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。

(锁相放大器的使用 1.简述几种常用微弱信号检测基本方法。

⑴相干检测

相干检测是频域信号的窄带化处理方法，是一种积分过程的相关测量．它利用信号与外加参考信号的相干特性，而这种特性却是随机噪声所不具备的．典型的仪器设备是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器(简称LIA)．锁相放大器已问世的多年，其性能不断提高，主要有：提高检测灵敏度与改善过载能力：抑制谐波响应：降低测量频率，以适应缓变信号的处理．

⑵重复信号的时域平均

这种方法适用于信号波形恢复的测量。利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复n次，则测量结果的信噪比可改善√n倍．表性的仪器有Boxcar平均器或称取样积分器，这类仪器取样效率低，不利于低重复频率的信号恢复．随着微型计算机应用的发展，出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声或节约时间，并能完成多种模式的平均功能。

⑶离散信号的统计处理

在微弱光检测中，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征，使利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。微弱光检测又分为单道(Single--Channal)和多道Multi--Channal)两类．前者是以具有明显单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器：后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感器，采用多道技术的光学多通道分析器(OMA)．OMA具有时间分辨能力，为动力学过程的研究创造了条件．

⑷计算机处理方法

随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中一些需要用硬件完成的检测系统现在可以用软件来实现．利用计算机进行曲线拟合、平滑、数字滤波、快速傅里叶变换(FFT) 及谱估计等方法处理信号，提高了信噪比，实现了微弱信号检测的要求。

2.什么是相关检测的基本思想

⑴.首先使测量系统的主要部分，避开噪声功率密度大的地方，从而使输入噪声较小。我们已知在低频区，闪烁噪声可以比白噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍．因此，我们要设法使信号不失真的从低频区移出。

⑵.对不同的频率信号，我们应该设法将其移频至固定中心频率，这样就可使用固定中心频率，固定带宽的带通滤波器。

⑶.从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两方面不同。BPF只是利用频率特征的识别．因此，如果再利用相位特征的识别，将可把同频率、不同相位的噪声大量排除．在光学中，对频率和相位都进行区分的方法称为相干法，故这种检测叫相干检测．在电子学中，这种方法，称作要锁定相位。

3.画出锁相放大器基本框图，并介绍各个框图的作用。

各部件的功能是：信号通道把输入信号选频放大(初步滤除噪声)后，输给相敏检检波器；参考通道在触发信号的同步下，输出相位可调的、与输入信号同频的，1：1方波；相敏检波器则比较两路信号，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度，和它们的相位差成比例；直流放大器作低通滤波和进一步放大。

4.画出相关器的电路图，并画出相关器输入被测信号VA和参考信号VB之间的相位差φ为0°、90°、180°、270°时乘法器输出电压V1和相关器输出电压V0的波形图，并解释器原因。

相关器输出为直流电压，大小正比于输入信号的振幅，并与信号和参考信号之间的相位差φ的COSφ成正比关系

答：微弱光检测时，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号等特征，使利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。微弱光检测又分为单道和多道两类．前者是以具有明显单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器；后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感器，采用多道技术的光学多通道分析器(OMA)。OMA具有时间分辨能力，为动力学过程等问题的研究创造了条件。这就是其检查微弱信号的原理。（一家之言，仅供参考)

7题：为什么不挑选平衡电压太高或太低的油滴来测量

答：衡电压太高或太低的油滴时可能这些问题：平衡电压太高，油滴带电量大，下降的速度太快，所测时间较短，操作不方便，故误差大。

平衡电压太小，布朗运动比较明显，易被其他油滴碰撞，从而受力不平衡，导致测量时间不够也不够精确。

8题：你认为什么样的油滴比较理想。

答：我认为油滴选取时，应选择大小适度，质量适中，下降时间为10s——20s的外形呈球状的油滴方可。

8`题：分析油滴可能的运动状态。答：其可能出现的运动状态有：1.油滴以Vg向上运动；2.油滴悬浮不动；3.油滴以原速度继续向下运动；

4.油滴以更快速度下降。

9题：RE:请你谈谈油滴的平衡电压跟哪些因素有关，在零电场下匀速下落的速度跟什么有关。

答：因空气的粘滞系数、油滴和空气的密度等为常数。因此油滴的平衡电压只跟其质量和带电量有关。在零电场时匀速下落速度只跟其质量有关。10题：为什么不挑选带电量很大或很小的油滴来测量

