近代物理实验思考题答案
近代物理实验思考题答案
近代物理实验思考题答案一、夫兰克—赫兹实验1解释曲线I p -V G2形成的原因答;充汞的夫兰克-赫兹管,其阴极K 被灯丝H 加热,发射电子。
电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量,并与汞原子碰撞,栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ,只有穿过栅极后仍有较大动能的电子,才能克服拒斥电场作用,到达板极形成板流A I 。
2实验中,取不同的减速电压V p 时,曲线I p -V G2应有何变化?为什么?答;减速电压增大时,在相同的条件下到达极板的电子所需的动能就越大,一些在较小的拒斥电压下能到达极板的电子在拒斥电压升高后就不能到达极板了。
总的来说到达极板的电子数减小,因此极板电流减小。
3实验中,取不同的灯丝电压V f 时,曲线I p -V G2应有何变化?为什么?答;灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大,灯丝的温度升高,从而在其他参数不变得情况下,单位时间到达极板的电子数增加,从而极板电流增大。
灯丝电压不能过高或过低。
因为灯丝电压的高低,确定了阴极的工作温度,按照热电子发射的规律,影响阴极热电子的发射能力。
灯丝电位低,阴极的发射电子的能力减小,使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少,从而使板极A 所检测到的电流减小,给检测带来困难,从而致使A GK I U 曲线的分辨率下降;灯丝电压高,按照上面的分析,灯丝电压的提高能提高电流的分辨率。
但灯丝电压高, 致使阴极的热电子发射能力增加,同时电子的初速增大,引起逃逸电子增多,相邻峰、谷值的差值却减小了。
二、塞曼效应1、什么叫塞曼效应,磁场为何可使谱线分裂?答;若光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别而不同。
后人称此现象为塞曼效应。
原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。
总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进从而可以使谱线分离2、叙述各光学器件在实验中各起什么作用?答;略3、如何判断F-P 标准具已调好?答;实验时当眼睛上下左右移动时候,圆环无吞吐现象时说明F-P 标准具的两反射面平行了。
夫兰克-赫兹实验思考题
弗兰克赫兹实验1、简要解释伏安特性曲线的奇特性?玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……,处在这些状态的原子是稳定的,称为定态。
原子的能量不论通过什么方式发生改变,只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;②原子从一个定态跃迁到另一个定态时,它将发射或吸收辐射的频率是一定的。
如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量,则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定:hv=|Em-En|h为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁,也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。
本实验即让电子在真空中与氩蒸气原子相碰撞。
设氩原子的基态能量为E1,第一激发态的能量为E2,从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2-E1。
初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU,若eU小于E2-E1这份能量,则电子与氩原子只能发生弹性碰撞,二者之间几乎没有能量转移。
当电子的能量eU≥E2-E1时,电子与氩原子就会发生非弹性碰撞,氩原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份,使自己从基态跃迁到第一激发态,而多余的部分仍留给电子。
设使电子具有E2-E1能量所需加速电场的电位差为U0,则eU0=E2-E1U0为氩原子的第一激发电位(或中肯电位)在充氩的F—H管中,电子由热阴极发出,阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K 使电子加速。
第一栅极对电子加速起缓冲作用,避免加速电压过高时将阴极损伤。
在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2 。
当电子通过KG2空间,如果具有较大的能量(≥eUpG2 )就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流,被微电流计pA检测出来。
如果电子在KG2空间因与氩原子碰撞,部分能量给了氩原子,使其激发,本身所剩能量太小,以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回,通过电流计pA的电流就将显著减小。
当UG2K 逐渐增加时,电子在加速过程中能量也逐渐增大,但电压在初升阶段,大部分电子达不到激发氩原子的动能,与氩原子只是发生弹性碰撞,基本上不损失能量,于是穿过栅极到达板极,形成的板流Ip随UG2K 的增加而增大。
近代物理实验步骤(第一部分)
《近代物理实验》实验资料(第一部分)2012.3.6写在实验前的话既然你选择了物理,不管是主动选择还是被动选择,你就应该热爱实验,认真做好实验,尊重实验客观现象。
要摆正实验目的,实验不是简单的为了获得数据,要注重实验过程,实验过程多思考,多问为什么。
当你回避或敷衍应付实验时,你在实验方面将一无所获。
如果你通过学习本课,你深刻理解了每个实验的巧妙的实验思想,当你由此叹服科学家们的奇思妙想,并因此为解决某个问题在脑里产生各种实验设想时,即使这些设想是异想天开的,但我还是我祝贺你,祝贺你爱上了实验,你已经学会了在实验中享受快乐。
在我看来,错过一门实验课的学习要比错过一门理论课的学习损失得多。
因为只要你足够聪明,只要你有时间,只要你愿意,你还是有可能把错过的理论课重新学好,而实验课则不然,因为你不可能自己拥有一个实验室。
也许到目前为止,你可能认为实验报告是很容易写的。
在我看来,与其写一百个没有任何思考的实验报告,不如写一、两个精品实验报告收获更多。
应付式的实验报告只会是浪费时间,就犹如你到了大三还在做加减练习一样毫无意义。
我希望你认真写出经过思考有独立见解的实验报告,如果哪天我准许你免交实验报告时,恭喜你学会了写报告。
从以往批改的实验报告来看,只有少数同学知道怎样去处理实验数据,也只有少数同学愿意花时间来认真学习数据处理方法——虽然这是物理学科学生最必备的知识;只有少数同学知道怎样正确使用万用表和示波器等常用仪器。
我希望通过学习本课,能真正提高你的数据处理能力(广义的实验数据包括数字、现象、图形、特征等),希望你在实验过程中注意知识的积累;希望你对于不理解的问题,能主动与老师交流,或查阅有关文献或网络。
对于考研的同学,我支持,但考研不能成为要求我对你放松的理由;对于学生干部,我支持你的工作,但教学计划外的任何事情都不能影响到教学计划内的教学。
可能你只是考虑到自己的利益,而我要考虑的是对所有同学的公平。
温馨提示:1、请保持资料整洁,不要拿走本资料(本资料的电子版班已发到班长信箱了);2、实验结束后请认真填写实验仪器使用登记表;3、请不要动用与实验无关的仪器设备,不要随意搬动实验仪器、不要随意取用实验室纸张;4、光学类的实验往往需要在全暗或半暗的环境中进行,请不要打开门窗帘;5、请不要带食物到实验室来吃,以免因食物残留气味招来老鼠,严禁在实验室抽烟。
近代物理实验思考题
实验一密立根油滴实验
1、如何选取合适的油滴?
2、怎样使油滴匀速下落?
3、为什么必须使油滴做匀速运动或静止?实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动?
4、怎样区别油滴上电荷的改变和测量时间的误差?
5、如果电场作用力仅使油滴速度改变,而未能改变方向,那么结果应如何处理?
实验二弗兰克-赫兹实验
1、为什么I
A -U
KG
会呈周期性起伏变化?而且其谷点的电流值并不等于零?
2、为什么随U
KG 的增加,I
A
的峰值越来越高?
实验三光电效应法测普朗克常量
1、什么是电子逸出功?如果一种物质逸出功为 2.0ev,那么它做成光电管阴极时能探测的波长红限是多少?
2、确定截止电位差的交点法和拐点法各是什么?
3、为什么自由电子不可能吸收光子,而物质中的电子有可能吸收光子并产生光电效应?
4、如何从实验数据及其U—I图线求出阴极材料的逸出功W
s
?
5、实验时能否将滤色片插到光源的光阑口上?为什么?
6、截止电压为什么不易测准?影响截止电压测准的因素是什么?
7、在本实验中,引起误差的主要原因是什么?
实验四霍尔效应测量磁场
1、在磁场测量过程中是否一定要保持电流IS不变?为什么?
2、根据霍耳系数与载流子浓度的关系,试回答,金属为何不宜制作霍耳元件?
3、试判断,在其他条件一样时,温度提高,VH是变大还是变小?由你判断的结果,设想霍耳元件还可有什么用途?
