2011（秋）大学物理实验复习思考题2222

《大学物理实验B》复习思考题

第一章 误差、不确定度和数据处理的基本知识

1、 误差的概念，误差的分类。

答：测量误差就是被测量测量结果与其真值的差值。误差按其产生的原因和性质主要分为系统误差、随机误差两类。

2、 测量不确定度的概念是什么？如何对测量不确定度进行评定？怎样对测量结果进行报

道？

nuA(x)?S

x?Sxn??i?1(xi?x)n(n?1)2

uB(x)??仪??仪C

2u(x)A2u(x)B2uC(x)???(S)x?(?仪3)2（p=68.3%）

答：表征合理地赋予被测量之值的分散性、与测量结果相联系的参数，称为测量不确定度。 不确定度的大小反映了测量结果的可信赖程度，不确定小的测量结果可信赖度高，即测量质量好。反之，不确定度大的测量结果可信赖度低，即测量质量差。所以在报道测量结果时，为了既能反映测量结果又能反映其可靠程度，对物理量x测量的最终结果应按如下形式表达 P12

3、测量结果有效数字位数是如何确定的？

（1）不确定度的位数一般只取一位（而且只入不舍），若首位是1时可取两位。相对不确定度为百分之几，一般也只取一、两位。

（2）不确定度决定了测量结果有效数字的位数，即测量结果的有效数字最后一位应与不确定度所在位对齐；若不确定度取两位，则测量结果有效数字的末位和不确定度末位取齐。

（3）有效数字尾数舍入规则：尾数“小于五则舍，大于五则入，等于五凑偶”，这种舍入法则使尾数舍与入的概率相同。

（4）同一个测量值，其精度不应随单位变换而改变。

4、作图法是如何处理数据的？ （1）作图规则

①作图一定要用坐标纸；

②画坐标纸大小和确`定坐标轴分度； ③画出坐标轴； ④数据点； ⑤连线； ⑥标注图名.

（2）图解法求直线的斜率和截距

求直线斜率和截距的具体做法是，在描出的直线两端各取一坐标点A（x1，y1）和B（x2，y2），则可从下面的式子求出直线的斜率a和截距b。

a?y2?y1x2?x1， b?x2y1?x1y2x2?x1

A、B两坐标点相隔要远一些，一般取在直线两端附近（不要取原来的测量数据点），且自变量最好取为整数。

5、逐差法是如何处理数据的？

逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时，所测得有序数据等间隔相减后取其逐差平均值得到的结果。

实验2 示波器的原理与应用

1． 从CH1通道输入1V、1KHz正弦波，如何操作显示该信号波形？

答： 打开通道（按下CH1）\\调节CH1通道的VOLTS/DIY和水平扫描速率TIME/DIV，使显示波形大小适中（一般要显示2-3个周期，峰峰幅度4—5格)\\

期间配合调节触发同步（source按钮置CH1或VERT、TRIＧ LEVER旋钮）使波形稳定显示\\

波形显示不清时，还要调节亮度（INTEN）和聚焦（FOCUS）等旋钮。

2.当波形水平游动时，如何调节使波形稳定？

答：调节触发同步（source按钮置和TRIＧ LEVER旋钮）

3.如何测量波形的幅度与周期？

提示：间距测量法（P.37）

4.调节什么旋纽使李萨如图稳定？

提示： 有关“触发同步”调节按（旋）钮在示波器“x -y”工作方式下是不起作用的；李萨如图的稳定性与Y、X两路正弦信号的频率比有关，只有两路信号的频率比是整数比，李萨如图才会稳定。

5．当示波器出现下面不良波形时，请选择合适的操作方法，使波形正常。（1）波形超出屏幕： 1 ；（2）波形太小： 2 ；（3）波形太密： 4 ；（4）亮点，不显示波形： 5 。

可选答案：①调大“偏转因数（VOLTS/DIV）”；②调小“偏转因数”；③调大“扫描速率（TIME/DIV）”； ④调小“扫描速率”；⑤水平显示置“A”（常规）方式； ⑥水平显示置“X-Y”方式。

6．观察李萨如图时，要改变图形的垂直大小，应调节 CH2 通道的“偏转因数（VOLTS/DIV）”；要改变图形的水平大小，应调节 CH1 通道的“偏转因数（VOLTS/DIV）”；要改变图形的垂直位置，应调节 CH2 通道的“垂直位移（POSITION）”。（可选答案：CH1，CH2）。

