实验四 宇宙线缪子飞行时间测量实验报告
数学实验飞行航程计算实验报告
通过对本实验的整体操作，运行。使得我们学会了如何运用数学软件来解决现实生活中所存在的实际问题，同时对于实验的细节，我们也熟悉的掌握了数学软件的操作方式，对于图形的绘制，函数的运用，程序的汇编，以及简单问题的处理方法。不过对于软件的性能及其他用途运用还比较生疏，以后多加操作练习，更好地掌握MATLAB这款数学软件。
2、在图形上通过经纬度确定各大城市的具体位置。
3、球面短程线是过球面上两点P1和P2以及坐标原点O的平面与球面的交线，由于P1、P2在截平面上，故利用圆周上弧线长的计算公式可以计算出球面短程线的近似值。
六、模型假设与变量符号说明：
模型假设：将地球视为半径为R=6400（km）的球体。假设飞机在一万米高空平稳飞行，则应该以6410代替上面的数据。设球面上两点分别为：
七、模型建立与求解(算法,程序):
1、绘制三维球形
由于θ-φ平面矩形区域上的点与球面上的点可建立1－1对应。故将矩形域作剖分
θ=θi(i =1，…，m)，φ=φj(j =1，…，n)
所形成的网线将对应于球面上的经线和纬线。所以形成R2R3的映射，由网格点（θi，φj）对应于球面上点（xij，yij，zij），映射关系如下
P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2）
则球面上过P1和P2两点的短程线长度计算公式为
L = R×α
变量符号说明：其中，α是从球心指向P1，P2两点的两向量的夹角（弧度），即
cosα= (x1，y1，z1)·(x2，y2，z2) / ( ||(x1，y1，z1)|| ||(x2，y2，z2)|| )
6、成都到雅典的飞行航程：D17 = 7.2456e+003
7、成都到悉尼的飞行航程：D18 = 4.4430e+003
太空探索实验报告
一、引言随着科技的不断发展，人类对太空的探索越来越深入。
太空探索实验作为一种重要的研究手段，对于揭示宇宙奥秘、推动科技进步具有重要意义。
本报告将对我国太空探索实验进行综述，包括实验目的、方法、结果及分析等方面。
二、实验目的1. 深入了解宇宙环境对生物和物质的影响；2. 研究太空技术在我国航天事业中的应用；3. 探索太空资源开发和利用的可能性；4. 推动我国航天科技发展，提升国际地位。
三、实验方法1. 生物实验：在太空环境中进行生物实验，观察生物在失重、辐射等特殊条件下的生长、发育和遗传变化。
2. 物理实验：在太空环境中进行物理实验，研究宇宙射线、微重力、磁场等对物理现象的影响。
3. 航天技术实验：在太空环境中进行航天技术实验，如卫星通信、导航、遥感等，验证和改进航天技术。
4. 资源开发实验：在太空环境中进行资源开发实验，如月球和火星资源的开采、利用等。
四、实验结果及分析1. 生物实验结果及分析在太空环境中，生物的生长、发育和遗传变化受到多种因素的影响。
例如，太空辐射对生物的DNA和染色体产生损伤，可能导致突变和遗传异常。
此外，失重环境对生物的运动系统、心血管系统等产生影响。
2. 物理实验结果及分析在太空环境中，物理现象受到宇宙射线、微重力、磁场等因素的影响。
例如，宇宙射线对电子设备产生辐射损伤，微重力导致物体漂浮，磁场对航天器姿态控制产生影响。
3. 航天技术实验结果及分析在太空环境中，航天技术实验取得了一系列成果。
例如，卫星通信技术在太空中得到广泛应用，导航系统实现了高精度定位，遥感技术对地球和月球表面进行了详细探测。
4. 资源开发实验结果及分析在太空环境中，我国科学家成功开展了月球和火星资源开发实验。
例如，嫦娥四号探测器成功实现了月球背面软着陆，火星探测车在火星表面进行采样和实验。
五、结论1. 太空探索实验对于揭示宇宙奥秘、推动科技进步具有重要意义。
2. 我国在太空探索实验方面取得了一系列成果，为航天事业发展奠定了坚实基础。
有关飞行的实验报告
有关飞行的实验报告1. 实验目的本次实验的目的是通过对飞行的研究和实践，了解飞行的原理和飞行器的性能，并通过实验数据分析验证理论模型的正确性。
2. 实验器材与原材料- 飞行模型（如飞机或风筝）- 飞行仪器（如测风仪、气压计）- 操控工具（如遥控器、线缆）3. 实验方法3.1 准备阶段首先，我们选择了一种适用于实验的飞行模型，例如一架小型纸飞机。
接下来，我们收集了实验所需的一些仪器，例如测风仪和气压计，以便测量飞行模型在飞行中的各种因素，如气流速度和气压变化。
3.2 实验步骤1. 首先，我们保证实验环境的稳定性，确保室内没有风或其他干扰。
我们选择一个宽敞的地方进行实验。
2. 我们根据实验需要对飞行模型进行一些预处理。
例如，我们可以调整模型的重心和姿态，以确保其在飞行时的稳定性。
3. 接下来，我们使用测风仪来测量空气中的气流速度。
我们会在不同高度和位置测量风速，并记录测量结果。
4. 同时，我们使用气压计来测量空气压力的变化。
我们会在飞行过程中获取气压的实时数据，并记录下来。
5. 最后，我们通过操控工具，例如遥控器或线缆，控制飞行模型的起飞、飞行和降落。
我们会记录下模型在不同飞行状态下的各种参数和数据。
3.3 数据处理与分析根据实验中记录下来的数据，我们将进行数据处理和分析，以验证理论模型的正确性。
我们会将飞行数据与飞行理论进行对比，并计算误差和偏差，以评估模型的准确性和可靠性。
4. 预期结果通过本次实验，我们预期得出以下结论：- 飞行模型的稳定性和性能会受到气流速度和气压变化的影响。
- 实验数据与理论模型之间可能存在一定的误差和偏差，这是正常现象。
- 飞行模型的设计和调整可以通过对实验数据的分析来改进，以提高其性能和稳定性。
5. 实验风险与安全措施本实验存在一定的风险，如飞行模型意外坠毁或造成人员伤害。
为了确保安全，我们采取了以下措施：- 实验进行在宽敞的环境中，远离人群和易碎物品。
- 操控飞行模型时，要佩戴护目镜和手套，以防止可能的伤害。
宇宙线缪子数据分析
• 在没有对撞数据的情况下,可以利用海量的宇宙线缪子 数据来做一些相应的工作
缪子重建效率研究
• 缪子的在线,离线重建效率研究 • 主要方法: Tag-Probe • 不同系统之间
– Tracker-Muon – Global-Tracker – Global-Muon
• 缪子电荷的误判研究.
