整理大学物理实验模拟考题及其解答.docx
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整理大学物理实验模拟考题及其解答
大学物理实验模拟考题及其解答
一、绪论课
最基本应该掌握的内容:
(1)数据处理的四种方法:
列表法、作图法、逐差法、统计与直线拟合法,另外,还有最小二乘法、计算器法。
前四个是最基本的;
(2)误差传递基本方法:
对数微分法、全微分法。
具体的传递涉及:
正方体、长方体、圆面、圆柱体、球体,两个刻度相减对应的距离的对应的仪器误差;(3)结果表达式的书写的基本要领;
一、绪论课
1.随机误差、系统误差(量具误差与调整误差、理论误差与方法误差、环境误差、人员误差),分为可定系统误差和未定系统误差;结果表达式的规范写法与相对误差、三要素:
测量值、不确定度和单位;单次测量结果表达式的写法—极限误差;多次测量、仪器误差、仪器标准差、②置信概率(置信度)
例
(1)测量结果表达式的三要素,是指、、。
例
(2)在直接、单次测量的结果表达式中,常用仪器的极限误差Δ作为测量的不确定度,则该结果的置信概率为:
()
(A)68.3%(B)95.5%(C)99.7%(D)不能确定
例(3)某长度的计量测量结果写成:
L=25.78±0.05(mm)p=68.3%,下列叙述中哪个是正确的?
1待测长度是25.73mm或25.83mm
2待测长度是25.73mm到25.83mm之间
3待测长度的真值在区间25.73mm~25.83mm内的概率为68.3%
4待测长度在25.73mm~25.83mm内的概率是68.3%
解:
D正确的,因为待测长度的真值应该在25.73mm~25.83mm内的置信概率为68.3%。
2.真值、测量值、误差(绝对误差)的区别
例
(1)依照测量方法的不同,可将测量分为和两大类。
例
(2)1)对一物理量进行等精度多次测量,其算术平均值是()
A.真值;B.最接近真值;C.误差最大的值;D.误差为零的值
3.偏差、标准误差、标准偏差、视差的区别
4.系统误差、随机误差(有界性、单峰性、补偿性和对称性)、粗大误差
例
(1)电表未校准所引起的测量误差属于()
(A)随机误差(B)系统误差(C)粗大误差(D)未知误差
5.已定系统误差、未定系统误差、不确定度、总不确定度、标准差传递、仪器误差传递、对数微分法
例
(2)电表未校准所引起的测量误差属于()
(A)随机误差(B)系统误差(C)粗大误差(D)未知误差
6.误差传递:
对数分法、全微分法、
7.有效数据:
从仪器直接读取,有效数字位数的确定;
例
(1)某物体的长度为1.366355cm,若用毫米尺测量,其值为
cm;用精度为0.02mm的游标卡尺测量,其值为
cm;用0—25mm的螺旋测微器测量,其值为cm。
8.相对误差、百分误差、
9.单位:
基本单位、导出单位等;
例
(1).根据下列物理量的单位符号,试写出对应的是什么物理量单位:
N•m是单位;Kg•m2是单位。
10视差:
例如
(1):
产生视差的主要原因在于()
(A)近视眼(B)老花眼(C)被测面与标尺线不在同一平面上
例
(2)名词解释
①绝对误差——测量值和真值之差;
②视差——在调试望远镜时,物体经物镜本应成像在刻画板上,实际上,却成像在刻画板的前面或者后面,观察者通过目镜观察时,出现不清晰现象,此时,成像处与刻画板间存在一差距,这样一个差距被成为视差。
③读数误差——实验者在对某一物理量进行测量时,读出来的数值与真值间存在一差值,我们把这样一个差值,叫做读数误差。
④逐差法——若待测物理量与直接测量量间成线形时,对直接测量量进行等间距测量偶数组数据,并对该有序数据分为两半,然后,进行逐项或相等间隔项相减而得到其结果。
设有n(n为偶数)个等间距间隔的测量数据:
……。
则,利用算术平均法求得其间隔测量值的平均值为:
11.逐差法处理实验数据
例
(1)逐差法处理数据的条件是:
