2010（秋）复习思考题附答案

实验8迈克尔逊干涉仪的调整与使用

1. 迈克尔逊干涉形成条纹的条件、条纹的特点、条纹出现的位置和测量波长的公式。比较

等倾干涉条纹和牛顿环（等厚干涉）异同。

答：等倾干涉条纹的产生通常需要面光源，且M1、M2’应严格平行；等厚干涉条纹的形成则需要M1、M2’不再平行，而是有微小夹角，且二者之间所加的空气膜较薄。 等倾干涉为圆条纹，等厚干涉为直条纹。

二者虽然都是圆条纹，但牛顿环属于等厚干涉的结果，并且等倾干涉条纹中心级次高，而牛顿环则是边缘的干涉级次高，所以当增大（或减小）空气层厚度时，等倾干涉条纹会向外涌出（或向中心缩进），而牛顿环则会向中心缩进（或向外涌出）。

2. 怎样准确读出可动反射镜M1的位置？

该读数由三部分组成：①标尺读数，只读出整毫米数即可，不需估读；②粗调大手轮读数，直接由窗口读出毫米的百分位，也不需估读；③微动鼓轮读数，由微动鼓轮旁刻度读出，需要估读一位，把读数（格数）乘10-4即毫米数。M1位置读数为上三读数之和。 3. 迈克尔逊干涉仪中的补偿板、分光板各起什么作用？用钠光或激光做光源时，没有补偿板P2能否产生干涉条纹？用白光做光源呢？ 提示：

（1） P1、P2作用，看P.73实验原理部分；分光板是后表面镀有半反射银膜的玻璃板，激光入射后经半反射膜能分解为两束强度近似相等光线。

补偿板是折射率和厚度与分光板完全相同的玻璃板，使分光板分解的两束光再次相遇时在玻璃板中通过相同的光程，这样两光束的光程差就和在玻璃中的光程无关了。 （2）从光的单色性和相干性（相干长度）好坏考虑。Na光和He—Ne激光单色性好，相干长度较大，没有补偿板P2，移动M1，加大M1和M2/间的距离仍能产生干涉，干涉条纹不会重叠，仍可观察。但白光单色性差，分出的两束光只有在δ≈0时，才能看到彩色干涉条纹，在δ稍大时，不同波长的干涉条纹会互相重叠，使光强趋于均匀，彩色干涉条纹会消失。 4． 在迈克尔逊干涉仪的一臂中，垂直插入折射率为1.45的透明薄膜，此时视场中观察到15个条纹移动，若所用照明光波长为500nm，求该薄膜的厚度。

提示：插入n1透明薄膜后，光程差改变了2d（n1-1），即Δδ=2d（n1-1），所以根据Δδ=Δkλ式和Δk=ΔN，可得

d??2??Nn1?1

把已知的有关量（λ=500nm，n1=1.45，ΔN=15）代入便可计算出d值。

实验16 用分光计研究光栅光谱

1． 光栅光谱和棱镜光谱有哪些不同之处?在上述两种光谱中，哪种颜色的光偏转最大? 提示：

光栅光谱——依据光栅衍射产生色散形成。同一级次K，λ↑→φ↑，所以可见光中的红光衍射角最大。

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棱镜光谱——根据不同的光在玻璃中的折射率不同而产生色散。λ↑→n↓→偏向角δ↓，故紫光偏转最大。

2． 如果在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，应如何调整？ 提示：这是由于平行光管透光狭缝倾斜不竖直所致。

3． 如何测量光栅的衍射角？根据测量数据怎样计算谱线的衍射角和光栅常数？

如何测量光栅的衍射角：参阅教材??

光栅常数：参阅教材P.118-119。d?ld14?1绿????1绿 [??1绿???1绿???k?sin?，其中??14?1绿????1绿，[??1绿???1绿???R?kN?k。

4． 用白光照射光栅时，形成什么样的光谱？

答：白光是复色光，不同波长的光经牛顿环装置各自发生干涉时，同级次的干涉条纹的半径

不同，在重叠区域某些波长的光干涉相消，某些波长的光干涉相长，所以牛顿环将变成彩色的。

提示：白光是波长分布连续的复色光，可从光栅方程衍射角与波长关系来分析。 （除0级谱线为白光亮线外，各级是从紫光到红光排列的连续彩色光谱）

5.如果平行光并非垂直入射光栅片，而是斜入射，衍射图样会有何变化？

提示：这时光栅方程变为d(sin??sin?)?k?（?为入射角），显然衍射图样的0级亮线两边谱线位置分布不对称（±K级谱线的衍射角不相等）。我们实验要求??绿与??绿不超过几分（如3?）就是为了保证由平行光非垂直入射光栅片引起的误差足够小。