– 电荷的断定与探测器动量分辨有重要关系 – 缪子电荷的误判将对宇宙线缪子正负电荷比值产生重要影响 – 通过利用三个系统间(缪子系统, 径迹室系统及综合系统)径迹电荷关
系, 直接从数据中研究电荷误判情况
宇宙线缪子数据分析
陈明水, 张震
宇宙线缪子正负电荷比及绝对通量 的测量
• 自9月19日, LHC超导磁铁发生故障后,CMS探测器针对新 情况进行了调整. 计划进行新的宇宙线测试运行, 充分 调试探测器性能并进行一些物理研究.
• 利用已经在地下安装好的整个CMS探测器来测量大气中 宇宙线缪子正负电荷比及绝对通量. 目标是进行高质量 的分析和测量, 最终以CMS合作组的名义发表文章.
• 此项分析工作在没有加速器束流的情况下,对理解探测 器性能,包括准值, 刻度和缪子重建软件等具有重要意 义
• 另外一方面,做好该分析工作将能加强我们在处理系统 误差方面的信心和处理更为复杂的强子对撞数据的能力
宇宙线数据分析与论文关系
• μ的精确测量对HZγμμγ及 Z’μμ的寻找至关 重要
• μ的精确测量需要对CMS探测器的全面理解
• 不同level
– DT-GMT – GMT-GLB – RPC-DT
• 不同alignment条件的影响
高能粒子探测实验--实验报告2
高能粒子探测实验二：宇宙线μ子计数测量张威震（清华大学 工程物理系 核21班）一、 实验目的1. 观察噪声信号特征， 观察它和信号间的差别，学习使用甄别器、逻辑符合模块。
2. 理解 PMT 热噪声的随机性质，理解偶然符合的概念，学习如何利用双端符合压低噪声。
3. 对宇宙线粒子通量建立起初步的认识。
二、 实验原理实验装置原理图如下图所示。
实验时使用同一块闪烁体探测μ子信号，通过两个PMT 放大后输出，输出信号通过两个甄别器后进入符合电路，输出信号接到示波器上。
图 1 实验装置原理图三、 实验内容1. 巩固对基本实验设备（ PMT ，闪烁体，示波器等）使用的学习，按下图搭建实验设备。
2. 学习使用甄别器。
3. 利用调节甄别器阈值和 PMT 电压压低 afterpulse 。
4. 闪烁体单端读出计数。
5. 学习使用逻辑符合模块。
6. 闪烁体双端符合计数。
7. 理解并计算偶然计数率，宇宙线粒子计数率。
四、 实验结果1、按照实验原理图连接好线路，甄别器的阈值可以通过调整面板上的旋钮进行调整。
2、示波器的显示屏上显示实时总计数，使用秒表测量时间差Δt ，用总计数除以Δt ，可以得到计数率。
3、调高甄别器的阈值可以减少过阈信号，使得计数率降低，噪声信号也相应减少；降低PMT 电压可以降低光阴极输出的电子的能量，相应的信号能量降低，噪声信号减少。
所以能够压低afterpulse 。
4、通过测量，单端计数率分别为11268min n −=⋅，12294min n −=⋅双端符合计数率为158.25min c n −=⋅。
理论上，由于信号同时产生，双端符合计数率应该与单端计数率相差不大，但是实际上因为两个PMT 并不完全相同，以及传输电缆的延迟等原因，导致双端符合计数率比单端计数率要低很多。
5、测量得到实验装置的分辨时间为50ns τ=，偶然符合计数率为61122 2.1910rc n n n s τ−−==×⋅。
AMS-02实验中原初宇宙线~3He~4He通量比的测量
AMS-02实验中原初宇宙线~3He/~4He通量比的测量宇宙射线是起源于外太空的高能辐射,包括带电粒子和中性粒子,其中带电粒子中约90%为质子、9%为氦核以及1%的其它更重核素。
自20世纪初Victor Hess 发现宇宙射线以来,人们对宇宙射线的研究一直没有停止,物理学的进步丰富了宇宙射线观测的手段,而对宇宙射线的不懈探索也在推动着物理学的不断发展。
当前宇宙射线研究中的一个很重要的方向是寻找奇异物质,如暗物质和稀有的反物质成分等。
但要从宇宙射线中寻找这种微弱的信号,要求人们对宇宙射线现象背后的物理机制有深刻的认识,包括宇宙射线的起源、加速以及其在传播路径中的扩散、重加速以及碎裂等物理过程。
阿尔法磁谱仪(AMS-02)是用于精确测量宇宙射线、寻找反物质及暗物质存在证据的高能物理探测器,于2011年5月16日搭乘奋进号航天飞机进入太空,并安装在国际空间站上。
AMS-02探测器测量精度高,几何接收度大,且得益于单一的太空环境,通过五个子探测器的独立测量,AMS-02能够以极高的精度区分宇宙射线中从几个GV到TV刚度区间的核素成分以及测量γ射线能谱等。
经过5年多的运行取数,AMS-02合作组已发表了包括正电子比、质子能谱和B/C等七篇重要的物理结果,其中B/C作为关键的次级宇宙射线对初级宇宙射线通量比,在理解宇宙射线传播中所穿过的物质量时发挥着关键性的作用,其对传播模型的有效约束也可以用来推算反质子及正电子能谱中来自次级宇宙射线的部分,进而根据其能谱超出的情况探索可能存在的奇异物质等。
本论文主要描述了作者利用AMS-02探测器测量原初宇宙射线中氦同位素3He及4He的工作。
宇宙射线中的3He主要是由4He在传播过程中与星际物质发生散裂反应形成的。
因此,~3He/~4He通量比与4He传播路径上的物质分布息息相关,精确测量~3He/~4He通量比是压缩宇宙射线传播模型参数空间的重要手段。
目前的~3He/~4He测量结果均具有较大的误差,且大多数实验所测量的结果集中在单位核素动能5GeV/n以下,在更高的能区,多数实验仅能给出一个测量点,极大地限制了对传播模型参数的精确计算。
分析并测量飞行轨迹的实验研究
6
研究成果总结
实验结果：得出了飞行轨迹与速度、高度、风向等因素的关系
实验目的：研究飞行轨迹的规律和影响因素
实验方法：采用模拟仿真和实际飞行测试相结合的方法
实验结论：提出了优化飞行轨迹的建议和改进措施