(1);
(2)。
(3)使用逐差法处理实验数据的条件是()
(A)凡能列出表格的偶数数据差几乎相等的偶数数据(B)两相邻数据差几乎相等的偶数数据
(C)所有列表数据都能处理
12.有效数据的运算:
加、减法与最大位数相同;乘、除法与位数最小者同
13.已定系统误差的纠正:
例
(1):
螺旋测微器等测量仪器初读数不为“0”测量时引入的是:
()
(A)初大误差(B)随机误差(C)系统误差
例
(2)
14、螺旋测微器与游标卡尺的应用(精度计算、系统误差的纠正、正确读数、仪器误差的确定等)
例
(1).某长度测量值为2.130mm,则所用仪器可能是()
(A)毫米尺(B)50分度卡尺(C)20分度卡尺(D)千分尺
例(4)2、确定下面几种游标卡尺的精度(即最小分度值)。
游标分度数(总格数)
10
10
20
20
50
与游标分度数对应的主尺长度(mm)
9
19
19
39
49
游标尺的最小分度值(mm)
0.1
0.1
0.05
0.05
0.02
螺旋测微器等测量仪器初读数不为“0”测量时引入的是:
()
(A)初大误差(B)随机误差(C)系统误差
杨氏弹性模量
(1)在SI单位中,试写出下述物理量单位:
线密度;杨丝模量;电阻温度系数。
(2)在拉伸法测量金属丝杨丝模量的实验中,的求取方法是()
A.图解法;B.放大法;C.逐差法;D.最小二乘法
(3)在金属丝杨氏弹性模量测量的实验中各长度量的测量分别采用了皮尺、米尺、50分度游标卡尺和螺旋测微器,其目的是为了满足:
()
(A)最小二乘原理(B)误差均分原理
(C)误差最小(D)误差测量练习
图(3)为金属丝微小变化
计算的原理图
(5)用光杠杆可以测量微小长度的变化量。
试画图推导光杠杆系统的放大倍数。
金属丝杨丝弹性模量求解钢丝微小伸长量,所采用的是怎样的放大法?
请画图说明用光杠杆测量微小长度变化的原理,测量钢丝微小伸长时如何减小实验的系统误差?
如何减小测量误差?
如何计算光杠镜的放大倍数?
解:
如图(3)所示,为测量钢丝微小伸长变化的原理图。
由图可以看出:
,
当θ很小时,即θ→0时,则有,故可得
由此式可以看出,只要△L有一个微小变化,△S就有一个大的变化,因b不变,而只有增加D(即光臂),△S就会变大,从而可以减小测量误差。
在测量和进行数据处理的时候,通过测量偶数组数据,采用逐差法进行数据处理就可以减小系统误差。
(6)光杠杆的放大倍数为()
(A)D/b(B)2D/b(C)D/2b
(7)
显微镜实验
1)在用显微镜进行实验时,首先检查显微镜是否对齐;在用调焦手轮对被测件进行调焦时,应该移动镜筒;在测量时测微鼓轮应该向移动,让十字叉丝的竖线和被测目镜对准。
若移动叉丝超过目标时,应多一些,在重新向同一方向移动叉丝,以防止误差,完成测量时;我们实验室使用显微镜精度为,读数时,最多可读出有效数字。
两束相干光线的光程差△L满足什么样的条件时,它们的干涉条纹为明条纹?
满足什么样的条件时,它们的干涉条纹为暗条纹?
试举两个实验例子说明。
解:
根据题意,设两相干光光程差若为半波长的偶数倍时,则产生明条纹;若为半波长的奇数倍时,将产生暗条纹。
比如:
等厚干涉实验与迈克尔实验就是遵循该原则。
示波器实验研究
(1)用示波器直接读数法测定被测信号峰峰值Vpp的过程中,示波屏的坐标刻度值与旋钮刻度值相对应,条件是旋钮设置在位置。
在测定被测信号周期值T的过程中,示波屏的坐标刻度线值与旋钮刻度值相对应。
(2)用电子示波器观察李萨茹图形时,为了使图形转动最慢,应该调节()
A.扫描频率旋钮;B.、其中任意一个;C.电平旋钮;D.水平或竖直移位旋钮
(3)在示波器上,用两种方法测定待测信号的频率f,并读出待测信号的(峰峰值)。
单臂电桥实验研究
(1)某电阻上的色环颜色依次为:
绿、白、红、银。
则该电阻的标称值为,误差为
。
(2)请比较:
惠斯登电桥与开尔文电桥,它们的测量范围各是从多少到多少?
