近代物理实验论文——相对论验证实验感想论文

近代物理实验 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ——相对论验证实验感想论文 近代物理实验论文——相对论验证实验感想 关键词 狭义相对论、电子动量、电子动能 引言 本学期，根据课程安排需要，我首次系统地接触并完成了一系列现代物理实验。在总共完成的8项实验中，包括了有关原子量子性质的光磁共振实验和塞曼效应，有关于原子和电子碰撞的夫兰克-赫兹实验、冉绍尔-汤森实验，还有涉及晶体结构和非可见光波性质的X光系列实验。这些实验帮助我巩固了上学期学习的近代物理课程中的内容，了解了一些近代物理史上重要的实验及其作用，并对许多近代物理的内容有了许多新的理解。在所有的这些实验中，让我印象最深也是最有感触的便是相对论验证实验。整个实验从验证方式的设计，到各个物理量的测量，构思独特新颖。下面我就具体讨论一下整个实验的原理、过程以及最后的结论。 实验原理 在上学期学习近代物理这门课程时，第一和第二章的内容就是有关狭义相对论的知识。其中第一章的内容在大学物理中也已经接触过，主要涉及相对论假设、时间膨胀与长度收缩、洛仑兹变换等。第二章讲述相对论性能量和相对论性动量。而我们这次做的相对论验证实验就是利用了相对论中动能与动量的比值与经典力学中的差异，从而得到符合狭义相对论的实验结果。我们传统上对狭义相对论的第一反应便是时间膨胀与长度收缩的概念，而单从这两点入手我们很难在普通的实验室里以及普通的实验仪器条件下完成对相对论定律的验证。选取相对论性动量和动能的比较避免了寻找高速运动参照系这个麻烦，仅需要测量观察对象的动量和动能性质便能做出比较，当然选用的观察对象必须是高速运动的物体或粒子。由狭义相对论可以推导出运动速度为光速的物体其静止质量一定为零，即使是接近于光速运动的物体其静止质量也一定很小，比如光子和电子。故本实验中 -就是选取β粒子作为观察对象，而测量其动量和动能大小的方法也相当巧妙，并且是我们在必选实验中已经接触过的。 -本实验测量β粒子动能和动量的系统可以说是基本完全独立的，下面就具体 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 这两个物理量的测量方法。当一个带电量为e的粒子以速度v穿越磁感应强度为B的磁场时，其运动方程可以表示为: d()mvevB,,， dt 当粒子的速度恰与磁场方向垂直时，其运动轨迹是在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动，其运动方程也简化为: 2 mvRevB/, 其中，R为圆周运动的轨道半径。于是，通过电子在磁场中会产生偏转这一性质，我们可以推导出电子动量的表达式: PmveBR,, 值得注意的是，上式对于经典力学与相对论同样适用，区别在于对的定义不同。 m上述的实验原理我们在磁偏转小型质谱仪实验中也有运用，只不过所需测量的对象并不同。本实验中，电子的电量与磁场的强度皆为已知量，只要测得轨道eB 半径R便可以求出电子的动量P。而在小质谱仪实验中，磁场感应强度B和轨道半径是已知的，通过求粒子的速度v可以求得该粒子的荷质比。 电子动能的测量同样是我们之前必做实验中遇到过的，无论是实验原理还是 -实验的仪器都与γ能谱仪实验基本相同。β粒子的能量首先被光电倍增管收集，然后通过射极跟随器、脉冲线性放大器依次放大，最后被多道脉冲分析器收集并显示在微机屏幕上。微机显示屏上显示出电子的道数和计数，道数对应着不同的能量，而计数对应着每个道数上的电子数目。随后通过已知能谱的放射性元素(如13760Cs和Co)对能谱进行定标，得出道数与能量的对应公式，这样就可以测得β-粒子的动能。即便这两种测量方式我在之前的实验中已经学到，但我却根本没有想过这两部分实验仪器合起来便能进行相对论验证，这也说明了我在实验原理的理解以及思考方面还存在很大的不足之处。 