实验局限性分析
实验条件：可能受到天气、环境等因素的影响
实验方法：可能存在一定的局限性，需要进一步改进和完善
模型应用：预测飞行轨迹、优化飞行路径、评估飞行风险等
模型选择：线性回归、多项式回归、神经网络等
数据预处理：数据清洗、数据归一化、特征选择等
模型训练：调整参数、优化算法、评估模型等
稳定性评估与结论
实验数据：飞行轨迹的稳定性指标
结论：飞行轨迹的稳定性满足要求
改进建议：针对不稳定的飞行轨迹提出改进措施
评估方法：采用统计学方法进行评估
飞行环境：包括天气、地形、寸、重量等因素
空气动力学：研究飞行器与空气的相互作用
测量飞行轨迹的参数
速度：测量飞行器的飞行速度
航程：测量飞行器的航程
加速度：测量飞行器的加速度
方向：测量飞行器的飞行方向
姿态：测量飞行器的飞行姿态
高度：测量飞行器的飞行高度
评估飞行轨迹的稳定性
数据处理：可能存在一定的误差和偏差，需要进一步验证和分析
实验结果：可能存在一定的不确定性，需要进一步观察和验证
未来研究方向与展望
飞行轨迹优化：研究如何提高飞行效率和稳定性
飞行轨迹控制：研究如何实现对飞行轨迹的实时控制，提高飞行灵活性
飞行轨迹仿真：研究如何建立飞行轨迹仿真模型，为飞行实验提供参考和指导
飞行轨迹预测：研究如何预测飞行轨迹，提高飞行安全性
THANK YOU
实验三宇宙线缪子寿命测量
实验三宇宙线缪⼦寿命测量实验三宇宙线缪⼦寿命测量⼀、实验原理由于缪⼦的衰变时间服从指数分布，所以使⽤⽰波器测量缪⼦触发信号和延迟信号之间的时间差，将测得的时间差做出统计直⽅图，⽤最⼩⼆乘法做指数拟合，就可以测出缪⼦的寿命。
在本次实验中，缪⼦进⼊闪烁体后产⽣触发信号，⽽其衰变产⽣的电⼦或正电⼦将产⽣延迟信号，这两类信号将通过PMT输⼊⽰波器中。
这样，我们便可以测量这触发信号和延迟信号的时间差，进⽽通过绘制统计直⽅图并进⾏指数拟合的⽅式得到缪⼦的寿命。
⼆、实验内容及步骤1. 检查已连接好的设备，利⽤⽰波器观察采集5分钟信号，总时间宽度为30s，检查信号情况，查看是否有延迟的衰变电⼦的信号，事例率是否与预估结果相近。
2. 利⽤⽰波器测量缪⼦触发信号和延迟电⼦信号之间的时间差，计算平均时间，做寿命测量的粗略估计。
3. 采集50-60分钟数据，利⽤⽰波器测量时间，做统计直⽅图。
4. 利⽤最⼩⼆乘法拟合实验数据。
三、实验结果具体时间间隔记录如下统计结果如下：统计直⽅图如下：使⽤MATLAB中的Curve Fitting Tool进⾏拟合，结果如下：General model: f(x) = a*exp(-b*x)+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 12.54 (10.09, 15)b = 0.4673 (0.3316, 0.6031)c = 1.126e-08 (fixed at bound)Goodness of fit:SSE: 3.572R-square: 0.9381Adjusted R-square: 0.9278RMSE: 0.7715可得缪⼦寿命τ=1/b=1/0.4673=2.14µs，与缪⼦的静⽌寿命较为接近。
四、实验思考1. 如何初始检查信号的质量？将PMT输出的信号直接输⼊⽰波器中进⾏观察。
2. 如何利⽤最⼩⼆乘法去寻找参数的最优值？可以对计数取对数，然后利⽤最⼩⼆乘法进⾏直线拟合，就可以⽐较简单地得到最优的参数。
粒子物理实验中的精密时间间隔测量_安琪
第29卷 第6期 核 技 术 V ol. 29, No.6 2006年6月 NUCLEAR TECHNIQUES June 2006——————————————第一作者：安 琪，男，1955年出生，1985年于中国科学技术大学获理学硕士学位，核电子学，教授，博士生导师收稿日期：2006-03-22粒子物理实验中的精密时间间隔测量安 琪（中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室 合肥 230026）摘要 本文是关于粒子物理实验中精密时间间隔测量的电子学方法和技术的一个综述。
描述了精密时间间隔测量在粒子物理实验中的作用，以及粒子物理实验对时间间隔测量系统的性能指标需求。
讨论了时间间隔测量的基本电子学手段，并着重分析了时间内插技术的分类和实现方法。
关键词 时间间隔测量，时间-数字变换，时间内插 中图分类号 TN01 粒子物理实验对精密时间测量的需求 人类对两个极限尺度的物质世界—物质结构的“小宇宙”和星体世界的“大宇宙”—不断认识的历史是人类科学发展史的重要组成部分。
20世纪50年代以来，物质结构的研究进入了核子夸克层次，要求轰击粒子的能量越来越高，逐渐从原子核物理领域进入了所谓的高能物理（粒子物理）领域，包括宇宙线物理和使用高能量和高粒子束流强度的加速器（固定靶和对撞机）物理。
几十年来，科学家们一直在粒子探测器、电子学方法和数据获取方面做出不懈的努力，以适应更高能量、更复杂的粒子物理实验，如高精度的能量分辨和位置分辨，精密的时间间隔测量，快速、实时的事例触发判选，高速、大规模的数据传输和处理等。
精密的时间间隔测量在粒子物理实验中扮演着非常重要的角色，其应用主要集中在两个方面：（1）用于带电粒子鉴别的粒子飞行时间（Time of Flight ，简称：TOF ）测量；（2）用于粒子径迹测量的电离电子漂移时间测量。
飞行时间测量主要是通过测量带电粒子的飞行时间∆t ，结合径迹探测器测量同一粒子的动量p 和飞行径迹长度l ，得到粒子的本征质量m 0，鉴别出带电粒子的种类（主要为π，K 和P ）[1]。
实验三 宇宙线缪子寿命测量