4、利用霍耳元件可以读取磁带或磁盘记录的信息,试说明其原理。
5、利用霍耳元件可制成罗盘指示方向,试说明其原理。
近代物理实验习题答案精编WORD版
近代物理实验习题答案精编W O R D版IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】《近代物理实验》练习题参考答案一、 填空1、核物理实验探测的主要对象是核衰变时所辐射的?射线、?射线和中子。
因为这些粒子的尺度非常小,用最先进的电子显微镜也不能观察到,只能根据射线与物质相互作用产生的各种效应实现探测。
2、探测器的能量分辨率是指探测器对于能量很接近的辐射粒子加以区分的能力。
用百分比表示的能量分辨率定义为: %峰位置的脉冲幅度宽度最大计数值一半处的全1000V V ⨯∆=R 。
能量分辨率值越小,分辨能力越强。
3、?射线与物质相互作用时,其损失能量方式有两种,分别是电离和激发。
其中激发的方式有三种,它们是光电效应、康普顿效应和电子对效应。
4、对于不同的原子,原子核的质量 不同 而使得里德伯常量值发生变化。
5、汞的546.1nm 谱线的塞曼分裂是 反 常塞曼效应。
6、由于氢与氘的 能级 有相同的规律性,故氢和氘的巴耳末公式的形式相同。
7、在塞曼效应实验中,观察纵向效应时放置1/4波片的目的是 将圆偏振光变为线偏振光 。
8、射线探测器主要分“径迹型”和“信号型”两大类。
径迹型探测器能给出粒子运动的轨迹,如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、火花室等。
这些探测器大多用于高能核物理实验。
信号型探测器则当一个辐射粒子到达时给出一个信号。
根据工作原理的不同又可以分成气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种,这是我们在低能核物理实验中最常用的探测器。
9、测定氢、氘谱线波长时,是把氢、氘光谱与铁光谱拍摄到同一光谱底片上,利用线性插值法来进行测量。
10、在强磁场中,光谱的分裂是由于能级的分裂引起的。
11、原子光谱是线状光谱。
12、原子的不同能级的总角动量量子数J不同,分裂的子能级的数量也不同。
13、盖革-弥勒计数管按其所充猝灭气体的性质,可以分为①有机管和②卤素管两大类。
实验思考题答案
大学物理近代实验思考题一1.夫兰克-赫兹实验测出的汞原子的第一激发电位的大小与F-H管的温度有无关系为什么答:夫兰克赫兹实验所测出的汞原子的第一激发电位与F-H管的温度是没有关系的。
因为虽然当温度升高,会使管内的热电子数量增加,从而导致曲线峰电流增大,曲线位置受影响向上移动,但是Vg是一定的,汞的第一激发电位为不变。
即:由汞原子能级的结构决定了第一激发电位。
2.在夫兰克-赫兹实验中,为什么IA-UGK曲线的波峰和波谷有一定的宽度答: 因灯丝发射的电子初动能存在一个分布,且灯丝发射的电子其能量分散小于零点几个电子伏特;电子加速后的动能也存在一个分布,这就是峰电流和谷电流存在一定宽度的原因。
3:为什么IA-UGK曲线的波谷电流不等于零,并且随着UGK的增大而升高答:1.波谷电流不为零是因为:电子在栅极附近跟汞原子发生碰撞存在一定的几率,因此总有部分电子没和汞原子发生碰撞而直接到达A级从而形成电流。
故其不为0。
2.波谷电流随着UGK的增大而升高是因:随着UGK的增大,在栅极附近没和汞原子发生碰撞,而直接到达A级形成电流的电子数量会不断增多,从而使波谷电流增大。
4题分析,当电子管的灯丝电压变化时,IA-UGK曲线应有何变化为什么答:若电子管的灯丝电压变大时,电子动能也会变大,从而使得电子为第一激发势时还有剩余动能;与汞原子碰撞之后剩余的能量越多,能够克服拒斥电场到达A极的电子就会越多,而极板间电流也就越大,所以在汞的第一激发势固定为Vg间隔时,曲线越尖锐。
反之亦然!5题:电子管内的空间电位是如何分布的板极与栅极之间的反向拒斥电压起什么作用答:电子馆内的电位分布为:Vk>VG1=VG2>VA;反向拒斥电压的作用为:挑选能量大于UGA的电子,从而冲过拒斥电压形成通过电流计的电流。
6题:RE:在夫兰克-赫兹实验中,提高灯丝电压,IA-UG2A会有什么变化为什么若提高拒斥电压,IA-UG2A会有什么变化为什么答:提高灯丝电压,电子获得的动能增加,电子数增加,克服拒斥电压后将有较多电子形成电流,所以曲线电流幅度加大;而拒斥电压增加,能克服它的电子数将减少,电流也减小,所以曲线幅度也就减小了。
大学物理实验思考题(附答案)
“大学物理实验”思考题1. 什么是测量误差,从形成原因上分哪几类?A 类和B 类不确定度指什么?试举例(比如导线直径的测量)计算分析说明。
测量结果和实际值并不完全一致,既存在误差。
误差分为系统误差,随机误差,粗大误差。
A类不确定度:在同一条件下多次重复测量时,由一系列观察结果用统计分析评定的不确定度。
B类不确定度:用其他方法(非统计分析)评定的不确定度。
2. 就固体密度的测量实验来分析间接测量结果与不确定度。
3. 螺旋测微器、游标卡尺、读数显微镜都是测量长度的工具,试具体各举一个例子详细说明这些仪器是如何读数的?另外,在螺旋测微器实验中,为什么要关注零点的问题?如何来进行零点修正呢?螺旋测微器:螺旋测微器的精密螺纹的螺距是0.5mm,可动刻度有50个等分刻度,可动刻度旋转一周,测微螺杆可前进或后退0.5mm,因此旋转每个小分度,相当于测微螺杆前进或推后0.5/50=0.01mm.游标卡尺:以游标零刻线位置为准,在主尺上读取整毫米数.看游标上哪条刻线与主尺上的某一刻线(不用管是第几条刻线)对齐,由游标上读出毫米以下的小数.总的读数为毫米整数加上毫米小数.读数显微镜与螺旋测微器类似4. 图线法、逐差法、最小二乘法都是处理数据的常用方法,它们各有什么好处?如何进行?试各举一个例子加以详细说明。
图线法简便,形象,直观。
逐差法提高了实验数据的利用率,减小了随机误差的影响,另外也可减小中仪器误差分量。
最小二乘法理论上比较严格,在函数形式确定后,结果是唯一的,不会因人而异。
5. 测量微小的形变量,常用到光杠杆,请叙述光杠杆的测量原理,并导出基本测量公式。
6. 迅速调出光杠杆是一个技术性很强的实验步骤,请具体说明操作的基本步骤。
(1)调整望远镜水平,光杠杆平面镜竖直(2)调整望远镜与光杠杆平面镜高度相同(3)沿望远镜外侧边沿上方使凹口、瞄准星、平面镜在同一直线上,左、右移动望远镜在镜子里找到竖直尺的像;若找不到,可微调镜子的角度,直到找到为止。
物理实验思考题(答案)
物理实验思考题(答案)光学实验思考题集一、薄透镜焦距的测定⒈远方物体经透镜成像的像距为什么可视为焦距?答:根据高斯公式vf u f '+=1,有其空气中的表达式为'111f v u =+-,对于远方的物体有u =-∞,代入上式得f ′=v ,即像距为焦距。
⒉如何把几个光学元件调至等高共轴?粗调和细调应怎样进行?答:对于几个放在光具座上的光学元件,一般先粗调后细调将它们调至共轴等高。
⑴ 粗调将光学元件依次放在光具座上,使它们靠拢,用眼睛观察各光学元件是否共轴等高。
可分别调整:1) 等高。
升降各光学元件支架,使各光学元件中心在同一高度。
2) 共轴。
调整各光学元件支架底座的位移调节螺丝,使支架位于光具座中心轴线上,再调各光学元件表面与光具座轴线垂直。
⑵细调(根据光学规律调整)利用二次成像法调节。
使屏与物之间的距离大于4倍焦距,且二者的位置固定。
移动透镜,使屏上先后出现清晰的大、小像,调节透镜或物,使透镜在屏上成的大、小像在同一条直线上,并且其中心重合。
⒊能用什么方法辨别出透镜的正负?答:方法一:手持透镜观察一近处物体,放大者为凸透镜,缩小者为凹透镜。
方法二:将透镜放入光具座上,对箭物能成像于屏上者为凸透镜,不能成像于屏上者为凹透镜。
⒋测凹透镜焦距的实验成像条件是什么?两种测量方法的要领是什么?答:一是要光线近轴,这可通过在透镜前加一光阑档去边缘光线和调节共轴等高来实现;二是由于凹透镜为虚焦点,要测其焦距,必须借助凸透镜作为辅助透镜来实现。
物距像距法测凹透镜的要领是固定箭物,先放凸透镜于光路中,移动辅助凸透镜与光屏,使箭物在光屏上成缩小的像(不应太小)后固定凸透镜,记下像的坐标位置(P );再放凹透镜于光路中,并移动光屏和凹透镜,成像后固定凹透镜(O 2),并记下像的坐标位置(P ′);此时O 2P =u ,O 2P ′=v 。
用自准法测凹透镜焦距的要领是固定箭物,取凸透镜与箭物间距略小于两倍凸透镜的焦距后固定凸透镜(O1),记下像的坐标位置(P);再放凹透镜和平面镜于O1P之间,移动凹透镜,看到箭物平面上成清晰倒立实像时,记下凹透镜的坐标位置(O2),则有f2=O2P。
第十四章课后习题答案