6. 如何测量和判断平行光是否垂直入射光栅面？

答： ①光栅正或反面反射回的小绿十字像均与黑叉丝上交点重合；②零级亮纹与黑叉丝竖直线重合且被园心O上下等分时（如图 4）光栅平面已与入射光垂直。

因为由条件②知平行光管光轴已与望远镜光轴在一条直线上，由条件①知望远镜已垂直于光栅平面， 所以得出结论光栅平面已与入射光方向垂直。

7．实验中当狭缝太宽或太窄时将会出现什么现象？为什么？

提示：狭缝太宽则分辨本领下降，如两条黄光线分辨不清（因为狭缝太宽，造成谱线过宽而重叠）；太窄，透光量太少，光线亮度太弱，视场太暗不利于测量。

8．当用波长为589.3nm的钠黄光垂直照射到每毫米具有500条刻痕的平面透射光栅上时，最多能观察到第几级谱线？

由(a+b)sinφ=kλ 得 k={(a+b)/λ}sinφ

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∵φ最大为90 所以 sinφ=1

又∵a+b=1/500mm=2*10-6m, λ=589.0nm=589.0*10-9m ∴k=2*10-6/589.0*10-9=3.4 最多只能看到三级光谱.

实验17 等厚干涉实验

1. 牛顿环形成的条件、条纹的特点、条纹出现的位置和测量波长的公式。比较等倾干涉条

纹和牛顿环（等厚干涉）异同。比较牛顿环和劈尖的干涉条纹的异同点. 2. 何谓等厚干涉？ 如何应用光的等厚干涉测量平凸透镜的曲率半径？（掌握求曲率半径的

数据处理方法） 等厚干涉：薄膜干涉中，若相互干涉的两束光的光程差仅随薄膜的厚度而变，这种薄膜干涉就叫等厚干涉（如牛顿环装置形成的空气薄膜干涉和劈尖薄膜干涉就属于等厚干涉）

3.用读数显微镜测量出来的牛顿环直径是真实大小的牛顿环直径吗？如何调节使视场变清晰？

提示：干涉条纹和镜筒（黑十字叉丝）移动的距离都放大同样的倍数。

4．从牛顿环装置的下方透射上来的光，能否形成干涉条纹？如果能的话，它和反射光形成的干涉条纹有何不同？

提示：画出光路分析。

牛顿环下方透射出来的光，也能产生干涉条纹。但由于透射

光没有半波损失（薄膜上下表面两次反射都有半波损失，结果抵消了），中心点的光程差δ=2d=λ，所以形成的干涉条纹是中心为亮斑的明暗相间的同心圆环，与反射光干涉条纹明暗互补（反射光干涉的量相干光的光程差??2d??2，中心d=0处，???2满足暗条纹条件；而透射光干涉的量相干光的光陈差??2d??），中心d=0处，???满足明条纹条件）。 5.假如在测量过程中，叉丝中心未与牛顿环中心重合，测得的是弦而不是直径，则对R的结果有无影响？为什么？

dm 2 从右图A看能否证明（dm?dn?Dm?Dn222）

m n dn rn rh 从右图，可有

2222mm???R?h??h??? rm ① m????22?????d?2?D?2Dn Dm 图A

2n?同样有 rn2?????h ② ?2??D?21①-②得 4?d?2m2?dn?22?14?D22m?Dn22??dm?dn?Dm?Dn???

表明，若测得的是弦，而不是直径，则对R计算无影响。

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6. 为什么采用测量干涉圆环直径来求得牛顿环装置的曲率半径R?Dm?Dn224?m?n??，而不直接

测量干涉环的半径，由rk2?kR?条件得到曲率半径R.，请说明具体的原因。

R?rm?rn22 提示：a)用公式

?(m?n)代替公式r?kR?来测量，可以消除牛顿环装

置因变形或尘埃而产生的误差；同时还可以消除k的起点确定误差

R?dm?dn22b)用直径测量代替不易测准的半径测量，即

4?(m?n).

7．如果待测透镜是平凹透镜，观察到的干涉条纹将是怎样的？

提示：画出光路图分析。仿照教材对待测为平凸透镜的推导方法来讨论分析

??2nd??2?2d??2 （1）

仍形成以平凹透镜的顶点为圆心的明暗相间的同心圆环，但边缘处δ=2nd+λ/2=λ/2（d=0，n=1）为0级暗纹；中心处，当δ=（2k+1）λ/2时，为暗纹，当δ=kλ时，为亮纹，否则其明暗程度介于明纹最亮和暗纹最暗之间。 也可推出

Dm?DnR??4(m?n)R?22

r r d H 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。

8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？

答：按理论计算,牛顿环中心应是一个暗点.实际上由于接触压力引起玻璃变形,使得牛顿环中心变成一个暗斑,如果在两玻璃之间存在灰尘,中心有可能是亮斑,从而引起附加光程差,这些都会给测量带来较大的系统误差.这些系统误差可以通过取距中心较远的,比较清晰的两个暗环的半径的平方差来消除

9. 牛顿环的干涉条纹各环间的间距是否相等? 为什么? 答：间距不相等,波长越长的光,干涉条纹间距越宽

实验22 光速测量

1． 能否对光的频率进行绝对测量，为什么？

不能。

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2． 仪器中光源的波长为0.65微米，为什么还要测量波长？