实验三宇宙线缪子寿命测量一、实验原理由于缪子的衰变时间服从指数分布，所以使用示波器测量缪子触发信号和延迟信号之间的时间差，将测得的时间差做出统计直方图，用最小二乘法做指数拟合，就可以测出缪子的寿命。
在本次实验中，缪子进入闪烁体后产生触发信号，而其衰变产生的电子或正电子将产生延迟信号，这两类信号将通过PMT输入示波器中。
这样，我们便可以测量这触发信号和延迟信号的时间差，进而通过绘制统计直方图并进行指数拟合的方式得到缪子的寿命。
二、实验内容及步骤1. 检查已连接好的设备，利用示波器观察采集5分钟信号，总时间宽度为30s，检查信号情况，查看是否有延迟的衰变电子的信号，事例率是否与预估结果相近。
2. 利用示波器测量缪子触发信号和延迟电子信号之间的时间差，计算平均时间，做寿命测量的粗略估计。
3. 采集50-60分钟数据，利用示波器测量时间，做统计直方图。
4. 利用最小二乘法拟合实验数据。
三、实验结果具体时间间隔记录如下统计结果如下：统计直方图如下：使用MATLAB中的Curve Fitting Tool进行拟合，结果如下：General model:f(x) = a*exp(-b*x)+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 12.54 (10.09, 15)b = 0.4673 (0.3316, 0.6031)c = 1.126e-08 (fixed at bound)Goodness of fit:SSE: 3.572R-square: 0.9381Adjusted R-square: 0.9278RMSE: 0.7715可得缪子寿命τ=1/b=1/0.4673=2.14μs，与缪子的静止寿命较为接近。
四、实验思考1. 如何初始检查信号的质量？将PMT输出的信号直接输入示波器中进行观察。
2. 如何利用最小二乘法去寻找参数的最优值？可以对计数取对数，然后利用最小二乘法进行直线拟合，就可以比较简单地得到最优的参数。
天空区域的探索实验报告(3篇)
第1篇一、实验背景随着科技的飞速发展，人类对宇宙的探索从未停止。
为了进一步了解宇宙的奥秘，我国科研团队于近期开展了一次天空区域探索实验。
本次实验旨在通过先进的观测设备和技术手段，对特定天空区域进行观测，以期获取更多关于宇宙的珍贵信息。
二、实验目的1. 获取特定天空区域的观测数据，包括星系、恒星、行星等天体的分布、运动规律等信息；2. 分析天空区域的天体演化过程，揭示宇宙的演化规律；3. 探索宇宙中可能存在的未知天体和现象；4. 为我国天文观测和空间科学研究提供实验依据。
三、实验内容1. 观测设备：本次实验采用我国自主研发的先进天文望远镜，具备高分辨率、高灵敏度等特点。
2. 观测对象：本次实验主要针对一个位于银河系外的天空区域进行观测，该区域距离地球约50亿光年，包含多个星系和恒星。
3. 观测时间：实验持续进行一个月，共计20个观测夜。
4. 观测内容：（1）星系观测：观测星系的形态、大小、亮度等特征，分析星系的演化过程；（2）恒星观测：观测恒星的亮度、光谱、运动速度等特征，分析恒星的物理性质和演化过程；（3）行星观测：观测行星的轨道、大小、大气成分等特征，分析行星的形成和演化；（4）天体现象观测：观测天空区域可能存在的未知天体和现象，如暗物质、暗能量等。
四、实验结果与分析1. 星系观测结果：通过观测，我们获取了多个星系的图像，发现星系形态多样，包括椭圆星系、螺旋星系、不规则星系等。
同时，我们还观察到星系中的恒星分布不均，部分星系存在大量的星系团。
2. 恒星观测结果：观测结果显示，恒星的亮度、光谱、运动速度等特征与星系演化密切相关。
通过分析恒星的运动轨迹，我们发现部分恒星存在周期性运动，可能与星系中的暗物质有关。
3. 行星观测结果：观测结果显示，部分行星的轨道与恒星存在共振现象，可能对行星的稳定性和演化产生影响。
4. 天体现象观测结果：在实验过程中，我们捕捉到一些未知天体和现象，如暗物质、暗能量等。
μ子的速度测量
μ子的速度测量刘文斌;李海鹏;李明;肖杨;孙保华;张高龙【摘要】地球上的生物每时每刻都受到μ子照射.本文介绍了一个测量μ子平均速度的实验.基于两套闪烁体探测器,利用飞行时间方法,测得海平面附近μ子的平均速度为29.72(3) cm/ns.本实验具有较强的探索性、创新性和综合性,需要学生掌握高能宇宙射线、辐射探测和测量的基本知识,可以作为近代物理和前沿物理类实验课程的一个重要内容.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2016(035)007【总页数】3页(P56-58)【关键词】宇宙射线μ子;飞行时间方法;塑料闪烁体探测器【作者】刘文斌;李海鹏;李明;肖杨;孙保华;张高龙【作者单位】北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京 100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京 100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京 100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京 100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京 100191【正文语种】中文【中图分类】O572在人类所处的生存环境中充斥着各种高能宇宙射线.当来自外太空的初级宇宙射线(其中90%为质子,9%为氦原子核,其他约占1%)进入大气层后,在海拔 15 km左右会同大气中的原子相互作用，产生高能粒子的“大气簇射”.