大學物理實驗預習及課后思考題

實驗一霍爾效應及其應用

【預習思考題】

1．列出計算霍爾系數、載流子濃度n、電導率σ及遷移率μ的計算公式，并注明單位。

霍爾系數，載流子濃度，電導率，遷移率。

2．如已知霍爾樣品的工作電流及磁感應強度B的方向，如何判斷樣品的導電類型？

以根據右手螺旋定則，從工作電流旋到磁感應強度B確定的方向為正向，若測得的霍爾電壓為正，則樣品為P型，反之則為N型。

3．本實驗為什么要用3個換向開關？

為了在測量時消除一些霍爾效應的副效應的影響，需要在測量時改變工作電流及磁感應強度B的方向，因此就需要2個換向開關；除了測量霍爾電壓，還要測量A、C間的電位差，這是兩個不同的測量位置，又需要1個換向開關?？傊?，一共需要3個換向開關。

【分析討論題】

1．若磁感應強度B和霍爾器件平面不完全正交，按式（5.2-5）測出的霍爾系數比實際值大還是?。恳獪蚀_測定值應怎樣進行？

若磁感應強度B和霍爾器件平面不完全正交，則測出的霍爾系數比實際值偏小。要想準確測定，就需要保證磁感應強度B和霍爾器件平面完全正交，或者設法測量出磁感應強度B和霍爾器件平面的夾角。

2．若已知霍爾器件的性能參數，采用霍爾效應法測量一個未知磁場時，測量誤差有哪些來源？

誤差來源有：測量工作電流的電流表的測量誤差，測量霍爾器件厚度d的長度測量儀器的測量誤差，測量霍爾電壓的電壓表的測量誤差，磁場方向與霍爾器件平面的夾角影響等。

實驗二聲速的測量

【預習思考題】

1.如何調節(jié)和判斷測量系統(tǒng)是否處于共振狀態(tài)？為什么要在系統(tǒng)處于共振的條件下進行聲速測定？

答：緩慢調節(jié)聲速測試儀信號源面板上的“信號頻率”旋鈕，使交流毫伏表指針指示達到最大（或晶體管電壓表的示值達到最大），此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，顯示共振發(fā)生的信號指示燈亮，信號源面板上頻率顯示窗口顯示共振頻率。在進行聲速測定時需要測定駐波波節(jié)的位置，當發(fā)射換能器S1處于共振狀態(tài)時，發(fā)射的超聲波能量最大。若在這樣一個最佳狀態(tài)移動S1至每一個波節(jié)處，媒質壓縮形變最大，則產生的聲壓最大，接收換能器S2接收到的聲壓為最大，轉變成電信號，晶體管電壓表會顯示出最大值。由數顯表頭讀出每一個電壓最大值時的位置，即對應的波節(jié)位置。因此在系統(tǒng)處于共振的條件下進行聲速測定，可以容易和準確地測定波節(jié)的位置，提高測量的準確度。

2.壓電陶瓷超聲換能器是怎樣實現機械信號和電信號之間的相互轉換的？

答：壓電陶瓷超聲換能器的重要組成部分是壓電陶瓷環(huán)。壓電陶瓷環(huán)由多晶結構的壓電材料制成。這種材料在受到機械應力，發(fā)生機械形變時，會發(fā)生極化，同時在極化方向產生電場，這種特性稱為壓電效應。反之，如果在壓電材料上加交變電場，材料會發(fā)生機械形變，這被稱為逆壓電效應。聲速測量儀中換能器S1作為聲波的發(fā)射器是利用了壓電材料的逆壓電效應，壓電陶瓷環(huán)片在交變電壓作用下，發(fā)生縱向機械振動，在空氣中激發(fā)超聲波，把電信號轉變成了聲信號。換能器S2作為聲波的接收器是利用了壓電材料的壓電效應，空氣的振動使壓電陶瓷環(huán)片發(fā)生機械形變，從而產生電場，把聲信號轉變成了電信號。

【分析討論題】

1.為什么接收器位于波節(jié)處，晶體管電壓表顯示的電壓值是最大值？

答：兩超聲換能器間的合成波可近似看成是駐波。其駐波方程為

A（x）為合成后各點的振幅。當聲波在媒質中傳播時，媒質中的壓強也隨著時間和位置發(fā)生變化，所以也常用聲壓P描述駐波。聲波為疏密波，有聲波傳播的媒質在壓縮或膨脹時，來不及和外界交換熱量，可近似看作是絕熱過程。氣體做絕熱膨脹，則壓強減?。蛔鼋^熱壓縮，則壓強增大。媒質體元的位移最大處為波腹，此處可看作既未壓縮也未膨脹，則聲壓為零，媒質體元位移為零處為波節(jié)，此處壓縮形變最大，則聲壓最大。由此可知，聲波在媒質中傳播形成駐波時，聲壓和位移的相位差為。令P（x）為駐波的聲壓振幅，駐波的聲壓表達式為

波節(jié)處聲壓最大，轉換成電信號電壓最大。所以接收器位于波節(jié)處，晶體管電壓表顯示的電壓值是最大值。

2.用逐差法處理數據的優(yōu)點是什么？

答：逐差法是物理實驗中處理數據的一種常用方法，是對等間隔變化的被測物理量的數據，進行逐項或隔項相減，來獲得實驗結果的數據處理方法。逐差法進行數據處理有很多優(yōu)點，可以驗證函數的表達形式，也可以充分利用所測數據，具有對數據取平均的效果，起到減小隨機誤差的作用。本實驗用隔項逐差法處理數據，減小了測量的隨機誤差。

實驗三衍射光柵

【預習思考題】

1.如何調整分光計到待測狀態(tài)?