第五篇 近代物理基础求解近代物理问题的基本思路和方法工科大学物理范围内涉及的近代物理部分的内容面广而不深,要求定量计算的问题有限且较为基本.但由于近代物理展示的物理规律往往与经典物理格格不入,所以学习上和解题中遇到的困难往往表现为学习者在观念上的困惑和不解.明确以下几点,可能会对我们求解近代物理中的若干问题有所帮助.1.在什么情况下用近代物理的规律求解问题近代物理通常是指相对论和量子物理.前者揭示了运动物体的速度接近光速时所遵循的物理规律,后者显示了微观粒子的物理行为.按照对应原理,在极限条件下(低速、宏观)近代物理的一系列规律又能自然退化为经典规律.这说明两种理论并非完全不相容,只是适用对象和条件不同.(1) 相对论判据(或非相对论近似条件)一般来说只有当运动物体的速度接近于光速时才有明显的相对论效应,因此通常把c v <<作为非相对论近似条件,对于微观粒子来说,当0E E k << 或cE p 0<<时可用非相对论处理,两者接近时则必须用相对论规律,熟记常见粒子的静能数值有助于迅速判断,如电子静能MeV 51.00=e E ,质子静能MeV 9370=p E 等.由于微观粒子静能值往往相差较大,对于动能相同的两种粒子来说,往往会出现一种粒子可用非相对论,而另一种粒子必须用相对论处理.(2) 量子物理的适用范围由于微观粒子具有波粒二象性,大部分情况下只有用量子理论才能解释其行为,因此对原子、电子、质子等微观粒子必须用量子理论解释,而对分子系统来说,其中常温及高温下的气体可用经典理论,但对低温下的气体以及固体和液体则应用量子理论.2.对相对论中几个重要结论的思考在相对论中时间和空间联系在一起构成了一个统一体,它们均与运动有关.为什么相对论的一些重要结论常使人感到困惑呢? 这主要是源于它的基本观念与人们的“常识”不符,但这里所说的“常识”均是人们在宏观低速物理环境中所感受的,而“常识”又往往成为我们接受相对论的障碍.在相对论的一系列结论中,同时性的相对性是一个关键性概念,相对论中一系列时空特征都与这一基本概念有关.在学习中有人会问:既然相对论告诉我们动尺缩短,那么,在两个作相对运动的惯性之中究竟哪个尺子缩短了? 其实考虑同时的相对性,对于运动的尺,只有同时测量其两端才能得出其长度,对于静止的尺,则无须同时测量其两端,而不同惯性系中同时是相对的,由洛伦兹变换得出在不同惯性系中均为动尺缩短,在这里根本不存在“哪一根尺缩短了”,它是同时的相对性带来时空属性,而不是一种物质过程.对“动钟变慢”也可作同样的理解.至于质-速关系,则应注意质量并非物质本身,它是对物体惯性的量度,这种量度与惯性系的选择有关,质量变化了,并非物质本身的量发生变化,也非一种物质过程.总之只要认同相对论的两个基础———相对性原理和光速不变原理,就能得到与现代物理理论和实验相符合一系列重要结论,并用一种全新思维方式去认识它.当然,在低速()c v <<的情况下,相对论力学趋同于牛顿力学,牛顿力学仍然是人们处理低速情况下物理问题的基础.3.如何实现微观粒子E k 和p 之间的互求在微观粒子的各种实验中,能够直接测得的往往是粒子动能E k 或动量p ,初学者往往先用相对论规律求出粒子的速度,与光速c 比较后,再进行下一步计算,其实大可不必这样做.当E k 与E 0 或p 与cE 0接近时,直接用相对论规律实现E k 与p 之间的互求.即 ()021E E E cp k k += 或 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=11200E pc E E k而当0E E k << 或cE p 0<< 时,直接用经典规律实现互求,即 k E m p 02= 或022m p E k = 以上操作避开了速度的求解,同时又能迅速判断用哪一种关系实现E k 和p 之间互求,因而要简便得多.4.对量子物理中若干基本概念的认识近现代诸多实验表明,微观粒子的状态是量子化的,包括能量、动量,角动量以及空间取向等,量子化其实是自然界的本来面目,只是在经典条件下,无法觉察而已,而被人们认为它们是“连续”的罢了.同样大量实验表明微观粒子具有波粒二象性,但二象性绝非是一个经典粒子+经典波的混合图像,因为两个图像在经典物理中是不相容的,前者在空间是局域的,有确定的轨道,后者在空间是广延的,非局域的,表现为时空周期性.这两种属性在微观粒子上同时具有又该如何理解呢? 这只能用概率加以理解,微观粒子绝非经典粒子,我们不能同时确定其坐标和动量,其波动性体现为粒子在空间某个位置出现的概率上,或一个物理行为发生的概率上,实际上凡是在涉及原子过程的所有实验中,没有一个实验能够揭示原子过程发生的准确时间和位置,对于原子过程只能给出概率性的描述,因此微观粒子是一种概率波,既承认其粒子性又同时体现其波动性,这样微观粒子的波粒二象性就在概率论基础上被统一起来,认识到这一点对用波函数模的平方(即2ψ)来描述粒子空间概率分布的这种方法也就不难理解了.5.不确定关系与估算方法不确定关系式既表明了微观粒子的波粒二象性,同时又是对用经典方法描述微观粒子行为作出一种限制.利用不确定关系可直接对粒子坐标、动量或其他有关物理量不确定范围作出估计,其次也可以通过这些物理量的不确定范围对物理量本身的数量级进行估计,以上计算注重的是数量级,因而计算无需严格,例如经常认为p p ≈Δ、r r ≈Δ 等,此外h p x ≥ΔΔ或⎥⎦⎤⎢⎣⎡≥π4h 是最基本的不确定关系式,由此还可演变出诸多不确定关系式,计算时也都只需用估算方法.由于近代物理的基本概念远远超出了经典物理的框架,因此学好近代物理,首先要在思维和观念上不受已在经典物理中形成的牢固概念和思维定势的约束,而用一种全新的思维方式来思考和求解近代物理问题.第十四章 相 对 论14 -1 下列说法中(1) 两个相互作用的粒子系统对某一惯性系满足动量守恒,对另一个惯性系来说,其动量不一定守恒;(2) 在真空中,光的速度与光的频率、光源的运动状态无关;(3) 在任何惯性系中,光在真空中沿任何方向的传播速率都相同. 其中哪些说法是正确的? ( )(A) 只有(1)、(2)是正确的 (B) 只有(1)、(3)是正确的(C) 只有(2)、(3)是正确的 (D) 三种说法都是正确的分析与解 物理相对性原理和光速不变原理是相对论的基础.前者是理论基础,后者是实验基础.按照这两个原理,任何物理规律(含题述动量守恒定律)对某一惯性系成立,对另一惯性系也同样成立.而光在真空中的速度与光源频率和运动状态无关,从任何惯性系(相对光源静止还是运动)测得光速均为3×108 m·s -1 .迄今为止,还没有实验能推翻这一事实.由此可见,(2)(3)说法是正确的,故选(C).14 -2 按照相对论的时空观,判断下列叙述中正确的是( )(A) 在一个惯性系中两个同时的事件,在另一惯性系中一定是同时事件(B) 在一个惯性系中两个同时的事件,在另一惯性系中一定是不同时事件(C) 在一个惯性系中两个同时又同地的事件,在另一惯性系中一定是同时同地事件(D) 在一个惯性系中两个同时不同地的事件,在另一惯性系中只可能同时不同地(E) 在一个惯性系中两个同时不同地事件,在另一惯性系中只可能同地不同时分析与解 设在惯性系S中发生两个事件,其时间和空间间隔分别为Δt 和Δx ,按照洛伦兹坐标变换,在S′系中测得两事件时间和空间间隔分别为221ΔΔΔβx c t t --='v 和 21ΔΔΔβt x x --='v讨论上述两式,可对题述几种说法的正确性予以判断:说法(A)(B)是不正确的,这是因为在一个惯性系(如S系)发生的同时(Δt =0)事件,在另一个惯性系(如S′系)中是否同时有两种可能,这取决于那两个事件在S 系中发生的地点是同地(Δx =0)还是不同地(Δx≠0).说法(D)(E)也是不正确的,由上述两式可知:在S系发生两个同时(Δt =0)不同地(Δx ≠0)事件,在S′系中一定是既不同时(Δt ′≠0)也不同地(Δx ′≠0),但是在S 系中的两个同时同地事件,在S′系中一定是同时同地的,故只有说法(C)正确.有兴趣的读者,可对上述两式详加讨论,以增加对相对论时空观的深入理解.14 -3 有一细棒固定在S′系中,它与Ox ′轴的夹角θ′=60°,如果S′系以速度u 沿Ox 方向相对于S系运动,S 系中观察者测得细棒与Ox 轴的夹角( )(A) 等于60° (B) 大于60° (C) 小于60°(D) 当S′系沿Ox 正方向运动时大于60°,而当S′系沿Ox 负方向运动时小于60°分析与解 按照相对论的长度收缩效应,静止于S′系的细棒在运动方向的分量(即Ox 轴方向)相对S系观察者来说将会缩短,而在垂直于运动方向上的分量不变,因此S系中观察者测得细棒与Ox 轴夹角将会大于60°,此结论与S′系相对S系沿Ox 轴正向还是负向运动无关.由此可见应选(C). 14 -4 一飞船的固有长度为L ,相对于地面以速度v 1 作匀速直线运动,从飞船中的后端向飞船中的前端的一个靶子发射一颗相对于飞船的速度为v 2 的子弹.