1ms/cm CH1 I：1V/cm I：1V/cm 2：5V/cm

7．用示波器测得的CH1（X）信号的波形如下面左图所示，CH1（X）信号与CH2（Y）信号合成的李莎茹图如下面右图所示，示波器屏幕上已显示了必要的参数，图中每1大格为1cm。请回答下列回题： （1）CH1（X）信号的UPP为 6.1 V； （2）CH1（X）信号的周期为 5.0 ms；（3）CH2（Y）信号的频率为 100 Hz。

8．示波器如图３中，改正垂直方向幅度太小、水平 方向幅度太大的现象，应如何调节？

图３

A. 调大“偏转因数”、调大“扫描速率” B. 调小“偏转因数”、调小“扫描速率” C. 调小“偏转因数”、调大“扫描速率” D. 调大“偏转因数”、调小“扫描速率”

9. 一台好的示波器处于扫描状态，但荧光屏上没有扫描线，不必调节的旋钮是（B）。

A、亮度旋钮 B、聚焦旋钮 C、水平位移 D、上下位移

实验12 霍尔效应

1． 什么是霍尔效应？ P45

答:将一块厚度为d、通有电流Is的半导体薄片置于磁场B之中，磁场B（沿z轴）垂直于电流Is（沿x轴）的方向，定向运动的载流子受到洛伦兹力的作用而发生偏移，在半导体中垂直于B和Is的方向上出现一个横向电位差UH,这个现象称为霍尔效应。

2． 测量霍尔电压时伴随产生四种副效应，本实验用什么方法消除副效应的影响？P97 提示：本实验在（+B，+IS）、（+B，-IS）、（-B，-IS）、（-B，+IS）四种测量条件下，分

别测出相应的霍尔电压U1、U2、U3、U4，用UH＝│U1-U2+U3-U4│/4式子求出对应的霍尔电压UH，以消减副效应带来的测量误差。

（又问为什么这样测量就可以消减副效应带来的测量误差？）

换向测量法，改变Is和B的方向。

3． 用霍尔效应如何测量磁场？用霍尔效应实验装置测量磁场应注意些什么？

提示：掌握B测量公式（3-12-4）的测量条件、测量方法；阅读【注意事项】部分。 1.霍耳元件价高，脆，用前先检查，和固紧 2.I过10MA 会烧

3.改变IM 来改变B，IM最大为1A 4.注意接线 5.

4．如图４所示，霍尔元件通入工作电流IS，磁场的方向垂直指出纸面， A、B两边累积正、负电荷，UAB＞0，根据 运动的载流 子 受到 洛仑兹力 的作用，可判断该霍尔元件是 N 型半导体。

5．如图５所示，若霍尔片的多数载流子为空穴，它的工作电流IS方向从左向右，霍尔电压UAB

＞0，则磁场的方向为 （选：指出纸面或指入纸内）。

6．试分析：、

为何不宜用金属制作霍尔元件？P96

答：由于霍尔元件的灵敏KH与载流子浓度n成反比，半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，n越小，KH越大，UH越

大，用半导体材料制成的霍尔元件的霍尔效应明显，灵敏度较高，这是霍尔元件不用金属导体而用半导体制成的原因。

7．若磁场的法线不是恰好与霍尔元件的法线一致，对测量结果

?会有何影响？如何判断磁场B图４ 图５

z B

I

y

的方向与霍尔片的法线方向一致？

提示：B测量公式（3-12-4）的测量条件是霍尔片法线要与磁场

A B x

I

图６

的方向一致, 若磁场的方向不是恰好与霍尔元件的法线一致，则用B测量公式（3-12-4）测出的只是实际磁场在霍尔片法线方向的一个分量，测出的霍尔电压要比磁场的方向恰好与霍尔元件的法线一致时产生的霍尔电压小；测量时转动霍尔片，霍尔电压显示值最大时，表明霍尔片法线与磁场的方向一致。

8．图６中霍尔元件的多种载流子是哪种？空穴

答：空穴。因为无论霍尔元件的多数载流子是正电荷还是负电荷，洛仑兹力

???fB?e(v?B)的方

向均沿逆y方向，N型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数载流子为空穴（带正电荷）。对N型试样，霍尔电场逆y方向，P型试样则霍尔电场沿y方向。易知图中的霍尔电场沿y方向，为P型试样，多种载流子是空穴。