答：1.带电量大的油滴，一般质量较大，下落速度较快下落时间短，其误差大；

2.带电量小的油滴质量小，体积小，因此可能出现布朗运动，故有较大误差！

11：RE:我们这样的实验要求和处理方法能验证电荷的颗粒性吗答：不能。因为用我们用逐差法最后求出的处理方法只能，作为一种试验验证

要求验证电荷的颗粒性则要求电荷的最大公约数。

12题:密立根油滴实验中，可能存在哪些误差，你是怎样减小或消除这些误差的

答：可能误差：1.没有推拉滑动板，导致外部空气的流动引起电容器的空气流动，破坏了油滴的有规则运动;2.下落时间的测定不准确; 3.油滴并非完全平衡变操作以下步骤；4.油滴大小的选取不适当;

解决办法：1.用格拉布斯准则剔除较大误差数据;;2.用逐差法处理; 3.用公式q*=qC3/2进行修正;4.选取大小适中的油滴。

13题：RE:调整法里布-珀罗标准具时，如何判断标准具的两个内平面是否严格平行的标准具调整不好会产生怎样的后果

答：判断标准：当用单色光照明标准具，从它的透射方向观察时，可以看见一组同心干涉圆环。而观察者的眼睛上下左右移动时，如果标准具两个表面是严格平行的，即两内表面各处的距离d相等，干涉环的大小应不随眼睛的移动而变化。

标准具调整不好产生的后果：若标准具的两个内表面成楔形，当眼睛移动的方向是d增大的方向时，则有干涉条纹从中心冒出来或中心处的条纹向外扩大，这时应把这个方向的螺丝压紧，或是把相反方向的螺丝放松。反之亦然！

14题：:在塞曼效应中，标准具有什么作用

答：f-p标准准具，是由两块平行的玻璃和中间有一个膨胀系数很小间隔组成。平面且玻璃的内表面，加工精度要求高于1/20波长；内表面镀有反射率高于90%的反射膜.我们还知道：标准具厚度远大于波长，用公式k=2d/λ便能计算被测圆环的波长差！

15题实验中如何观察和鉴别塞曼跃迁谱线中偏振光的成分

答: 1. 线偏振光的振动方向平行于磁场，垂直于磁场方向观察时能观察到,平行于磁场观察时看不到。

2.线偏振光的振动方向垂直于磁场，垂直于磁场方向观察时产生线偏振光，平行于磁场观察时产生圆偏振光

ΔM=1,偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋转动方向,磁场指向观察者时,为左旋偏振光; ΔM=-1,偏振转向是沿磁场方向倒退螺旋转动方向,磁场指向观察者时,为右旋偏振光。

判别方法:先使1/4波片的快轴方向(负晶体: 光轴方向,正晶体: 垂直于光轴方向)与光强最大方向(长轴)平行(垂直于检偏器透光方向),转动检偏器,如果逆时针转找到消光的角(<π/2), 则入射光为右旋椭偏振光,反之,顺时针转动检偏器找到消光的角(<π/2),则入射光为左旋椭圆偏振光。

16题谈谈精细测量有什么意义。

答；氢氘在自然界中含量比值为4000：1，因此用传统的物理方法很难证明氘的存在，但是由于精细测量，可以证明氘的存在，当然如果不采用精细测量可以采用化学中的“同位素示踪法”可以很方便第测得丰度较小的同位素！

17题拍摄比较光谱的操作原则是什么

答；拍摄互相比较的两列光谱时，不能移动胶板，也不能转动色散元件，仅在换光源后换用狭缝的相邻部位摄谱。