被测电阻的接入方法有何不同?
结构上有何区别?
对开尔文电桥的桥臂电阻有何特殊要求?
解:
惠斯登电桥(以下称A);开尔文电桥(以下称B)。
(1).A测量范围为:
;B的测量范围为:
。
(2).A采用两端接法;而B采用四端接法。
所以,A为单臂电桥,即一个比率臂;而B为双臂电桥,通过转动双制连动开关,以便保持两个比率臂相等,即。
(3).开尔文双臂电桥桥臂电阻要求:
阻值一般必须均在10Ω以上,而比较电阻和待测电阻间是通过一条阻值为0.001Ω的导线连接。
弦振动实验研究
(1)做弦振动实验时,改变下列哪个条件,仍能看到弦线的振动()
A.采用棉线做弦线;B.采用铁丝做弦线;C.改变两铜块间的距离,D.磁钢放在波节的位置
(2)弦振动实验中,驻波形成时,任意两个波节间的距离为()
(A)(B)(C)(D)
分光计实验
(1)分光镜实验中,调整好望远镜后看到狭缝像模糊,应()
调节目镜转轮;B.重新调节望远镜;C.调节狭缝至透镜的距离;D.调节分光计至光源的距离
(2)10)用反射法在分光计上测“三棱镜”的顶角,当望远镜对准一个面的反射时,左、右角游标的读数分别为325°11′与145°9′,然后,对准另一个面的反射光时,左、右角游标的读数分别为75°14′与255°12′,则顶角为:
A.110°3′;B.55°2′;C.90°;D.69°′
(3)分光计设计了两个角游标是为了消除()
(A)视差(B)螺距差(C)偏心差(D)色差
(4)通过三棱镜能看到汞灯的谱线,这是基于下列哪个原因()
(A)光的干涉(B)光的折射(C)光的衍射(D)光的反射
(5)做分光计实验时,你是如何调节望远镜的?
如何调节平行光管的?
具体的说:
你是调节从_目镜_到_刻画板_的距离,使目镜中能看到清晰叉丝;你是调节从刻画板_到物镜__的距离,使目镜中能清晰的看到从平面镜反射回来的小十字像,使望远镜调焦到无穷远。
你是调节从_光逢_到__透镜_的距离,使平行光管能产生平行光;你是以_通过目镜能看到光逢清晰的像_为标准来判断平行光的。
(7)做分光计实验时,如何用自准直法调节望远镜?
望远镜调好后,如何调节平行光管,使其光轴与望远镜光轴平行?
解:
在分光计调焦的过程中,只要在叉丝平面上看到反射回来的清晰叉丝像后,望远镜就被调焦
到无穷远。
图(3)分光计调整原理图
2)在分光计实验中用自准直法将望远镜光轴和载物台平面都调到垂直于分光计的转轴。
请问:
小双面反射镜的镜面应先后放在相对于a、b、c螺丝什么位置?
解:
在分光镜的调整中,分别要进行垂直调节和平行调节,所以,垂直调节的时候,应将小双面平面镜放在通过B的直线上;而平行调节的时候,应该将小双平面镜放在通过AC的直线上。
4、1)图为转动惯量实验仪承物台,把两个质量相同的小钢柱分别放在(1,1'),(2,2'),(3,3')位置。
问:
哪个位置系统转动惯量最大?
哪个位置最小?
解:
分别将小圆柱体放在、的位置时,其转动惯量最大;当将小圆柱体放在、的位置时,其转动惯量最小。
(8)分光计仪器上设A、B窗,其目的是削减:
()
(A)角游标刻度的不均匀(B)角游标的游标中心与转轴不同轴
(C)角游标的主尺中心与转轴不同轴而引进的系统误差
(8)使用分光计时,你是如何调整望远镜把它聚焦到无穷远的(10分)
(9)你又是如何让平行光管出来的光是平行光?
