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近代物理实验复习

2010 卷子

虚拟仪器的主要特点有:

  • 尽可能采用了通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件。
  • 可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能更强的仪器。
  • 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

在气体放电等离子体研究实验中:

用静电探针法测量等离于体有关物理参数,如电子等效温度 、 电子浓度 、 粒子的平均速度 和 粒子的平均动能 等重要参数。(4 分)

分析实检测量过程中的误差原因,井提出改进的方法。(4 分)

答:单探针法存在明显的误差。明显的线性增大区和拐点,并且电流不能达到饱和,持续增加。其原因是离子鞘层的厚度随 $U_P$ 增大而改变,造成探针等效表面积改变,从而使到达探针表面的电子数偏离理论值。另外当探极电位 $U_P$接近等离子体的空间电位 $U_S$ 时,由于探针的边缘效应,事实上离子鞘层的厚度随 $U_P$ 增大而增大,其结果是探针等效表面积增大,探针电流也持续增大,在本实验条件下不能达到饱和。

对于单探针法,可作如下改进:适当选取探针的表面积,同时减小离子和电子的浓度,增大其平均自由程。

光谱定性分析实验中用来拍摄试样光谱的仪器时用光栅摄谱仪或石英摄谱仪,本实验用哪一种?把纯铁谱和试样谱并排拍下其目的是什么? (5 分)

答:本实验使用光栅摄谱仪。
目的:通常借助铁光谱具有极丰富和分布均匀的光谱,同时它的波长都是经过准确测定过,并且已有标明谱线波长的放大光谱图可供比较,所以一般都用铁光谱为波长标尺来认证分析元素的谱线,只要有一对纯铁电极和分析试样并排拍谱,这样标准铁谱就成了分析线波长的衡量尺度。

光谱定性分析中,在照相板上看到分析线波长位置上有谱线,为么还不能完全确定是分析线产生的?什么情况下采用比较黑度法,为什么所选的控制线其波长不能离分析线太远? (8 分)

答:不能确定的原因:因为可能存在与分析线的波长相近的其他元素的光谱线,即干扰线。

采用黑度比较法的情况:仅仅存在一条干扰线控制线。

波长不能离分析线太远原因:原则上控制线的波长要在感光板反衬度为常数的范围内。

使用阿贝尔比长仪进行非线性内插法计算氢光谱波长实验,测量过程中哪些位置不能改变? Balmer 系氢光浦波长按大小顺序排列,第一条( $N=3$ ) 最大为$656.30nm$,那么第三条波长应是多少(应写算式) (8 分)

答:测量过程中不能改变的位置:谱片和工作台的相对位置、对线显微镜和读数显微镜的相对位置、读数显微镜筒的上下位置
先算 $R_H$:根据公式
代入$\lambda = 656.3nm$和 N=3

解得 $R_H=109705.922/cm$.
再代入 N=5(第三条),解得:$\lambda = 434.601nm$.

$\alpha-Fe$属体心立方晶系,点阵常数 $a=0.2866nm$。如用 $Cr$ 靶 $K_aX$ 射线 ($\lambda = 0.2291nm$) 照射,试来晶面指数 $(110)$、$(200)$ 及$(211)$ 可发生行射的掠射角? (10 分)

答:

根据公式:
代入$a=0.2866nm$, $\lambda=0.2291nm$。
晶面指数为(110)时,解得$\theta \approx 34.42$。
晶面指数为(200)时,解得$\theta \approx 53.07$。
晶面指数为(211)时,解得$\theta \approx 78.24$。

X 射线粉未照相法底片安装方法有哪三种?并分别用图示方法标出底片与入射线及透射线束的相对位置? (6 分)

答:三种安装方法:正装法,反装法,不对称装法。

2012 年题目

一、填空与选择题(共 7 题,38 分)

下面哪些说法是错误的( )(3 分)

A、虚拟仪器是基于计算机的仪器
B、$\gamma$探头能量分辨率数值越大,能最分辨能力越好
C、为了防止或减少放射源发出的射线对入体的伤害,可以通过以下方式实现:
  ① 控制距离: 距高啟射源越远,接触的射线就越少,受到伤害也越小;
  ② 增加屏蔽: 选取适当的屏蔽材料(如況凝土,铁或铅等)做成屏蔽体遮挡放射源发出的射线;
  ③ 控制时间: 尽可能减少与放射源的接触时间。
D、核衰变统计涨落是原子核固有属性。