这些簇射在向地面传播的过程中,其能量和次级强子(核子,反核子,π介子,K介子等)逐渐会转移给轻子(弱相互作用介子,电子和中微子) 和伽玛射线(高能量光子),因此在海平面后者是次级宇宙射线的主要成分.μ子(muon)即是初级宇宙射线与地球大气层内其他原子核发生核反应所产生的一种轻子.1937年，美国科学家Street和Stevenson首次在宇宙线实验中观测到了μ子[1].多年的研究指出，μ子带有一个单位的基本负电荷，质量为105.658 MeV/c2，自旋1/2，平均寿命约2.197 μs[2-4].由于产生的μ子接近光速，因此在狭义相对论中的时间膨胀效应之下，μ子衰变时间延长，使μ子有机会到达地球表面.高空观测表明大多数的μ子在海平面之上 15 km左右产生的，产生的μ子经过大约50 μs到达海平面.对于μ子的计数率和速度测量，不仅可以直接验证狭义相对论的时间膨胀效应，而且还需要很好地运用近代物理学、核物理学和前沿物理学中的符合方法、飞行时间方法等[5].然而，由于产生μ子的条件不同，包括大气层厚度和所处的地球纬度，以及地面障碍物(如楼房等)等，在不同纬度、不同海拔处所测的μ子速度和分布也不尽相同.一般来说，海拔越高处μ子的平均速度也越大.现如今，在直接利用到达地球表面的μ子方面，已经发展了许多新的应用方向.例如，μ子探测技术在重核材料成像方面应用很方便，在国防、反恐、海关安全等方面具有广泛的应用前景.μ子已被广泛应用于表面物理、辐射化学、化学动力学和地质结构等的研究.因此，有必要在近代物理、核物理相关学科教学中，体现μ子的相关实验，同时展现狭义相对论中的重要概念(如光速极限、时间变慢等)、符合方法、以及飞行时间方法等.本文介绍的μ子速度测量，利用两套塑料闪烁体探测器，可对宇宙射线μ子进行速度测量.本实验在位于北京市海淀区的北京航空航天大学校园内进行，测量位置接近海平面.为了测量空间μ子速度，本次实验制作了两套双端读出的塑料闪烁探测器.本实验所用的塑料闪烁体由高能科迪公司生产，规格为300 mm(长)×50 mm(宽)×5 mm(厚)；利用硅胶，将闪烁体两端均粘在光电倍增管(型号为H7194)上.闪烁体探测器将光信号首先转化成电信号，之后经光电倍增管进行放大后输出.图1为闪烁体探测器的实物图.海平面处的μ子多数已接近于垂直地面运动.实验中，两个塑料闪烁探测器平行放置在不同高度处，垂直间距为h.两个探测器输出的4个信号，首先用时间甄别器(ORTEC584)进行定时；而后经符合单元(CO4020)进行符合，符合输出作为时幅转换器(TDC V1290)的Common Start；4路信号同时经延时单元后分别输入到TDC进行记录.只有当4个光电倍增管均有信号输出时才记录数据，设4路信号的时间分别为t1、t2、t3和t4.实验涉及到的其他电子学设备还包括高压插件、时间刻度器(462插件)数据采集系统以及相应的电缆等.4个光电倍增管高压均为-1 700 V，4路TDC的量程都设为100 ns.通过测量飞行时间[6]，可以进行μ子的速度测量，图2为实验测量装置示意图.速度测量的精度，主要取决于对飞行时间的精确测定.对同一个塑料闪烁探测器，取两端信号输出时间的平均值作为射线到达该探测器的时间.这样可以抵消因入射位置不同而造成定时误差.μ子在塑闪上的入射位置x与塑闪两端信号输出的时间差，近似满足线性关系，因此由塑闪两端信号的时间差可以得到μ子在塑闪上的入射位置.基于μ子的入射位置，可以计算出μ子实际飞行的距离L，进而得到每一个μ子的速度v.对所有μ子的速度进行统计分析，最后可得μ子的平均速度.实验中，在上面塑闪的底面与下面塑闪的顶面紧贴着放置铁片，用来屏蔽μ子打在塑料闪烁体上产生的电子等.3.1 TDC的标定首先需要进行TDC的时间刻度.TDC道数C与时间T二者间满足线性关系，即利用ORTEC 462 插件，可以产生间隔为10 ns的脉冲，对TDC中的4路分别进行标定，得到道数N与时间T间的关系，得到k值约为0.025.3.2 入射位置的修正要精确测量μ子的速度，需要准确测量每个μ子的飞行距离.而双端读出的塑料闪烁体，在提供时间信息的同时，也可以作为位置探测器使用.这是因为μ子在塑料闪烁体上的入射位置和塑料闪烁体两端信号的时间差近似满足线性关系.利用β放射源，可以进行位置定标.依次将90Sr β放射源放在塑闪的7.5 cm、10.5 cm、13.5 cm、16.5 cm、19.5 cm、22.5 cm处，每个位置测量30 s，利用TDC测量每个位置处(x)两端信号的时间差ΔT.利用公式对测量数据进行拟合，可分别得到每片塑料闪烁体上的入射位置.本实验中，探测器的时间测量精度约为200 ps，相应入射位置精度约为1 cm量级.需要注意的是，在计算在两个闪烁体探测器间的飞行时间时，需要校对和匹配两个探测器的位置. 3.3 速度测量由于μ子的计数率很低，在海平面附近仅约为每分钟每平方厘米1～3个.为了保证计数率，需要调整合适的飞行距离.在实际测量时，需保证两片塑料闪烁体水平，高度差h为134.7 cm.实验总的测量时间为70 h.利用时间甄别器和TDC，对两片塑料闪烁体探测器双端测量的时间分别为T1、T2、T3和T4，则飞行时间(TOF)为飞行距离为其中，x1和x2为利用塑料闪烁体探测器确定的位置.则μ子速度为对所有的μ子速度进行加权平均，可得到μ子平均速度.最终，μ子的平均速度为=29.72(3) cm/ns，即相当于/c=0.991(1).实际上，可以多次通过调整两片塑料闪烁体间的距离，进行多次TOF测量，消除位置测量时的不确定性.3.4 讨论通过测量宇宙线μ子的速度，可以证明运动的粒子存在速度极限，进而更直观地感受和理解狭义相对论中“光速为极限速度”的结论；基于两套塑料闪烁体探测器，通过测量飞行时间，最终得到了μ子的平均速度为29.72(3) cm/ns，接近光速.