近代物理实验

一、夫兰克赫兹实验1 解释曲线 IpVG2 形成的原因p G2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UKG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U ，只有穿过栅极后仍有较大动GA能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流I。A2实验中，取不同的减速电压V时，曲线I V应有何变化？为什么？pp G2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时，曲线I V应有何变化？为什么？fp G2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A GK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。4、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的n成分和o成分？如何观察和分辨o成分中的左旋和右旋偏 振光？答；沿着磁场方向观测时，AM =+1为右旋圆偏振光，&M =-1时为左旋偏振光。在实验中，+ 成分经 四分之一玻片后，当偏振片透振方向在一、三象限时才可观察到，因此为相位差为2兀的线偏振光，所以 + C成分为右旋偏振光。同理可得-C成分为左旋偏振光。三、核磁共振1、什么叫核磁共振？ 答；自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒 子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂若发生在原子核上则我们称为，核磁共振。2、观测 NMR 吸收信号时要提供哪几种磁场？各起什么作用？各有什么要求？答两种。第一种恒磁场B0 使核自旋与之相互作用核能级发生塞曼分裂分裂为两个能级第二 种垂直于B0的B1使原子核吸收能量从低能级跃迁到高能级 发生核磁共振。共振条件足条件003、NMR 稳态吸收有哪两个物理过程？实验中怎样才能避免饱和现象出现？ 答；需要稳态吸收和弛豫两个过程。4、怎样利用核磁共振测量回磁比和磁场强度？g H答;有共振条件v = r N N)B，即e =YB测出 带入就可求出回磁比将理论的回磁比带入就可求 0 h 0 0 0 0出磁场。四、电子顺磁共振1 电子顺磁共振的原理是什么？答; 将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场 B 中，则原子磁矩与外磁场相互作用能为E 二一卩 B 二ymhB (4)那么，相邻磁差AE = hB (5)J 0 0 0如果垂直于外磁场B的方向上加一振幅值很小的交变磁场2B cosw t，当交变磁场的角频率w满足共 振条件ZE 一吧 时，则原子在相邻磁能级之间发生共振越迁这就是自旋共振的基本原理。2 微波段电子顺磁共振的主要装置有哪些？各起什么作用？答;略五、用光栅光谱仪测钠光光谱解释光谱的物理意义，以及从形状上区别光谱的种类六、密立根油滴实验1、加上电压后，油滴可能出现哪些运动？请分别说明原因。答;匀速运动或静止;油滴保持匀速运动或者静止时才受力平衡，才符合我们的实验原理，才能用已知公 式进行计算。2 为什么不挑选带质量很大的油滴测量？ 3，如果电容器两极板不水平，即极板间电场方向与重力场方向不平行，这对测量结果有何影响？七、傅立叶分解与合成1、写出方波和三角波的傅里叶分解式。4h111答； 方波 f (t) =(sin t + sin 3 t + sin 5 t + sin 7 t +兀357=4h (1)sin(2n l)et兀2n 1n=1三角波 f (t) = 8h (sin t 一 1 sin 3wt + 1 sin 5t 一 1 sin 7t + 兀2325272 (1) n11sin(2n 1)3t兀 2(2n 1)2n=12、实验中使用什么电路对方波或三角波进行频谱分解？ 答；用RLC串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。3、将lKHz, 3KHz, 5KHz, 7KHz四组正弦波的初相位和振幅调节到什么条件输入到加法器叠加后，可以分 别合成出方波波形？111答；波振幅比为1： 3: 5: 7，初相位为同相。八、光拍法测量光速1、“拍”是怎么形成的？它有什么特性？ 答；根据波的叠加原理，两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加，将会形成拍2、声光调制器是如何形成驻波衍射光栅的？什么叫声光效应？答；使声光介质的厚度为超声波半波长的整数倍，使超声波产生反射，在介质中形成驻波场，从而产生驻 波衍射光栅；功率信号输出角频率为Q的正弦信号加在频移器的晶体压电换能器上，超声波沿二方向通过 声光介质，使介质内产生应变，导致介质的折射率在空间和时间上发生周期性变化，形成一个相位光栅， 使入射激光发生衍而传播方向，这种衍射光的频率产生了与超声波频率有关的频率移动这种现象叫声光效 应。3、斩光器的作用是什么？ 答；，可在示波器上同时观察到远、近程光信号的图形，适当微调光路和光电接收管的位置调节螺丝，使 示波器上显示的二路光信号均有一定的幅度。