(5分)
谱线波长的测定
(1)通过光栅能看到汞灯的谱线,主要有种颜色,各颜色的排列顺序从中间往两边分别为,这个现象的基本原理是光的。
(2)复色光通过光栅衍射后,把不同波长的光分开来了()
(A)衍射角小的频率高(B)衍射角小的频率低(C)不一定
转动惯量实验
(1)在测量物体转动惯量的试验中,如果圆盘和圆环的外径相同且质量也相同,请问它们对中心轴的转动惯量是:
()
A.J盘>J环;B.J盘<J环;C.J盘=J环;D.以上皆有可能
(2)质量和外直径相等的均匀圆盘和圆环,它们对中心轴的转动惯量是()
图
(1)为转动惯量载物台
(A)(B)(C)(D)以上皆有可能
(3)图为转动惯量实验仪承物台,把两个质量相同的小钢柱分别放在(1,1'),(2,2'),(3,3')位置。
问:
哪个位置系统转动惯量最大?
哪个位置最小?
解:
如图所示,若把质量相同的小钢球分别放在如题中所述位置,则可以得到以下结论:
而在(3,3')位置时,其转动惯量最大;在(1,1')位置时,转动惯量最小。
(4)操作题:
试用光杠杆法测量,钢丝负重2kg后的伸长量△L,及你所用的光杠杆放大倍数。
参考答案:
负荷2kg,钢丝的伸长量为:
2.25mm;
光杠杆放大倍数为:
声速实验研究
(1)声速的测定实验中,相位比较法观察李萨茹图形时,李萨茹图形从第一、三象限直线变为第二、四象限直线时,接收传感器移过的距离为:
()、
(2)在声速测定实验中,电压信号转换为发射超声波是利用压电陶瓷换能器的____________效应,接受超声波转换为电压信号是利用_____________效应。
(3)做声速测量实验时,用相位比较法观察李萨茹图时,当移动接收传感器时李萨茹图形从第一、三象限转变到第二、四象限时,传感器移过的距离为()
(A)λ(B)λ/2(C)λ/4
单臂电桥实验
(1)盒式惠斯登电桥比较臂电阻的最大值为9999Ω,若待测电阻为60Ω,你该选择下列何种比例臂,才是最合适的()
A.×1;B.×10-1;C.×10-2;D.×10-3
(2)用盒式惠斯登电桥测电阻时,若被测电阻值约为8100欧姆,则倍率应选()
(A)0.01(B)0.1(C)1(D)10
(3)某电阻上的色环颜色依次为:
绿、白、红、金。
该电阻的大小与误差分别为多少?
为了验证该色环的准确性,请你设计一个简单实验加以验证,画出测量电路原理图和所需的器材。
(4)试分析组装(单臂)电桥实验的误差来源?
解:
(1)由于测量所带来的随机误差;
(2)由于桥路零敏度引起的误差;(3)由于电阻箱(即仪器)引起的误差;
(5)提高惠斯登电桥灵敏度通常采用的几种方法是什么?
解:
(1)增加电压,但要符合桥路元件的功率;
(2)提高电桥检流计的零敏度;
(3)调整好合适的比率臂;
(4)在测量的过程中,可以让比率臂的两电阻替换,分别测出待测电阻为、
则:
最后测得电阻为:
。
2)盒式惠斯登电桥比较臂电阻的最大值为9999(),若待测电阻约为50,你该选择下列何种比例臂,才是最合适的?
(a)10(b)1(c)0.1(d)0.01(e)0.001
解:
由公式,则可得应该选择(d)比较合适。
等厚干涉(显微镜)实验
(1)牛顿环是一种:
()
A.不等间距的衍射条纹;B.等倾干涉条纹;C.等间距的干涉条纹;D.等厚干涉条纹
(2)在空气劈中,相邻两明条纹处(或暗条纹处)对应的厚度差总是等于。
(3)劈尖干涉图象常用来鉴别光学平面平整程度,利用一基准平玻璃和一被测光学平面相对,如在钠光(λ=589.6nm)灯下产生干涉条纹如图所示:
问图
(1)中薄膜A1端、B1端,哪端较厚?
