確定的主要因素有二：1.當光照射到陰極時，必然有部分光漫反射至陽極，至使陽極產(chǎn)生光電效應(yīng)并發(fā)射光電子，這些光電子很易到達陽極而形成陽極光電流；2.當光電管無任何光照時，在外加電壓作用下仍會有微弱電流流過，我們稱之為光電管的暗電流。在實驗中較精確地確定陰極光電流遏止電勢差的方法是：拐點法

3．如何由光電效應(yīng)測出普朗克常量h？

答：由實驗得到遏止電勢差Uc和照射光的頻率的直線關(guān)系，由直線