在 PN 结正向压降与温度关系的实验中,逐步提高加热电流进行变温实验,记录$\Delta V$和 T,井按$\Delta V$的改变(每 10 或 15mV)读取一组$\Delta V$、T,主要目的是 减小测量误差 从而获得$\Delta V-T$曲线,实验开始过程中,开温速率要 慢 且温度不宜过高,最好控制在 120 摄氏度 左右。(3 分)

晶体的特点在于它的内部结构是由一些原子(离子成分子)在空间作有规则的周期性接列,但在实际品体中总有些偏离,存在很多结缺陷,这些缺陷包括下列种形式: 点缺陷、线缺陷、面缺陷 。(6 分)

椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率的实验中: (9 分)

激光入射角为 70 度。实验最后由(P, A)角得到的以$\Psi$、$\Delta$具有 角度 的量纲,称为 椭偏 角。
本实验的主要光学部件有起偏器、检偏器、1/4 波片,它们的作用:
起偏器: 使入射的单色自然光变成线偏光 。起偏器: 消去线偏振光 。1/4 波片: 线偏振光变成椭回偏振光 。
在气体放电等离体研究的实验中: (共 8 分)

本实验中用静电探针法测量,般描述等离子体的 些主要参量为(ABC) (多选 4 分)

A、电子温度 $Te$
B、电子平均动能 $W$
C、带电粒子密度 $n_e$
D、轴向电场强度 $B$
E、空间电位分布

气体放电中的等离子体有下面的哪些特性 (ABCD) (多选 4 分)

A、高度电离,是电和热的良导体,具有比普通气体大几百倍的比热容。
B、带正电和带负电的粒子密度几乎相等。
C、宏观为电中性
D、有辉光特性,电子的平均动能远大于其他粒子,处于非平衡状态

二、简答题(共 8 题,62 分)

在氢光谱拍摄实验中,拍谱的仪器叫什么?我们在实验中拍摄氢光谱一般需要多长时间? (6 分)

答:① 摄谱仪 ②5 分钟

在光谱定性分析实验中经常提及干扰范围,请问本实验干扰范围是多少?干扰范围影响因素有哪些?采用比较黑度法时如何判断分析线存在? (6 分)

答:
①$\pm 0.1\overset{\circ}{A}$,
② 狭缝宽度两对应线的强度,聚焦的好坏,曝光时间。
③ 在试样光谱中找到干扰元素的另一个光谱线,其强度和干扰线相等成稍强,而且激发状态一致且不受干扰,这条线叫做控制线。控制线与分析线比较黑度,如果相等,表示分析线不存在,即被分析元素不存在,如果分析线处的黑度比控制线大,表示分析线出现,即被分析元素存在。

非线性内插法计算氢光谱波长实验中获取照相板上铁光谱哪些数据,目的是什么? Baimer 系氢光谱最大波长为 656.3nm。求里德堡常数(应写算式)。(10 分)

答:
① 相对位置和波长
② 根据公式 $\lambda = A + \frac{B}NaN$,求出系数 A、B、C 进而求出氢线的波长
③ 将最大波长 $\lambda= 656.3 \times 10^{-7}cm$ 及 $n=3$ 代入公式可算出 $R_H = 109705.922/cm$.

简述 X 射线粉末行射仪(CX 光机)由哪儿部分组成,它们各自作用有哪些。(10 分)

答:
①X 光管产生 X 光,高压发生器产生高压;
② 电器控制,用于控制器械电路;
③ 安全保护装置,保护整个装置的安全,防止高压泄露。
④ 冷凝装置,防止仪器过热。

立方晶体有哪三种空间点阵类型,对应于这三种空间点阵类型的衍射指标各有什么特点。(6 分)

答:
① 简立方,面心立方,体心立方。
② 特点:
面心立方:hkl 同时为奇数或偶数
体心立方 : hkl 之和为偶数
简立方满足布拉格方程的一切可能的衍射。

测量光源沿空间发出的总光通最可以用什么方法来测试,其优缺点分别是什么? (9 分)

答:
① 分布光度计和积分球。
② 优缺点:
分布光度计,精度高,但需在暗室中进行,较大的测量距离,测量复杂且速度较慢。
积分球检测速度快,但精度低于分布光度计。

2013 年题目

一、填空与选择题(26 分)