图
(2)中薄膜A2端、B2端,哪端较厚?
(4)劈尖干涉图象常用来鉴别光学平面平整程度,利用一标准平晶玻璃和一被测光学平面相对,如在钠光(λ=589.6nm)灯下产生干涉条纹如图所示:
上面两个被测光学平面都有缺陷,请问图(1)的缺陷是凸的还是凹的?
为什么?
图(2)
的缺陷是凸的还是凹的?
为什么?
若ab=bc,它们的凹凸程度最大是为多少nm?
解:
图
(1)被测光学平面是凹的,由于其干涉条纹凸向右(即薄方),a线和b线所对应的空气厚度相同;图
(2)被测光学平面是凸的,从干涉条纹向右凸(即厚方),可以看地出来,a线与b线凸处空气厚度相同,由于两种情况下,均是,因此,它们的凹凸程度最大可以达到:
。
解:
依据等厚干涉的特点,同一明或暗条纹所对应空气厚度相同。
经观察图
(1)、
(2)干涉条纹,可得:
图
(1)B1端较厚,A1端较薄;图
(2)A2端较厚,而B2端较薄。
(5)从牛顿圈实验中观察到的干涉图形和从迈克尔逊干涉实验中观察到的干涉图形,有何共同之处?
有何不同之处?
解:
相同之处:
(1)两者均为明暗相间的条纹;
(2)两者采用的都是分振幅法;(3)产生明暗相间条纹的条件,光程差为:
(明条纹);(暗条纹)。
不同之处:
(1)前者为定域干涉,而后者为非定域干涉;
(2)前者中心为级次低,即零级条纹;而后者为中心级次高;(3)它们产生明暗条纹的原因不同。
气垫导轨实验
使用气垫导轨进行实验时,如何判断气垫导轨已经调整到水平?
试举出二种方法。
在用气垫导轨验证牛顿第二定律实验中,通过来判断导轨已基本调
平;滑块瞬时速度的测量则是通过测量挡光片在短时间内的来近似测量。
示波器实验
(1)用示波器观察信号波形的操作步骤为()
(A)打开电源找光点、同步稳定波形、调信号幅度、调扫描信号频率(周期)
(B)打开电源找光点、输入信号调幅度、调扫描信号频率(周期)、同步稳定波形
(C)打开电源找光点、调扫描信号频率(周期)、同步稳定波形,输入信号调幅度
(D)打开电源找光点、调扫描信号频率(周期)、同步稳定波形
(2)示波器实验中,
(1)CH1(x)输入信号频率为150Hz,CH2(y)输入信号频率为300Hz;
(2)CH1(x)输入信号频率为450Hz,CH2(y)输入信号频率为150Hz;画出这两种情况下,示波器上显示的李萨如图形。
(3)用示波器来观察波形时,请问:
①X方向偏转板上加的是什么信号,Y方向偏转板上加的是什么信号?
解:
X方向加偏转板应加锯齿波扫描电压;Y方向偏转板加正弦信号电压。
②什么情况下,才能看到稳定的被测信号波形?
解:
在以上的条件下,只有当X方向偏转板锯齿波电压周期,为方向偏转板信号电压周期的整数倍时,即:
时,能看到稳定的波形,也就是说,只要满足整数条件时,就可以看到稳定的波形。
③某一锯齿波电压信号,经示波器显示如图,示波器的衰减旋钮为0.5V/div,扫描旋钮为1ms/div,衰减、扫描微调旋钮均处于校准位置。
问:
该锯齿波周期T多少?
峰峰值Vpp多少?
