實(shí)驗(yàn)題目1測(cè)量玻璃的熱膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)

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1、8th亞洲物理奧林匹克競(jìng)賽中國(guó)上海2007年4月25日，星期三實(shí)驗(yàn)試題1(時(shí)間2小時(shí)45分)在實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)題考前須知：1．實(shí)驗(yàn)題包含兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1考試時(shí)間2小時(shí)45分，實(shí)驗(yàn)2考試時(shí)間2小時(shí)15分。2．使用考場(chǎng)提供的筆和儀器。3．只能在紙的正面答題。4．每個(gè)題目除空白紙外，還有答題紙。你必須在答題紙上概括你已獲得的結(jié)果，數(shù)字結(jié)果必須有適合的有效數(shù)字和單位。5．在空白紙上寫上所有你認(rèn)為對(duì)答題有用的測(cè)量結(jié)果等你認(rèn)為有用的內(nèi)容。答題時(shí)盡可能少用文字；主要用方程、數(shù)字和圖表達(dá)。6．在每頁答案紙、白紙以及作圖紙頂端的格子里填上你的胸牌上的學(xué)生代碼（StudentCod

2、e），另外白紙的頂端填上序號(hào)n（Page）以及用每一題于評(píng)分的總頁數(shù)N(TotalNumberofPages）。7．開始解答每一個(gè)問題時(shí)，另起一頁紙。每張紙的開頭都要有題目號(hào)和小題號(hào)。不用于評(píng)分的草稿紙，在整張紙上打一個(gè)大叉，不要編號(hào)。8．在考試結(jié)束時(shí),請(qǐng)將每題的答題紙和空白紙按下列順序整理好：答案紙（最上面），已編序號(hào)、用于評(píng)分的空白紙，不用于評(píng)分的草稿紙，考題（最后）。最后把所有紙張放入所給的大信封，其他所有的東西放在桌上。不允許帶走室內(nèi)的任何東西。10實(shí)驗(yàn)第1題利用干涉方法測(cè)量玻璃的熱膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)（10分）一.實(shí)驗(yàn)說明.光學(xué)儀器常常需要在高溫或低溫

3、的條件下使用。當(dāng)光學(xué)儀器在不同溫度下使用時(shí),其光學(xué)元件材料的熱學(xué)性質(zhì)，包括熱膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)，會(huì)直接影響它的光學(xué)性質(zhì)。熱膨脹系數(shù)的定義為，折射率溫度系數(shù)的定義為，其中L是材料的長(zhǎng)度、T是溫度、n是折射率。本實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量一種玻璃材料的和。二．實(shí)驗(yàn)裝置與器材1.樣品：實(shí)驗(yàn)所用的樣品由均勻各向同性的待測(cè)玻璃制成，如圖1所示。其中A是被切去一部份的玻璃圓柱體，上下表面基本平行；B和B’是兩塊也被切去一部份的圓形玻璃板，每塊玻璃板的上下表面不平行。三塊玻璃A、B、B’膠合成一體，如圖1所示。膠的折射率與玻璃相同，厚度可以忽略不計(jì)。2.加熱裝置：該實(shí)驗(yàn)的加熱裝置如圖2所

4、示，圖中電爐右邊的旋鈕用于調(diào)節(jié)電爐溫度。大鋁塊中間有一個(gè)圓柱形的樣品腔，樣品可放在其中。小鋁塊上有兩個(gè)孔，小孔可用于通光，大孔可用來插溫度計(jì)的探頭。如要對(duì)樣品加熱，可先小心地將樣品滑入大鋁塊的樣品腔中（這時(shí)應(yīng)將大鋁塊傾斜，以防樣品撞碎），再放入小鋁塊，然后把整個(gè)大鋁塊放入電爐上的鋼杯中，就可以對(duì)樣品加熱。（鋼杯內(nèi)不可放水；也不可取下鋼杯把大鋁塊直接放在電爐上加熱。）103.光源支架：如圖3所示，在支架的上部裝有He-Ne激光器及其電源，在激光器的下面有一個(gè)傾斜的擱架，上面擱放了一塊帶小孔的平板，貼有方格紙，可用作觀察屏。支架底部有三個(gè)腳，C腳是固定的，不可調(diào)節(jié)，A腳

5、和B腳可以調(diào)節(jié)。圖34.樣品平臺(tái)：光源支架底部有一圓形平臺(tái)，用于放置樣品或電爐，其底部有三個(gè)腳a、b、c，高低可調(diào)，見圖3。5.數(shù)字式溫度計(jì)6.直尺：7.水盆：（內(nèi)有冷卻用水）8.毛巾：109.作圖用坐標(biāo)紙：10.計(jì)算器：11.鉛筆與水筆：【注意】a.眼睛不可正對(duì)激光入射方向去看激光，否則可能損傷視網(wǎng)膜！b.不要觸摸樣品的光學(xué)表面，實(shí)驗(yàn)時(shí)注意輕拿輕放，以免弄壞樣品。三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．問題（2.4分）1.1一束白色自然光通過一片紅色透光紙片后，投射到一2厘米左右厚玻璃塊。光束在玻璃塊的上下表面反射并在觀察屏上相遇，形成一沒有干涉條紋的光斑，如圖4(a).然而當(dāng)激光束投射

6、到相同的玻璃塊時(shí)，兩束反射光在同樣的觀察屏上相遇，形成具有干涉條紋的光斑，形成這兩種不同現(xiàn)象的原因是什么？請(qǐng)選擇一個(gè)正確答案(0.4分)A.激光束比紅色光更強(qiáng)B.激光準(zhǔn)直性比紅色光更好C.激光的相干性比紅色光好D．激光的波長(zhǎng)比紅色光短圖4101.2a如圖5所示，如有一束激光分別近正入射到a、b、c三個(gè)區(qū)域時(shí)，其反射光應(yīng)有幾個(gè)主要光斑（不考慮多次反射）？這些反射光斑的光場(chǎng)分布是否必然與入射光的一樣？1.2b如果有的反射光斑光場(chǎng)分布可能與入射光的分布不一樣，請(qǐng)說明理由。圖51．實(shí)驗(yàn)：測(cè)量玻璃的bb和gg（7.6分）已知激光的波長(zhǎng)l=632.8nm，樣品中玻璃圓柱體A的高

7、度L=10.12±0.05mm，該玻璃對(duì)應(yīng)此波長(zhǎng)在測(cè)量溫度范圍內(nèi)的平均折射率為n=1.515，要求測(cè)出該玻璃的溫度在40℃－90℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)（在測(cè)量溫度范圍內(nèi)和可視為常數(shù)）。2.1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫出實(shí)驗(yàn)光路圖并推導(dǎo)出有關(guān)的測(cè)量公式。（3.2分）2.2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄測(cè)量b和g所需要的數(shù)據(jù)。（1.6分）2.3求出該材料的b和g并估算它們的不確定度。（2.6分）2.4寫出最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（0.2分）【注意】1．將樣品放入大鋁塊樣品腔中時(shí)，為避免樣品撞碎，應(yīng)將大鋁塊傾斜，小心地讓樣品慢慢地滑入樣品腔的底部。2．10實(shí)驗(yàn)時(shí)可連續(xù)升溫，邊升溫邊測(cè)數(shù)據(jù)