在 PN 结正向压降与温度关系的实验中,逐步提高加热电流进行变温实验,记录$\Delta V$和 $T$,井按 $\Delta V$ 的改变 (每 10 或 15mV) 读取一组$\Delta V$、$T$,主要目的是 减小测量误差 从而获得$\Delta V-T$曲线,实验开始过程中,开温速率要 慢 且温度不宜过高,最好控制在 120 摄氏度 左右。(3 分)

密立根油滴实验中,应用平街法测量治满电量时,分别建立了两次平衡状态分别是, 重力 与 静电力 平衡,及 重力 与 阻力 平衡。从而获得测量公式,同时为了减小测量误差,通常选择的电压为 200 V. 匀速下落 2mm。时间为 20-30 秒的有滴比较合适。(6 分)

椭圆偏振法测量海膜厚度和折射率的实验中: (9 分)

激光入射角为 70 度。实验最后由(P, A)角得到的以$\Psi$、$\Delta$具有 角度 的量纲,称为 椭偏 角。
本实验的主要光学部件有起偏器、检偏器、1/4 波片,它们的作用:
起偏器: 使入射的单色自然光变成线偏光 ,起偏器: 消去线偏振光 。1/4 波片: 线偏振光变成椭回偏振光 。

在气体放电等离子体研究的实验中:

本实验中用静电探针法测量,般描述等离子体的一些主要参量为(ABC)(多选 4 分)

A. 电子温度$T_e$
B. 电子平均动能$W_e$
C. 带电粒子密度$n_e$
D. 轴向电场强度$E_L$
E. 空间电位分布

气体放电中的等离子体有下面的哪些特性(ABCD) (多选 4 分)

A. 高度电离,是电和热的良导体,具有比普通气体大几百倍的比热容。
B. 管正电和带负电的粒子密度几乎相等。
C. 宏观为电中性
D. 有辉光特性。电子的平均动能远大于其他粒子,处于非平衡状态

二、计算与简答题(74 分)

写出一个 Modelica 模型。求解实数 1.0 与 2.0 的和(6 分)

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class Example
parameter Real arg1 = 1.0;
parameter Real arg2 = 2.0;
parameter Real sum;
equation
sum=arg1+arg2;
end Example;

虚拟仪器和传统仪器主要差别是什么? (5 分)

答:
① 虚拟仪器的面板是虚拟的,是计算机的显示器通过软件模拟。虚拟仪器的测量功能主要是通过软件来完成的。虚拟仪器是在以 PC 为核心组成的硬件平台支持下,通过软件编程来实现仪器的功能的。
② 传统仪器面板上的器件都是实物,而且是由手动和触摸进行操作的。

光谱定性分析实验中,光谱定性分析的原理是什么? 当选定某个元素作为分析元素时,如何选择素的分析线? (15 分)

答:
① 原理:各种元素的原子光谱都有自己独特的结构和不同的波长。相似或近似是有的,但是没有两种元素发出的原子光谱的结构和波长是相同的。因此我们如果有可能确定被分析试样的光谱组成(结构和波长),就能确定其所包含的元素。
② 选择分析线:必须选择那些既灵敏又不为其他元素干扰的谱线来分析。最灵敏的线叫做“最后线”,意思就是说当减少这元素的浓度到最后时,这线还残留在光谱中。这些最后消失的谱线就是“最后线”。采用这些最后线时,必需注意到:只有当该元素在试样中的含量很低时,这些最后线才是该元素的最强线,当光源中被分析元素的浓度很大时,许多最后线常有“自蚀”的效应,这种效应在谱线的中央部分特别强烈,有时全然没有中央部分而被误认为是双线。在某些场合下,最后线并不在工作区域内,或者为其他元素的光谱线所淹没(干扰)。这时候我们就采用较弱的,但却较为妥当的谱线为分析线。
概括一句,作为分析线一般应该是:元素的灵敏线,既不受干扰又非自蚀的一些线谱。

2014 年题目

一、填空与选样题(共 26 分)

在气体放电等离子体研究的实验中:

本实验中用静电探针法测量,一般描述等离子体的一些主要参量为(ABCD)(多选,4 分)

A. 电子温度 $T_e$
B. 电子平均动能 $W_e$
C. 带电粒子密度 $n_e$
D. 粒子平均速度 $\overline{V}$

本实验中,下断哪些说法是正确的(AC) (多选 4 分)

