物理竞赛实验报告示范

1实验报告示范（注：仅供参考）题目1：金属扬氏弹性模量的测量一．实验仪器：扬氏模量测量仪、光杠杆镜尺系统、千分尺、直尺、待测金属丝、砝码等。二．实验原理如图1所示，设金属丝长度为L，截面积为S，其上端固定，下端悬挂砝码，于是，金属丝受外力F的作用而发生形变，伸长了ΔL，比值F/S是金属丝单位截面积上的作用力；比值ΔL/L是金属丝的相对伸长。根据虎克定律，金属丝在弹性限度内有:LLESF（1）比例系数E就是该金属丝的杨氏弹性模量。设金属丝的直径为d，则S=d2/4，将此式代入（1）式可得LdFLE24(2）由（2）式可知，只要通过实验测出式中各量即可测定出金属丝的扬氏模量E，实验测定E的核心问题是如何测准ΔL，因为ΔL是一个微小的长度变化量。为测准ΔL我们使用的光杆镜尺系统如图2所示，是由光杠杆和包括一个竖直标尺并带有望远镜组成的镜尺组来完成的。假定开始时平面镜的法线在水平位置，通过望远镜观察由平面镜反射标尺的像，假设标尺（竖尺）在望远镜分划板（或叉丝）上的读数为n0。当金属丝在拉力F的作用下伸长ΔL时，光杠杆的后脚f1、也随金属丝下降ΔL，并带动平面镜M转过角到M。同时平面镜的法线on0也转过同一角度至on。根据光的反射定律可知，从n0发出的光经平面镜M反射至n1，且n0on=n1on=，此时入射光和反射光线之间的夹角应为2。设D是光杠杆平面镜到标尺的垂直距离，K是光杠杆后脚f1到前脚f2、f3连线的垂直距离。n0、n1分别为金属丝伸长前后反射光线在标尺上的刻度读数，则Δn就是标尺上的刻度差。由图2可知（3）图2ΔLK光杠杆θDntgKLtg/2/图1LLFf1θθn0望远镜MOMDn1Δn竖尺nf2，f32（4）因为ΔL是一个微小变化量，所以角也是一个很小的量。因此可以认为tg22tg。根据（3）式和（4）式可得即（5）将（5）式和F=mg代入（2）式，得nKdmgLDE28（6）式（6）就是光杠杆放大法测金属丝扬氏弹性模量所依据的原理公式。三．实验过程及步骤1．调节杨氏模量测定仪底部的调节螺钉，使仪器处于铅直状态并检查夹头是否夹紧金属丝。加上1-2Kg砝码使金属丝拉直此砝码不作为外力。2．将光杠杆的两前脚f2、f3，放在平台的槽内，后脚f1放在圆柱夹头上，使其靠近中心而又不与金属丝接触，在距光杠杆平面镜前约1m处放置尺读望远镜，并使尺读望远镜的物镜和光杠杆的镜面近似等高。3．将光杠杆镜面调到垂直位置，从尺读望远镜的标尺和望远镜之间直接观察光杠杆镜面，并左右平移尺读望远镜或将光杠杆镜面作少量的倾斜调节，直到镜中出现标尺的反射像为止。4．通过望远镜上的瞄准器调节望远镜倾角或左右摆角使其对准光杠杆镜面，然后调节望远镜目镜使观察到的分划板刻线（或叉丝）最清晰；其次调节物镜直到能从望远镜中看到标尺刻线的清晰象，并注意消除视差。5．在砝码钩上逐次增加砝码（每次增加1kg）直加到5Kg为止．记下每次对应的标尺读数n0、n1、n2….、n5，将所得数据填入表1。6．在加到5Kg后，再增加1Kg砝码、此时不必读数，取下1Kg砝码再读数，然后逐次减去1Kg砝码，记下每次对应的标尺读数为n5ˊ、n4ˊn3ˊ、……、n0ˊ，减到与开始拉直金属丝所用码相同为止，将数据仍然填入表1。7．用米尺测量金属丝的长度L和光杠杆镜面到标尺间的垂直距离D。用千分尺测出金属丝的直径d（要求在不同的位置测5次将测量值填入表2）。将光杠杆放在纸上压出三个脚的痕迹，量出后脚痕迹点到两前脚痕迹点连线的垂直距离K。8．取同一负荷下标尺刻度的平均值53210,,,,,nnnnn，然后用逐差法处理实验数据，算出Δn在m=3.0Kg时的平均值n，将L、D、d、Δn等代入（6）式求出金属丝的扬氏模量E。