在飞船上测得子弹从射出到击中靶的时间间隔是( ) (c 表示真空中光速) (A) 21v v +L (B) 12v -v L (C) 2v L (D) ()211/1c L v v - 分析与解 固有长度是指相对测量对象静止的观察者所测,则题中L 、v 2 以及所求时间间隔均为同一参考系(此处指飞船)中的三个相关物理量,求解时与相对论的时空观无关.故选(C).讨论 从地面测得的上述时间间隔为多少? 建议读者自己求解.注意此处要用到相对论时空观方面的规律了.14 -5 设S′系以速率v =0.60c 相对于S系沿xx ′轴运动,且在t =t ′=0时,x =x ′=0.(1)若有一事件,在S系中发生于t =2.0×10-7s,x =50m 处,该事件在S′系中发生于何时刻?(2)如有另一事件发生于S系中t =3.0×10-7 s,x =10m 处,在S′系中测得这两个事件的时间间隔为多少?分析 在相对论中,可用一组时空坐标(x ,y ,z ,t )表示一个事件.因此,本题可直接利用洛伦兹变换把两事件从S系变换到S′系中.解 (1) 由洛伦兹变换可得S′系的观察者测得第一事件发生的时刻为 s 1025.1/1721211-⨯=--='c x c t t 2v v (2) 同理,第二个事件发生的时刻为s 105.3/1722222-⨯=--='c x c t t 2v v 所以,在S′系中两事件的时间间隔为s 1025.2Δ712-⨯='-'='t t t 14 -6 设有两个参考系S 和S′,它们的原点在t =0和t ′=0时重合在一起.有一事件,在S′系中发生在t ′=8.0×10-8 s ,x ′=60m ,y ′=0,z ′=0处若S′系相对于S 系以速率v =0.6c 沿xx′轴运动,问该事件在S系中的时空坐标各为多少?分析 本题可直接由洛伦兹逆变换将该事件从S′系转换到S系.解 由洛伦兹逆变换得该事件在S 系的时空坐标分别为 m 93/12=-'+'=c t x x 2v vy =y′=0z =z′=0s 105.2/1722-⨯=-'+'=c x c t t 2v v 14 -7 一列火车长0.30km(火车上观察者测得),以100km·h -1 的速度行驶,地面上观察者发现有两个闪电同时击中火车的前后两端.问火车上的观察者测得两闪电击中火车前后两端的时间间隔为多少?分析 首先应确定参考系,如设地面为S系,火车为S′系,把两闪电击中火车前后端视为两个事件(即两组不同的时空坐标).地面观察者看到两闪电同时击中,即两闪电在S系中的时间间隔Δt =t 2-t 1=0.火车的长度是相对火车静止的观察者测得的长度(注:物体长度在不指明观察者的情况下,均指相对其静止参考系测得的长度),即两事件在S′系中的空间间隔Δx ′=x ′2 -x ′1=0.30×103m.S′系相对S系的速度即为火车速度(对初学者来说,完成上述基本分析是十分必要的).由洛伦兹变换可得两事件时间间隔之间的关系式为()()21221212/1cx x c t t t t 2v v -'-'+'-'=- (1) ()()21221212/1c x x c t t t t 2v v ----='-' (2) 将已知条件代入式(1)可直接解得结果.也可利用式(2)求解,此时应注意,式中12x x -为地面观察者测得两事件的空间间隔,即S系中测得的火车长度,而不是火车原长.根据相对论, 运动物体(火车)有长度收缩效应,即()21212/1c x x x x 2v -'-'=-.考虑这一关系方可利用式(2)求解. 解1 根据分析,由式(1)可得火车(S′系)上的观察者测得两闪电击中火车前后端的时间间隔为()s 26.91412212-⨯-='-'='-'x x ct t v 负号说明火车上的观察者测得闪电先击中车头x ′2 处.解2 根据分析,把关系式()21212/1c x x x x 2v -'-'=- 代入式(2)亦可得 与解1 相同的结果.相比之下解1 较简便,这是因为解1中直接利用了12x x '-'=0.30km 这一已知条件.14 -8 在惯性系S中,某事件A 发生在x 1处,经过2.0 ×10-6s后,另一事件B 发生在x 2处,已知x 2-x 1=300m.问:(1) 能否找到一个相对S系作匀速直线运动的参考系S′,在S′系中,两事件发生在同一地点?(2) 在S′系中,上述两事件的时间间隔为多少?分析 在相对论中,从不同惯性系测得两事件的空间间隔和时间间隔有可能是不同的.它与两惯性系之间的相对速度有关.设惯性系S′以速度v 相对S 系沿x 轴正向运动,因在S 系中两事件的时空坐标已知,由洛伦兹时空变换式,可得 ()()2121212/1c t t x x x x 2v v ----='-' (1) ()()2121212/1c x x t t t t 22v c v ----='-' (2)两事件在S′系中发生在同一地点,即x ′2-x ′1=0,代入式(1)可求出v 值以此作匀速直线运动的S′系,即为所寻找的参考系.然后由式(2)可得两事件在S′系中的时间间隔.对于本题第二问,也可从相对论时间延缓效应来分析.因为如果两事件在S′系中发生在同一地点,则Δt ′为固有时间间隔(原时),由时间延缓效应关系式2/1ΔΔc t t 2v -='可直接求得结果.解 (1) 令x ′2-x ′1=0,由式(1)可得c t t x 50.0s m 1050.11-8121=⋅⨯=--=2x v (2) 将v 值代入式(2),可得()()()s 1073.1/1/162122121212-⨯=--=----='-'c t t c x x t t t t 222v v c v 这表明在S′系中事件A 先发生.14 -9 设在正负电子对撞机中,电子和正电子以速度0.90c 相向飞行,它们之间的相对速度为多少?分析 设对撞机为S系,沿x 轴正向飞行的正电子为S′系.S′系相对S系的速度v =0.90c ,则另一电子相对S系速度u x =-0.90c ,该电子相对S′系(即沿x 轴正向飞行的电子)的速度u′x 即为题中所求的相对速度.在明确题目所述已知条件及所求量的物理含义后,即可利用洛伦兹速度变换式进行求解. 解 按分析中所选参考系,电子相对S′系的速度为c u cu u u x x x x 994.012-=-'-='v 式中负号表示该电子沿x′轴负向飞行,正好与正电子相向飞行.讨论 若按照伽利略速度变换,它们之间的相对速度为多少?14 -10 设想有一粒子以0.050c 的速率相对实验室参考系运动.此粒子衰变时发射一个电子,电子的速率为0.80c ,电子速度的方向与粒子运动方向相同.试求电子相对实验室参考系的速度.分析 这是相对论的速度变换问题.取实验室为S系,运动粒子为S′系,则S′系相对S系的速度v =0.050c .题中所给的电子速率是电子相对衰变粒子的速率,故u′x =0.80c .解 根据分析,由洛伦兹速度逆变换式可得电子相对S系的速度为c u cu u x x x 817.012='-+'=v v 14 -11 设在宇航飞船中的观察者测得脱离它而去的航天器相对它的速度为1.2×108m·s-1 i .同时,航天器发射一枚空间火箭,航天器中的观察者测得此火箭相对它的速度为1.0×108m·s-1 i .问:(1) 此火箭相对宇航飞船的速度为多少? (2) 如果以激光光束来替代空间火箭,此激光光束相对宇航飞船的速度又为多少? 请将上述结果与伽利略速度变换所得结果相比较,并理解光速是运动体的极限速度.分析 该题仍是相对论速度变换问题.(2)中用激光束来替代火箭,其区别在于激光束是以光速c 相对航天器运动,因此其速度变换结果应该与光速不变原理相一致.解 设宇航飞船为S系, 航天器为S′系, 则S′系相对S系的速度 v =1.2 ×108m·s-1 ,空间火箭相对航天器的速度为u ′x =1.0×108m·s-1,激光束相对航天器的速度为光速c .由洛伦兹变换可得:(1) 空间火箭相对S 系的速度为1-82s m 1094.11⋅⨯='++'=x x x u cu u v v (2) 激光束相对S 系的速度为 c c c c u x =++=21v v 即激光束相对宇航飞船的速度仍为光速c ,这是光速不变原理所预料的.如用伽利略变换,则有u x =c +v >c .这表明对伽利略变换而言,运动物体没有极限速度,但对相对论的洛伦兹变换来说,光速是运动物体的极限速度. 14 -12 以速度v 沿x 方向运动的粒子,在y 方向上发射一光子,求地面观察者所测得光子的速度.分析 设地面为S系,运动粒子为S′系.与上题不同之处在于,光子的运动方向与粒子运动方向不一致,因此应先求出光子相对S系速度u 的分量u x 、u y 和u z ,然后才能求u 的大小和方向.