解:
峰峰值测量法:
可以利用时基法,将待测信号显示在荧光屏上,将该通道右旋到底,并显示波形底峰与某网格线相切,设从顶部读出的值为,再读出对应的,则,,
V1=4.4×0.5=2.2V;△V=0.2/2×0.5=0.01V;故,V=(2.20±0.01)V
再改变,用同样的方法测两次,求。
则,,再求则得测量结果表达式为:
)
周期:
T1=2.50×1×10-3=2.50×10-3(s);T2=2.59×1×10-3=2.59×10-3(s);
T3=2.46×1×10-3=2.46×10-3(s);
(4)在示波器实验中:
a)用示波器来显示正弦电压信号的波形时,加在其示波管中X、Y偏转板上的电压信号分别对应是什么电压信号?
解:
在Y极板上加正弦电压信号,在X极板上加扫描电压信号。
b)用示波器来显示正弦电压信号的波形时,欲增加显示波形个数,该如何调节扫描频率?
解:
欲增加显示波形的个数,可以减少扫描电压频率。
c)用李萨如图法来测量未知正弦信号频率时,已知fx=750Hz,观察到为:
试求fy为多少?
解:
根据李萨茹图的形状,可作水平直线和竖直线分别与李萨茹图相交,则可得:
,
于是有:
(Hz)
三大类题目
作图题
1)作图法有何意义?
由拟合直线图上可得到什么信息?
请各举例说明。
解:
作图的意义:
直观:
在一定的条件下,找出物理量之间的规律;
简便:
可以发现一些错误,比如粗大误差;
作好一张正确、实用、美观的图,可以训练学生的技能。
从图中可以攫取的信息:
可以找出物理间的规律;
可以通过曲线的形状探索函数之间的关系;
可以发现错误;
可以预测物理量间的发展趋势。
比如:
验证牛顿第二定律:
做的拟合直线;利用超声波测量声速的实验,作的拟合直线。
2)已知电子电量,普朗克常数。
λ(nm)
365
405
436
546
578
f(10-14Hz)
8.22
7.41
6.88
5.49
5.19
Ua(V)
-1.81
-1.46
-1.25
-0.67
-0.55
用作图法,根据,由直线斜率,及其百分误差。
2、用热电偶测量温度,需要知道温度t与热电偶热电动势U之间的关系。
实验测得某种热电偶的热电动势与温度的关系如下表所示。
温度t与热电动势U关系数据表
t/℃
-20.0
-10.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
U/mV
-0.52
-0.30
0.59
0.99
1.40
1.82
2.25
2.69
图
(2)为物体运动路程与时间
关系的拟合直线图
试用作图法求出t与U之间的经验公式。
3、某一物体运动时测得实验数据如下:
L=5075100125150175(cm)
T=1.472.202.943.684.415.15(ms)
试用毫米方格纸作图,请正确选择坐标原点及比例,并从图中求出物体运动的速度V的值(单位用:
m/s).
解:
将以上物体运动的路程L和时间T的相关数据依次描点,然后,在L—T的坐标系中,并作拟合直线l,并作直角三角形△ABC,如图
(2)所示:
则:
于是便得到物体运动的速度为:
395.35m/s.
4、在弦振动实验中,今实验测得数据如下:
图
(2)弦振动测声速张力与速度平方拟合直线图
T=30,40,50,60,70,80(N)
V2=15,21,26,33,35,42(m/S)2
作图用的方格纸长8cm,宽8cm,请正确的选择坐标原点及比例,作出正确且较理想的拟合直线图,并求出(单位为kg/m)。
解:
弦振动速度的计算公式:
得:
5、“QJ-44型直流双臂电桥”来测量测定金属的电阻。
n
1
2
3
4
5
6
t(℃)
30
40
50
60
70
80
Rt()
2.246×10-2
2.301×10-2
2.338×10-2
2.375×10-2
2.420×10-2
2.465×10-2
用作图法,从图中直线,求出:
、(1/℃)。
;;
6、今用“QJ-44型直流双臂电桥”测量某金属的电阻温度系数,测试数据如下:
n
1
2
3
4
5
6
T(oC)
30
40
50
60
70
80
Rt(Ω)
2.246×10-2
2.301×10-2
2.338×10-2
2.375×10-2
2.420×10-2
2.465×10-2
用作图法,求出直线的截距和斜率,从而求出式中的和
2、结果表达式
(1)三、改正下列结果表达式,并求
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