2025年高二物理下學(xué)期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)試題實(shí)驗(yàn)一：分光計(jì)調(diào)節(jié)與光柵衍射虛擬實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)虛擬仿真平臺(tái)掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法，理解望遠(yuǎn)鏡、平行光管及載物臺(tái)的協(xié)同工作原理。利用光柵衍射測(cè)量鈉光燈的波長(zhǎng)，驗(yàn)證衍射公式(d\sin\theta=k\lambda)（(k=0,\pm1,\pm2...)）。分析光柵常數(shù)(d)與衍射條紋間距的關(guān)系，培養(yǎng)誤差分析能力。二、實(shí)驗(yàn)器材虛擬分光計(jì)（含望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺(tái)、刻度盤）、透射光柵（已知光柵常數(shù)(d=1.67\times10^{-6}\\text{m})）、鈉光燈（波長(zhǎng)(\lambda=589.3\\text{nm})）、游標(biāo)卡尺（精度0.02mm）。三、實(shí)驗(yàn)步驟分光計(jì)調(diào)節(jié)打開虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇“分光計(jì)調(diào)節(jié)模塊”，按照“自準(zhǔn)直法”調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)焦手輪，使分劃板十字叉絲清晰；伸縮物鏡套筒，直至平面反射鏡反射的綠色亮十字與叉絲無(wú)視差。調(diào)節(jié)載物臺(tái)水平：將平面反射鏡放置于載物臺(tái)兩調(diào)平螺絲中垂線上，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)180°，若反射亮十字左右偏移，調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺絲消除高差，反復(fù)操作至亮十字始終位于叉絲上。調(diào)節(jié)平行光管：打開鈉光燈，調(diào)節(jié)平行光管狹縫寬度至0.5mm，移動(dòng)狹縫套筒使狹縫像清晰且與叉絲等高，鎖定平行光管。光柵衍射測(cè)量將光柵垂直放置于載物臺(tái)中央，轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)使光柵平面與平行光管光軸垂直（通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察光柵反射的亮十字是否與叉絲重合判斷）。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡至左側(cè)，依次記錄(k=-2,-1)級(jí)衍射條紋的角位置(\theta_{-2},\theta_{-1})；同理記錄右側(cè)(k=1,2)級(jí)條紋的角位置(\theta_1,\theta_2)。重復(fù)測(cè)量3次，計(jì)算各級(jí)條紋的平均衍射角(\theta_k=\frac{|\theta_k-\theta_{-k}|}{2})。四、數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)記錄（示例）|衍射級(jí)次(k)|左游標(biāo)讀數(shù)(\theta_{-k})|右游標(biāo)讀數(shù)(\theta_k)|平均衍射角(\theta_k)（°）|(\sin\theta_k)||------------------|------------------------------|----------------------------|--------------------------------|-------------------||1|335°12′|24°48′|15.0°|0.2588||2|320°24′|39°36′|30.0°|0.5000|波長(zhǎng)計(jì)算根據(jù)公式(\lambda=\frac{d\sin\theta_k}{k})，代入(k=1)時(shí)數(shù)據(jù)：(\lambda=\frac{1.67\times10^{-6}\\text{m}\times0.2588}{1}\approx4.32\times10^{-7}\\text{m}=432\\text{nm})（實(shí)測(cè)值與理論值589.3nm偏差較大，需檢查光柵是否垂直或讀數(shù)誤差）。誤差分析系統(tǒng)誤差：光柵平面與光軸不垂直導(dǎo)致衍射角偏小；狹縫過(guò)寬使條紋模糊，游標(biāo)讀數(shù)存在估讀誤差。改進(jìn)建議：使用“各半調(diào)節(jié)法”精確調(diào)整載物臺(tái)水平；采用測(cè)微目鏡替代游標(biāo)卡尺讀數(shù)。五、思考題若光柵平面與平行光管光軸不垂直，會(huì)對(duì)衍射條紋產(chǎn)生什么影響？（提示：導(dǎo)致左右衍射角不對(duì)稱，測(cè)量波長(zhǎng)偏小或偏大）當(dāng)光柵常數(shù)(d)減小時(shí)，同級(jí)衍射條紋的衍射角如何變化？（提示：根據(jù)公式(\theta=\arcsin(\frac{k\lambda}z3jilz61osys))，(d)減小則(\theta)增大）實(shí)驗(yàn)二：交流電橋虛擬實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆栈菟雇姌虻钠胶鈼l件，理解交流電橋測(cè)量電容、電感的原理。通過(guò)虛擬仿真操作，測(cè)量未知電容(C_x)和電感(L_x)的參數(shù)，比較理論值與實(shí)驗(yàn)值差異。二、實(shí)驗(yàn)原理交流電橋平衡條件為：各橋臂阻抗?jié)M足(Z_1Z_3=Z_2Z_4)，即模值平衡(|Z_1||Z_3|=|Z_2||Z_4|)和相位平衡(\varphi_1+\varphi_3=\varphi_2+\varphi_4)。電容測(cè)量：采用串聯(lián)電阻式電容橋，橋臂配置為(Z_1=R_1)（標(biāo)準(zhǔn)電阻），(Z_2=R_2)（標(biāo)準(zhǔn)電阻），(Z_3=R_3+\frac{1}{j\omegaC_3})（標(biāo)準(zhǔn)電容與電阻串聯(lián)），(Z_x=R_x+\frac{1}{j\omegaC_x})（未知電容）。