2025物理實驗操作考試試題及答案1.實驗名稱：測定金屬絲的電阻率實驗器材：直流穩(wěn)壓電源（0～3V，連續(xù)可調(diào)，內(nèi)阻不計），數(shù)字電流表（0～200mA，分辨率0.1mA），數(shù)字電壓表（0～2V，分辨率0.1mV），螺旋測微器（0～25mm，分度0.01mm），米尺（0～50cm，分度1mm），待測鎳鉻絲一段（長度約50cm，直徑約0.20mm），單刀單擲開關(guān)，導(dǎo)線若干，鱷魚夾，砂紙，無水酒精棉球，坐標紙，計算器。實驗要求：(1)用螺旋測微器在不同位置測量金屬絲直徑6次，記錄數(shù)據(jù)并計算平均值及不確定度；(2)將金屬絲拉直后固定在米尺上，兩端用鱷魚夾連接電路，夾持長度L取30.0cm、35.0cm、40.0cm、45.0cm、50.0cm五組，對應(yīng)測量電壓U與電流I，每組重復(fù)3次取平均；(3)用逐差法處理數(shù)據(jù)，作U–I圖，求斜率得電阻R，再作R–L圖，求斜率得電阻率ρ；(4)計算ρ的合成不確定度，給出最終結(jié)果ρ±u(ρ)（置信概率68%）；(5)回答：若金屬絲表面殘留氧化層未清除，對ρ的測量結(jié)果有何影響？說明理由。評分細則：直徑測量（10分）：操作規(guī)范4分，讀數(shù)準確3分，不確定度評定3分；電路連接（8分）：正確串聯(lián)電源、開關(guān)、電流表，并聯(lián)電壓表，無短路或斷路；數(shù)據(jù)記錄（12分）：表格設(shè)計合理，有效數(shù)字正確，單位規(guī)范；圖像處理（15分）：坐標軸標注、比例、擬合直線、斜率計算；不確定度（10分）：A類、B類分量合成，修約正確；結(jié)論與問答（5分）：結(jié)果在1.05×10??～1.15×10??Ω·m內(nèi)得3分，問答邏輯清晰得2分。參考答案：(1)直徑d(單位mm)：0.198、0.200、0.199、0.201、0.197、0.200；平均值d?=0.199mm，標準差s_d=0.0014mm，A類不確定度u_A=s_d/√6=0.00057mm；螺旋測微器允差0.004mm，按均勻分布得u_B=0.004/√3=0.0023mm；合成u(d)=√(u_A2+u_B2)=0.0024mm，結(jié)果d=(0.199±0.002)mm。(2)示例數(shù)據(jù)（L=40.0cm）：U(mV)：64.2、64.4、64.3，平均64.3mV；I(mA)：126.8、127.0、126.9，平均126.9mA；R=U/I=0.5067Ω，同理得五組R：0.380、0.443、0.507、0.570、0.634Ω。(3)R–L圖斜率k=ΔR/ΔL=1.267×10?3Ω/cm，截距接近零；電阻率ρ=k·A=k·π(d?/2)2=1.267×10?3×π×(0.0995mm)2=1.10×10??Ω·m。(4)斜率k的不確定度：u_A(k)=s_R/√[nΣ(L_i?L?)2]=1.1×10??Ω/cm，u_B(k)由u(d)傳遞得u_B(k)=2k·u(d)/d?=3.0×10??Ω/cm，合成u(k)=3.2×10??Ω/cm，u(ρ)=ρ·√[(u(k)/k)2+(2u(d)/d?)2]=0.04×10??Ω·m；最終結(jié)果ρ=(1.10±0.04)×10??Ω·m。(5)氧化層使有效截面積減小，導(dǎo)致測得R偏大，ρ偏大；同時接觸電阻增加，U–I線性度下降，斜率增大。2.實驗名稱：用光杠桿法測定薄鋼片的楊氏模量實驗器材：光杠桿（鏡面距標尺1.50m，杠桿比1:30），激光筆（λ=532nm，功率<1mW），標度尺（0～50cm，分度1mm），游標卡尺（0～150mm，0.02mm），螺旋測微器，砝碼組（0～2.0kg，步長0.1kg），支架，薄鋼片（寬12.0mm，厚0.40mm，有效長度30.0cm），水平調(diào)節(jié)臺，白屏，計算器。實驗要求：(1)調(diào)節(jié)光杠桿鏡面與激光垂直，使反射光斑落在標尺中央，記錄初讀數(shù)x?；(2)逐次增加0.2kg砝碼至1.0kg，記錄光斑位移Δx，每次穩(wěn)定30s后讀數(shù)；(3)用逐差法計算平均位移Δx?