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2025年大学物理实验操作技能考试卷

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

注意事项：

1.请在指定位置填写姓名、学号等信息。

2.请按照实验要求，规范操作，认真记录数据。

3.实验过程中注意安全，爱护仪器。

4.实验结束后，整理好仪器和实验现场。

实验一：杨氏模量的测定（弹性模量仪法）

一、实验目的

1.学习使用弹性模量仪测量金属丝的杨氏模量。

2.掌握光杠杆法测量微小长度变化的原理和方法。

3.学习使用螺旋测微器、米尺等基本测量仪器。

二、实验原理

杨氏模量是描述材料形变特性的物理量，其定义式为：

Y=(F/l)*(L?/d)*(d/ΔL)

其中，Y为杨氏模量，F为作用在金属丝上的外力，l为金属丝的长度，L?为光杠杆短臂的长度，d为光杠杆长臂到标尺的距离，ΔL为金属丝伸长量。

光杠杆法利用光的反射原理放大微小长度变化。当金属丝伸长ΔL时，光杠杆的短臂端下降ΔL，长臂端上升2ΔL，导致反射光线偏转θ角，根据几何关系，有：

tanθ≈ΔL/L?=2ΔL/d

因此，金属丝的伸长量ΔL可以表示为：

ΔL=(d/2L?)*tanθ

由于θ很小，tanθ≈θ，所以：

ΔL=(d/2L?)*θ

将此式代入杨氏模量定义式，得到：

Y=(F/(d/2L?)*θ)*(L?/d)*(d/ΔL)

化简后得到杨氏模量的测量公式：

Y=(8FL?)/(d2θ)

本实验中，θ通过光杠杆镜面到标尺的距离变化d来体现，d=2ΔL≈2θL，其中ΔL为镜面移动的距离，L为镜面到标尺的距离。因此：

θ=d/(2L)

代入杨氏模量公式，得到：

Y=(8FL?L)/(d2d)

三、实验仪器

弹性模量仪、螺旋测微器、米尺、光杠杆、望远镜、标尺、砝码、游标卡尺。

四、实验内容与步骤

1.调整弹性模量仪：检查仪器是否水平，调节三足架，使平台水平。将光杠杆放置在平台上，两前足放在平台的沟槽内，后足放在可调节的垫块上。调节垫块，使光杠杆镜面大致竖直。

2.调节光杠杆和望远镜：将望远镜对准光杠杆镜面，目视找到镜中有标尺的像。调节望远镜的俯仰，使标尺的像清晰。调节望远镜的焦距，使标尺的刻度线清晰。记录初始时标尺读数n?。

3.测量金属丝的长度L?：用米尺测量金属丝上、下两个夹具之间的距离。

4.测量光杠杆常数d：用游标卡尺测量光杠杆前足尖之间的距离。

5.测量镜面到标尺的距离L：用米尺测量光杠杆镜面到标尺的距离。

6.施加拉力并测量标尺读数：在金属丝下端逐个增加砝码（每个砝码质量已知），记录每次增加砝码后望远镜中标尺的读数n?,n?,...,n??。每个读数都要进行多次测量取平均值。

7.改变光杠杆位置（可选）：将光杠杆沿金属丝方向移动一小段距离，重复步骤2-6，记录新的标尺读数n?,n?,...,n??。

8.测量其他数据：用螺旋测微器测量金属丝在不同位置（上、中、下）的直径d?,d?,d?，分别计算平均值d。

五、数据处理

1.计算每次增加拉力F=mg（m为砝码质量，g为当地重力加速度）时，标尺读数的平均值Δn=(n?-n?)或Δn=(n?-n?)。

2.计算镜面移动的距离Δd=(Δn/L)*2或Δd=(Δn/L)*2。

3.计算杨氏模量Y。注意，L为镜面到标尺的距离，d为光杠杆常数，F为总拉力（对应最后一位砝码），L?为金属丝的原长，Δd为镜面移动的总距离（对应最后一位砝码引起的读数变化量）。

4.计算杨氏模量的不确定度。考虑L?,d,L,Δd,F以及金属丝直径测量的不确定度，根据不确定度传递公式，计算杨氏模量Y的不确定度U(Y)。

六、实验结果

1.杨氏模量Y=______±______(单位)。

2.与钢的杨氏模量理论值比较，计算相对误差。

七、实验讨论

1.分析实验中可能存在的误差来源及其对结果的影响。

2.光杠杆法是如何实现微小长度变化的放大的？

3.在测量过程中，哪些操作对实验结果的准确性影响较大？如何减小这些误差？

实验二：霍尔效应的测量

一、实验目的

1.了解霍尔效应的原理及其应用。

2.学习使用霍尔效应仪测量半导体材料的霍尔系数和载流子浓度。

3.学习使用恒流源、毫安表、电压表等仪器。

二、实验原理

当一块通有电流I的导电薄片放置在磁场B中，并且磁场方向与电流方向垂直时，薄片两侧会出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。产生霍尔电势差的原因是磁场对载流子（电子或空穴）施加洛伦