实验7 分光计的调整与使用

1． 本实验所用分光计测量角度的精度是多少？仪器为什么设两个游标？如何测量望远镜转过的角

度？P71,P72. 提示：

①精度——仪器能读准的最小分度；

测量时分别读出两个游标的读数，取其平均值。 ③参看P.69?和minδ的测量式和实验操作部分。

2． 假设平面镜反射面已经和转轴平行，而望远镜光轴和仪器转轴成一定角度β，则反射的小十字

0

像和平面镜转过180后反射的小十字像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。（两像高度相同，均位于叉丝上方或下方） 提示：

o

反射的小十字像和平面镜转过180后反射的小十字像的位置不变，此时应该调节望远镜仰角螺钉，使十字反射像落在上十字叉线的横线上。光路图如下

A B A②为了消除因刻度盘和游标盘不共轴所引起的偏心误差，在刻度盘的对径方向设有两个游标，

或图3 望远镜光轴未与中心轴垂直的表现

3.假设望远镜光轴已垂直于仪器转轴，而平面镜反射面和仪器转轴成一角度β，则反射的小十字像

0

和平面镜转过180后反射的小十字像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。（两像一上一下）

提示：

o

反射的小十字像和平面镜转过180后反射的小十字像的位置是一上一下，此时应该载物台下螺钉，直到两镜面反射的十字像等高，才表明载物台已调好。光路图如下：

及调整

B A A B A

4.对分光计的调节要求是什么？如何判断调节达到要求？怎样才能调节好？P64 提示：

（1）对分光计调整的要求：

① 望远镜、平行光管的光轴均垂直于仪器中心转轴； ② 望远镜对平行光聚焦（即望远调焦于无穷远）； ③ 平行光管出射平行光；

（2）各部分调节好的判断标志

① 望远镜对平行光聚焦的判定标志——从望远镜中同时看到分划板上的黑十字准线和绿色反射十字像最清晰且无视差。（用自准直光路，调节望远镜的目镜和物镜聚焦）

o

② 望远镜光轴与分光计中心转轴垂直的判定标志——放在载物台上的双面反射镜转180前后，两反射绿色十字像均与分划板上方黑十字线重合。（用自准直光路和各半调节法调整）

③ 平行光管出射平行光的判定标志——在望远镜调节好基础上，调节平行光管聚焦，使从调好的望远镜看到狭缝亮线像最清晰且与分划板上的黑十字线之间无视差。（操作：把调节好的望远镜对准平行光管，调节平行光管物镜聚焦）

④ 平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直的判定标志——使夹缝亮线像竖直和水平时能分别与望远镜分划板上的竖直黑十字线和中心水平黑十字线重合。（把调节好的望远镜对准平行光管，配合调节平行光管的仰角螺钉）

5.是否对有任意顶角A的棱镜都可以用最小偏向角测量的方法来测量它的材料的折射率？为什么？ 答: 提示

①不是。光线进入三棱镜后，在出射面可能会发生全反射考虑。 ②从三棱镜第二折射面不发生全反射条件是对第二折射面入射的入射角要小于全反射临界角要求来讨论；）

6.在测角时某个游标读数第一次为343?56'，第二次为33?28'，游标经过圆盘零点和不经过圆盘零点时所转过的角度分别是多少？P69 答：游标经过圆盘零点：

7．在实验中如何确定最小偏向角的位置？P69

答：向一个方向缓慢的转动游标盘（连同三棱镜），并用望远镜跟踪狭缝像，在望远镜中观察狭缝像的移动情况，当随着游标盘转动而向某方向移动的狭缝像，正要开始向相反方向移动时，固定游标盘，此时确定的角度即是最小偏向角。

8. 测量三棱镜折射率实验中，从对准平行光管的位置开始转动望远镜，看到的折射谱线颜色排列顺序是什么？（黄绿紫）

360oo?34356?3328?4932o'o'o'o'o'

不经过圆盘零点：34356?3328?31028

'

明条纹：

rk?2HR?(2K?1)R2?2 ②

若Dm、Dn分别是级次为m、n的两个暗环的直径，则由暗条纹公式①可得

((Dm2Dn2))2?2HR?mR??2HR?nR?2 →

(Dm2)2?(Dn2)2??(m?n)R?