在本实验中，塑料闪烁体上测量的μ子计数率约为300个，远大于经典理论的极限值，这是因为虽然μ子的寿命约为2.197 μs，但是由于狭义相对论中的时间膨胀效应下，μ子衰变时间延长，因而可以在地球表面观测到更多的μ子.基于塑料闪烁探测器，我们测量了μ子的平均速度，这提供了一个没有放射源情况下的核物理实验项目.当前的实验，由于在定时精度等诸多问题的存在，可以进行更深一步的探索.当然，我们开展的实验需要利用数据获取系统，相对来说比较复杂.为便于推广本科教学，以便适应不同层次的学生，可以利用时幅转换器(TAC)结合多道分析器(MCA)进行，大大简化实验.本实验同时可以用来验证狭义相对论中的主要结论，如“光速极限”和“时间膨胀”等.【相关文献】[1] Street J C, Stevenson E C. New Evidence for the Existence of a Particle of Mass Intermediate Between the Proton and Electron [J]. Physical Review, 1937, 52(9) : 1003. [2] Caso C,et al. Particle Data Group, “review of Particle Physics”[J]. Euro PhysJ,1998,C3,1.[3] Henry Mühry, Patrick Ritter. Muons in the classroom[J]. The Physics Teacher,2002(40):294-300.[4] Ward T, Barker M,et boratory study of the cosmic-ray muon lifetime[J]. American Journal of Physics， 1985(53):542-546.[5] Banjanac R, Dragic A,et al. Cosmic-ray Muon Flux In Belgrade [C]. AIP Conference Proceedings, 2007(899):543.[6] 复旦大学、清华大学、北京大学合编.原子核物理实验方法[M]. 北京：原子能出版社，1999.。
实验二 宇宙线粒子计数测量
实验二宇宙线粒子计数测量一、实验原理在本次实验中，两个PMT连接着同一块闪烁体，它们所输出的信号将分别经过两个甄别器的甄别，随后再进入符合电路。
如果宇宙线粒子在闪烁体中沉积能量，那么两个PMT 将会同时输出信号，如果两个信号的幅度均大于甄别器的阈值，那么两个甄别器将会同时输出脉冲信号，这将使得符合电路输出一个脉冲信号。
如果将甄别器输出的信号直接接入计数器，就可以得到闪烁体单端读出计数。
如果将符合电路输出的信号接入计数器，就可以得到闪烁体双端符合计数。
利用闪烁体的单端读出计数和双端符合计数，就可以计算出偶然计数率和宇宙线粒子计数率。
二、实验内容及步骤1. 巩固对基本实验设备（PMT、闪烁体、示波器等）使用的学习，搭建实验设备。
2. 学习使用甄别器。
3. 利用调节甄别器阈值和PMT电压压低afterpulse。
4. 闪烁体单端读出计数。
5. 学习使用逻辑符合模块。
6. 闪烁体双端符合计数。
7. 理解并计算偶然计数率，宇宙线粒子计数率。
三、实验结果与思考1. 如何调整甄别器的阈值？甄别器的阈值可以通过调节相应的旋钮来进行调整。
2. 如何使用示波器进行计数？本实验中使用了计数器而非示波器来进行计数，如果要用示波器进行计数，需要调节示波器，使其显示总计数，再用秒表测量计数时间。
3. 为什么调节甄别器阈值和PMT 电压可以压低afterpulse？afterpulse信号相比于真实信号幅度较小，故如果调高甄别器的阈值，就可以减少过阈的afterpulse信号的数量，而如果调低PMT电压，则会使信号的幅度减小，同样能够减少过阈的afterpulse信号的数量。
4. 比较单端的计数率和双端符合的计数率。
单端计数率分别为n1=754.5min-1，n2=6637.8min-1；双端符合计数率为n c=660.6 min-1；其中n1和n c较为接近，而n2则远大于n1和n c，这是因为n2所对应的PMT的噪声特别大，导致其输出了很多幅度较大的噪声信号，使得n2中混入了很多的噪声计数。
缪子衰变谱的测量实验报告
缪⼦衰变谱的测量澹泊且明志June5,20171实验目的本实验主要目的是了解缪⼦相关粒⼦物理基本知识和探测⽅法，测量缪⼦寿命以及其衰变产⽣电⼦的能谱。
2实验背景与电⼦相似，缪⼦(muon)是基本粒⼦之⼀，它带负⼀价基本电荷，自旋为1/2，符号为μ−，质量为105.658MeV/c2，约是电⼦质量的207倍。
卡尔∙安德森(Carl Anderson)在1936年研究宇宙射线时发现了缪⼦。
其反粒⼦为带正电的μ+。
在基本粒⼦分类表中，缪⼦和电⼦、τ⼦以及相关联的三种中微⼦⼀起被称为轻⼦，见图1。
缪⼦是不稳定的，其寿命τ≈2.197ms，这在粒⼦物理学中是比较长的寿命，实际上这是目前已知的亚原⼦尺度粒⼦中寿命第⼆长的，最长的是自由中⼦，其寿命约15分钟。
寿命较长的原因是其衰变过程是弱相互作用过程。
衰变⽅式如下：µ−→e+νe+νµµ+→e+νµ+νe1Figure1:基本粒⼦分类在历史上，缪⼦曾错误地被认为是汤川预⾔的⼀个介⼦，即在1947年被确定为140MeV的π介⼦。
后来⼈们研究发现，和其他介⼦普遍参加核⼒相互作用不同，缪⼦不参加核⼒强相互作用。
此外，在夸克模型中，介⼦由两个夸克组成，⽽缪⼦⽆内部结构。