平衡時(shí)(C_x=C_3\cdot\frac{R_2}{R_1})，(R_x=R_3\cdot\frac{R_2}{R_1})。電感測(cè)量：采用麥克斯韋電感橋，橋臂配置類似，平衡時(shí)(L_x=L_3\cdot\frac{R_2}{R_1})，(R_x=R_3\cdot\frac{R_2}{R_1})。三、實(shí)驗(yàn)步驟電容測(cè)量打開虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“交流電橋模塊”，選擇“電容測(cè)量”模式，連接電路：電源（頻率(f=1000\\text{Hz})）、檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電阻箱(R_1=1000\\Omega)、(R_2=2000\\Omega)、標(biāo)準(zhǔn)電容(C_3=0.1\\mu\text{F})、(R_3=500\\Omega)，未知電容(C_x)（標(biāo)記為“CX-1”）。調(diào)節(jié)(R_3)和(C_3)，反復(fù)調(diào)節(jié)直至檢流計(jì)示數(shù)最?。ㄆ胶鉅顟B(tài)），記錄此時(shí)(R_3=502\\Omega)，(C_3=0.098\\mu\text{F})。電感測(cè)量切換至“電感測(cè)量”模式，接入標(biāo)準(zhǔn)電感(L_3=10\\text{mH})、(R_3=100\\Omega)，未知電感(L_x)（標(biāo)記為“LX-1”），調(diào)節(jié)(R_3=105\\Omega)時(shí)檢流計(jì)平衡。四、數(shù)據(jù)處理計(jì)算未知電容：(C_x=C_3\cdot\frac{R_2}{R_1}=0.098\\mu\text{F}\times\frac{2000}{1000}=0.196\\mu\text{F})(R_x=R_3\cdot\frac{R_2}{R_1}=502\\Omega\times2=1004\\Omega)計(jì)算未知電感：(L_x=L_3\cdot\frac{R_2}{R_1}=10\\text{mH}\times2=20\\text{mH})(R_x=105\\Omega\times2=210\\Omega)實(shí)驗(yàn)三：示波器虛擬實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜な静ㄆ鞯拿姘骞δ?，掌握信?hào)波形的觀察與參數(shù)測(cè)量方法。利用示波器測(cè)量正弦交流電的峰峰值、頻率及相位差。二、實(shí)驗(yàn)器材虛擬示波器（型號(hào)“YB4320G”）、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、待測(cè)正弦信號(hào)源、同軸電纜2根。三、實(shí)驗(yàn)步驟示波器校準(zhǔn)打開虛擬示波器，按下“CAL”鍵，將校準(zhǔn)信號(hào)（1kHz，3Vpp）接入CH1通道，調(diào)節(jié)“垂直衰減”旋鈕（VOLTS/DIV）至“1V”，“水平掃描”旋鈕（TIME/DIV）至“0.5ms”，觀察方波波形。調(diào)節(jié)“聚焦”和“輝度”旋鈕使波形清晰，調(diào)節(jié)“CH1位移”使波形居中，通過(guò)“光標(biāo)測(cè)量”功能讀取峰峰值(V_{pp}=3.0\\text{V})，周期(T=1.0\\text{ms})，與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比校準(zhǔn)。測(cè)量待測(cè)信號(hào)參數(shù)將待測(cè)正弦信號(hào)接入CH1，調(diào)節(jié)“垂直衰減”至“2V”，“水平掃描”至“1ms”，觀察波形穩(wěn)定后，使用“自動(dòng)測(cè)量”功能讀?。悍宸逯?V_{pp}=4.2\\text{V})，頻率(f=500\\text{Hz})，有效值(V_{\text{rms}}=\frac{V_{pp}}{2\sqrt{2}}\approx1.48\\text{V})。測(cè)量?jī)尚盘?hào)相位差將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)（f=500Hz）接入CH2，調(diào)節(jié)“觸發(fā)源”為“CH1”，“水平模式”為“XY”，屏幕顯示李薩如圖形（橢圓）。讀取橢圓與X軸交點(diǎn)坐標(biāo)(x_1=2.0\\text{div})，(x_2=-2.0\\text{div})，根據(jù)公式(\Delta\varphi=\arcsin\left(\frac{x_1-x_2}{x_1+x_2}\right)=0)（同相位）。四、注意事項(xiàng)示波器探頭應(yīng)使用“×10”衰減檔，避免信號(hào)過(guò)載；測(cè)量相位差時(shí)，兩信號(hào)頻率必須嚴(yán)格相等，否則李薩如圖形會(huì)旋轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)四：熱力學(xué)定律虛擬仿真（拓展實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦锰摂M仿真軟件模擬理想氣體等溫、等容、等壓過(guò)程，驗(yàn)證熱力學(xué)第一定律(\DeltaU=Q+W)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在“熱力學(xué)仿真平臺(tái)”中，選擇1mol理想氣體（(C_V=\frac{3}{2}R)），設(shè)定初始狀態(tài)(p_1=1\\text{atm})，(V_1=22.4\\text{L})，(T_1=273\\text{K})。等溫膨脹過(guò)程：保持溫度(T=273\\text{K})不變，緩慢減小外壓至(p_2=0.5\\text{atm})，記錄體積(V_2=44.8\\text{L})，計(jì)算功(W=nRT\ln\frac{V_2}{V_1}=1\times8.31\times273\times\ln2\approx1573\\text{J})，內(nèi)能變化(\DeltaU=0)，吸熱量(Q=-W=1573\\text{J})。等容升溫過(guò)程：保持體積(V=22.4\\text{L})不變，加熱使溫度升至(T_2=373\\text{K})，計(jì)算(\DeltaU=nC_V\DeltaT=1\times12.47\times100=1247\\text{J})，(W=0