R??Dm?Dn22由此得

4(m?n)R?

与本实验的测量公式仅差一符号，这是由于外环级次比内环级次小所致。

9．观察牛顿环时将会发现，牛顿环中心不是一点，而是一个不甚清晰的暗或亮的圆斑，为什么？对透镜曲率半径R的测量有无影响? 为什么？

提示：透镜和平玻璃板接触时，由于接触压力引起形变，使接触处为一圆面；又镜面上可能有微小灰尘等存在，从而引起附加的光程差。

没有影响。由于附加的光程差一定，取二个暗条纹直径平方差的方法处理，可消除附加的光程差。

10. 牛顿环的干涉条纹各环间的间距是否相等? 为什么? 提示：不相等。rk?大，干涉条纹变密。

实验T 太阳能电池特性的测量

1． 掌握太阳能电池的基本原理。

太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U与通过电流I的关系式为： I?Io?(e?UkR?, 即第k级暗环的半径rk与k的平方根成正比，随着级数k增

?1) (1)

(1)式中，Io和?是常数。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC?EV的半导体构成，如图1所示。EC为半导体导电带，EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

2． 无光源的条件下，太阳能电池施加正向偏压时的伏安特性？怎样求常数?和I0的值？ 提示：无光照的太阳能电池，施加正向偏压后可看为一个加了正向偏压的二极管；实验测出太阳能电池的伏安数据，用作图处理法或最小二乘法计算（曲线改直由斜率、截距计算

求出）β和Io的值。

3． 恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性？如何求短路电流ISC；开路电压UOC；

最大输出功率；填充因子FF？

I/mA0.70.60.50.40.30.20.1 作出恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性曲线，按曲线的趋势外推，分别与横轴

0.51.01.52.02.53.03.54.00U/A（电压）和纵轴（电流）相交，即为开路电压UOC和短路电流ISC。

2.0P/mW1.51.00.50.001020304050R/k60708090100 PmUOC可求出填充因子FF

注意：以上两图只是示意图。

从图中可求出最大功率。根据公式：FF?ISc填充因子FF表示太阳能电池的品质，FF的数值越大，太阳电池的输出特性就越好，效率就越高，它是太阳电池优劣的重要指标。

4．如何对太阳能电池基本特性进行测量？电路图？

提示：太阳能电池基本特性，归纳主要有（1）光电池二极管特性测量（无光照，加偏压的伏安特性）；（2）太阳能电池电源输出特性（一定光照下光电池伏安（I~U）特性和功率输出（P~RL）特性；（3）光电池的光照特性测量（ISC~J/J0，UOC~J/J0)。 （阅读教材有关内容，想想实验时自己是怎样做的。）

实验33 大功率白光LED特性测量

1. 多少瓦的LED称为大功率LED？大功率白光LED有什么优点？为什么大功率白光LED称

为“绿色光源”？

答:一般将功率大于0.5W的LED称为大功率LED；大功率白光LED具有发光效率高、启动快、显色性好、寿命长、节能、环保等优点。

2. 目前商用白光LED的工作原理是什么？

答：商用白光LED是利用InGaN蓝光LED(460nm)照射YAG荧光粉产生555nm黄光，再用透镜将黄光与蓝光混合，得到白光。

3. 什么是发光强度？远场光强的测量距离是多少？

答：光源在给定方向单位立体角所发射的光通量，称为发光强度。远场（探测器距LED发光中心316mm）。

4.人眼对相同功率不同波长的光所感受的光通量和光强是否相同？

光通量是一个人为量，人眼对1W功率不同波长的光所感受的光通量不同。

5．1W白光LED电压为3V时，其室温工作电流约为多少mA？

6．照明用LED为什么要用恒流电源驱动？

1. 避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。

2. 获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。

7．什么是发光效率？温度升高时，发光效率变大还是变小？ 答: LED光通量与消耗的电功率之比，称为发光效率，简称为光效，用?表示。由于光强与光通量成正比，故发光效率可表示为： ??I?P?I?IU （2） 式中U和I分别LED的电压和电流，P为LED消耗的电功率。 8．在恒流驱动下，温度升高时，LED消耗的电功率增大还是减小？请以实验数据举例说明。

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