（或者用作图法，最小二乘法处理数据求E）四．数据记录与处理表1金属丝随砝码伸长读数记录项目砝码质量（kg）望远镜标尺读数（mm）同一负荷下读数的平均值(mm)等间隔相减加砝码减砝码次数mininiinKLDn2nDKL230018.018.118.0545.2725nn1127.527.827.6545.2714nn2236.937.137.005.2803nn3345.946.346.12.06.27nn4454.955.355.15564.064.964.45表2金属丝直径测量单位：mm次数12345di0.4200.4220.4190.4200.418d0.41980007.0d0007.04198.0ddd其它物理量测量值（单次）：L=825.0±0.5（mm），D=993.0±0.5（mm），K=72.5±0.5（mm）由式（6）可得式中由于L、D、K均是单次测量，须将其极限不确定度eL、eD、eK各除以3，分别化为标准不确定度σL、σD、σK后再带入，根据不确定度传递公式：222222nKdDLEnKdDLE由上式可求得：3232323242422222109.8)1025.7()1098.3()103.3()109.2()105.3(6.272.05.7235.04198.00007.0299335.082535.0EEσE=0.015×1011（N/m2）所以：E=(1.74±0.02)×1011（N/m2）.五．实验结果：所测金属丝扬氏弹性模量E为：(1.74±0.02)×1011（N/m2）。若用最小二乘法处理数据：由式（6）nKdmgLDE28可得：kmmKEdgLDn28，其中KEdgLDk28将表1中数据，作Δn~k拟合直线可得：截距a=0.01820±0.00014；斜率k=（9.24±0.05）×10-3；线性相关系数r=0.999947.[注意：采用国际单位制单位，即质量用kg,长度用m]由斜率k=9.2414×10-3代入KEdgLDk28中可得)/(10740.10276.00725.0)104198.0(141.3993.0825.08.9388211232mNnKdmgLDE4)/(10732.1102414.90725.0)104198.0(141.3993.0825.08.9882113232mNKkdgLDE根据不确定度传递公式：222222kKdDLEkKdDLE由上式可求得：3232323242422222100.8)1041.5()1098.3()103.3()109.2()105.3(24.905.05.7235.04198.00007.0299335.082535.0EEσE=0.014×1011（N/m2）所以：E=(1.73±0.02)×1011（N/m2）.实验结果：所测金属丝扬氏弹性模量E为：(1.73±0.02)×1011（N/m2）。题目2用直流平衡电桥测量电阻一．实验仪器：数字电压表、直流稳压电源、开关、待测电阻、电阻箱、滑变电阻器，导线等。二．实验原理根据所给条件，将滑变电阻RABC、待测电阻Rx、电阻箱RS、数字毫伏表及电源开关等联成如图1所示电路时，即组成一个电桥电路。若适当调节电阻值，例如改变RS的大小，或C点的位置可以使C、D两点的电位相等，即UC=UD，此时数字毫伏表所指示的电压ΔU=0，这称为电桥平衡。即有（1）若R1、R2、RS已知，Rx即可由上式求出。但由于R1、R2的值无法准确读出仅由（1）式无法求出Rx的大小，若将R1与R2或RS与Rx交换位置并保持R1与R2值不变，再调节RS，使电压ΔU=0，记下此时的RS，可得SxRRRR12（2）将式（1）和（2）相乘得R2x=RSRS或SSxRRR（3）由上式可知，只要测量出RS和RS，Rx的大小就可求出。