，根據(jù)光杠桿放大公式ΔL=Δx·D/(2R)求鋼片伸長量；(4)測量鋼片寬度b、厚度h各6次，計算橫截面積A=b·h及不確定度；(5)作F–ΔL圖，求斜率得k，由Y=kL?/A計算楊氏模量；(6)分析：若激光未嚴格垂直鏡面，對Δx的影響可否修正？給出修正公式。評分細則：光路調(diào)節(jié)（10分）：光斑清晰、漂移<1mm；數(shù)據(jù)記錄（12分）：F、Δx對應(yīng)，有效數(shù)字正確；逐差法（8分）：分組合理，計算無誤；面積測量（10分）：b、h不確定度評定；圖像與結(jié)果（15分）：線性相關(guān)系數(shù)|r|≥0.998；問答（5分）：給出Δx_corr=Δx·cosθ，θ為入射角，邏輯正確。參考答案：(1)初讀數(shù)x?=24.3cm；(2)加載F(N)：0、0.2×9.80、…、1.0×9.80，對應(yīng)Δx(cm)：0、1.45、2.90、4.35、5.80、7.25；逐差法得Δx?=(7.25?0)/5=1.45cm/0.2kg=7.25cm/kg；(3)放大倍數(shù)2R/D=30，ΔL=Δx·D/(2R)=Δx/30；斜率k=ΔF/ΔΔL=0.2×9.80/(1.45/30)=40.6N/m；(4)b(mm)：12.02、12.00、12.04、11.98、12.00、12.02，b?=12.01mm，u(b)=0.02mm；h(mm)：0.402、0.398、0.400、0.401、0.399、0.400，h?=0.400mm，u(h)=0.001mm；A=b?h?=4.80mm2，u(A)/A=√[(u(b)/b?)2+(u(h)/h?)2]=0.005；(5)Y=kL?/A=40.6×0.300/(4.80×10??)=2.54×1011Pa；u(Y)/Y=√[(u(k)/k)2+(u(A)/A)2+(u(L?)/L?)2]=0.012，u(Y)=0.03×1011Pa，結(jié)果Y=(2.54±0.03)×1011Pa，與鋼典型值一致。(6)若激光與鏡面法線夾角θ，則實際放大倍數(shù)變?yōu)?R/(D·cosθ)，讀數(shù)Δx偏大，修正后Δx_corr=Δx·cosθ，θ≈Δx·(D/2R)/L_mirror，L_mirror為鏡面到標尺距離。3.實驗名稱：用示波器測量未知電容實驗器材：函數(shù)信號發(fā)生器（方波輸出1kHz，幅度2.00V，內(nèi)阻50Ω），數(shù)字示波器（帶寬100MHz，垂直分辨率8bit，帶USB存儲），標準電阻箱（0～9999Ω，步長1Ω），待測電容C_x（標稱0.10μF，容差±20%），面包板，短導(dǎo)線，BNC線，U盤，計算器。實驗要求：(1)按RC串聯(lián)電路連接，取R=1.00kΩ，用示波器CH1監(jiān)測信號源輸出，CH2監(jiān)測電容電壓u_C(t)；(2)調(diào)節(jié)時基使屏幕顯示2個完整周期，存儲波形并導(dǎo)出CSV；(3)利用示波器光標測量u_C從0到0.632V?所需時間τ?，重復(fù)5次取平均；(4)改變R為2.00kΩ、3.00kΩ，重復(fù)測τ?、τ?；(5)作τ–R圖，斜率即C_x，計算不確定度；(6)回答：若信號源內(nèi)阻不可忽略，如何修正測量結(jié)果？給出公式并計算修正后C_x。評分細則：電路搭建（8分）：RC接地共點，無自激振蕩；波形捕獲（10分）：無畸變，噪聲<20mV；光標讀數(shù)（12分）：τ讀數(shù)重復(fù)性<2%；線性擬合（15分）：斜率相對不確定度<3%；問答（5分）：給出C_corr=τ/(R+R_s)，R_s=50Ω，計算正確。參考答案：(1)波形CSV示例（R=1kΩ）：t(μs),u_C(V)：0,0；50,0.63；100,0.86；…光標測得τ?=159μs；(2)五組τ：159、158、160、159、161μs，平均τ??=159μs，s_τ=1.1μs；同理R=2kΩ得τ??=318μs，R=3kΩ得τ??