首届全国大学生物理实验竞赛试题解答与考试评析 (1)

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1、万方数据第31卷第11期2011年11月物理实验PHYSICSEXPERIMENTATIONVol-31No．1lNov．，2011首届全国大学生物理实验竞赛试题解答与考试评析陶小平，张权，祝巍，张增明，孙腊珍(中国科学技术大学物理实验教学中心，安徽合肥230026)摘要：首届全国大学生物理实验竞赛中的基础性试题为“测量霍尔片的电学性质和锑化铟片的磁阻特性”和“用双光栅Lau效应测量平板玻璃的折射率”两道题。综合性、研究性试题为“用两种方法研究光在不同浓度罗丹明6G溶液中的传播速度”和“研究氧化铟锡(Indium—Tin0xide)lT0薄膜的电阻特性”两道题．本文介绍竞赛试题的实验内

2、容、实验原理及部分答案，并对参赛学生的实验考试结果进行分析．关键词：物理实验竞赛；霍尔效应；磁阻效应；Lau效应；折射率；表面等离激元共振(SPR)中图分类号：G424．79文献标识码：A文章编号：1005—4642(2011)11一0030—07l引言首届全国大学生物理实验竞赛于20lo年12月24日至12月26日在中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心举行．本次竞赛由教育部高等教育司主办，高等学校国家级实验教学示范中心联席会协办，中国科学技术大学物理实验教学中心承办．竞赛的宗旨是激发大学生对物理实验的兴趣与潜能，培养大学生的创新能力、实践能力和团队协作意识，促进高等学校物理实验教

3、学的改革．来自全国34个国家级物理实验教学示范中心的34个代表队(4人／代表队)共136名大学生选手参加了本次竞赛．竞赛命题紧紧围绕大赛宗旨，试题分为基础性物理实验和综合性、研究性物理实验题两大类．每代表队由2人分别单独参加2个4h的基础性物理实验题；另2名选手合作参加8h的综合性、研究性物理实验题．经过评审专家组的评审和竞赛组委会审议，评选出一等奖20名(基础性试题8名，综合性、研究性试题12名)；二等奖36名(基础性试题16名，综合性、研究性试题20名)，三等奖80名(基础性试题44名，综合性、研究性试题36名)．中国科学技术大学物理实验教学中心承担了本次竞赛的组织、命题，部分实验

4、仪器装置的研制和实验场地的准备等工作．本文对首届全国大学生物理实验竞赛的考试结果及竞赛中存在的问题进行了分析，希望对促进各高校进一步加强学生实践能力的培养，促进物理实验教学改革提供有益的借鉴．2基础性试题的解答与评析基础性实验题为“测量霍尔片的电学性质和锑化铟片的磁阻特性”和“用双光栅Lau效应测量平板玻璃的折射率”两道题，均在独立实验台上的装置完成，每道题时限4h．2．1试题l测量霍尔片的电学性质和锑化铟片的磁阻特性2．1．1引言1879年，美国物理学家霍尔(EdwinHerbertHall)发现了霍尔效应(HaUeffect)．霍尔效应是指在金属或半导体中通以电流，并在垂直于电流方

5、向加一磁场时，在物体中既与磁场又和电流垂直的方向上会产生电势差的现象．1857年，英国物理学家威廉·汤姆逊(williamThomson)发现了磁阻效应(Magnetoresistanceeffect)．磁阻效应是指半导体在外加磁场作用下电阻率增大的现象．当半导体受到与电流方向垂直的磁场作用时，由于半导体中载流子的速度有一定的分布，某些速度的载流子，霍尔电场的作用与洛伦兹力的作用刚好抵消，这些载流子的运动方向不偏转，而大于或小于此速度的载流子，运动方向发生偏转，导致沿电流方向的速度分量减小，电流变弱，从而收稿日期：2011一08—22作者简介：陶小平(1965一)，男，安徽当涂人。中国

6、科学技术大学物理学院讲师，博士，从事物理教学和低温等离子体应用及脉冲功率技术研究．万方数据第11期陶小平，等：首届全国大学生物理实验竞赛试题解答与考试评析31电阻率增加．2．1．2实验研究的问题1)测量霍尔片的不等位电势，并判断该材料的导电类型，计算其载流子浓度及电导率；2)研究锑化铟片的电阻与磁感应强度变化的关系，在坐标纸上画出数据点并进行分析．2．1．3实验仪器1)测量霍尔片电学性质的器材：霍尔片(图1)、电磁铁(具体参量见仪器)、霍尔效应测试仪、双刀双掷开关、导线若干以及小磁针(箭头指向磁感应强度方向)．(a)霍尔片示意图图1D(b)霍尔片侧视图霍尔片D霍尔片几何参量：厚度d—O

7、．500mm，宽度6—4．00mm，接点A和B间的距离Z=3．00mm．霍尔电压VH为vH一晶6：上学：RH学，(1)式中EH为霍尔电场，工。为霍尔片的工作电流，B为磁感应强度，RH为霍尔系数，，z为载流子浓度，P为电子电量．电导率d为巧一菇=尚，㈤巧一丽2踊’(z)式中U为不加磁场时接点A和B之间(或接点A7和B7之间)的电压，称为电导电压，S为霍尔片截面面积．2)测量锑化铟片磁阻特性的器材：锑化铟片(图2，B为外加磁场的磁感应强度，k为通过