由于数字毫伏表的内阻很大，电桥的灵敏度也很高，Rx的测量误差只与电阻箱RS的仪器误差有关。SxRRRR21图1R2R1RSKRxEABCmVD5三．实验内容及方法1．用数字万用表电阻档粗测未知电阻Rx值。2．按图（1）连接实验电路，连好后并检查有无错误。3．将Rx调节到Rx粗测值附近；将滑变电阻器C放在中间位置即使R1≈R2。4．打开电源E的工作开关并注意电路开关应仍然在断开位置，将电源输出电压调节到一个比较小的值如1.5V左右；并开启数字毫伏表。5．用跃接法试合电路工作开关K，若电路没有异常现象则将开关合上。6．调节电阻箱RS使数字毫伏表读数为零0；将电源电压增加到3V后再次调节RS使数字毫伏表读数仍然为零0并将RS读数记入数据表格中。7．交换Rx、RS位置后按步骤2~6重新测量电桥平衡时的RS´值。8．根据实验数据和电阻箱相关参数求出待测Rx值。四．数据记录与处理表1电源电压E=3V;Rx粗估值1300()电阻箱精度等级：0.1%RS（）1298.5RS（）1305.7SSxRRR（）1302.095Rx=1302.095×0.1%=1.3（）∴Rx=1302.1±1.3（）或Rx=1302±2（）五．实验结果：Rx=1302±2（）或由不确定度传递公式422221007.7130223.1130223.122SSSSxxRRRRRRRx=0.92（）∴Rx=1302.10±0.92（）或Rx=1302±1（）题目3：调节分光计并用掠入射法测定折射率一．实验仪器：分光计、等边三棱镜、毛玻璃、低压钠灯等。二．实验原理如图1所示，当光从AB面以入射角i1从空气射入棱镜后其折射角为r1，又以r2角从棱镜图1掠入射法测折射率光路示意图r2ABCi1r1αi26AC面射出进入空气中其折射角为i2。入射光经过三棱镜两次折射，出射后改变了原来的方向，由折射定律可知2211sinsinsinsinirnrni又由几何关系可知r1＋r2=α，从以上三式消去r1和r2得(1)因此，只要测出入射角i1、出射角i2和三棱角的顶角α即可算出折射率n。但是要测量三个角度，不仅测量和计算比较麻烦，还会带来较大的误差。假如用平行光以90°角入射，角il就不必测量了。如果在光源前加一块毛玻璃，使光线向各方散射成为扩展光源，并且使它大致位于AB的延长线上，同时遮住射向BC面的光，那么总可以得到以90°角入射的光线i1。这光线的出射角i2最小，称折射极限角。从扩展光源射向AB面的光线，凡入射角小于90°的，其出射角必大于折射极限角。这样，当面对AC面看出射光时，就会发现在极限角方位有一明暗视场的分界，如图l所示。把望远镜叉丝对准明暗视场分界，便可以测定出射的极限方位，再利用自准法测出棱镜面的法线方向，就得到极限角i2这种方法称掠入射法或折射极限法。将i1＝90°代入式（1）折射率的计算简化为22sinsincos1in（2）根据（2）式只要测出棱镜顶角α和i2则棱镜的折射率即可测出。三．实验步骤及方法1．调节分光计并测量三棱镜顶角（1）先调节目镜使分化板成像清晰，再用平面镜自准法使望远镜聚焦于无穷远，即从望远镜目镜中能看到清晰且无视差的反射小十字像。（2）调节望远镜光轴与仪器转轴垂直，即当平面镜两面对准望远镜时均能使反射小十字像成像在分划板上方与小十字光源对称位置，即如图2所示位置。（3）以望远镜为基准，通过调节载物台螺钉调节三棱镜镜面与望远镜光轴垂直。（4）用自准法测量三棱镜的顶角α，180，测量光路如图3所示。2．测