根据所设参考系,光子相对S′系的速度分量分别为u ′x =0,u ′y =c ,u ′z =0.解 由洛伦兹速度的逆变换式可得光子相对S系的速度分量分别为v v v ='++'=x x x u cu u 21 222/11/1c c u cc u u x y y 22v v v -='+-'= 0=z u所以,光子相对S系速度u 的大小为c u u u u z y x =++=222速度u 与x 轴的夹角为vv 22arctan arctan -==c u u θx y 讨论 地面观察者所测得光子的速度仍为c ,这也是光速不变原理的必然结果.但在不同惯性参考系中其速度的方向却发生了变化.14 -13 设想地球上有一观察者测得一宇宙飞船以0.60c 的速率向东飞行,5.0s后该飞船将与一个以0.80c 的速率向西飞行的彗星相碰撞.试问:(1) 飞船中的人测得彗星将以多大的速率向它运动? (2) 从飞船中的钟来看,还有多少时间允许它离开航线,以避免与彗星碰撞?分析 (1) 这是一个相对论速度变换问题.取地球为S系,飞船为S′系,向东为x 轴正向.则S′系相对S系的速度v =0.60c ,彗星相对S系的速度u x =-0.80c ,由洛伦兹速度变换可得所求结果.(2) 可从下面两个角度考虑:a.以地球为S系,飞船为S′系.设x 0=x′0 =0 时t 0=t′0=0,飞船与彗星相碰这一事件在S系中的时空坐标为t =5.0s,x =vt .利用洛伦兹时空变换式可求出t′,则Δt′=t′-t′0表示飞船与彗星相碰所经历的时间.b.把t 0=t′0=0 时的飞船状态视为一个事件,把飞船与彗星相碰视为第二个事件.这两个事件都发生在S′系中的同一地点(即飞船上),飞船上的观察者测得这两个事件的时间间隔Δt′为固有时,而地面观察者所测得上述两事件的时间间隔Δt =5.0s比固有时要长,根据时间延缓效应可求出Δt′. 解 (1) 由洛伦兹速度变换得彗星相对S′系的速度为c u cu u x x x 946.012-=--'='v v 即彗星以0.946c 的速率向飞船靠近.(2) 飞船与彗星相碰这一事件在S′系中的时刻为s 0.4/12=--'='c c t t 2v vx即在飞船上看,飞船与彗星相碰发生在时刻t′=4.0s.也可以根据时间延缓效应s 0.5/1ΔΔ2=-'=c t t 2v ,解得Δt′=4.0 s,即从飞船上的钟来看,尚有4.0 s 时间允许它离开原来的航线.14 -14 在惯性系S 中观察到有两个事件发生在同一地点,其时间间隔为4.0 s ,从另一惯性系S′中观察到这两个事件的时间间隔为6.0 s ,试问从S′系测量到这两个事件的空间间隔是多少? 设S′系以恒定速率相对S系沿xx′轴运动.分析 这是相对论中同地不同时的两事件的时空转换问题.可以根据时间延缓效应的关系式先求出S′系相对S 系的运动速度v ,进而得到两事件在S′系中的空间间隔Δx′=vΔt′(由洛伦兹时空变换同样可得到此结果).解 由题意知在S系中的时间间隔为固有的,即Δt =4.0s,而Δt′=6.0 s.根据时间延缓效应的关系式2/1ΔΔct t 2v -=',可得S′系相对S系的速度为 c c t t 35ΔΔ12/12=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛'-=v 两事件在S′系中的空间间隔为 m 1034.1ΔΔ9⨯='='t x v14 -15 在惯性系S 中, 有两个事件同时发生在xx′轴上相距为1.0×103m 的两处,从惯性系S′观测到这两个事件相距为2.0×103m ,试问由S′系测得此两事件的时间间隔为多少?分析 这是同时不同地的两事件之间的时空转换问题.由于本题未给出S′系相对S 系的速度v ,故可由不同参考系中两事件空间间隔之间的关系求得v ,再由两事件时间间隔的关系求出两事件在S′系中的时间间隔. 解 设此两事件在S 系中的时空坐标为(x 1 ,0,0,t 1 )和(x 2 ,0,0,t 2 ),且有x 2 -x 1 =1.0×103m , t 2 -t 1 =0.而在S′系中, 此两事件的时空坐标为(x′1 ,0,0,t′1 )和(x′2 ,0,0,t′2 ),且|x′2 -x′1| =2.0×103m ,根据洛伦兹变换,有()()2121212/1c t t x x x x 2v v ----='-' (1) ()()2121212/1c x x t t t t 22v cv ----='-' (2) 由式(1)可得 ()()c c x x x x 2312/1212212=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-'--=v 将v 值代入式(2),可得 s 1077.5612-⨯='-'t t 14 -16 有一固有长度为l0 的棒在S 系中沿x 轴放置,并以速率u 沿xx′轴运动.若有一S′系以速率v 相对S 系沿xx′轴运动,试问从S′系测得此棒的长度为多少?分析 当棒相对观察者(为S′系)存在相对运动时,观察者测得棒的长度要比棒的固有长度l 0 短,即220/1c u l l '-=.式中u′是棒相对观察者的速度,而不要误认为一定是S′系和S 系之间的相对速度v .在本题中,棒并非静止于S系,因而S′系与S 系之间的相对速度v 并不是棒与S′系之间的相对速度u′.所以本题应首先根据洛伦兹速度变换式求u′,再代入长度收缩公式求l .解 根据分析,有21cu u uv v --=' (1) 220/1c u l l '-= (2)解上述两式,可得()()[]2/1222202v v ---=c u c u c l l14 -17 若从一惯性系中测得宇宙飞船的长度为其固有长度的一半,试问宇宙飞船相对此惯性系的速度为多少? (以光速c 表示)解 设宇宙飞船的固有长度为l 0 ,它相对于惯性系的速率为v ,而从此惯性系测得宇宙飞船的长度为2/0l ,根据洛伦兹长度收缩公式,有200/12/c l l 2v -=可解得v =0.866c14 -18 一固有长度为4.0 m 的物体,若以速率0.60c 沿x 轴相对某惯性系运动,试问从该惯性系来测量,此物体的长度为多少?解 由洛伦兹长度收缩公式m 2.3/120=-=c l l 2v*14 -19 设一宇航飞船以a =9.8 m·s-2 的恒加速度,沿地球径向背离地球而去,试估计由于谱线的红移,经多少时间,飞船的宇航员用肉眼观察不到地球上的霓虹灯发出的红色信号.分析 霓虹灯发出的红色信号所对应的红光波长范围一般为620nm ~760 nm ,当飞船远离地球而去时,由光的多普勒效应可知,宇航员肉眼 观察到的信号频率ν <ν0 ,即λ>λ0 ,其中ν0 和λ0 为霓虹灯的发光频率和波长.很显然,当λ0=620 nm ,而对应的红限波长λ=760 nm 时,霓虹灯发出的红色信号,其波长刚好全部进入非可见光范围,即宇航员用肉眼观察不到红色信号.因此,将上述波长的临界值代入多普勒频移公式,即可求得宇航员观察不到红色信号时飞船的最小速率v ,再由运动学关系,可求得飞船到达此速率所需的时间t .解 当光源和观察者背向运动时,由光的多普勒效应频率公式 2/10⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=v v v v c c得波长公式 2/10⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=v v c c λλ 式中v 为飞船相对地球的速率.令λ0 =620 nm ,λ=760 nm ,得宇航员用肉眼观察不到地球上红色信号时飞船的最小速率为1-8202202s m 1060.0⋅⨯=+-=λλλλv 飞船达此速率所需的时间为a 0.20s 101.66≈⨯==at v 14 -20 若一电子的总能量为5.0MeV ,求该电子的静能、动能、动量和速率.分析 粒子静能E 0 是指粒子在相对静止的参考系中的能量,200c m E =,式中为粒子在相对静止的参考系中的质量.就确定粒子来说,E 0 和m 0均为常数(对于电子,有m 0 =9.1 ×10-31kg,E 0=0.512 MeV).本题中由于电子总能量E >E 0 ,因此,该电子相对观察者所在的参考系还应具有动能,也就具有相应的动量和速率.由相对论动能定义、动量与能量关系式以及质能关系式,即可解出结果.解 电子静能为 MeV 512.0200==c m E电子动能为 E K =E -E 0 =4.488 MeV由20222E c p E +=,得电子动量为()1-212/1202s m kg 1066.21⋅⋅⨯=-=-E E c p 由2/12201-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c E E v 可得电子速率为c E E E c 995.02/12202=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=v14 -21 一被加速器加速的电子,其能量为3.00 ×109eV.