答：（1）調節(jié)望遠鏡適合接收平行光，且其光軸垂直于儀器中心軸；

（2）平行光管能發(fā)出平行光，且其光軸垂直于儀器中心軸；

（3）載物臺的臺面垂直于儀器中心軸。

2.調節(jié)光柵平面與入射光垂直時，為什么只調節(jié)載物臺調平螺釘b、c，而當各級譜線左右兩側不等高時，又只能調節(jié)載物臺調平螺釘a？

答：調節(jié)光柵平面與入射光垂直時，光柵放在載物臺調平螺釘b、c的垂直平分線上，望遠鏡和平行光管已調好，調節(jié)載物臺調平螺釘a不能改變光柵面與入射光的夾角，只能調節(jié)螺釘b或c使光柵面反射回來的“+”字像與分劃板上“”形叉絲的上十字重合，此時光柵平面與入射光垂直。

當各級譜線左右兩側不等高時，說明光柵刻線與載物臺平面不垂直，調節(jié)b、c破壞入射光垂直光柵面，只調節(jié)a即可使各級譜線左右兩側等高。

【分析討論題】

1.利用本實驗的裝置如何測定光柵常數？

矯頑力即可，但實際上矯頑力的大小通常并不知道，則無法確定退磁電流的大小。常采用的退磁方法是首先給要退磁的材料加上一個大于（至少等于）原磁化場的交變磁場（本實驗中順時針方向轉動“U選擇”旋鈕，令U從0依次增至3V），鐵磁材料的磁化過程是一簇逐漸擴大的磁滯回線。然后逐漸減小外加磁場，（本實驗中逆時針方向轉動旋鈕，將U從最大值依次降為0），則會出現一簇逐漸減小而最終趨向原點的磁滯回線。當外加磁場H減小到零時，鐵磁材料的磁感應強度B亦同時降為零，即達到完全退磁。

2.如何判斷鐵磁材料屬于軟、硬磁性材料？

答：軟磁材料的特點是：磁導率大，矯頑力小，磁滯損耗小，磁滯回線呈長條狀；硬磁材料的特點是：剩磁大，矯頑力也大，磁滯特性顯著，磁滯回線包圍的面積肥大。

【分析討論題】

1.本實驗通過什么方法獲得H和B兩個磁學量？簡述其基本原理。

答：本實驗采用非電量電測技術的參量轉換測量法，將不易測量的磁學量轉換為易于測量的電學量進行測定。按測試儀上所給的電路圖連接線路，將電壓UH和UB分別加到示波器的“x輸入”和“y輸入”，便可觀察到樣品的磁滯回線，同時利用示波器測繪出基本磁化曲線和磁滯回線上某些點的UH和UB值。根據安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強為

(L為樣品的平均磁路)

根據法拉弟電磁感應定律，樣品的磁感應強度瞬時值

由以上兩個公式可將測定的UH和UB值轉換成H和B值，并作出H~B曲線。

【實驗儀器】

2.鐵磁材料的磁化過程是可逆過程還是不可逆過程？用磁滯回線來解釋。

答：鐵磁材料的磁化過程是不可逆過程。鐵磁材料在外加磁場中被磁化時，外加磁場強度H與鐵磁材料的磁感應強度B的大小是非線性關系。當磁場H從零開始增加時，磁感應強度B隨之以曲線上升，當H增加到Hm時，B幾乎不再增加，達到飽和值Bm，從O到達飽和狀態(tài)這段B-H曲線，稱為起始磁化曲線。當外加磁場強度H從Hm減小時，鐵磁材料的磁感應強度B也隨之減小，但不沿原曲線返回，而是沿另一曲線下降。當H下降為零時，B不為零，仍保留一定的剩磁Br，使磁場反向增加到-Hc時，磁感應強度B下降為零。繼續(xù)增加反向磁場到-Hm，后逐漸減小反向磁場直至為零，再加上正向磁場直至Hm，則得到一條閉合曲線，稱為磁滯回線。從鐵磁材料的起始磁化曲線和磁滯回線可以看到，外加磁場強度H從Hm減小到零時的退磁曲線與磁場H從零開始增加到Hm時的起始磁化曲線不重合，說明退磁過程不能重復起始磁化過程的每一狀態(tài)，所以鐵磁材料的磁化過程是不可逆過程。

實驗九用動態(tài)法測定金屬棒的楊氏模量

【預習思考題】

1．試樣固有頻率和共振頻率有何不同，有何關系?

固有頻率只由系統(tǒng)本身的性質決定。和共振頻率是兩個不同的概念，它們之間的關系為：

式中Q為試樣的機械品質因數。一般懸掛法測楊氏模量時，Q值的最小值約為50，所以共振頻率和固有頻率相比只偏低0.005%，故實驗中都是用f共代替f固，

2．如何盡快找到試樣基頻共振頻率?

測試前根據試樣的材質、尺寸、質量，通過（5.7-3）式估算出共振頻率的數值，在上述頻率附近尋找。

【分析討論題】

1．測量時為何要將懸線吊扎在試樣的節(jié)點附近？

理論推導時要求試樣做自由振動，應把線吊扎在試樣的節(jié)點上，但這樣做就不能激發(fā)試樣振動。因此，實際吊扎位置都要偏離節(jié)點。偏離節(jié)點越大，引入的誤差就越大。故要將懸線吊扎在試樣的節(jié)點附近。

2．如何判斷銅棒發(fā)生了共振?

可根據以下幾條進行判斷：

（1）換能器或懸絲發(fā)生共振時可通過對上述部件施加負荷(例如用力夾緊)，可使此共振信號變小或消失。

（2）發(fā)生共振時，迅速