4、获得光拍频波的两种方法是什么？本实验采取哪一种？ 答；光拍法和；光拍法九、全息照相1、怎样理解全息图每点都记录了物体上各点光的全部信息？像面全息也是这样的吗？为什么？答；全息照相是将物光波中的振幅和位相信息以干涉条纹的反差和明暗变化的形式记录下来，形成的干涉 条纹，感光后的全息干板，经显影、定影等处理得到的全息照片，相当于一个“衍射光栅”。全息图的观察是衍射光线逆光线，部分的“衍射光栅”激光照射下也会产生衍射光线，故部分全息图可以再 现完整物体，只是衍射光强减弱，光信息容量减小，看到的像变暗或相对模糊。拍摄全息图时，光路 布置要注意些什么？答； 1，要求光路中的物光与参考光的光程尽量相等； 2 光学元件安置要牢靠。 十、混沌实验（与实验十一合并）解释倍周期分岔、混沌、奇怪吸引子概念的物理意义。十一、PN结物理特性测定实验（与实验十合并）1、解释在实际测量中用二极管的正向 IU 关系求得的玻尔兹曼常数偏小的原因。 答；通过二极管的电流不只是扩散电流，还有其他电流。2、该实验装置中如何实现弱电流的测量？能测量的最小电流值为多少？ 答；采用光点反射式检流计与高输入阻抗集成运算放大器实现，能测量的最小电流值为1 10-11A 十二、高温超导转变温度的测量1、 高温超导体和低温超导体的区别是什么？答；低温超导材料具有低临界转变温度（TcV30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。低温超导材料由于Tc低，必须在 液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。高温超导材料具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料， 故又称高温氧化物超导材料。高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金 属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中 的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除此之外， 高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性。高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力。2、什么叫超导现象？超导材料有什么主要特性？答；超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度（Tc）。超 导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。超导材料是存在电阻为零的超导态的材料，当其处于超导态时，能 够无损耗地传输电能。超导体主要具有三个特性:零电阻性 超导材料处于超导态时电阻为零,如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。完全抗磁性 超导材料处于超导态时，只要外加磁场小于临界磁场，磁场不能透入超导体内，超导材料内 部的磁场恒为零。超导悬浮，就是利用超导体的完全抗磁性。约瑟夫森效应 当两超导体之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘 层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电 压U （也可加一电压U）,同时，直流电流变成高频交流电，而且频率与电压成正比。3、从实验中如何判断样品进入超导态了？4、解释零电阻现象和迈斯纳效应现象的物理本质。答；产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应 电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场 为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。十三、铁磁材料居里温度的测试1、铁磁物质的三个特性是什么？2、用磁畴理论解释样品的磁化强度在温度达到局里点时发生突变的微观机理是什么？ 答：样品的磁化强度在温度达到居里点时发生突变的微观机理是，铁磁性物质的磁化与温度有关，存在一 临界温度 Tc 称为居里温度（也称为居里点）。当温度增加时，由于热扰动影响磁畴内磁矩的有序排列，但 在未达到居里温度 Tc 时，铁磁体中分子热运动不足以破坏磁畴内磁矩基本的平行排列，此时物质仍具有 铁磁性，仅其自发磁化强度随温度升高而降低。如果温度继续升高达居里点时，物质的磁性发生突变，磁 化强度M （实为自发磁化强度）剧烈下降，因为这时分子热运动足以使相邻原子（或分子）之间的交换耦 合作用突然消失，从而瓦解了磁畴内磁矩有规律的排列，此时磁畴消失，铁磁性变为顺磁性。3、测出的 V-T 曲线，为什么与横坐标没有交点？答；在 eff（B）T曲线斜率最大处作切线，与横坐标轴（温度）相交的一点即为居里温度Tc,这是因为 温度升高到居里点时，铁磁材料的磁性才发生突变，所以要在斜率最大处作切线。又因为在居里点附近时， 铁磁性已基本转化为顺磁性（虽然p值较小，但仍大于0）,故 eff（B）T曲线不可能与横坐标相交，所 以不是由曲线与温度轴的交点来确定Tc。