试问:(1) 这个电子的质量是其静质量的多少倍? (2) 这个电子的速率为多少?解 (1) 由相对论质能关系2mc E =和200c m E =可得电子的动质量m 与静质量m 0之比为320001086.5⨯===cm E E E m m (2) 由相对论质速关系式2/12201-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c m m v 可解得c c m m 999999985.012/120=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-v可见此时的电子速率已十分接近光速了.14 -22 在电子偶的湮没过程中,一个电子和一个正电子相碰撞而消失,并产生电磁辐射.假定正负电子在湮没前均静止,由此估算辐射的总能量E . 分析 在相对论中,粒子的相互作用过程仍满足能量守恒定律,因此辐射总能量应等于电子偶湮没前两电子总能之和.按题意电子偶湮没前的总能只是它们的静能之和.解 由分析可知,辐射总能量为MeV 1.02J 1064.121320=⨯==-c m E14 -23 若把能量0.50 ×106 eV 给予电子,让电子垂直于磁场运动,其运动径迹是半径为2.0cm 的圆.问:(1) 该磁场的磁感强度B 有多大? (2) 这电子的动质量为静质量的多少倍?分析 (1) 电子在匀强磁场中作匀速圆周运动时,其向心力为洛伦兹力F =evB ,在轨道半径R 确定时,B =B (p ),即磁感强度是电子动量的函数.又由相对论的动能公式和动量与能量的关系可知电子动量p =p (E 0 ,E K ),题中给予电子的能量即电子的动能E K ,在电子静能20c m E =已知的情况下,由上述关系可解得结果.(2) 由相对论的质能关系可得动质量和静质量之比.本题中电子的动能E K =0.50 MeV 与静能E 0=0.512 MeV 接近,已不能用经典力学的方法计算电子的动量或速度,而必须用相对论力学.事实上当E K =0.50 E 0 时,用经典力学处理已出现不可忽略的误差.解 (1) 根据分析,有E =E 0 +E K (1)。
物理实验思考题答案
物理实验思考题答案1、电磁感应【Q】在实验中我们发现,旋转的铝盘会对磁铁产生牵引力,发过来磁铁也会对铝盘有一个反作用力(磁阻尼力),这个阻尼力会影响实验精度吗?【A】并不会影响实验精度,且铝盘会以一个恒定的频率在转动!原因:步进电机的工作原理,是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
因此,在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响。
【Q】大家是否发现在我们这个实验中,铝盘上面挖了六个小孔,你们认为这些小孔会对牵引力产生影响吗?【A】小孔会对牵引力产生影响,牵引力相比没孔的铝盘会变小;每一根铝丝两端都会产生感应电动势,铝盘就相当于多个电源的并联,但是由于小孔的存在,产生的电流可能不稳定,牵引力会有小幅波动,但是小孔并不是改变磁通量的“罪魁祸首【Q】测量磁悬浮力或牵引力时,永磁体的位置对结果有什么影响?比如正对着铝盘圆心与偏离角度的区别;还有永磁体靠近铝盘中心时所受的力与磁体位于铝盘边缘时相比,大小如何?【A】做了几次试验,发现当磁铁在盘内较大距离时力不大,到盘边时较大,远离盘后减小。
可推知力与磁铁到盘中心的距离是一个单峰的函数,有水平渐近线。
【Q】大家想一下,如果那个轴承完全无摩擦,那么它的转速会无限增大吗?【A】【Q】如何改进??【A】此实验的磁悬浮力和磁牵引力装置应增加一个角度指针,因为我们在做距离和力的大小的关系试验中,每次都要将测力器杆取出,然后重新固定,这当中是不是会因为角度的不同产生较大的误差呢?所以可以增加一个角度小指针,来校正测力杆放置的方向,减免误差我们是准备加一个升降装置的,最好带刻度的。
1.测量磁悬浮传动系统的轴承转速时,测得的转速不是很稳定,而转速的测定时以一定时间内通过轴承的光束的个数为依据的。
所以我建议增加轴承上计数孔的个数,这样测得的数目会增多,可以减小不稳定因素的干扰,所得读数会相对集中一些。
2.我做实验时的传感器支架稳定性不好,每次垫一个垫片测磁牵引力和磁悬浮力时,旋转的铝盘很容易擦到永磁铁。
近代物理实验复习题答案
近代物理实验复习题答案一、选择题1. 在迈克尔逊-莫雷实验中,两束光分别沿垂直方向传播,如果以太风存在,那么两束光的传播时间将会:A. 相等B. 不相等C. 无法确定D. 取决于光的频率答案:B2. 根据狭义相对论,当物体的速度接近光速时,其质量将:A. 保持不变B. 增加C. 减少D. 变为零答案:B3. 光电效应实验表明,光具有:A. 波动性B. 粒子性C. 既具有波动性也具有粒子性D. 无法确定答案:B二、填空题4. 根据普朗克的量子假说,能量的传递是________的。
答案:量子化5. 爱因斯坦的质能方程是________。
答案:E=mc²6. 根据海森堡不确定性原理,我们不能同时准确知道粒子的________和________。
答案:位置;动量三、简答题7. 简述德布罗意波的概念及其物理意义。
答案:德布罗意波是法国物理学家路易·德布罗意于1924年提出的理论,它表明所有物质都具有波动性。
这一概念的物理意义在于,它为量子力学的发展奠定了基础,揭示了物质的波粒二象性。
8. 解释什么是量子纠缠,并举例说明其在量子通信中的应用。
答案:量子纠缠是量子力学中的一种现象,指的是两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关联,即使它们相隔很远,对其中一个系统的状态进行测量会即刻影响到另一个系统的状态。
在量子通信中,量子纠缠可以用于实现量子隐形传态,即在不传输物理粒子的情况下,将一个量子系统的状态传送到另一个系统。
四、计算题9. 假设一个电子以接近光速的速度运动,计算其相对论性质量增加的比例。
设电子静止质量为9.109×10⁻³¹ kg,速度为光速的99.999%。
答案:首先计算相对论因子γ,γ = 1 / √(1 - v²/c²),其中v是电子的速度,c是光速。
代入数据计算得γ,然后相对论性质量m = γm₀,其中m₀是静止质量。
计算结果得到相对论性质量增加的比例。
近代物理课后习题答案
1. 用波动方程推出薛定谔方程。
解:设有一个粒子,其质量为m ,能量为E ,动量为P,根据德布罗意关系可知与粒子运动联系的波的角频率ω及波矢k有如下关系://E k p ω== ħħ(1)则与该粒子相联系的平面波的波函数为:00(,)exp[()/]exp[()/]r t i k r t i p r t ψ=ψ∙-ω=ψ∙-Eħħ (2)(2)式对t 求偏导数得:(,)(,)ir t E r t t ∂ψ=-ψ∂ ħ(,)(,)i r t E r t t∂ψ=ψ∂ ħ(3) (2)式对x 求两次偏导数得:22221(,)(,)x r t P r t x ∂ψ=-ψ∂ ħ即:222(,)(,)x r t P r t -∇ψ=ψħ 同理有:222(,)(,)y r t P r t -∇ψ=ψħ222(,)(,)z r t P r t -∇ψ=ψħ所以,222(,)(,)r t P r t -∇ψ=ψħ 可进一步写成:222(,)(,)22Pr t r t m m-∇ψ=ψ ħ(4) 又由于2/2E P m =(3),(4)式相减得:222()(,)()(,)022Pi r t E r t t m m∂+∇ψ=-ψ=∂ ħħ化简得:22(,)(,)2i r t r t t m∂ψ=-∇ψ∂ħħ (5) 进一步考虑粒子在势场()V r中的运动,2/2E P m V =+(5)式可写为:22(,)()(,)2i r t V r t t m∂ψ=-∇+ψ∂ ħħ上式即为薛定谔方程。
2. 推出电荷守恒公式=λ中的n不可以为零?3.为什么ka n答:若n =0,波函恒为0数无意义 4. 设粒子处于二维无限深势阱{000<y<b(,)x a V x y <<∞ =,其它中,求粒子能量本征值和本征函数。