提示： 因为仪器中有可能是通过光栅选择输出波长的，光栅是需要校准的，所以要测量、校准

3． 什么是位相法测定调制波的波长？在本实验中是如何实现的？

4． 红光的波长为，在空气中只走0.325微米就会产生相位差π。而我们在实验中却将棱镜小车移动了0.75米左右的距离，才能产生相位差π。这是为什么？

5． 本实验所测定的是100MHz调制波的波长和频率，能否把实验装置改成直接发射频率为100MHz的无线电波并对它的波长和频率进行绝对测量。为什么？ 6. 针对“等距法”用作图法处理数据，过程包括正确的画图，如作D-φ直线或D-Δt直线，和相关计算，最后得到待测量c。

实验c 磁化曲线和磁滞回线测量

1. 什么是硬、软磁材料？为什么测磁化曲线先要退磁？

软磁材料的特点是：磁导率大，矫顽力小，磁滞损耗小，磁滞回线呈长条状；硬磁材料的特点是：剩磁大，矫顽力也大，磁滞特性显著，磁滞回线包围的面积肥大。 由于铁磁材料磁化过程的不可逆性即具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先必须对铁磁材料预先进行退磁，以保证外加磁场H=0时B=0。 2. 为什么测量磁化曲线要进行磁锻炼？为什么动态法测量时不需要人为进行磁锻炼？

为了得到稳定闭合的磁滞回线，磁材料的每个磁化状态都要反复

磁化，这种反复磁化的过程称为磁锻炼。由于动态法测量磁化曲线采用交变电流，每个状态都经过充分的磁锻炼，所以可随时测得稳定闭合的磁滞回线。

3. 什么是静、动态法？为什么动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线大，损耗大？

静态法是用直流来磁化材料, 动态法是用交变来磁化材料.

静态磁滞回线的面积是静态的磁滞损耗Pu（单位：J/m^3），动态磁滞回线的面积是

总损耗Pt（单位：W/m^3），它包括三部分：磁滞损耗Pu*f，涡流损耗Ph，剩余损耗Pe。所以动态磁滞回线的面积总是大于静态磁滞回线的面积。

4. 什么是磁化曲线？什么是磁滞回线？HS、BS、Br、Hc

各特征参数是什么含义？

提示：磁化曲线是表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。

如图2所示，当磁材料达到饱和磁化Bs后，如果将H减小，B也减小，但沿与OS不同的路径ab返回。当H=0时，B=Br，到达b点，Br称为剩磁。欲使B=0，必须加反向磁场，当H= -Hc，B=0（完全退磁），到达c点，bc段曲线称为退磁曲线，Hc称为矫顽力。如果反向磁场继续增大，磁性材料将反向磁化。当H=-HS时，磁化达到反向饱和，B=-Bs，到达d点。此

图2 磁滞回线

后若减小反向磁场使H=0，则B= -Br，到达e点；当H=Hc时，B=0，到达f点；再次当H=Hs时，B=Bs，回到正向饱和状态a点。经历这样一个循环后形成的闭合曲线abcdefa称为磁滞回线。

剩磁Ｂr反映介质记忆能力的大小，矫顽力Hc反映铁磁材料是硬磁还

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是软磁

5. 在测量磁滞回线下降段曲线时，励磁电流先从0.55A变到了0.25A测量，如果想补测

0.40A这点，能否将电流直接从0.25A调回0.40A测量，然后再从0.40A调到0.10A继续测量，为什么？

6. 在电流步进法测图1所示的磁滞回线时，若在励

磁电流为正向饱和电流IS时突然断开测试仪电源，此时铁磁材料的剩磁为多少？

提示：铁磁材料的剩磁Br（remain）是材料本身固有的物理量，励磁电流反向流过磁性材料绕组，只要这个电流产生的磁场强度是试验中磁场强度的1.5-2倍，在我们动作的时间内就可以将磁芯励磁。其实严格意义上，如果使用超导材料，励磁是不需要损耗能量的。

图1 实验测量曲线

6. 本实验中应用到的物理原理有哪些？分别用于测量那些参数？

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。

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？

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？

4如何对太阳能电池基本特性进行测量？电路图？

5． 温度会对太阳能电池带来什么影响？

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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?U?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。

假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻Rsh与一个电阻Rs所组成，如图2所示。

图2中，Iph为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，Id为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：

IRs?U?(Iph?Id?I)Rsh?0 （2）

（2）式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由（1）式可得， I(1?RsRsh)?Iph?URsh?Id （3）

假定Rsh??和Rs?0，太阳能电池可简化为图3所示电路。 这里，I?Iph?Id?Iph?I0(e?U?1)。

在短路时，U?0，Iph?Isc；

?U而在开路时，I?0，Isc?I0(eoc?1)?0；

?UOC?1?ln[IscI0?1] （4）

（4）式即为在RSh??和RS?0的情况下，太阳能电池的开路电压UOC和短路电流

ISC的关系式。其中UOC为开路电压，ISC为短路电流，而I0、?是常数。

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