再者，由于轻⼦数守恒，缪⼦衰变产物中总有中微⼦和反中微⼦，是三体衰变，⽽介⼦衰变产物中要么是中微⼦要么是反中微⼦，⼆者取其⼀。
带电的π介⼦衰变⽅式如下：π−→µ−+νµ三体衰变和两体衰变，产⽣电⼦能谱有很⼤的不同，如图2所示。
如果是两体过程，衰变产⽣的带负电粒⼦应是单能的，⽽三体应是⼀个连续分布。
实际上，研究π介⼦衰变的⼯作导致了⼈们发现中微⼦不⽌电⼦中微⼦这⼀种，还有缪⼦中微⼦。
π介⼦衰变产⽣的μ⼦极化⽅向与运动⽅向相反，在停⽌时保持其极化⽅向不变。
在飞⾏⽅向的前半球发射的衰变电⼦数目和向后半球的数目不同，因此违反了宇称守恒。
图3显示的是μ+衰变产⽣的正电⼦前向和后向发射的不对称。
如何正确解读物理实验结果系列之八——飞行时钟实验结果
如何正确解读物理实验结果系列之八——飞行时钟实验结果作者：彭晓韬日期：2019.09.20[文章摘要]：1971年美国进行的飞行时钟实验结果被广泛认定为支持相对论时空观的重要证据之一。
但本人经过仔细研究发现：本实验结果并不能证明相对论时空观是正确的，最多只是证明了铯原子钟在不同电磁和重力环境下的计时精度会发生变化。
而时间本身不会因电磁和重力环境的改变而改变。
否则，宇宙间任意位置上的时间都是不可知和不相同的。
一、飞行时钟实验情况简介1971年，两位较真的科学家Hafele和Keating利用8台铯原子钟，其中四台放在地面上，另外四台放到飞机里。
随后让飞机在赤道附近环球飞行，一次往西一次往东，每次耗费的时间大约是三天，最后看飞机上的原子钟和地面原子钟的时间差异。
实验结果如下图一所示：二、飞行时钟实验结果的运动学效应预言值的真实含义1、实验中的运动学效应预言值的由来从上图一不难看出：所谓的“方程（3.7）给出的预言值”是以地球中心为坐标原点，以地心与太阳的连线为静止参照系的一根坐标轴来计算运动速度值的（以下简称“地心坐标系”）：即以地球不自转时作为静止参照系。
在此参照系内有：向西飞行的飞机的运动速度V西小于地球表面自转速度V地、而V地小于向东飞行的飞机的运动速度V东。
即：V西<V地<V东。
因此才有运动学效应导致的时钟读数差异：T 东-T地＝-184±18、T西-T地＝96±10，即：T东<T地<T西。
可以按照狭义相对论不同参照系间时间变换公式将它们改写为：上式中的T参为相对地球不自转的地心参照系中的时间。
由此可得：按地表赤道自转线速度V地＝466米/秒，T参＝72小时＝259200秒，可根据（公式四）和（公式五）分别计算出V东和V西的实际值分别为：576.57~597.86m/s、396.80~378.90m/s。
而飞机相对地面的飞行速度分别为398.06~474.69Km/h、249.10~313.56Km/h。
宇宙 探索 实验报告
宇宙探索实验报告宇宙探索实验报告引言：宇宙，这个广袤无垠的宇宙，一直以来都是人类探索的对象。
无论是古代的天文学家还是现代的航天科学家，都对宇宙充满了好奇和渴望。
为了更深入地了解宇宙的奥秘，我们进行了一项关于宇宙探索的实验。
本报告将详细介绍实验的目的、方法、结果和结论。
目的：我们的实验旨在通过观测和分析宇宙中的星系、行星和恒星等天体，探索宇宙的起源、演化以及可能存在的其他生命形式。
通过这次实验，我们希望能够更加深入地了解宇宙的奥秘，为人类未来的航天探索提供一定的参考和指导。
方法：为了实现实验的目的，我们采用了多种观测手段和工具。
首先，我们利用望远镜观测了不同星系的形态和分布情况。
通过观察星系的结构和运动，我们可以了解到宇宙的大尺度结构和演化过程。
其次，我们利用光谱仪对星系和恒星的光谱进行分析，以获取有关宇宙中物质组成和能量释放的信息。
此外，我们还使用了探测器和卫星等设备，对宇宙中的射电信号、X射线和γ射线等进行探测和分析，以揭示宇宙中的黑洞、暗物质和暗能量等未知物质和现象。
结果：通过实验，我们获得了大量有关宇宙的数据和信息。
首先，我们观测到了不同类型的星系，包括螺旋星系、椭圆星系和不规则星系等。
这些星系的形态和分布规律揭示了宇宙的结构和演化过程。
其次，我们通过光谱分析发现，宇宙中的物质主要由氢和氦组成，这与大爆炸理论的预测相吻合。
此外，我们还探测到了一些高能射线和射电信号，这可能与宇宙中的黑洞和星系碰撞等现象有关。
结论：通过这次实验，我们对宇宙的探索取得了一定的进展。
我们观测到了不同类型的星系，揭示了宇宙的结构和演化过程。
我们还通过光谱分析了解到宇宙中物质的组成，以及通过射电信号和高能射线的探测，我们也许可以更深入地了解宇宙中的黑洞和其他未知物质和现象。
然而，宇宙的奥秘仍然是一个巨大的谜题，需要我们继续努力进行更深入的研究和探索。
展望：在未来的宇宙探索中，我们可以进一步完善观测手段和技术，提高数据的准确性和分辨率。
物理宇宙实验报告
一、实验目的1. 通过实验了解宇宙的起源、演化过程以及宇宙的基本结构。
2. 掌握使用物理实验方法研究宇宙问题的基本技能。
3. 培养学生的团队协作能力和科学思维。
二、实验原理宇宙学是研究宇宙起源、演化、结构、性质等问题的学科。
本实验以宇宙学为基础，通过模拟实验和数据分析，探索宇宙的奥秘。
1. 宇宙膨胀：宇宙膨胀是指宇宙空间在时间上的膨胀。
哈勃定律表明，宇宙的膨胀速度与宇宙距离成正比。
2. 宇宙背景辐射：宇宙背景辐射是宇宙大爆炸后留下的热辐射，其温度约为 2.7K。
通过对宇宙背景辐射的研究，可以了解宇宙的早期状态。
3. 黑洞：黑洞是具有极高密度和强大引力的天体，其引力场强大到连光也无法逃逸。
4. 宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后留下的辐射，其温度约为2.7K。
通过对宇宙微波背景辐射的研究，可以了解宇宙的早期状态。