本实验的实验装置如右图，其主要可 以分为四大部分:放射源、能量探测器、 真空系统和磁场区域。放射源选用的是 90Sr，为实验提供能量为0-2.274Mev的 -β粒子;能量探测器系统就是我之前提 到的γ能谱仪中的实验装置，电子的能 量可以被光电倍增管所接收;真空系统 -是为了消除空气中的气体分子与β粒子 碰撞从而影响运动的轨迹;而均匀磁场 区域是使得电子得以偏转，从而求出其 动量值。在均匀磁场区域的出口，依次排列着八个狭缝，每个狭缝对应着一个特定R值的轨道。在测量电子动能时，需将能量探测器的探头对准狭缝。所以说本实验装置所能测得的只是特定速度的电子其动能与动量的值，但这已足够区别相对论与经典力学对于高速物体描述上的差异。 为了验证相对论性，我们将测得的电子动量乘以光速c后得到的结果与测得的电子动能作比较(两个物理量的单位都为Mev)。按经典力学中对P与E的定k义可以得到如下表达式: 12Emv,k2 Pmv, 222EPmPcmc,,/2()/2k 而采用相对论关系可以得到以下表达式: 1222Emcmcmc,,,,(1)00k221/,vc mv0 Pmv,,221/,vc 2242EPcmcmc,，,()00k 上述两组方程式可以得到如右图的 结果。由经典理论得到的E与Pck 曲线为一条二次曲线，而由相对论 得到的曲线在E较大时呈一直线。k 实验的最终目的便是比较测量得到 的结果更符合哪条曲线。 实验结果与分析 实验的具体步骤以及实验过程 中遇到的一些问题及其解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 都 已经在本次实验的实验本上详细 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了，所以我在这里就不再详细重复了。由于实验仪器并没有外接输出设备，所以我没有将最后得到的图象复制下来，屏幕输出的数字结果则已附在实验记录本中。实验最后的结果如同与其所预料的那样，E与Pc的关系基本上符合相对论的计算结果。测量得到的E与Pc曲线比理论相kk 对论曲线略高一些，各个测量点与理论值的误差在5%以内，故认为实验结果满意，成功的验证了相对论性。 对于实验中的误差，在分析了实验结果并且参考了部分资料后，我大致认为有以下几个原因: 一)磁场区域的非均匀性 -由于β粒子通过的磁场区域并不能做到场强完全处处相等，特别是在粒子入 射合出射区域，磁场的边缘效应会比较明显，故需要用合理的方法拟合出粒 子经过区域的磁场强度。在最后结果通过计算机拟合时，我们分别用均匀磁 场法和等效磁场法对结果进行了计算。其中，均匀磁场法是将整个粒子穿越 -的区域磁场强度做一个加权平均，计算β粒子动量实以加权平均的结果作为 匀强磁场的场强。这样拟合的结果并不能有效地消除磁场边缘效应对实验结 -果的影响。所以在最后结果计算时，在磁场中偏转路径较短β粒子误差更大 -一些，原因便是这部分β粒子受磁场边缘效应影响更为显著。而等效磁场法 -是将β粒子经过的整个路径微分后进行计算，这样的拟合结果更符合实际情 况，所以从实验结果上可以看出其误差要更小一些。磁场等效拟合仅仅对β --粒子的动量测量带来误差，而对β粒子的能量没有任何影响。 -二)密封膜(封箱带)和探头Al膜对β粒子能量的影响 -为了保持β粒子偏转路径上不会遇到其它粒子并与之发生碰撞，以免影响β -粒子的速度，磁场区域被密封膜(本实验中用的是普通的封箱带)密封并将 -内部空间抽成低真空状态。由于β粒子需要进出两次穿过封箱带，所以实际 -上β粒子的速度在两次与封箱带接触时都会发生改变。由于粒子在磁场偏转 -时的速度为第一次入射真空区域时的速的，故发射源发射的β粒子第一次与 -封箱带接触并不会对实验带来误差。