如果a=b ,能量简并度如何?解:(1)粒子处于二维无限深势阱{000<y<b (,)x a V x y <<∞ =,其它中,则其定态薛定谔方程为:22222()(,)(,)2x y E x y m x y∂∂-+ψ=ψ∂∂ħ,00<y<b x a <<,(1) 22222()(,)(,)(,)(,)2x y V x y x y E x y m x y∂∂-+ψ+ψ=ψ∂∂ħ,(,)x y ∈其它 (2) 对于(2)式,因为(,)V x y →∞,则(,)0x y ψ≡令222mE=k ħ, 则(1)式可可表示为:22222()(,)0k x y x y∂∂++ψ=∂∂解为:12(,)sin()sin()x y x y A k x k y ψ=+δ+δ,,A δ为待定常数 (3)由在阱壁上的连续性可得:(0,0)(,0)(0,)(,)0a b a b ψ=ψ=ψ=ψ= (4 ) 将(3)式代入(4)式得:120δ=δ=1x k a n π=,11,2,3,n =⋯2y k b n π=,21,2,3,n =⋯代入222mE=k ħ中得粒子能量的允许值为: 12222212,()2m n n n n a bπE =E =+ħ,12,1,2,3,n n=⋯对应予能级12,n n E 的波函数记为:1212,(,)sin()sin()n n n n x y A x y a bππψ= 利用归一化条件122,00(,)1a bn n x y dxdy ∣ψ∣=⎰⎰得:A =所以,相应的波函数为:1212,(,)sin()sin()n n n n x y x y a bππψ=(2)当a b =时,能量是二度简并。
物理实验思考题答案
实验10 用直流电位差计校准电表1.如果要校正电压表,线路图该怎样设计?答:先把待测表调零,将标准表和待测表并接,调整待测表读数与标准表读数一致即可。
2.如果用普通电阻(例如偏差为5%)代替标准电阻,能否校正在本实验中使用的毫安表?答:可以。
实验14 用牛顿环测透镜曲率半径1.如果将纳光灯换为白光光源,所看到的牛顿还将会有什么特点?答:所看到的牛顿环中间仍是暗斑,但暗斑往外形成彩纹,由于白光光源有不同波长的单色光组成,所以相干的光程差不同.2 .为什么说读数显微镜测量的是牛顿环的直径,而不是牛顿环放大像的直径?答:因为在测量时被放大牛顿环直径时,显微镜内的叉丝(即标尺)也放大,移动叉丝测量的直径为所得直径.3.为何牛顿环不一样宽,而且随级数增加而减少?答:由于牛顿环上透镜是球面,下透镜是平面,所以靠近中间位置空气二.迈膜比较薄,因此光程差小,所以中间条纹宽,而边缘处相反。
差小,所以中间条纹宽,而边缘处相反。
二.迈实验15 迈克尔逊干涉议测光波波长1.在麦克尔逊干涉实验中,等厚干涉与等倾干涉条纹有什么区别?等厚干涉:干涉条纹是明暗相间的直条纹等倾干涉:干涉条纹是一系列与不同倾角θ(出或入射角)相对应的明暗相间的同心圆环条等倾干涉纹2.怎么利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质的折射率?答:①以钠光为光源调出等倾干涉条纹。
②移动 M2 镜,使视场中心的视见度最小,记录 M2 镜的位置;在反射镜前平行地放置玻璃薄片,继续移动 M2 镜,使视场中心的视见度又为最小,再记录 M2 镜位置,连续测出 6 个视见度最小时 M2 镜位置。
③用逐差法求光程差∆d 的平均值,再除以该透明介质得厚度,就是折射率实验16 光栅衍射光谱及光波波长的测定1. 试分析光栅衍射光谱变化的特点和规律答:当入射光线为平行单色光是,得到明暗相同的衍射条纹,明条纹很窄,相邻明条纹见的暗区间的暗区很宽,当入摄光为白光时 ,中央零放明纹们为白光.其两册则形成各种颜色条纹的光谱,不同波长由短到长的次序自中央向外侧依次分开排列,形成由紫到红对称排列的彩色光带.2. 实验中狭缝太宽或太窄时将会出现什么现象?为什么?答:狭缝太宽最终也只会形成白光,由衍射形成条件,当光波波长比缝大得多才能明显衍射; 由光栅公式(a+b)sinφ=kλ可知狭缝太窄则给人一种形成单色光的感觉,因为光强太弱,而没有射条纹.实验17 偏振光分析1.研究光的偏振物性有何意义?有哪些实际应用?答:研究光的偏振性质可以把它用于各个领域,例如利用偏振光读出光盘记录的信息;利用偏振光放立体电影和做糖度计;利用偏振光分析物质内部产生的应力的光弹性学;利用偏振光的反射研究表面状态等.由于偏振光具有包括偏振方向在内的更多的信息,偏振光可作为高效信息的传输和测试手段,而用计算机进行控制处理,又能将复杂的偏振光通过计算机界面直观地显示出来2.如果在互相正交的偏振片 P1.P2 中间插入一块λ/2 片,使其光轴与起偏器 P1 的偏振化方向平行,那么,透过检偏器 P2 的光是亮的还是暗的?为什么?将检偏器 P2 转动 90 度后光是亮的还是暗的?为什么? 答:a 暗的,没有设变振的方向 b 暗的,相当于 180 度夹角,振动方向还是一样。
大学物理实验报告思考题部分答案(周岚)
实验十三拉伸法测金属丝的扬氏弹性摸量【预习题】1.如何根据几何光学的原理来调节望远镜、光杠杆和标尺之间的位置关系?如何调节望远镜?答:(1)根据光的反射定律分两步调节望远镜、光杠杆和标尺之间的位置关系。
第一步:调节来自标尺的入射光线和经光杠杆镜面的反射光线所构成的平面大致水平。
具体做法如下:①用目测法调节望远镜和光杠杆大致等高。
②用目测法调节望远镜下的高低调节螺钉,使望远镜大致水平;调节光杠杆镜面的仰俯使光杠杆镜面大致铅直;调节标尺的位置,使其大致铅直;调节望远镜上方的瞄准系统使望远镜的光轴垂直光杠杆镜面。
第二步:调节入射角(来自标尺的入射光线与光杠杆镜面法线间的夹角)和反射角(经光杠杆镜面反射进入望远镜的反射光与光杠杆镜面法线间的夹角)大致相等。
具体做法如下:沿望远镜筒方向观察光杠杆镜面,在镜面中若看到标尺的像和观察者的眼睛,则入射角与反射角大致相等。
如果看不到标尺的像和观察者的眼睛,可微调望远镜标尺组的左右位置,使来自标尺的入射光线经光杠杆镜面反射后,其反射光线能射入望远镜内。
(2)望远镜的调节:首先调节目镜看清十字叉丝,然后物镜对标尺的像(光杠杆面镜后面2D处)调焦,直至在目镜中看到标尺清晰的像。
2.在砝码盘上加载时为什么采用正反向测量取平均值的办法?答:因为金属丝弹性形变有滞后效应,从而带来系统误差。
【思考题】1.光杠杆有什么优点?怎样提高光杠杆测量微小长度变化的灵敏度?答:(1)直观、简便、精度高。
(2)因为L x,即x 2D,所以要提高光杠杆测量微b 2D L b小长度变化的灵敏度x,应尽可能减小光杠杆长度b(光杠杆后L支点到两个前支点连线的垂直距离),或适当增大D(光杠杆小镜子到标尺的距离为D)。
2.如果实验中操作无误,得到的数据前一两个偏大,这可能是什么原因,如何避免?答:可能是因为金属丝有弯曲。
避免的方法是先加一两个发码将金属丝的弯曲拉直。
3.如何避免测量过程中标尺读数超出望远镜范围?答:开始实验时,应调节标尺的高低,使标尺的下端大致与望远镜光轴等高,这样未加砝码时从望远镜当中看到的标尺读数接近标尺的下端,逐渐加砝码的过程中看到标尺读数向上端变化。
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近代物理实验思考题答案【篇一:近代物理实验练习题参考答案】txt>一、填空1.核物理实验探测的主要对象是核衰变时所辐射的度非常小,用最先进的电子显微镜也不能观察到,只能根据射线与物质相互作用产生的各种效应实现探测。
2.用百分比表示的能量分辨率定义为: r?最大计数值一半处的全宽度?v?100%。
能量分辨率值峰位置的脉冲幅度v0越小,分辨能力越强。
3.?有三种,它们是光电效应、康普顿效应和电子对效应。
4.对于不同的原子,原子核的质量不同而使得里德伯常量值发生变化。
5.汞的546.1nm谱线的塞曼分裂是反常塞曼效应。
6.由于氢与氘的能级有相同的规律性,故氢和氘的巴耳末公式的形式相同。
7.在塞曼效应实验中,观察纵向效应时放置1/4波片的目的是将圆偏振光变为线偏振光。
8.射线探测器主要分“径迹型”和“信号型”如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室、火花室等。
这些探测器大多用于高能核物理实验。
信号型探测器则当一个辐射粒子到达时给出一个信号。
根据工作原理的不同又可以分成气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种,这是我们在低能核物理实验中最常用的探测器。
9.测定氢、氘谱线波长时,是把氢、氘光谱与铁光谱拍摄到同一光谱底片上,利用线性插值法来进行测量。
10.在强磁场中,光谱的分裂是由于能级的分裂引起的。
11.原子光谱是线状光谱。
12.原子的不同能级的总角动量量子数j不同,分裂的子能级的数量也不同。
13.盖革-弥勒计数管按其所充猝灭气体的性质,可以分为①有机管和②卤素管两大类。
坪特性是评价盖革-弥勒计数管的重要特性指标。
包括起始电压、坪长、坪斜等。
一只好的计数管,其坪长不能过短,对于③有机管,其坪长不能低于150伏,对于④卤素管,其坪长不能低于50伏。