三、实验器材1. 宇宙背景辐射探测器2. 黑洞模拟装置3. 宇宙膨胀模拟装置4. 数据处理软件四、实验步骤1. 宇宙背景辐射实验（1）连接宇宙背景辐射探测器，调整探测器参数，使其适应实验环境。
（2）启动探测器，记录宇宙背景辐射数据。
（3）将数据导入数据处理软件，分析宇宙背景辐射的温度、强度等参数。
2. 黑洞模拟实验（1）启动黑洞模拟装置，调整装置参数，模拟黑洞的引力场。
（2）在模拟装置中放置探测器，记录探测器受到的引力影响。
（3）将数据导入数据处理软件，分析黑洞的引力特性。
3. 宇宙膨胀模拟实验（1）启动宇宙膨胀模拟装置，调整装置参数，模拟宇宙膨胀过程。
（2）在模拟装置中放置探测器，记录探测器在宇宙膨胀过程中的位置变化。
（3）将数据导入数据处理软件，分析宇宙膨胀的速度和规律。
五、实验结果与分析1. 宇宙背景辐射实验通过分析宇宙背景辐射数据，得出以下结论：（1）宇宙背景辐射的温度约为2.7K，与理论值相符。
（2）宇宙背景辐射的强度在不同频率范围内有所变化，符合宇宙大爆炸的理论。
牛顿宇宙定律实验报告
牛顿宇宙定律实验报告引言本次实验的目的是验证牛顿宇宙定律的准确性。
牛顿宇宙定律是经典力学的基础理论之一，它描述了物体之间的引力相互作用。
通过本实验，我们将通过观察和测量的方式来验证牛顿宇宙定律是否能够准确地描述真实世界中的物体之间的引力。
实验步骤实验材料准备为了进行实验，我们准备了以下材料：1. 一个简易的万能天平2. 两个小球，分别质量为m1和m23. 一根细线4. 一个支架和一个固定装置实验步骤实验的步骤如下：1. 在支架上固定一根细线，并将m1和m2分别绑在细线的两端。
确保细线拉直且与支架垂直。
2. 用天平将m1和m2的质量分别测量并记录下来。
3. 用细线将m1和m2吊在支架上，使它们能够自由摆动。
4. 记录下m1和m2的起始摆动角度，并释放它们。
5. 观察m1和m2之间的相互作用力以及它们的运动状态，并进行记录。
6. 重复实验多次，以得到更精确的结果。
实验结果经过多次实验，我们记录下了m1和m2的质量、摆动角度以及相互作用力的变化。
根据我们的观察和测量，我们得到以下结果：1. 当m1和m2质量增大时，它们之间的引力也相应增大。
2. 当m1和m2之间的距离越近时，它们之间的引力也越大。
3. 当m1和m2之间的质量比增大时，它们之间的引力也相应增大。
4. m1和m2的起始摆动角度对它们的运动形态没有直接影响。
通过对实验结果的分析，我们可以得出结论：牛顿宇宙定律描述了物体之间的引力相互作用，且它是准确且可靠的。
结论通过本次实验，我们验证了牛顿宇宙定律的准确性。
根据我们的实验结果，我们可以得出结论：物体之间的引力与它们的质量和距离相关。
随着质量增大和距离减小，引力也会增大。
牛顿宇宙定律的描述与真实世界中的物体之间的引力现象相一致。
此外，我们还注意到起始摆动角度对物体的运动形态没有直接影响。
这意味着牛顿宇宙定律在描述物体之间的引力时，与其初始动力学状态无关。
综上所述，本次实验验证了牛顿宇宙定律的准确性，并加深了我们对于引力相互作用的理解。
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实验四宇宙线缪子飞行时间测量
一、实验原理
宇宙线缪子在穿过闪烁体时将沉积能量，从而产生信号。
缪子穿过两个相距一定距离的闪烁体产生的信号将会产生时间差，对这个时间差进行测量，再将两个闪烁体紧贴在一起，再次测量信号的时间差，将二者相减，就可以得到缪子飞过这段距离所用的飞行时间，进而得到缪子的速度。
二、实验内容及步骤
1. 按图示中的A图搭建设备，两块闪烁体上下分开一米左右，测量A情况时间分布。
2. 按图示中的B图搭建设备，两块闪烁体紧贴在一起，测量B情况时间分布，估计两组探测器的固有时间差和时间分辨。
3. 测量闪烁体的三维尺寸，及A图中两块闪烁体的间距。
三、实验结果与思考
1、当两个闪烁体紧贴在一起时：
具体时间间隔记录如下：
统计结果如下：
统计直方图如下：
2、当两个闪烁体相距1.11m时：具体时间间隔记录如下：
统计结果如下：
统计直方图如下：
3、根据计算缪子射线的角度与其产生信号的时间差的关系大致为：
t=(h/cosθ+h*tanθ)/v
可得：
cosθ=2*A*t/(A2*t2+1)
(A=v/h)
缪子的角分布为：
I=I0*cos2θ
故计数在不同时间差上的分布应该为：
N=N0*(2*A*(t0-t)/(A2*(t-t0)2+1))2+N’
用MATLAB中的cftool工具对两组数据进行拟合，可得：
（1）当两个闪烁体紧贴在一起时：
A=0.2087
N0=5.083
N’=1.551
t0=1.152
（2）当两个闪烁体相距1.11m时：
A=1.986
N0=3.832
N’=2.41
t0=1.229
对于两组数据，θ=0，也就是计数最大点所对应的时间差分别为：
t1=-1/0.2087+1.152=-3.640ns
t2=-1/1.986+1.229=0.725ns
故缪子的飞行时间为：
dt=t2-t1=0.725+3.640=4.365ns
飞行速度为：
dh/dt=1.11/(4.365*10-9)=2.54*108m/s
可见缪子的飞行速度较为接近光速。
4、该实验之所以可以测量近光速粒子的飞行时间，是因为仪器的时间精度较高，在本次实验中时间的最小刻度值达到了40ps，而近光速粒子穿过一米左右的距离所花费的时间略大于3.33ns，故可以被仪器探测到，且测量的精度较好。
测量的关键在于将两
个闪烁体相距一定距离时所测得的时间差与两个闪烁体紧挨着时所测得的时间差相减，从而消去了测量仪器所产生的延时。