=477μs；(3)作τ–R圖：斜率k=159μs/1kΩ=0.159μF，線性擬合相關(guān)系數(shù)r=0.9998；斜率不確定度u(k)=k·√[(u(τ)/τ)2+(u(R)/R)2]=0.003μF；(4)未修正C_x=0.159μF；考慮R_s=50Ω，修正C_corr=τ/(R+R_s)，對R=1kΩ點：C_corr=159μs/1050Ω=0.151μF；取三點平均得C_corr=0.152μF，與標稱0.10μF偏差源于分布電容，結(jié)果C_x=(0.152±0.003)μF。4.實驗名稱：用分光計測定三棱鏡折射率與色散曲線實驗器材：分光計（最小讀數(shù)1′），低壓汞燈（特征譜線404.7nm、435.8nm、546.1nm、578.0nm），等邊三棱鏡（n_D≈1.60，頂角A=60°0′），白屏，放大鏡，計算器。實驗要求：(1)自準直法調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦于無窮遠，使十字叉絲與綠十字重合；(2)用反射法測頂角A，重復(fù)3次，計算A及不確定度；(3)分別測量汞燈四條譜線的最小偏向角δ_m，記錄左右游標讀數(shù)，取平均；(4)由n=sin[(A+δ_m)/2]/sin(A/2)計算各波長對應(yīng)n，作n–1/λ2圖，擬合Cauchy公式n=C?+C?/λ2；(5)計算色散率dn/dλ在546.1nm處的值；(6)回答：若三棱鏡溫度升高5°C，n如何變化？給出經(jīng)驗公式Δn=?2×10??ΔT，估算新n。評分細則：儀器調(diào)節(jié)（10分）：望遠鏡、平行光管共軸，狹縫清晰；頂角測量（8分）：讀數(shù)差<2′；偏向角（15分）：各譜線δ_m重復(fù)性<1′；數(shù)據(jù)處理（12分）：Cauchy擬合相關(guān)系數(shù)>0.99；色散計算（5分）：dn/dλ單位正確，數(shù)值負；問答（5分）：代入ΔT=5°C，Δn=?1×10??，邏輯正確。參考答案：(1)頂角A：左游標119°58′、120°0′、119°59′，右游標240°2′、240°0′、240°1′，平均A=60°0′，u(A)=1′；(2)最小偏向角δ_m：404.7nm：δ_m=50°12′；435.8nm：48°36′；546.1nm：46°18′；578.0nm：45°54′；(3)計算n：546.1nm：n=sin[(60°0′+46°18′)/2]/sin30°0′=1.598；同理得n(404.7nm)=1.618，n(435.8nm)=1.608，n(578.0nm)=1.596；(4)作n–1/λ2圖，斜率C?=1.02×10?2μm2，截距C?=1.574，相關(guān)系數(shù)r=0.999；(5)dn/dλ=?2C?/λ3=?2×1.02×10?2/(0.5461μm)3=?1.25×10?1μm?1；(6)溫度升高5°C，Δn=?2×10??×5=?1×10??，新n=1.598?0.0001=1.5979。5.實驗名稱：用邁克爾遜干涉儀測空氣折射率實驗器材：邁克爾遜干涉儀（He-Ne激光λ=632.8nm，分束器折射率1.515，補償板），氣室（長度L=100.0mm，兩端布儒斯特窗），精密氣壓表（0～120kPa，分辨率0.1kPa），真空泵，閥門，溫度計（0～50°C，0.1°C），濕度計，計算器。實驗要求：(1)調(diào)節(jié)干涉儀出現(xiàn)圓條紋，中心亮紋對準十字叉絲；(2)封閉氣室，抽真空至10kPa，記錄初始條紋級次N?；(3)緩慢放氣至大氣壓p_a=101.3kPa，每增加5kPa記錄條紋移動數(shù)ΔN，共20點；(4)由ΔN=2L(n?1)/λ得n(p)，作n–p圖，線性擬合求斜率dn/dp；(5)計算標準狀況下(n?1)_STP，與文獻值2.93×10??比較；(6)回答：若溫度波動0.5°C，對ΔN的影響多大？給出Δ(ΔN)=?(ΔN·ΔT)/T。評分細則：干涉條紋（10分）：對比度>80%，無漂移；氣壓控制（8分）：升壓速率<1kPa/s；條紋計數(shù)（15分）：ΔN誤差<0.2；線性擬合（12分）：斜率不確定度<2%；結(jié)果比對（5分)：相對誤差<5%；問答（5分）：代入ΔT=0.5°C