但是，当β粒子出射磁场区域时再次与 封箱带接触，便会使得光电倍增管收集到的能量要小于实际通过此缝隙出射 粒子的能量。同样，能量探测器最前端的Al膜也会起到类似于封箱带的影 响。虽然最后数据输入计算机进行拟合时，能够有效地去除这两部分接触对 -β粒子能量的影响，但由于这种能量损失计算也是依赖于经验公式，实际实 验环境(如温度、湿度等)仍然会多多少少影响到能量的损失多少，给最终 -的实验结果带来误差。需要说明的是由于β粒子仅于磁场强度大小和轨道半 -径有关，故此部分影响仅针对能量，而不会引起β粒子动量的误差。 三)能量探测器本底干扰 在做γ能谱仪实验时，我便已经观察到收集得到的能谱上接近于0道数出有 部分能量与理论差异很大，经过资料的阅读以及询问老师，得到的结果是此 部分为多道收集所产生的本底。由于本底大致呈现左高右低的样子(即能量 较低处本底较为明显)，所以实际上本底是将能谱整体向左移动，并且越是 -靠近0道数的区域其平移幅度也越大。由于我定标和实际测量每个β粒子出 射能量时，各峰值差异很大且分布十分分散，可以近似认为本底对每个能量 测量的影响大致抵消。我认为较好地消除本底影响的方法是在测量记录能谱 之前能做一个本底记录，并在最后的实验结果上去除。这个误差消除的过程 可以直接在计算机拟合当中进行处理。 实验小结 对本实验，我还有以下几点自己的感受。首先，用相对论性动量与相对论性能量的比较验证狭义相对论是本实验设计中最为独到也是成功的一点。我在阅读了实验资料后对此方法很是佩服，也有一种豁然开朗的感觉。对于某些定理或定律的验证往往不是停留在测量物理量并比较这一步上，更可以通过两个甚至更多物理量的比值或者乘积的比较得出结论。在以后实验设计中，这样的思维方式有时候可能会很有帮助。 第二点值得借鉴的是在对电子动量和动能的测量上。由于经典力学和相对论力学对高速运动物体的质量定义上有差异，所以直接用动量或者动能的定义式是肯定做不出结果的。于是实验中采用两种力学中都承认的电子在磁场中偏转的洛 仑兹公式计算动量，将动量值转化为有关于电子电荷e、轨道半径R以及磁感应强度B的物理量，避免了对于电子质量m的不同认识，同时也不用花费精力测量的电子速度v。而在测量动能时，其采取了用能量探测器进行线形放大，将微观能量放大成计数能量，并用以直能谱进行定标的方式确认能量值。这种思维方式在很多实验过程中都会用到，尽量避免那些难以测量的物理量或难以观察的物理现象，用自己较为熟悉或者易得到的取而代之，类似于很多实验中用宏观量代替微观量的原理。这样做不仅提高了实验的效率、简化了实验，更可以避免复杂测量时所带来的难以估量或消除的实验误差。 此外，我认为这套仪器在对实验误差进行最小化后还可以适当的进行一些相对论中的定量实验。由于我本次实验属于定性实验，故最后实验误差小于5%已经是十分满意的结果了，但这对于定量实验是肯定不够的。对于实验误差的产生，我在实验结果与讨论中也已经详细的分析过了，我自己认为要消除这些影响并不是一件很困难的事情。 -最后，我还有一个小小的疑惑希望能够得到解答。因为在测量本实验中β粒子的动量时，我们用了已知能谱的放射性元素进行了道数与能量的定标。我的疑惑便是这些已知的能谱是用何种方式获得的,如果说在测量这些放射性元素的能谱是已经用到了部分相对论原理，那么我觉得本次实验就失去了其意义，变成了用定理的推论来证明定理的荒唐行为了。如果没有用到相对论性原理，那么怎么在测量能量时，如同本实验中测量动量那样避开经典力学与相对论对高速运动物体质量的不同理解, 参考资料 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 籍资料:近代物理实验、近代物理实验补充讲义、实验室参考资料 网上资料:复旦大学物理实验室网站、天津大学物理实验室网站 A13 郑晔夫 0572433 光信息科学与技术