A. 放电管内的压强应保持在 $10-100Pa$
B. 本实验采用双探针法进行测量
C. 等离子体宏观为电中性
D. 实验结束后关机顺序是:关机械泵电源、关探针电源、关高压电源、关总电源。

一般描述等离子体的一些主要参量只有题 1 中选项的四个。

椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率的实验中:

把激光器发出的单色光变成 椭圆偏振 光,以 70° 的角度投射到样品表面, 则只要观测反射偏振光状态的 振幅 和 相位 变化,就可以定出膜层的厚度和折射率。 (4 分)

密立根油滴实验中,应用平衡法测量油滴电量时,分别建立了两次平衡状态分别是, 重力 与 静电力 平衡,及 重力 与 阻力 平衡。从而获得测量公式,同时为了减小测量误差,通常选择的电压为 200 V。 匀速下落 2mm。时间为 20-30 秒的有滴比较合适。(6 分)
在 PN 结正向压降与温度关系的实验中,逐步提高加热电流进行变温实验,记录$\Delta V$和 T,井按$\Delta V$的改变(每 10 或 15mV)读取一组$\Delta V$、$T$,主要目的是 减小测量误差 从而获得$\Delta V-T$曲线,实验开始过程中,开温速率要 慢 且温度不宜过高,这样做的主要目的是 防止温度变化过快,数据不够稳定,产生误差影响曲线的线性度 ,最好控制在 120℃ 左右。(3 分)

二、简答与计算题(共 74 分)

金相法观测晶体位错中使用的仪器叫什么?简述实验中是如何获得观察面的面积的。

答:
① 金相显微镜
② 使用软件截取矩形框,可直接显示面积

在光谱定性分析实验中经常提及干扰范围,本实验的干扰范围是多少?干扰范围影响因素有哪些?如何应用黑度比较法?

答:
① 干扰范围(本实验):$ \pm 0.1\overset{\circ}{A}$。
② 干扰范围影响因素:对于一定仪器来说和摄谱仪的狭缝宽度、两对应线的强度、聚焦的好坏以及曝光时间有关
③ 黑度比较法(仅存在一条干扰线的一般分析方法):现在分析线被干扰线所重迭,如果分析线出现时,它的黑度应该是分析线黑度与干扰线的黑度和,利用这个原理,可以在试样光谱中找出干扰元素的另一条光谱线(原则上波长在感光板反衬度为常数的范围内),其强度和干扰线相等或稍强些(为什么?),而且激发状态要一致(即同为中性原子线或离子线)和不受干扰,才有条件进行比较黑度,这样一条谱线叫做控制线。在试样光谱中找出这样的控制线,比较控制线和分析线处的黑度,如果相等,表示分析线不存在,即被分析元素不相存在,如果分析线处的黑度比控制线大,表示分析线出现,亦即被分析元素存在。

非线性内插法计算关光谱波长实验高获取照相板上铁光谱哪些数据,目的是什么? Baimer 系氧光请最大波长为 656.3nm.求里德堡常数(应写算式)。(10 分)

答:
① 得到铁谱相对位置和对应波长
② 目的:根据公式 $\lambda = A + \frac{B}{L - C}$,求出系数 A、B、C 进而求出氢谱的波长
③ 将最大波长 $\lambda= 656.3 \times 10^{-7}cm$ 及 $n=3$ 代入公式

可得$R_H = 109705.922/cm$.

在测量光源沿空间发出的总光通量时通常用的两种测量方法是什么?其各自优点是什么?

答:
① 分布光度计法是通过测量光源在空间的光强分布,然后对全空间的光强积分而得到总光通量。优点是此种方法的测量精度高,可作为总光通量的基准测量方法;缺点是测量需在暗室中进行,较大的测量距离,测量复杂,速度较慢。
② 积分球测试方法。优点是检测速度快;缺点是精度要逊于分布光度计。

什么是 G 语言?

答:
图形化的程序语言,又称为“G”语言。使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。

请用 Modelica 语言给热悉的一个对象建模。(6 分)

$x’=-x$
$x(0)=1$

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class HelloWorld "A simple equation"
Real x(start=1);
equation
der(x)= -x;
end HelloWorld;

请画出太阳能电池等效电路。(5 分)

答:

什么是软件无线电? (5 分)

答:
软件无线电是利用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信技术。它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级,而不用完全更换硬件。

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