坪斜应在⑤0.1----0.01%每伏___以下。
计数管工作时工作点应选在坪区的⑥左1/3-1/2__处。
14.由于光栅摄谱仪的色散接近线性,所以可以使用线性插值法测量光谱线波长。
15.必须把光源放在足够强磁场中,才能产生塞曼分裂。
二、简答题1.如何区分盖革-弥勒计数管的正负极?答:盖革-弥勒计数管的结构通常有两个电极,其中和外部阴极筒相连的电极是阴极(负极),和中间阳极丝相连的是阳极(正极)。
2、在单道闪烁?谱仪实验中,为什么要先粗测谱型?答:这是因为单道有一定的分析范围,在本实验中所使用的单道,其分析范围为0-10v。
在实验中我们先通过示波器观察,将核信号输出的脉冲高度调至8伏左右,由于示波器只是定性观察的仪器,并不能精确保证光电峰的位置也在8伏左右,因而为保证所有的信号脉冲都能够落在单道的分析范围以内,防止只测到半个光电峰的情况出现,需要用线性率标或者定标器粗测谱型。
3、氢原子光谱含有几个独立的光谱线系,它们的名称是什么?其中哪个线系位于可见区?答:氢原子光谱含有5个独立的光谱线系,它们分别是:赖曼系、巴尔末系、帕邢系、布拉开系、普丰特系。
其中,巴尔末系位于可见光区。
4、何为真空系统?答:真空系统是由真空获得设备(真空泵)、真空测量设备(真空计)、被抽容器和真空管道及真空法门等组成。
真空系统的简单与复杂,是根据需要设计的。
5、在测量未知源?射线的能量时为什么要对?谱仪进行刻度?如何刻度?答:用?谱仪测量未知源?射线的能量属于相对测量方法。
根据?谱仪测量原理可知,?谱仪测量的实际上是?射线与探测物质相互作用后所产生的次级电子能量的分布情况。
在相同的放大条件下,每个脉冲幅度都对应?射线损失的能量,在一定能量范围内,?谱仪输出的脉冲幅度与次级电子能量之间呈现一定的线性关系。
为确定该线性关系,需对?谱仪进行能量刻度。
刻度方法是首先利用一组已知能量的?放射源,在相同的放大条件下,测出它们的?射线在?谱中相应的光电峰位置,然后做出?射线能量对脉冲幅度的能量刻度曲线,这样每个脉冲幅度就对应不同的能量。
实验中通常选用137cs(0.662mev)和60co(1.17 mev,1.33 mev)来进行刻度。
6、解释什么是同位素效应?答:同一元素的不同同位素由于原子核质量不同而使它们的光谱随着原子核质量的增大向波数增大的方向出现一个位移,这种现象称为同位素效应。
7、什么是放射性计数的统计性?答:由于放射性衰变存在统计涨落,当我们做重复的放射性测量时,即使保持完全相同的实验条件,每次测量的结果也不会相同,而是围绕其平均值m上下涨落,有时甚至有很大的差别,这种线性称之为放射性计数的统计性。
8、发生塞曼分裂时,谱线跃迁时m的选择定则是什么?答:选择定则是:?m=m2-m1=0,?1(当?j=0时?m=0的跃迁是禁戒的)。
9、单道闪烁?谱仪主要由哪几部分组成??射线图谱测的是什么粒子的能量?答:单道闪烁?谱仪的组成如下图所示:由探头、线性放大器、单道、定标器、线性率表、示波器、低压电源和高压电源组成。
根据单道闪烁?谱仪的探测原理,?谱仪测量得到的?图谱实际上是?射线与nai晶体相互作用产生的次级电子能量的分布谱。
因而其实质测量的是次级电子的能量。
核磁共振实验中使用的振荡器有什么特点?核磁共振法测磁场的原理和方法是什么?10、如何判定标准具两个内表面是严格平行?答:当用单色光照明标准具时,从它的透射方向可以观察到一组同心干涉圆环,如果让观察的眼睛上下左右移动,而看到的花纹大小不随眼睛的移动而变化,说明标准具两个内表面是严格平行的。
11、g-m实验中,如果要求测量过程中的测量精度小于1%,如何确定测量所需要的时间?答:如果测量要求测量精度小于1%,则根据???nn1可知, ??nnnn应该大于等于10000,此时可以先选择一个测量时间,比如10秒,测量一个数据,计算出单位时间的计数,然后用10000除以得到的计数率,即可以得到测量所需的时间。
12、什么是塞曼效应?答:光放在足够强的磁场中,原子光谱中的每条谱线都将分裂为数条偏振化的谱线,分裂的条数随能级类别不同而不同,这种光谱线的分裂现象称为塞曼效应。
通常把一条谱线分裂为三条且裂距正好等于一个洛伦兹单位的现象称为正常塞曼效应,而把分裂的谱线多于三条且裂距大于或小于一个洛伦兹单位的现象称为反常塞曼效应。
13、核磁共振条件是什么?如何调节才能出现较理想的核磁共振信号?答:核磁共振条件是:???.b0。
调节:1、加大调制场。
2、调节边振调节使振荡器处于边缘振荡状态。
3、通过扫场(或扫频)调出核磁共振信号。
4、调节样品在磁场中的位置。
14、微波在波导管中传输时有哪几种工作状态?其反射系数和驻波比分别为多少?答:核磁共振条件是:???.b0。
调节:1、加大调制场。
2、调节边振调节使振荡器处于边缘振荡状态。
3、通过扫场(或扫频)调出核磁共振信号。
4、调节样品在磁场中的位置。
15、如何鉴别塞曼效应实验中的圆偏振光的左旋和右旋?答:让入射光先依次通过f-p标准具、四分之一波片、偏振片,然后转动偏振片的透振方向,如果在Ⅰ-Ⅲ象限发现有消光现象,说明入射光是左旋圆偏振光,如果发现在Ⅱ-Ⅳ有消光现象,说明入射光是右旋圆偏振光。
16、真空蒸发镀膜的质量与哪些因素有关?答:真空蒸发镀膜的质量与系统中真空度、被镀物的清洁程度、蒸发物的纯度、蒸发器的纯度、蒸发速度有关。
17、塞曼效应的偏振定则是什么?答:偏振定则18、真空镀膜实验中如何提高薄膜质量?-答:实验中要保证真空度102帕以上,被镀物清洗干净,蒸发物清洗干净、选择纯度高的蒸发物蒸发器,镀膜时速度越快越好。
19、核磁共振实验中使用的振荡器用什么特点?核磁共振法测磁场的原理和方法是什么?答:核磁共振实验中使用的振荡器处于边缘振荡状态。
核磁共振法测磁场的原理和方法是:可选用一个已知旋磁比的样品,利用扫场或扫频,找出核磁共振信号,并且将信号调到等间距,此时满足核磁共振条件:???.b0。
则可根据测出的共振频率和样品的旋磁比计算出磁场。
20、真空蒸发镀膜的质量与哪些因素有关?答:与系统中真空度、被镀物的清洁程度、蒸发物的纯度、蒸发器的纯度、蒸发速度有关。
21、什么是波导波长?如何由波导波长求自由空间波长?如何测量波导波长?答:微波在波导管中传输时的波长为波导波长。
g2???g/?(),其中?c?2a,称为波导截止波长,?为自由空间波长。
?c先将测量线终端接短路片,移动探针位置,两个相邻波节之间的距离即为波导波长。
22、简述光栅摄谱仪的工作原理。
答:光栅摄谱仪主要由三透镜照明系统、入射狭缝、平面反射镜、凹面反射镜、衍射光栅等组成。
三透镜照明系统的作用是使入射狭缝得到均匀照明,并消除彗差及渐晕现象;通过入射狭缝的光由反射镜反射到处于摄谱仪端面的凹面反射镜上,经该反射镜准直变为平行光,并反射到衍射光栅上,经光栅衍射得到入射光的光谱,该光谱经凹面反射镜成像在照像底片上。
23、使用电离真空计注意些什么?24、实现核磁共振的两种方法是什么?说明调制磁场在核磁共振实验中的作用。
答:实现核磁共振的两种方法是扫场和扫频调制线圈的作用,就是用来产生一个弱的低频交变磁场bm迭加到稳恒磁场b0上去,这样有利于寻找和观察核磁共振吸收信号。
其作用原理如下:从原理公式?0??b0可以看出,每一个磁场值只能对应一个射频频率发生共振吸收。
而要在十几兆赫的频率范围内找到这个频率是很困难的,为了便于观察共振吸收信号,通常在稳恒磁场方向上迭加上一个弱的低频交变磁场bm,那么此时样品所在处的实际磁场为b0?bm,由于调制磁场的幅值不大,磁场的方向仍保持不变,只是磁场的幅值随调制磁场周期性地变化,核磁矩的拉莫尔旋进角频率?0也相应地在一定范围内发生周期性的变化,?的变化范围之内,这时只要将射频场的角频率??调节到?0同时调制场的峰——峰值大于共?振场范围,便能用示波器观察到共振吸收信号。
因为只有与??相应的共振吸收磁场范围b0被(b0?bm)扫过的期间才能发生核磁共振,可观察到共振吸收信号,其他时刻不满足?在两处相交,所以在一周期共振条件,没有共振吸收信号。
磁场变化曲线在一周期内与b0内能观察到两个共振吸收信号。
25、说明测量频率的微波电路的组成,如何用吸收式直读频率计测量微波频率?答:微波电路由等效电源、频率计、检波器和微安表组成。
旋转频率计并观察微安表示数,当微安表示数突然变小时,读出频率及此时的读数即可。
26、光谱从外部特征上有几种分类?答:可分为:线状光谱、带状光谱、连续光谱。
-227、真空蒸发度膜为什么需要10帕以上真空度?-答:真空度在102帕以上时,真空中气体分子平均自由程大于50cm,大于蒸发物和被镀物之间距离的2-3倍,蒸发出的分子和原子,才能无阻挡地镀在被镀物上。
g-m1.计数管在什么情况下出现连续放电?出现连续放电时怎徉处理?如何延长计数管的使用寿命?计数管经过一次连续放电,就会使猝熄气体大量分解。